液力平衡式增压泵的故障原因分析及工艺设计改进建议

杨丽峰 杨丽明 任淼淼

1大庆油田有限责任公司第八采油厂

2大庆油田有限责任公司第九采油厂

3中国石油新疆油田分公司

大庆外围油田渗透率低、储层物性差，注水开发后注水井的注水压力上升快，欠注井日益增多。采取增压注水措施后，欠注井得到了很好的治理，但在生产过程中，增压设备存在工况不匹配、故障率高的问题，主要表现为轴瓦烧研。目前在用的增压设备以“小排量、大压差”的设计参数为主，为此从压力平衡角度提出分工况设计的建议，以减轻机泵设计能力与实际工况不匹配带来的故障率高的问题，使增压泵在合理区运行[1]，保证增压工艺的平稳运行。

1 增压泵应用现状

目前26台在用的增压泵中有5台存在轴瓦烧研的问题，投产初期机泵的维修费用高达3万元/台，设备运行时率只有11%，分析原因主要有以下两个方面：

（1）液力端阀片损坏。受注水工艺特殊性影响，柱塞泵的故障多，且多数集中在液力端[2]。运行过程中，增压泵的柱塞受到电动机传递的动力和高压水的压力作用，当液力端阀片损坏后，连杆在返回的行程受高压水作用，对轴瓦和轴颈造成冲击，交变载荷次数增多，引起轴瓦温度升高。目前有4台增压泵在投用的第1年阀片损坏就高达20次。

这类问题多出现在投产初期，由施工焊渣掉落、来水水质差等原因导致，属于可控因素，通过增加过滤器、定期检查阀片或更换复位弹簧[3]可基本解决。

（2）实际增压范围远低于设计能力。增压泵的实际增压范围Δpreal低于设计能力Δpdesign较多时，机泵的进、排液压力不平衡，就会出现轴瓦磨损、机油温度升高现象。增压泵的设计参数是根据开发预测值确定，但实际压力变化与预测值之间往往存在差异，这就导致机泵设计能力与运行工况不匹配、故障率高。目前19台在用的增压泵在投产前半年因为注水井压力上升缓慢出现了机泵设计能力富余的情况，其中5台泵反复出现轴瓦烧研。

这类问题的发生属于人为不可控因素且难以避免，很难事先采取合理的手段来预防，因此，做好压力平衡对保障液力平衡式增压泵的正常工作至关重要。

2 液力平衡条件

往复式柱塞泵由柱塞、连杆、曲轴组成一个曲轴连杆机构，工作时通过曲柄连杆把电动机的旋转运动转化为柱塞的往复运动[4]，动力端靠曲轴、连杆运动时飞溅的润滑油润滑。

与柱塞式注水泵不同，增压泵由于来水压力高，在曲轴向回运动时，轴瓦与曲轴不易脱开，无法形成间隙，润滑油难以形成油膜起到润滑作用，后果就是轴瓦烧研。液力平衡式增压泵是将柱塞加工成阶梯式，阶梯式柱塞与两套密封一起形成平衡腔。平衡腔两端分别与泵出口和平衡腔相连，使柱塞两端受力达到平衡，降低动力部件的摩擦[5]。

增压泵在运行过程中，由于泵进、出口压力的变化，柱塞大、小端受力不同，通常用平衡率ηf来描述平衡状况，计算公式为

式中：F1为柱塞大端受力，N；F2为环形空间受力，N；D为柱塞大端直径，mm；d为柱塞小端直径，mm；p1为进口压力，MPa；p2为出口压力，MPa。

由式（3）可知，平衡率的大小与泵的进、出口压力及柱塞大、小端的直径有关[6]。因此，生产过程中，进、出口压力的变化成为影响增压泵平稳运行的重要因素。一般情况下，平衡率在80%以上设备运行相对平稳。

3 故障原因分析

大庆外围低渗透油田单井注水量低（15～45 m3/d），注水开发后注水压力上升速度变化不一。当注水井的注水压力上升缓慢时，其配套的增压泵在运行初期就会处于较差的工况环境，不利于设备稳定运行。以1#增压泵为例，增压泵建于2016年，设计排量Q=90 m3/d，增压范围Δp=7 MPa。投产的第1个月内增压不足0.3 MPa，运行2月后增压泵烧瓦停泵，维修后重新运行不足1月再次烧瓦停泵，增压范围1 MPa。对1#增压泵进行平衡率计算及受力分析（表1）。

表1 1#增压泵平衡率计算及受力分析Tab.1 Calculation of balance rate and force analysis of 1#booster pump

1#增压泵的最低平衡率ηmin是75%。当泵出口压力过低时，柱塞在排液过程中，连接杆除了受到柱塞与填料的摩擦力和惯性力，还要承受与柱塞运动方向相反的9 861.56 N的力[7]。受力会通过连杆传递给曲轴，由于连杆、曲轴始终受力，油孔受压，润滑油不能注入形成油膜润滑，致使轴瓦与曲轴之间因摩擦而产生大量的热，聚集的热量使轴瓦烧研[8]。

当泵速和排量一定时，柱塞的大端直径D一般不变，根据平衡率计算公式，通过改变柱塞小端直径d和进、出口的压力值，可以使平衡率满足生产要求。对于外围油田应用的“小排量、大压差”增压泵来说，在进、排液过程中小端柱塞的密封盘根始终承受较高的泵排出压力的作用，易影响密封性能[9]；在优化柱塞小端直径d来提高平衡率时，如果柱塞小端的尺寸过小，会增大加工难度，且运行中容易产生颤动，难以保证同轴度，导致柱塞偏磨，这样就使密封效果变差[10]。目前有12台在用的增压泵盘根渗漏严重，单泵平均日渗漏的水量达2～3 m3，平均1～2个月更换一次盘根。

4 参数调整

在实际生产中，注水井的压力变化很难准确预测，根据预测值确定的设备能力更是难以保证设备平衡率达到80%以上。因此，考虑到外围油田使用的增压泵排量小、压力高的特点，在优化柱塞小端尺寸存在困难时，可以适度降低设计压力，先配套低增压范围Δplow的柱塞总成，待运行压力上升到Δplow上限时，更换柱塞总成并增大机泵的设计能力至Δpdesign。因此，选取3台设计排量相同、设计压差不同的增压泵进行出口压力值调节试验，使机泵运转平衡率ηadjust达到80%，接近压力平衡的状态（表2）。

表2 平衡率调整计算Tab.2 Calculation of balance rate adjusting

由表2可知，2#增压泵的最低平衡率ηmin=67.35%，当调节该泵的出口压力使调整后的平衡率ηadjust达到80%时，增压泵运行的压差为3.8MPa，占设计压差（7 MPa）的54.29%；3#增压泵的ηmin=75%，当该泵调整后平衡率ηadjust达到80%时，增压泵运行的压差为2.0 MPa，占设计压差（5 MPa）的40%；4#增压泵的ηmin=79.34%，调整后的平衡率ηadjust达到80%时，增压泵运行的压差为0.2 MPa，占设计压差（4 MPa）的5%。可以看出，相同排量的增压泵，设计低压范围越大的增压泵，ηmin值越低，想要平稳运行时，提升的压力就要越高，当ηadjust达到80%时，运行压差接近设计压差的50%。

综上所述，提出分工况设计的建议。在工艺设计阶段与机泵厂家结合，观察根据预测值生产的机泵在不起压的工况下的最低平衡率。当设备的最低平衡率接近80%时，可按照预测压力值正常设计；当最低平衡率低于80%时，可考虑降低机泵的增压能力，按照设计压差能力的50%配置柱塞总成，并将设计压差能力的柱塞总成做冷备用；增压泵的平衡率提高至80%以上后，观察注水井压力上升趋势再酌情改造，由此可以降低设备故障的概率，提高运行时率，保证增压工艺的平稳运行。

5 结论

（1）增压注水是提高外围低渗透油田注水系统效率的有效措施之一，充分利用增压泵的设计能力提高增压泵的平衡率，可以降低设备损坏概率，延长机泵的使用寿命，保证增压注水的平稳运行。

（2）在液力平衡式增压泵的选用过程中，柱塞大、小端的尺寸选择及优化工作要兼顾平衡率和设备加工精度，才能保证机泵的正常运行。

（3）机泵的设计能力难以适应未知变化速率的注水压力，这就需要规划设计阶段进行多方面的考量，提高增压泵的最低平衡率，做好压力平衡工作。工艺设计过程中，对于设备最低平衡率接近80%的增压泵，可按照设计参数正常设计；对于平衡率低于80%的增压泵，按照设计压差能力的50%配置柱塞总成，并将设计压差能力的柱塞总成做冷备用，以避免设备轴瓦烧研等现象的发生，提高机泵的运行时率，保证油田的开发效果。