壓差驅動往復式水力增壓泵研究與應用

任福深，陳素麗，楊萍萍，林春文，徐 峰，常玉連，雷 娜

（1．東北石油大學，黑龍江　大慶163318；2．北京石油機械廠，北京100010；3．大慶油田建設集團，黑龍江　大慶163000）①

壓差驅動往復式水力增壓泵研究與應用

任福深1，陳素麗1，楊萍萍2，林春文3，徐 峰3，常玉連1，雷 娜1

（1．東北石油大學，黑龍江大慶163318；2．北京石油機械廠，北京100010；3．大慶油田建設集團，黑龍江大慶163000）①

油田注水系統是油田生產的一個重要環節，消耗能源巨大。針對油田注水系統高、低壓注水井同處一個注水區塊的工況，提出了一種利用油田管網來水作為主要動力源，使用自行研制的壓差驅動往復式水力增壓泵，將管網來水與低壓井間的壓差能量轉換成高壓井注水能量的解決方案。介紹了壓差驅動往復式水力增壓泵的工作原理及在現場使用過程中流量和壓力的調控方案，確定了更為實用的電控式壓差驅動往復式水力增壓泵的結構方案。現場應用表明了該泵運行平穩，維護方便，結構合理，節能降耗效果明顯。

增壓泵；節能；注水；研究；應用

1　增壓泵工作原理

增壓泵的主要增壓原理是將油田注水管網來水與低壓井注水壓差，傳遞給高壓井，其增壓原理及工作過程，如圖1所示。

圖1　工作原理

增壓泵體總體分為高壓腔和低壓腔兩部分，中間通過實體擋板隔開。根據增壓泵的結構，暫不考慮摩擦阻力，當管網同時進入左側低壓腔和右側高壓腔或者同時進入右側低壓腔和左側高壓腔，管網來水壓力、低壓井配注壓力和高壓井配注壓力滿足式（1）所示的關系時，缸體內的活塞就會形成定向運動，實現了增壓的目的。

式中：pL、pG和pD為管網來水壓力、高壓井配注壓力和低壓井配注壓力，MPa；D為缸體內徑，mm；d為活塞桿直徑，mm。

2　工作過程

1） 當活塞處于缸體左側時，將油田注水管網來水管線與單向閥2和左水口聯通，高壓井管線與單向閥4聯通，低壓井管線與右出水口聯通，管網來水進入缸體推動活塞向右運動。

2） 當活塞處于缸體右側時，將油田注水管網來水管線與單向閥1和右水口聯通，高壓井管線與單向閥3聯通，低壓井管線與左出水口聯通，管網來水進入缸體推動活塞向左運動。

因此，可以在注水系統中查找滿足式（1）的工況，重復上述活塞運動，實現高、低壓井同時注水的工藝。

3　流量與壓力控制

3．1 流量測算與控制

由增壓泵的工作原理可以看出，當腔體結構一定時，高低壓出口的流量比是一定的，具體注入流量大小與腔體機構尺寸有關，流量測算如式（2）所示。

式中，QG和QD分別為單位時間內增壓泵的高壓腔體出水量和低壓腔體出水量，m3／min；s為增壓泵的沖程，mm；n增壓泵的沖次，min－1。

不難得出，式（1）左右兩側差值越大，活塞的運動速度會越快，泵出的水量也就越多。由于該類型的泵主要使用于低壓井較多，高壓井較少的環境，因此高壓水注入流量一般會滿足生產需要，低壓井的流量可以通過調整來水管線與低壓管線的間的閥門來調整。

3．2 壓力調整與控制

由于油田注水系統工況復雜，不同高壓井注水壓力變換較大，高低壓井流量比也可能不一樣，但如果每種壓力變換都重新設計出一種泵，工作量又非常大，既浪費時間又浪費成本。將式（1）整理后得到增壓泵最高輸出壓力與其他因素間的關系如式（3）所示：

基于式（3）可以看出，當管網來水壓力和低壓井配注壓力一定時，不需要對增壓泵整體結構進行大的變動，只需要調整活塞桿直徑，就可以在一定范圍內實現最高輸出壓力和輸出流量的調整，拓寬增壓泵的使用范圍。

4　結構優化與應用

管網來水需要通過增壓泵的換向機構控制，實現向不同腔體注水。理想的增壓泵結構希望通過管網來水來控制增壓泵的換向機構動作，進而實現整個增壓泵在完全不需要其它電力供給的情況下完成整個增壓過程，結構原理如圖2所示。

圖2　機械式全自動壓差驅動往復式水力增壓泵原理

運行過程中，兩側的換向閥進水口都處于關閉狀態，保證換向閥處于鎖死狀態，當活塞帶動換向桿到達缸體一側終點時，會打開另一側換向閥的進水口，依靠管網來水壓力推動換向閥換向。

機械式全自動壓差驅動往復式水力增壓泵在室內研究試驗中，能夠順利實現換向和增壓，測試現場如圖3所示。但是該泵在換向過程中，需要靠活塞的慣性力通過換向過程中的液力平衡點，對結構的密封性能要求較高，泵的啟動控制困難，維護復雜，因此在油田注水系統實際應用中推廣性較差，現場應用如圖4所示。

圖3　測試現場

圖4　第1代機械式全自動增壓泵應用現場

針對全自動增壓泵存在的問題，經過改進設計提出了電控式壓差驅動往復式水力增壓泵，原理如圖5所示。

圖5　電控式壓差驅動往復式水力增壓泵原理

該泵主要添加了1臺小型電機和4個位置傳感器，并能通過遠程的GPRS模塊實現遠程的泵啟動、停止等運行參數的監控，現場應用如圖6所示。

圖6　電控式壓差驅動往復式增壓泵應用現場

當管網來水進入A、C腔，活塞向右運動時，B腔的高壓排水閥打開，實現向高壓井注水，D腔的水通過兩位四通滑閥注入低壓井。當活塞桿運動到接近右端位置時，高壓接近開關1發出電信號，電機啟動正轉，當閥芯運動到接近右端位置時接近開關3發出電信號電機停。閥芯停止運動。當B、D腔進來水，活塞又向左運動，C腔的高壓排水閥打開，實現向高壓井注水，A腔的水通過兩位四通滑閥注入低壓井，周而復始，實現高低壓井同時注水。

由于換向裝置采用外來動力控制，降低了裝置的加工精度要求，節約了加工成本。該類型增壓泵在大慶油田某注水區塊內得到了推廣應用，在不改變原注水工藝的情況下，共裝配了5個配水間，部分現場實測數據如表1所示。

表1　現場應用實測數據

現場使用過程中，通過實地感觀和技術數據測試，該泵運行平穩，無噪聲，操作簡單，容易維護，滿足了該高壓注水井的配注要求，節能效果顯著。

5　結論

1） 針對油田注水系統高、低壓注水井同處一個注水區塊的工況，提出了一種利用油田管網來水作為主要動力的水力增壓泵注水方案。

2） 介紹了壓差驅動往復式水力增壓泵的工作原理及在現場使用過程中的流量和壓力的調控方案。

3） 結合壓差驅動往復式水力增壓泵的結構改進過程，確定了更為實用的電控式壓差驅動往復式水力增壓泵的結構方案。現場應用表明了該泵實用性強，實現了節能降耗的目的。

［1］ 任福深，程曉澤，林莉．油田供水系統調度優化方案研究［J］．石油礦場機械，2007，36（11）：51－54．

［2］ 陳素麗．油田注水節能中心控制系統設計［J］．石油礦場機械，2004，33（6）：72－74．

［3］ 孟勇，秦延才，王金亮．水力活塞增壓注水泵的研究與應用［J］．石油機械，2003，31（12）：25－27．

［4］ 郭俊忠，常玉連，高勝．注水系統運行方案優化研究［J］．系統工程理論與實踐，2002（12）：127－129．

［5］ 任永良，常玉連，邢寶海．油田注水管柱水力模型的建立與求解［J］．系統仿真學報，2007，19（7）：1468－1470．

Research on Differential Drive Reciprocating Hydraulic Booster

REN Fushen1，CHEN Suli1，YANG Pingping2，LIN Chunwen2，
XU Feng2，CHANG Yulian1，LEI Na1
（1．Northeast University of Petroleum，Daqing 163318，China；2．Beijing Petroleum Machinery Co．，
Beijing 100010，China；3．Daqing Oilfield Construction Group，Daqing 163000，China）

Water flooding system in oil field is an important part of oil production and is of tremendous energy consumption．A solution is put forward according to high and low pressure injection wells in a water injection block，oilfield water is used as a primary drive source and differential drive reciprocating hydraulic booster of selfdeveloped is used，which water energy of pdifference between the pipeline and the low pressure wells is converted into high pressure water flooding well energy．The operation principal，working process and control project of the flow and pressure in the using process of this device are introduced in this paper，and more practical structure scheme of electronically controlled differential drive reciprocating hydraulic booster is determined．Field application shows that the booster is running smoothly，maintenance is simple and reasonable structure，and energy saving effect is obvious．

booster；energy saving；water flooding；research；application我國陸上油田主要以注水采油工藝為主，隨著油田開采進入中后期，油水含油比例越來越低，填補底層壓力需要回注的水量也越來越多。由于注水管線堵塞、結垢及地質配注工藝等諸多原因，常有高、低壓注水井處于一個注水區塊的現象［1-3］。為了保證地質配注要求，目前常用的技術措施有2種：一是就高不就低原則，統一提高注水管網來水壓力，保證高壓注水井的配注壓力，同時調整低壓注水井口閥門開度，限制注入流量；二是直接在高壓井口安裝增壓泵。第1種方式由于投資巨大，只適合在高壓井集中的獨立小區塊中使用。由于油田注水管網面積龐大，注水區塊間壓力不均衡［45］，管網來水壓力比低壓井的配注壓力高出很多，因此很多情況下，低注水井也存在截流的現象。針對這類現象，東北石油大學研究了利用管網來水作為動力的活塞泵——壓差驅動式往復式水力增壓泵。該泵將管網來水與低壓注水井間的壓差能量輸送到高壓水井管線上，實現高、低壓井同時注水，節約能源，降低油田生產成本。

TE934．1

B

10．3969／j．issn．1001－3842．2015．09．005

1001-3482（2015）09-0018-04