基于QC模式的提升注水泵單耗達標率措施研究

張 靜

（延長油田股份有限公司吳起采油廠，陜西 延安 717600）

0 引言

注水泵注水單耗是指注入單位水量的能源消耗。從做功角度看，注水泵的柱塞行程及柱塞面積是一定的，高注入壓力意味著高單耗水平。從功率角度看，為確保完成注水量，如果泵效低下則必須提高輸入功率，即增加單耗水平。影響單耗水平的其他原因還有設備帶病生產、井下堵塞以及維護保養不到位等[1]。結合企業一段時期內多臺注水泵單耗水平歷史數據發現，造成單耗水平達標率低的主要原因是注水壓力高和泵效低下[2]。而通過QC 模式控制對注水泵單耗關鍵節點進行全面評價則無疑是提升注水泵單耗達標率的一種有效途徑。

1 要因分析

該文結合注水泵單耗歷史數據，并運用頭腦風暴法總結提出了導致注水壓力高和泵效低下的14 條原因，并通過關聯圖分析法確定了7 個末端因素（如圖1 所示）。

圖1 注水泵單耗水平達標率低的原因分析關聯圖

2 要因確認

針對以上7 項末端因素，該文運用QC 法建立了注水泵單耗水平達標率低的要因確認計劃表（見表1），并分別進行了要因確認，再將末端因素進行逐一驗證，最終確定地層存在堵塞、污水處理工藝水平低、閥板材質強度低、板式密封接觸面積大是導致注水泵單耗水平達標率低的4 個最主要因素。

表1 QC 模式下注水泵單耗水平達標率低的要因確認表

2.1 地層存在堵塞

該文從注水井中選取4 口注水壓力較高的水井，關井后記錄油壓落零時間并測量動液面，折算地層壓力后進行分析。從壓力恢復情況來看，各井停注關井后無反吐現象，折算地層壓力與原始地層壓力相近，結合注入量判斷地層仍然具備吸水能力。但油壓落零時間較長，說明存在一定堵塞。

分析認為，雖然地層靜態仍然具備吸水能力，但在高強度注水的沖刷下，近井地帶的巖石基質逐漸碎裂，碎屑與注入水中的雜質一同向深部涌入，近井地帶滲透率不斷降低且隨著注水時間的增加，降低態勢更加嚴重，表現為注水壓力逐年升高，而解決近井地帶的堵塞問題能夠有效降低注入壓力。因此，地層存在堵塞是導致注水泵單耗水平達標率低的要因之一。

2.2 污水處理工藝水平低

采出液在采油廠集輸聯合站經二次沉降后分離出的污水不再經除油、過濾等措施便直接回注。將回注水質和經處理后污水的水質進行對比，可發現其中的固態懸浮物及含油量指標均較高。

分析認為，邊外注水固態懸浮物含量高且含油量高，會從2 個方面導致注水能耗上升，一是固態懸浮物堵塞近井地帶孔道，造成滲透率下降，注入壓力升高；二是注入介質中的固態懸浮物外表粘上原油，易粘黏在柱塞泵閥板及閥座上，造成閥板關閉不嚴，在高壓下易發生刺漏，進而導致泵效快速下降，注水單耗升高。

將同型柱塞泵在不同介質情況下的運行情況進行對比可以看出，聯合站部分精細注水泵介質為處理后注入水，泵效能夠長時間保持在90%以上，而邊部注水泵因泵效下降快，維修周期僅為15d 左右，給現場帶來了繁重的工作量（見表2）。因此該文認為污水處理工藝水平低是導致注水泵單耗水平達標率低的要因之一。

表2 邊部注水泵與精細注水泵運行情況對比

2.3 閥板材質強度低

聯合站注水泵閥座的材質是合金鋼，閥板的材質是MC尼龍。調研其技術參數可發現同等體積下的合金鋼閥板質量約是MC 尼龍閥板質量的7 倍。合金鋼制閥板因為自重太大，安裝后會發生下垂，進而與閥座貼合不嚴，存在夾角，無法發揮密封作用（如圖2 所示），因此只能選擇密度、硬度均較小的MC 尼龍材質閥板。

圖2 合金鋼閥板與閥座貼合不嚴

然而從現場故障照片中可以看出，當出現刺漏情況時，硬度低的尼龍閥板損壞更加嚴重（如圖3 所示）。

圖3 尼龍質閥板刺漏現場圖

通過統計注水點2 臺泵的故障原因可發現閥板刺漏占總故障原因的47%，幾乎占了故障原因的近一半，而硬度低是導致閥板刺漏的直接原因。

2.4 板式密封接觸面積大

柱塞泵工作原理是通過柱塞后拉與前推改變吸入閥與柱塞、排出閥與柱塞的密閉腔容積，使排出液體，并通過吸入/排出閥板與閥座的板式貼合實現密封。

當閥板上粘黏固態雜質時，閥板會閉合不嚴，形成細微的高壓滲流通道。高速液流如同水刀一般切割閥板及閥座的材質表面，從起初的刺痕迅速發育，最終形成凹槽，導致密封失效，泵效顯著下降。

該文更換了4 臺回注泵的全套閥板、閥座、柱塞配件后跟蹤泵效曲線，發現10d 左右泵效即下降到60%以下，平均泵效71%。統計并跟蹤10d 內閥板磨損情況發現，當前注水泵的吸入閥密封面積為32.2cm2，排出閥密封面積為13.3cm2。在目前水質條件下，閥板密封接觸面越大，固態雜質墊在接觸面中的概率就越大，對泵效的影響就會越嚴重。因此判斷板式密封接觸面積大是導致注水泵單耗水平達標率低的要因之一。

3 制定對策與實施

3.1 制定對策

該文針對上述4 個要因逐項進行對策優選，確定了針對性的提升注水泵單耗達標率的對策方案（見表3）

表3 提升注水泵單耗達標率對策表

3.2 對策實施

3.2.1 實施酸化解堵

按照酸液成分及作用機理設計優選了酸洗解堵液配方（見表4）。

表4 酸洗解堵液配方

酸液中起主要作用的是鹽酸和氫氟酸，將二者按一定比例配合后使用。其中氫氟酸可以溶解巖石中的所有組分，包括酸鹽巖、硅酸巖和石英，這些也是地層巖石骨架及固態懸浮物的主要成分。

在確認酸洗解堵液配方的基礎上，將酸液由泵車擠入地層，然后直接注水，擴大酸液波及范圍。并在聯合站注入壓力最高的井上進行試驗，結果發現酸洗后壓力下降了5.2MPa，說明酸洗解堵見效。同時注水單耗下降1.52kW·h/m3，說明注入壓力下降能夠顯著降低能耗。再在工區全部水井中組織酸洗，平均注入壓力下降3.89MPa，達到了降低能耗的目標要求。

3.2.2 延長沉降時間

原先是采出液進聯合站相應罐（一級沉降），污水進相應罐（二級沉降）分離后回注。優化后改為采出液進相應罐（一級），分水至相應罐（二級）沉降后，再利用摻水系統返回下游聯合站相應罐（三級）進行沉降后回注，如此將原先的二次沉降改為三次沉降，平均沉降時間增加了6.8h。

對回注污水水質進行跟蹤化驗發現，流程優化前、后固態懸浮物含量下降了31.8%，含油量下降了36.5%。

3.2.3 設計立式泵頭

針對注水泵水平式液力端存在的閥板材質強度低和板式密封接觸面積大的問題，該文采用了設計立式液力端的解決思路，其進排水閥立式閥結構簡圖如圖4 所示。和水平閥密封面接觸面積相比，立式閥的錐面密封面積減少了75%，材質強度增加了122%。同時因為其為錐面設計，閥芯關閉時還能將雜質撞碎，開啟時雜質被水沖走，有效解決了注入水中固態懸浮物帶來的密封面發生刺漏、泵效下降等問題。

圖4 立式閥結構圖

針對該文設計的新型立式閥和液力端，制造廠家制作了新型液力端并組織現場試用，第一批更換了5 臺液力端。在泵效保持90%以上的情況下，維修周期大幅度延長，從不足半月達到97.4d；在相同參數和日耗電量的情況下，平均注水單耗由4.43kW·h/m3下降至3.70kW·h/m3，更換泵頭后可使單耗下降41.5%。平均泵效達86.99%。

4 措施應用效果

對2022年度5月—12月措施實施后的注水泵單耗達標率情況統計發現，聯合站注水泵站單井注水壓力由9.88MPa 下降至5.51MPa，單耗水平由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壓效果不明顯，單耗水平未能達標。8 個月考核單耗指標合格率達87.5%，提升效果顯著。

5 結論

該文通過QC 模式進行關聯圖分析，明確了造成聯合站注水泵單耗水平達標率低的主要原因是注水壓力高和泵效低下。地層存在堵塞、污水處理工藝水平低、閥板材質強度低、板式密封接觸面積大是導致注水壓力高和泵效低下的4個主要因素。1）通過實施酸化解堵，提升了近井地帶滲透率，平均注入壓力下降了3MPa 以上，有效解決了注水過程中地層存在堵塞的問題。2）通過增加一級沉降，延長沉降時間，跟蹤水質變化發現固態懸浮物及原油含量比目前減少了30%，解決了邊外注水水質差的問題。3）通過設計應用立式泵并投產后發現泵效在3 個月內始終保持在85%以上，徹底解決了閥板材質強度低和板式密封接觸面積大的問題。4）通過基于QC 模式的提升注水泵單耗達標率的措施實施，聯合站注水泵單耗達標率達87.5%，降低了注水壓力。不僅保證了注水工作的連續運行，還減少了安全環保風險，綜合效益十分顯著。