張 靜
(延長油田股份有限公司吳起采油廠,陜西 延安 717600)
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(shè)備帶病生產(chǎn)、井下堵塞以及維護(hù)保養(yǎng)不到位等[1]。結(jié)合企業(yè)一段時期內(nèi)多臺注水泵單耗水平歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),造成單耗水平達(dá)標(biāo)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(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行全面評價則無疑是提升注水泵單耗達(dá)標(biāo)率的一種有效途徑。
該文結(jié)合注水泵單耗歷史數(shù)據(jù),并運用頭腦風(fēng)暴法總結(jié)提出了導(dǎo)致注水壓力高和泵效低下的14 條原因,并通過關(guān)聯(lián)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(dá)標(biāo)率低的原因分析關(guān)聯(lián)圖
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(dá)標(biāo)率低的要因確認(rèn)計劃表(見表1),并分別進(jìn)行了要因確認(rèn),再將末端因素進(jìn)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(zhì)強(qiáng)度低、板式密封接觸面積大是導(dǎo)致注水泵單耗水平達(dá)標(biāo)率低的4 個最主要因素。
表1 QC 模式下注水泵單耗水平達(dá)標(biāo)率低的要因確認(rèn)表
該文從注水井中選取4 口注水壓力較高的水井,關(guān)井后記錄油壓落零時間并測量動液面,折算地層壓力后進(jìn)行分析。從壓力恢復(fù)情況來看,各井停注關(guān)井后無反吐現(xiàn)象,折算地層壓力與原始地層壓力相近,結(jié)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(rèn)為,雖然地層靜態(tài)仍然具備吸水能力,但在高強(qiáng)度注水的沖刷下,近井地帶的巖石基質(zhì)逐漸碎裂,碎屑與注入水中的雜質(zhì)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(tài)勢更加嚴(yán)重,表現(xiàn)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(dǎo)致注水泵單耗水平達(dá)標(biāo)率低的要因之一。
采出液在采油廠集輸聯(lián)合站經(jīng)二次沉降后分離出的污水不再經(jīng)除油、過濾等措施便直接回注。將回注水質(zhì)和經(jīng)處理后污水的水質(zhì)進(jìn)行對比,可發(fā)現(xiàn)其中的固態(tài)懸浮物及含油量指標(biāo)均較高。
分析認(rèn)為,邊外注水固態(tài)懸浮物含量高且含油量高,會從2 個方面導(dǎo)致注水能耗上升,一是固態(tài)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(zhì)中的固態(tài)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(guān)閉不嚴(yán),在高壓下易發(fā)生刺漏,進(jìn)而導(dǎo)致泵效快速下降,注水單耗升高。
將同型柱塞泵在不同介質(zhì)情況下的運行情況進(jìn)行對比可以看出,聯(lián)合站部分精細(xì)注水泵介質(zhì)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(xiàn)場帶來了繁重的工作量(見表2)。因此該文認(rèn)為污水處理工藝水平低是導(dǎo)致注水泵單耗水平達(dá)標(biāo)率低的要因之一。
表2 邊部注水泵與精細(xì)注水泵運行情況對比
聯(lián)合站注水泵閥座的材質(zhì)是合金鋼,閥板的材質(zhì)是MC尼龍。調(diào)研其技術(shù)參數(shù)可發(fā)現(xiàn)同等體積下的合金鋼閥板質(zhì)量約是MC 尼龍閥板質(zhì)量的7 倍。合金鋼制閥板因為自重太大,安裝后會發(fā)生下垂,進(jìn)而與閥座貼合不嚴(yán),存在夾角,無法發(fā)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(zhì)閥板。
圖2 合金鋼閥板與閥座貼合不嚴(yán)
然而從現(xiàn)場故障照片中可以看出,當(dāng)出現(xiàn)刺漏情況時,硬度低的尼龍閥板損壞更加嚴(yán)重(如圖3 所示)。
圖3 尼龍質(zhì)閥板刺漏現(xiàn)場圖
通過統(tǒng)計注水點2 臺泵的故障原因可發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致閥板刺漏的直接原因。
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(xiàn)密封。
當(dāng)閥板上粘黏固態(tài)雜質(zhì)時,閥板會閉合不嚴(yán),形成細(xì)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(zhì)表面,從起初的刺痕迅速發(fā)育,最終形成凹槽,導(dǎo)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(fā)現(xiàn)10d 左右泵效即下降到60%以下,平均泵效71%。統(tǒng)計并跟蹤10d 內(nèi)閥板磨損情況發(fā)現(xiàn),當(dāng)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(zhì)條件下,閥板密封接觸面越大,固態(tài)雜質(zhì)墊在接觸面中的概率就越大,對泵效的影響就會越嚴(yán)重。因此判斷板式密封接觸面積大是導(dǎo)致注水泵單耗水平達(dá)標(biāo)率低的要因之一。
該文針對上述4 個要因逐項進(jìn)行對策優(yōu)選,確定了針對性的提升注水泵單耗達(dá)標(biāo)率的對策方案(見表3)
表3 提升注水泵單耗達(dá)標(biāo)率對策表
3.2.1 實施酸化解堵
按照酸液成分及作用機(jī)理設(shè)計優(yōu)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(tài)懸浮物的主要成分。
在確認(rèn)酸洗解堵液配方的基礎(chǔ)上,將酸液由泵車擠入地層,然后直接注水,擴(kuò)大酸液波及范圍。并在聯(lián)合站注入壓力最高的井上進(jìn)行試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(qū)全部水井中組織酸洗,平均注入壓力下降3.89MPa,達(dá)到了降低能耗的目標(biāo)要求。
3.2.2 延長沉降時間
原先是采出液進(jìn)聯(lián)合站相應(yīng)罐(一級沉降),污水進(jìn)相應(yīng)罐(二級沉降)分離后回注。優(yōu)化后改為采出液進(jìn)相應(yīng)罐(一級),分水至相應(yīng)罐(二級)沉降后,再利用摻水系統(tǒng)返回下游聯(lián)合站相應(yīng)罐(三級)進(jìn)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(zhì)進(jìn)行跟蹤化驗發(fā)現(xiàn),流程優(yōu)化前、后固態(tài)懸浮物含量下降了31.8%,含油量下降了36.5%。
3.2.3 設(shè)計立式泵頭
針對注水泵水平式液力端存在的閥板材質(zhì)強(qiáng)度低和板式密封接觸面積大的問題,該文采用了設(shè)計立式液力端的解決思路,其進(jìn)排水閥立式閥結(jié)構(gòu)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(zhì)強(qiáng)度增加了122%。同時因為其為錐面設(shè)計,閥芯關(guān)閉時還能將雜質(zhì)撞碎,開啟時雜質(zhì)被水沖走,有效解決了注入水中固態(tài)懸浮物帶來的密封面發(fā)生刺漏、泵效下降等問題。
圖4 立式閥結(jié)構(gòu)圖
針對該文設(shè)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(xiàn)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(dá)到97.4d;在相同參數(shù)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(dá)86.99%。
對2022年度5月—12月措施實施后的注水泵單耗達(dá)標(biāo)率情況統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),聯(lián)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(dá)標(biāo)。8 個月考核單耗指標(biāo)合格率達(dá)87.5%,提升效果顯著。
該文通過QC 模式進(jìn)行關(guān)聯(lián)圖分析,明確了造成聯(lián)合站注水泵單耗水平達(dá)標(biāo)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(zhì)強(qiáng)度低、板式密封接觸面積大是導(dǎo)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(zhì)變化發(fā)現(xiàn)固態(tài)懸浮物及原油含量比目前減少了30%,解決了邊外注水水質(zhì)差的問題。3)通過設(shè)計應(yīng)用立式泵并投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)泵效在3 個月內(nèi)始終保持在85%以上,徹底解決了閥板材質(zhì)強(qiáng)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(dá)標(biāo)率的措施實施,聯(lián)合站注水泵單耗達(dá)標(biāo)率達(dá)87.5%,降低了注水壓力。不僅保證了注水工作的連續(xù)運行,還減少了安全環(huán)保風(fēng)險,綜合效益十分顯著。