液力平衡式增壓泵的故障原因分析及工藝設計改進建議

楊麗峰 楊麗明 任淼淼

1大慶油田有限責任公司第八采油廠

2大慶油田有限責任公司第九采油廠

3中國石油新疆油田分公司

大慶外圍油田滲透率低、儲層物性差，注水開發后注水井的注水壓力上升快，欠注井日益增多。采取增壓注水措施后，欠注井得到了很好的治理，但在生產過程中，增壓設備存在工況不匹配、故障率高的問題，主要表現為軸瓦燒研。目前在用的增壓設備以“小排量、大壓差”的設計參數為主，為此從壓力平衡角度提出分工況設計的建議，以減輕機泵設計能力與實際工況不匹配帶來的故障率高的問題，使增壓泵在合理區運行[1]，保證增壓工藝的平穩運行。

1 增壓泵應用現狀

目前26臺在用的增壓泵中有5臺存在軸瓦燒研的問題，投產初期機泵的維修費用高達3萬元/臺，設備運行時率只有11%，分析原因主要有以下兩個方面：

（1）液力端閥片損壞。受注水工藝特殊性影響，柱塞泵的故障多，且多數集中在液力端[2]。運行過程中，增壓泵的柱塞受到電動機傳遞的動力和高壓水的壓力作用，當液力端閥片損壞后，連桿在返回的行程受高壓水作用，對軸瓦和軸頸造成沖擊，交變載荷次數增多，引起軸瓦溫度升高。目前有4臺增壓泵在投用的第1年閥片損壞就高達20次。

這類問題多出現在投產初期，由施工焊渣掉落、來水水質差等原因導致，屬于可控因素，通過增加過濾器、定期檢查閥片或更換復位彈簧[3]可基本解決。

（2）實際增壓范圍遠低于設計能力。增壓泵的實際增壓范圍Δpreal低于設計能力Δpdesign較多時，機泵的進、排液壓力不平衡，就會出現軸瓦磨損、機油溫度升高現象。增壓泵的設計參數是根據開發預測值確定，但實際壓力變化與預測值之間往往存在差異，這就導致機泵設計能力與運行工況不匹配、故障率高。目前19臺在用的增壓泵在投產前半年因為注水井壓力上升緩慢出現了機泵設計能力富余的情況，其中5臺泵反復出現軸瓦燒研。

這類問題的發生屬于人為不可控因素且難以避免，很難事先采取合理的手段來預防，因此，做好壓力平衡對保障液力平衡式增壓泵的正常工作至關重要。

2 液力平衡條件

往復式柱塞泵由柱塞、連桿、曲軸組成一個曲軸連桿機構，工作時通過曲柄連桿把電動機的旋轉運動轉化為柱塞的往復運動[4]，動力端靠曲軸、連桿運動時飛濺的潤滑油潤滑。

與柱塞式注水泵不同，增壓泵由于來水壓力高，在曲軸向回運動時，軸瓦與曲軸不易脫開，無法形成間隙，潤滑油難以形成油膜起到潤滑作用，后果就是軸瓦燒研。液力平衡式增壓泵是將柱塞加工成階梯式，階梯式柱塞與兩套密封一起形成平衡腔。平衡腔兩端分別與泵出口和平衡腔相連，使柱塞兩端受力達到平衡，降低動力部件的摩擦[5]。

增壓泵在運行過程中，由于泵進、出口壓力的變化，柱塞大、小端受力不同，通常用平衡率ηf來描述平衡狀況，計算公式為

式中：F1為柱塞大端受力，N；F2為環形空間受力，N；D為柱塞大端直徑，mm；d為柱塞小端直徑，mm；p1為進口壓力，MPa；p2為出口壓力，MPa。

由式（3）可知，平衡率的大小與泵的進、出口壓力及柱塞大、小端的直徑有關[6]。因此，生產過程中，進、出口壓力的變化成為影響增壓泵平穩運行的重要因素。一般情況下，平衡率在80%以上設備運行相對平穩。

3 故障原因分析

大慶外圍低滲透油田單井注水量低（15～45 m3/d），注水開發后注水壓力上升速度變化不一。當注水井的注水壓力上升緩慢時，其配套的增壓泵在運行初期就會處于較差的工況環境，不利于設備穩定運行。以1#增壓泵為例，增壓泵建于2016年，設計排量Q=90 m3/d，增壓范圍Δp=7 MPa。投產的第1個月內增壓不足0.3 MPa，運行2月后增壓泵燒瓦停泵，維修后重新運行不足1月再次燒瓦停泵，增壓范圍1 MPa。對1#增壓泵進行平衡率計算及受力分析（表1）。

表1 1#增壓泵平衡率計算及受力分析Tab.1 Calculation of balance rate and force analysis of 1#booster pump

1#增壓泵的最低平衡率ηmin是75%。當泵出口壓力過低時，柱塞在排液過程中，連接桿除了受到柱塞與填料的摩擦力和慣性力，還要承受與柱塞運動方向相反的9 861.56 N的力[7]。受力會通過連桿傳遞給曲軸，由于連桿、曲軸始終受力，油孔受壓，潤滑油不能注入形成油膜潤滑，致使軸瓦與曲軸之間因摩擦而產生大量的熱，聚集的熱量使軸瓦燒研[8]。

當泵速和排量一定時，柱塞的大端直徑D一般不變，根據平衡率計算公式，通過改變柱塞小端直徑d和進、出口的壓力值，可以使平衡率滿足生產要求。對于外圍油田應用的“小排量、大壓差”增壓泵來說，在進、排液過程中小端柱塞的密封盤根始終承受較高的泵排出壓力的作用，易影響密封性能[9]；在優化柱塞小端直徑d來提高平衡率時，如果柱塞小端的尺寸過小，會增大加工難度，且運行中容易產生顫動，難以保證同軸度，導致柱塞偏磨，這樣就使密封效果變差[10]。目前有12臺在用的增壓泵盤根滲漏嚴重，單泵平均日滲漏的水量達2～3 m3，平均1～2個月更換一次盤根。

4 參數調整

在實際生產中，注水井的壓力變化很難準確預測，根據預測值確定的設備能力更是難以保證設備平衡率達到80%以上。因此，考慮到外圍油田使用的增壓泵排量小、壓力高的特點，在優化柱塞小端尺寸存在困難時，可以適度降低設計壓力，先配套低增壓范圍Δplow的柱塞總成，待運行壓力上升到Δplow上限時，更換柱塞總成并增大機泵的設計能力至Δpdesign。因此，選取3臺設計排量相同、設計壓差不同的增壓泵進行出口壓力值調節試驗，使機泵運轉平衡率ηadjust達到80%，接近壓力平衡的狀態（表2）。

表2 平衡率調整計算Tab.2 Calculation of balance rate adjusting

由表2可知，2#增壓泵的最低平衡率ηmin=67.35%，當調節該泵的出口壓力使調整后的平衡率ηadjust達到80%時，增壓泵運行的壓差為3.8MPa，占設計壓差（7 MPa）的54.29%；3#增壓泵的ηmin=75%，當該泵調整后平衡率ηadjust達到80%時，增壓泵運行的壓差為2.0 MPa，占設計壓差（5 MPa）的40%；4#增壓泵的ηmin=79.34%，調整后的平衡率ηadjust達到80%時，增壓泵運行的壓差為0.2 MPa，占設計壓差（4 MPa）的5%。可以看出，相同排量的增壓泵，設計低壓范圍越大的增壓泵，ηmin值越低，想要平穩運行時，提升的壓力就要越高，當ηadjust達到80%時，運行壓差接近設計壓差的50%。

綜上所述，提出分工況設計的建議。在工藝設計階段與機泵廠家結合，觀察根據預測值生產的機泵在不起壓的工況下的最低平衡率。當設備的最低平衡率接近80%時，可按照預測壓力值正常設計；當最低平衡率低于80%時，可考慮降低機泵的增壓能力，按照設計壓差能力的50%配置柱塞總成，并將設計壓差能力的柱塞總成做冷備用；增壓泵的平衡率提高至80%以上后，觀察注水井壓力上升趨勢再酌情改造，由此可以降低設備故障的概率，提高運行時率，保證增壓工藝的平穩運行。

5 結論

（1）增壓注水是提高外圍低滲透油田注水系統效率的有效措施之一，充分利用增壓泵的設計能力提高增壓泵的平衡率，可以降低設備損壞概率，延長機泵的使用壽命，保證增壓注水的平穩運行。

（2）在液力平衡式增壓泵的選用過程中，柱塞大、小端的尺寸選擇及優化工作要兼顧平衡率和設備加工精度，才能保證機泵的正常運行。

（3）機泵的設計能力難以適應未知變化速率的注水壓力，這就需要規劃設計階段進行多方面的考量，提高增壓泵的最低平衡率，做好壓力平衡工作。工藝設計過程中，對于設備最低平衡率接近80%的增壓泵，可按照設計參數正常設計；對于平衡率低于80%的增壓泵，按照設計壓差能力的50%配置柱塞總成，并將設計壓差能力的柱塞總成做冷備用，以避免設備軸瓦燒研等現象的發生，提高機泵的運行時率，保證油田的開發效果。