基于QC模式的提升注水泵单耗达标率措施研究

张 静

（延长油田股份有限公司吴起采油厂，陕西 延安 717600）

0 引言

注水泵注水单耗是指注入单位水量的能源消耗。从做功角度看，注水泵的柱塞行程及柱塞面积是一定的，高注入压力意味着高单耗水平。从功率角度看，为确保完成注水量，如果泵效低下则必须提高输入功率，即增加单耗水平。影响单耗水平的其他原因还有设备带病生产、井下堵塞以及维护保养不到位等[1]。结合企业一段时期内多台注水泵单耗水平历史数据发现，造成单耗水平达标率低的主要原因是注水压力高和泵效低下[2]。而通过QC 模式控制对注水泵单耗关键节点进行全面评价则无疑是提升注水泵单耗达标率的一种有效途径。

1 要因分析

该文结合注水泵单耗历史数据，并运用头脑风暴法总结提出了导致注水压力高和泵效低下的14 条原因，并通过关联图分析法确定了7 个末端因素（如图1 所示）。

图1 注水泵单耗水平达标率低的原因分析关联图

2 要因确认

针对以上7 项末端因素，该文运用QC 法建立了注水泵单耗水平达标率低的要因确认计划表（见表1），并分别进行了要因确认，再将末端因素进行逐一验证，最终确定地层存在堵塞、污水处理工艺水平低、阀板材质强度低、板式密封接触面积大是导致注水泵单耗水平达标率低的4 个最主要因素。

表1 QC 模式下注水泵单耗水平达标率低的要因确认表

2.1 地层存在堵塞

该文从注水井中选取4 口注水压力较高的水井，关井后记录油压落零时间并测量动液面，折算地层压力后进行分析。从压力恢复情况来看，各井停注关井后无反吐现象，折算地层压力与原始地层压力相近，结合注入量判断地层仍然具备吸水能力。但油压落零时间较长，说明存在一定堵塞。

分析认为，虽然地层静态仍然具备吸水能力，但在高强度注水的冲刷下，近井地带的岩石基质逐渐碎裂，碎屑与注入水中的杂质一同向深部涌入，近井地带渗透率不断降低且随着注水时间的增加，降低态势更加严重，表现为注水压力逐年升高，而解决近井地带的堵塞问题能够有效降低注入压力。因此，地层存在堵塞是导致注水泵单耗水平达标率低的要因之一。

2.2 污水处理工艺水平低

采出液在采油厂集输联合站经二次沉降后分离出的污水不再经除油、过滤等措施便直接回注。将回注水质和经处理后污水的水质进行对比，可发现其中的固态悬浮物及含油量指标均较高。

分析认为，边外注水固态悬浮物含量高且含油量高，会从2 个方面导致注水能耗上升，一是固态悬浮物堵塞近井地带孔道，造成渗透率下降，注入压力升高；二是注入介质中的固态悬浮物外表粘上原油，易粘黏在柱塞泵阀板及阀座上，造成阀板关闭不严，在高压下易发生刺漏，进而导致泵效快速下降，注水单耗升高。

将同型柱塞泵在不同介质情况下的运行情况进行对比可以看出，联合站部分精细注水泵介质为处理后注入水，泵效能够长时间保持在90%以上，而边部注水泵因泵效下降快，维修周期仅为15d 左右，给现场带来了繁重的工作量（见表2）。因此该文认为污水处理工艺水平低是导致注水泵单耗水平达标率低的要因之一。

表2 边部注水泵与精细注水泵运行情况对比

2.3 阀板材质强度低

联合站注水泵阀座的材质是合金钢，阀板的材质是MC尼龙。调研其技术参数可发现同等体积下的合金钢阀板质量约是MC 尼龙阀板质量的7 倍。合金钢制阀板因为自重太大，安装后会发生下垂，进而与阀座贴合不严，存在夹角，无法发挥密封作用（如图2 所示），因此只能选择密度、硬度均较小的MC 尼龙材质阀板。

图2 合金钢阀板与阀座贴合不严

然而从现场故障照片中可以看出，当出现刺漏情况时，硬度低的尼龙阀板损坏更加严重（如图3 所示）。

图3 尼龙质阀板刺漏现场图

通过统计注水点2 台泵的故障原因可发现阀板刺漏占总故障原因的47%，几乎占了故障原因的近一半，而硬度低是导致阀板刺漏的直接原因。

2.4 板式密封接触面积大

柱塞泵工作原理是通过柱塞后拉与前推改变吸入阀与柱塞、排出阀与柱塞的密闭腔容积，使排出液体，并通过吸入/排出阀板与阀座的板式贴合实现密封。

当阀板上粘黏固态杂质时，阀板会闭合不严，形成细微的高压渗流通道。高速液流如同水刀一般切割阀板及阀座的材质表面，从起初的刺痕迅速发育，最终形成凹槽，导致密封失效，泵效显著下降。

该文更换了4 台回注泵的全套阀板、阀座、柱塞配件后跟踪泵效曲线，发现10d 左右泵效即下降到60%以下，平均泵效71%。统计并跟踪10d 内阀板磨损情况发现，当前注水泵的吸入阀密封面积为32.2cm2，排出阀密封面积为13.3cm2。在目前水质条件下，阀板密封接触面越大，固态杂质垫在接触面中的概率就越大，对泵效的影响就会越严重。因此判断板式密封接触面积大是导致注水泵单耗水平达标率低的要因之一。

3 制定对策与实施

3.1 制定对策

该文针对上述4 个要因逐项进行对策优选，确定了针对性的提升注水泵单耗达标率的对策方案（见表3）

表3 提升注水泵单耗达标率对策表

3.2 对策实施

3.2.1 实施酸化解堵

按照酸液成分及作用机理设计优选了酸洗解堵液配方（见表4）。

表4 酸洗解堵液配方

酸液中起主要作用的是盐酸和氢氟酸，将二者按一定比例配合后使用。其中氢氟酸可以溶解岩石中的所有组分，包括酸盐岩、硅酸岩和石英，这些也是地层岩石骨架及固态悬浮物的主要成分。

在确认酸洗解堵液配方的基础上，将酸液由泵车挤入地层，然后直接注水，扩大酸液波及范围。并在联合站注入压力最高的井上进行试验，结果发现酸洗后压力下降了5.2MPa，说明酸洗解堵见效。同时注水单耗下降1.52kW·h/m3，说明注入压力下降能够显著降低能耗。再在工区全部水井中组织酸洗，平均注入压力下降3.89MPa，达到了降低能耗的目标要求。

3.2.2 延长沉降时间

原先是采出液进联合站相应罐（一级沉降），污水进相应罐（二级沉降）分离后回注。优化后改为采出液进相应罐（一级），分水至相应罐（二级）沉降后，再利用掺水系统返回下游联合站相应罐（三级）进行沉降后回注，如此将原先的二次沉降改为三次沉降，平均沉降时间增加了6.8h。

对回注污水水质进行跟踪化验发现，流程优化前、后固态悬浮物含量下降了31.8%，含油量下降了36.5%。

3.2.3 设计立式泵头

针对注水泵水平式液力端存在的阀板材质强度低和板式密封接触面积大的问题，该文采用了设计立式液力端的解决思路，其进排水阀立式阀结构简图如图4 所示。和水平阀密封面接触面积相比，立式阀的锥面密封面积减少了75%，材质强度增加了122%。同时因为其为锥面设计，阀芯关闭时还能将杂质撞碎，开启时杂质被水冲走，有效解决了注入水中固态悬浮物带来的密封面发生刺漏、泵效下降等问题。

图4 立式阀结构图

针对该文设计的新型立式阀和液力端，制造厂家制作了新型液力端并组织现场试用，第一批更换了5 台液力端。在泵效保持90%以上的情况下，维修周期大幅度延长，从不足半月达到97.4d；在相同参数和日耗电量的情况下，平均注水单耗由4.43kW·h/m3下降至3.70kW·h/m3，更换泵头后可使单耗下降41.5%。平均泵效达86.99%。

4 措施应用效果

对2022年度5月—12月措施实施后的注水泵单耗达标率情况统计发现，联合站注水泵站单井注水压力由9.88MPa 下降至5.51MPa，单耗水平由4.37kW·h/m3下降至2.63kW·h/m3，下降了39.8%，只有一口井因酸洗降压效果不明显，单耗水平未能达标。8 个月考核单耗指标合格率达87.5%，提升效果显著。

5 结论

该文通过QC 模式进行关联图分析，明确了造成联合站注水泵单耗水平达标率低的主要原因是注水压力高和泵效低下。地层存在堵塞、污水处理工艺水平低、阀板材质强度低、板式密封接触面积大是导致注水压力高和泵效低下的4个主要因素。1）通过实施酸化解堵，提升了近井地带渗透率，平均注入压力下降了3MPa 以上，有效解决了注水过程中地层存在堵塞的问题。2）通过增加一级沉降，延长沉降时间，跟踪水质变化发现固态悬浮物及原油含量比目前减少了30%，解决了边外注水水质差的问题。3）通过设计应用立式泵并投产后发现泵效在3 个月内始终保持在85%以上，彻底解决了阀板材质强度低和板式密封接触面积大的问题。4）通过基于QC 模式的提升注水泵单耗达标率的措施实施，联合站注水泵单耗达标率达87.5%，降低了注水压力。不仅保证了注水工作的连续运行，还减少了安全环保风险，综合效益十分显著。