油田注水用磁力传动增压系统的研究

刘新岩

(北京华油油气技术开发有限公司 北京)

油田注水用磁力传动增压系统的研究

刘新岩

(北京华油油气技术开发有限公司 北京)

目前国内各大油田的开发均进入中后期,各大油田的部分注水单井或区块高压欠注问题日趋突出,促使人们逐渐认识到发展增压注水工艺的必要性。迄今为止,增压注水泵已初步形成离心式、往复式两大类、数十个品种。为了解决油田特殊区块、单井的注水工艺要求,针对现有多级离心泵和高压柱塞泵存在的高压动密封问题,将磁力传动技术成功用于油田增压注水。磁传动式增压注水泵具有密封压力高、工作介质无泄漏、振动小、噪音低、运行平稳、免修期长等特点。在油田推广应用前景广阔,具有良好的经济、社会效益。

磁力传动;增压注水;多级离心泵;研究

0 引 言

油田注水是保持油层压力、降低原油递减率的主要措施,注水泵机组是油田注水的关键设备。所谓增压注水是以油田现有离心式注水泵站管网的压力作为增压泵吸入口的压力,并以注水井的实注压力作为泵的排出压力,因此,增压泵的吸入压力不仅比常压高得多,同时对设备也提出了新的要求[1]。胜利油田应用的注水用泵主要有多级离心泵和高压柱塞泵两种。现有多级离心泵存在以下问题:一是排量较大,扬程相对较低,不能满足某些区块小排量、高扬程的注水要求;二是由于其轴端的密封形式主要是机械密封,要实现增压注水比较困难。而适用于增压注水的高压柱塞泵虽然有扬程高、排量小的特点,但其柱塞密封存在可靠性低、工作寿命较短的严重缺陷,在国内油田只有少量用于现场。针对油田现有注水设备的局限与不足,利用磁力传动技术开发了磁力传式增压注水泵产品,促进油田注水工艺技术的发展,确保油田高产稳产的顺利实施。

1 专用磁力传动器设计

增压注水由于涉及到高压动密封,注水设备的工作寿命和可靠性一直较低,因密封失效而造成的停泵事故在离心式增压注水泵中约占70%,在往复式增压注水泵中约占90%[2]。长期以来,许多生产厂家和科研单位为解决高压动密封问题做了大量的工作,力求使增压注水设备的工作寿命和可靠性有所提高,虽取得了一定成效,但未从根本上解决问题。设备维修频繁,工作介质泄露等问题依然存在。为此,采用磁力传动技术,将高压动密封变为静密封,有效地解决了传统的机械密封结构具有的弊端[3]。

磁力传动是靠磁力将原动机与从动机联系起来,两者之间不需任何机械联接,因此可用隔板分开,形成两个空间。工作机械传动轴不需伸出机壳,因而淘汰了诸如填料密封、机械密封、流体密封等形式的轴封件,变动密封为静密封。也称之为全封闭。只要隔板与机体法兰间放置垫片,拧紧法兰,可实现零泄露或绝对密封。它的结构简单,易于制造和装配,使用寿命长。

综合考虑磁路形式、永磁材料等因素,确定最佳的磁路尺寸和具有良好的结构性能的材料选择和结构件,确定出专用磁力传动器的结构如图1所示。

图1 磁力传动器结构图

其结构特点是内磁转子支撑在刚度较好的内磁支架上,滑动轴承安装在内磁转子的内部。传动轴穿过内磁支架,用花键与内磁转子相连。托架的两端分别与电机端盖和内磁支架止口定位相连,以保证内外磁的装配对中要求。传动轴上装有反向导叶轮,用以向磁传动器内输送冷却液。

2 磁传动式增压注水泵机组

多级离心泵的设计既要保证其工作的可靠性,又要充分发挥油田现有专用注水产品的先进技术与经验,充分利用油田专用多级离心泵的产品资源。因此,专用多级离心泵的设计是参照国产潜油电泵的结构完成的。通过长期在井下复杂环境下的使用可知,该结构用于油田注水磁力传动增压系统能够充分满足工作条件及可靠性需求,并且其零部件在油田资源丰富,利于维修,现场人员对其结构足够熟悉,利于施工,且地面维护方便。专用多级离心泵与现有潜油电泵所不同的是在泵内增加了双向止推轴承以平衡泵轴轴向力,这样完全解决了普通磁力驱动离心泵轴承寿命普遍较短的问题,进而提高专用磁力传动增压系统的工作稳定性。另外,由于地面电机与井下电机转速不同,在导、叶轮的选型计算时要对其扬程、排量和功率进行修正计算。

2.1 结构原理

磁传动式增压注水泵主要由电动机、底座、磁力传动器、多级离心泵及其它辅助设施等6部分组成,见图2。高扬程专用多级离心泵是参照国产胜利潜油电泵叶轮和导轮的结构设计的。所有叶轮和导轮全部采用浮动结构,每级叶轮产生的轴向力分别由对应的导轮平衡。为了保证磁力传动器的性能和使用寿命,磁力传动器设有自身冷却水循环系统和温度监控系统,依靠引入隔离套内的连续流动的工作介质,把由隔离套产生涡流损失发生的热量及时带走。温度监控系统可连续检测磁体温度,有超温自动停机保护功能。

图2 磁传动式增压注水泵系统结构简图

电动机首先带动外磁转子旋转,通过磁力带动内磁转子旋转,内磁转子与外磁转子之间有一高强度薄壁隔离套,它对泵入口处的工作介质起隔离密封作用。与内磁转子连接的传动轴将动力传递给多级离心泵。由于隔离套的作用,把原来电动机直接驱动传动轴容易磨损的动密封变成了静密封,实现了无摩擦、无泄漏的动力传递。

2.2 专用多级离心泵

多级离心泵其原理是启动电动机带动泵高速旋转,液体介质通过进液口进入泵体,流经叶轮叶片的空间曲线型流道,在离心力的作用下射入成对出现的导轮流道内,一方面在导轮叶片作用下改变了受力方向集中向前运动,另一方面又被引入下一级叶轮流道的入口,以此类推经过一对对导、叶轮的配合作用,逐渐增压并由泵头排出,所需排出压力由导、叶轮的级数与单级扬程决定。专用多级离心泵的结构特点是在泵的出口端设计了双向止推轴承以平衡泵轴轴向力;叶轮采用全浮式结构,轴向力由每级叶轮对应的导轮承担。

2.3 主要性能参数

油田几种常用规格磁传动增压注水泵的主要性能参数见表1。

表1 磁传动增压注水泵主要性能参数

3 机组的运转性能参数测试

测试主要包括两方面内容:磁力传动器的密封压力、传递功率、传动效率和泵的扬程、流量。

3.1 室内性能试验

首批样机加工完成之后,在专用试验台架上分别进行了整机常压供液和高压供液的室内性能试验,试验流程如图3所示。

图3 室内试验流程示意图

试验介质为清水,压力表2、5分别测量泵的进出口压力,流量计3用以测量泵的流量,加载控制阀6用来控制泵的工况参数,3ZB柱塞泵8为被测试泵提供所需的入口压力。

供液泵将来自储液罐的介质升压后供给磁传动泵,试验介质经磁传动泵后,通过压力控制阀控制,经计量仪表后返回储液罐。如此反复循环,测试泵的工作性能参数。试验用电器仪表测算出电动机轴功率,然后根据泵的额定工况点的扬程、流量和效率等测算出泵的轴功率,最后计算出磁力传动器的功率和传动效率。

3.2 室内试验结果

以CCDB200/15型(90kW)磁传动增压注水泵为例说明,表2列出了其室内试验部分测试资料及试验结果,图4为本套试验样机的泵性能曲线图。

室内试验过程中,CCDB200/15型泵的入口压力最高达16MPa,排量199.46m3/d,扬程1587.64m,磁力传动器选用90kW,效率80.4%。

表2 CCDB200/15型磁传动增压注水泵性能参数测试记录

图4 CCDB200/15型磁传动增压注水泵性能曲线图

4 结 论

近几年来,CCDB系列磁传动增压注水泵在胜利油田滨南采油厂采油二矿、采油四矿和东辛采油厂采油二矿、辽河油田锦州采油厂采油二大队等地投入了使用。截至目前,在现场已经应用几十套。

从现场试验可以看出,在相同的现场工作条件下,磁传动增压注水泵与柱塞泵相比,无论在相同工作压力下,还是在增压工作环境中,连续工作时间长,抗干扰能力显著增强。其结构性能符合设计指标,工作稳定性、可靠性及使用寿命良好,对油井的增产效果明显,取得了较好的经济效益和社会效益,有良好的推广应用价值。磁力传动增压系统解决了油田现有注水设备的不足,丰富了注水设备种类,扩大了现场使用的范围。

[1] 徐文芹,郝惠欣,C.L.Johnson.国外油田增压注水设备的技术水平与发展[J].国外石油机械.1995,6(2)

[2] 唐 建,曹耀峰,李继志,等.国产增压注水泵的现状与发展前景[J].石油矿场机械.1995,24(1)

[3] 李飞明,张祖良,张建伟,等.磁传动增压注水泵磁力传动器的设计[J].石油矿场机械,2002,31(5)

·专利技术·

专利名称:智能型环境综合监测仪

专利申请号:CN200620012214.1

公开号:CN2935158

申请日:2006.04.20

公开日:2007.08.15

申请人:林光漫;刘屹立;吴继治

本实用新型公开一种智能型环境综合监测仪,包括外壳和外壳内的MCU微控制器、转换电路、采样/保持模数转换电路等,其特点为还包括压力传感器、湿度传感器、温度传感器、噪音传感器、人工煤气天然气传感器、液化石油气传感器、酒精传感器、一氧化碳传感器,操作键盘上的相应按键使MCU微控制器控制相应传感器的进行检测,检测信号由转换电路转换为变化的电压信号;转换后的电压信号经放大电路放大、采样/保持模数转换电路的模/数转换,送显示模块,并显示,当检测的环境噪音、酒精浓度、液化石油气浓度、天然气人工煤气浓度、一氧化碳浓度出现大于等于额定值时,会自动显示且发出声、振动、光示警。具有功能全、便于携带等特点。

(杭州市科技信息研究院 王元荪提供)

TE377

B

1004-9134(2010)02-0006-03

2009-08-15 编辑:姜 婷)

刘新岩,男,1978年生,工程师,2001年毕业于佳木斯大学机械电子工程专业,2008年取得上海交通大学机械工程工程硕士学位,具有多年电潜泵研发经验,现从事油田油气技术开发的国际市场拓展工作。邮编:100088