移动式液压型电驱注入装置的研制

张森

（大庆油田水务技术开发公司，黑龙江 大庆 163000）

低渗透油层剩余油高度分散、剩余储量大，是重要的潜力油层，但其油藏的特殊性也受到了开发成本高、开发难度大的制约，近几年，各大油田都在寻找一种有效的挖潜工艺措施，本文是想论证通过研制一种注入装置，可以实现大排量、高压力的驱油剂注入，利用近似压裂的方式将驱油剂注入油层裂缝中，补充地层能量的同时实现驱洗剩余油。前期注入装置采用的为压裂泵或其他机械三缸泵作为核心部件，这种泵型大多为卧式三柱塞往复泵形式，工作时柱塞冲次高、冲程短，吸入和排出阀体起落频率较高，导致在高压工作状态下对液力端的冲击大，影响了液力端阀箱、阀体、阀座的使用寿命；此外，这种泵型的输出压力、流量覆盖范围较窄，若要提高覆盖范围，需要更换不同缸径的柱塞。

1 移动式液压型电驱注入装置技术方案

为了适应工艺的要求，结合前期应用经验，我们开始研制一种新型的移动式液压型电驱注入装置，核心组件采用单缸双作用往复泵，与以往机械三缸泵型相比，该泵型采用液压传动原理，实现了能量的高效传递，且因采用长冲程、低冲次液力端结构，提高了泵的稳定性和安全性，同时，将四个驱动单元、一套液压油箱、一个主机体和一套液压振荡器高度集成到一个撬体内。经过实际使用验证，移动式液压型电驱注入装置具有其他机械泵不可比拟的优势，施工效果显著。施工简易工艺流程图如图1。

图1 施工简易工艺流程图

1.1 设计原理

液压型电驱注入泵采用液压传动原理，将电动机的高速旋转机械能通过恒功率变量油泵转换成液压油的压力能，再由液压震荡器将液压油的压力能通过活塞直接转换成工作液的压力能，由此改变了传统的机械传动链，减少了机械传动环节，实现了能量的高效、安全传动。

1.2 结构原理

该装置主要由液压动力单元、工作单元组成，分别固定在对应的底座上。

（1）液压动力单元包括液压油箱、支撑部和四个或多个驱动组件，液压箱位于支撑部的上侧，驱动组件位于液压油箱的下侧，支撑部和驱动组件分别与底座固定连接，驱动组件包括电动机和恒功率变量油泵，油泵与电动机传动连接，而油泵的进油口与液压油箱连接，油泵的出油口通过出油管路与工作单元连接；驱动组件为多个，排布于底座上且均位于液压油箱下侧；液压油箱上设有散热器和回油管路。详见图2。

（2）工作单元固定在底座上，工作单元与液压动力单元通过管路连接；工作单元包括液压缸、液力端、电磁换向组件、机体、进浆管线及出浆管线等，详见图3。

图2 液压动力单元结构示意图

图3 工作单元结构示意图

（3）结构的合理性

①将液压油箱设置在支撑部的上侧，驱动组件置于液压油箱的下侧，一方面，增大液压油箱的容积即提供了散热空间；另一方面，也为增多驱动组件的数量提供了空间，从而能够提高设备的排量，且整个设备的体积并未显著增大；

②工作单元可以根据需求配备多个，且工作单元与液压动力单元可分体设置，既便于运输，又便于根据需要进行灵活搭配。例如，可采用一个液压动力单元匹配多个工作单元、多个液压动力单元匹配一个工作单元或多个液压动力单元匹配多个工作单元等方式。

2 移动式液压型电驱注入装置性能创新性

2.1 高效性

（1）输出压力和排量覆盖范围广。排量0 ～40m3/h 可调，输出压力随着排量的增大而减小，排量和压力变化时，液力端只需一种规格缸套即可。这样既完善了以往机械泵大排量调节时需要更换不同规格柱塞的缺点，又降低了现场作业劳动强度并减少了作业时间。整泵承压能力取决于液力端阀箱和缸套的性能，也决定着整泵的安全性，所以，阀箱和缸套校核如下（双金属钢套结构示意图如图4）。

180 双金属缸套校核验证：

图4 双金属缸套结构示意图

查机械工业出版社出版《机械设计手册》第5 版第一卷，按标准GB/T11352，45#调质处理σs=355MPa，按第三强度理论计算：

a：当D1=φ180 时，缸套外套壁

因此，缸套外套属厚壁缸套。

根据API 7K 4.6 取安全系数FDS=1.5，最高使用压力40MPa。按第三强度理论公式计算：

所以，在这种情况下，恰好满足使用要求。

（2）能够有效注入各种复杂介质，如污泥水、携砂液、大颗粒介质等，可以适应不同井场注入需求。

2.2 节能性

（1）相同排量和压力参数下使用的电机功率低，实现能量高效传递，节省能源消耗。详见参数对照表表1。

表1 压力和排量对照表

（2）驱动多元化；配备四个有效驱动模块，每个模块可以单独启动，也可以任意组合启动。多元化操作，方便现场排量调节，大排量使用大功率，小排量时使用小功率，可以适应不同井场工况，应对各种作业工艺，节省能源。

2.3 安全性

该泵在动力源的液压部分配置了安全阀，与出口管汇安全阀构成双层保护，对动力源与出口高压区域进行了保护，提高了设备及现场操作的安全性。

3 设备现场试验数据效果验证

通过三口井作业施工，实际检验了设备性能，并得出了有效数据。通过与以往机械三缸泵作业后的效果对比，其优势为：

3.1 降低作业强度，工作量较以往减少了一半

现场注入压力增大到20MPa 上以后，以往的机械泵需要进行更换较小柱塞规格，以适应压力变化，待压力降下来后，又需更换较大规格柱塞，这样来回作业，以满足工艺 大排量注入 要求；而使用液压型电驱注入装置，则不需更换缸套来调节排量和压力，从而减少了工作量，也提高了安全性，可以适用于各种比较复杂的工况。

3.2 作业施工安全性高

（1）移动式液压型电驱注入装置吸入性大大优于其他泵型，吸入、排出长冲程、匀速运动，冲次低，不会产生水击现象，提高了设备使用寿命。

（2）零部件及易损件寿命长。

移动式液压型电驱注入装置为单缸双作用泵，所以，只在行程两端有短暂的加减速区段，在同样工作参数下，加速度峰值远小于其他泵型，没有大幅度变加速度，因而不会出现大幅度变载荷状态，综合效果体现为在主要受力件出现疲劳的概率低、整体的振动减少、零件的磨损减少及寿命延长等。

（3）介质流量波动小，甚至可以做到无波动。实践检验移动式液压型电驱注入装置只有在换向瞬间有小振幅压力波动，平均换向时间只有80ms，为行程时间的8%，其余92%的时间流量是不波动的，所以，宏观流量平稳。

4 研制结论

实践证明，移动式液压型电驱注入装置使用效果较其他设备具有明显优势；同时，证明该设备的研发方向也符合省人、省力、省心、省时、省钱的五省目标。而设备的研制目标改善一线生产作业环境也达到了满意的效果。