CN111520305B

CN111520305B - 一种油田注水二次增压泵

Info

Publication number: CN111520305B
Application number: CN202010638534.2A
Authority: CN
Inventors: 刘航; 薛金瑞
Original assignee: Shenyang Fengzheng Technology Development Co ltd
Current assignee: Shaanxi Zhongkang Energy Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2040-07-06
Also published as: CN111520305A

Abstract

一种油田注水二次增压泵，属于石油注水开采技术领域，所述增压泵包括增压系统和液压驱动系统，所述增压系统包括一缸体，所述缸体内设有活塞体，所述活塞体中部与缸体内部紧密贴合，所述活塞体左右两侧设有柱塞杆，所述柱塞杆左右两端部与缸体两端内部形成相互隔离的高压水腔，所述缸体内于左右两侧的柱塞杆中部设有封堵装置，所述活塞体与左右两侧的封堵装置之间形成相互隔离的液压油腔，所述液压油腔与液压驱动系统相连，所述缸体两端于高压水腔端部经进水单向阀与供水网管相连，所述缸体两端于高压水腔上部经出水单向阀与水井相连。本发明利用现有管网的水压压力，再此压力基础上通过增压系统增补压力，使最终水压压力达到水井的注入要求。

Description

一种油田注水二次增压泵

技术领域

本发明属于石油注水开采技术领域，具体涉及一种油田注水二次增压泵。

背景技术

注水开采是指油田开发过程中，通过专门的注水井将水注入油藏，保持或恢复油层压力，使油藏有很强的驱动力，以提高油藏的开采速度和采收率。注水系统及主要工艺流程为注水泵站→注水管网→配水间→注入井。“单管多井配水流程”是国内油田普遍采用的方式，即：注水泵站内安装一台或多台大排量高压水泵（拖动电机的容量通常为几百千瓦至几兆瓦），集中提供高压水源，泵站打出的高压水通过注水管网分配到多个注水间，再经注水间分配到各个注水井，最终注入地下油藏。在注水系统建设伊始，注水压力是满足各个注水井要求的，但是随着注水年限增长，注水井下会因为很多原因产生阻塞现象，导致个别井出现欠注现象，即注水管网的压力不够高，不再足以注入到井下。欠注现象势必影响石油的开采。随着连年开采，欠注现象会更大范围凸显出来。

目前解决方案有：

1.再次压裂，通过压裂疏通地下阻塞。此方法效果明显，但成本高，技术难度大，特别需要注意控制压裂方向，否则容易引起窜水。

2.酸化解堵，通过在水井中注入酸性化学药剂软化井下堵塞物，进而提高渗透率。此方案有造成环境污染的风险，并且缓解堵塞效果不持久。

3.注水系统升压改造，主要包括大注水泵、管网提高压力。当注水站辖区的水井大量出现高压欠注时，会考虑进行改造。但是系统性改造成本显然是巨大的（泵、管线、仪表等都需要更换更高压力等级的），并且仅为了满足个别高压井而提高整个管网压力也是不经济的，造成大量电能浪费。

4.采用二次增压设备，二次增压设备基本都是近年来研发的新产品，目前大概有两种：

一种是利用管网水压驱动水压增压装置，其缺点一、需要专门敷设低压回水管线；缺点二、控制阀等需大量自行设计、加工的零件，水本身润滑性差，自制件可靠性很难保证，将会导致实际应用性差，难以推广。

另一种是利用液压的方法驱动水压增压装置，此种方案基本思路是好的，因为液压技术是成熟的，在整个传动环节上可靠性提高了。

但是目前已有的驱动增压装置，在系统的设计上仍然存在不够简单、系统效率低、能耗大等不足。例如有的在液压控制回路上使用串联在其中的电磁阀（开关阀）来控制增压装置的动作，这样的设计存在液压冲击大，电磁阀开启时同步性（或者协调性）差的缺点。还有的设计用节流阀控制增压装置的动作速度，节流调速的方式本身就是消耗能量的，不节能。也有的设计，自制换向阀，用步进电机结合丝杠进行控制阀芯的运动进而完成增压装置换向。

发明内容

为了解决上述技术问题，基于当下油田欠注水井增多的事实，结合油田现有注水管网的布局特点，本发明提出一种油田注水二次增压泵，其特点是利用现有管网的水压压力，再此压力基础上通过增压系统增补压力，使最终水压压力达到水井的注入要求，并且设备本身消耗的电能仅为增补压力所需的能量，是高效节能的新型设备，具有良好的经济效益和社会效益。

本发明采用如下技术方案：

一种油田注水二次增压泵，包括供水网管、水井、增压系统、液压驱动系统，所述增压系统还包括缸体，所述缸体两端于高压水腔端部经进水单向阀与供水网管相连，所述缸体两端于高压水腔上部经出水单向阀与水井相连，所述缸体内设有中部与缸体内部紧密贴合的活塞体，所述活塞体左右两侧设有柱塞杆，所述柱塞杆左右两端部与缸体两端内部形成相互隔离的高压水腔，所述缸体内于左右两侧的柱塞杆中部设有封堵装置，所述活塞体与左右两侧的封堵装置之间形成相互隔离的液压油腔，所述缸体包括水压缸体、过渡连接体、液压缸体，所述液压缸体两端与过渡连接体相连，所述过渡连接体两端与水压缸体相连，所述过渡连接体内部设有导向工艺元件，所述导向工艺元件内壁上设有第一水压密封件、第二水压密封件、液压密封件、支撑导向元件的沟槽，所述第一水压密封件、第二水压密封件、液压密封件、支撑导向元件同时按顺序依次安装在导向工艺元件内；所述缸体上于活塞检测位置处设有位置检测元件，所述的位置检测元件垂直安装于液压油腔上，所述位置检测元件的轴线与活塞体的轴线垂直；所述增压泵还包括液压换向阀、电控箱，所述液压换向阀与电控箱相连，所述位置检测元件与电控箱相连，所述的活塞体为整体结构，其上设置轴肩，或与轴肩同等作用套环或挡块，所述轴肩的直径小于活塞体直径，当活塞体上的轴肩到达位置检测元件的检测范围内时，位置检测元件被触发，发出信号给电控箱,经电控箱处理后发送指令给液压换向阀, 液压换向阀换向，所述活塞体两端为活塞圆柱，所述水压缸体的内壁表面与活塞圆柱的表面之间间隙小于5mm。

进一步地，所述液压驱动系统包括原动机、液压泵、安全阀、液压过滤器、液压油箱、液压换向阀，所述原动机的输出轴端与液压泵的输入轴端相连，所述液压泵的进油口与过滤器的一端相连，过滤器的另一端与液压油箱相连，所述液压泵的出口分成两路，一路与液压换向阀的进油端口相连，另一路与安全阀的入口相连，所述液压换向阀的回油端口与安全阀的出口汇流后，同时与液压过滤器的一端相连，所述液压过滤器的另一端与液压油箱相连，所述液压换向阀工作油口分别与缸体内的活塞体两端的液压油腔相连。

进一步地，所述液压换向阀与电控箱相连，所述缸体上于活塞检测位置处设有位置检测元件，所述位置检测元件与电控箱相连。

进一步地，所述位置检测元件设置于液压油腔或高压水腔上，所述位置检测元件为接近开关或机械式行程开关。

进一步地，所述原动机为电动机或发动机，所述电动机为定速电机或调速电机，所述发动机为燃油发动机；所述液压泵为定量泵或变量泵，在结构上为柱塞泵或齿轮泵或叶片泵。

进一步地，所述高压水腔下部设有放水孔。

进一步地，所述缸体包括水压缸体、过渡连接体、液压缸体，所述液压缸体两端与过渡连接体相连，所述过渡连接体两端与水压缸体相连，所述过渡连接体内表面呈圆柱形腔体结构,所述过渡连接体设有液压密封件，所述液压密封件于高压水腔一侧边设有水压密封件，液压密封件对液压油腔进行密封，所述水压密封件对高压水腔进行密封。

进一步地，所述过渡连接体内部设有导向工艺元件。

进一步地，所述缸体上于水压密封件、液压密封件之间设有相互连通的泄漏孔、观察孔。

进一步地，所述的活塞体上设置轴肩，或与轴肩同等作用套环或挡块。

进一步地，所述活塞体两端为活塞圆柱，所述缸体的内壁表面与活塞圆柱的主要接触长度上的间隙小于5mm。

进一步地，所述的活塞圆柱的硬度在HRC35~HRC75之间，粗糙度在Ra0.1~Ra0.6之间。

基本方法是通过增压系统对水压进行增压。管网水压直接分别作用在水压腔内活塞的两端，形成平衡。主要技术路线是电机加液压泵提供液压驱动力，通过液压换向阀控制活塞体左右连续换向工作。在增压器水压出口设置配流单向阀，随着活塞不断换向运动，即可完整水压加压。

本发明的优点与效果为：

本发明油田注水二次增压泵的注水流量可以连续可调、投入及使用成本低，体积小重量轻，原材料消耗小；安装方便，插电、连接两根水管即可用；高效率、低能耗，能耗仅为将特定水量增压所需的必须能耗；零部件极简，可靠性高、耐用；零部件标准化程度高，互换性好，维修特性好。

附图说明

图1本发明一种实施例中的油田注水二次增压泵结构示意图；

图2为图1中的A部放大图；

图3为实施例2中位置检测元件安装在水压缸体上时的结构示意图；

图4为实施例3中过渡连接体1和导向工艺元件组合成一体结构的整体连接体的结构示意图；

图5为实施例4中第一、二水压密封件安装在水压缸体内部的示意图；

图6为实施例5中活塞体为分体结构的示意图。

图中部件：1.原动机、2.液压泵、3.安全阀、4.液压过滤器、5.液压油箱、6.液压换向阀、7.电控箱、8.进水单向阀、9.出水单向阀、10.水压缸体、11.过渡连接体、12.液压缸体、13.位置检测元件、14.活塞体、15.第一水压密封件、16.导向工艺元件、17.第二水压密封件、 18.液压密封件、19.支撑导向元件、20.整体连接体、21.第一高压水腔、22.第二高压水腔、23. 第一液压油腔、 24. 第二液压油腔、25.泄漏孔、26.轴肩、27.第一放水孔、28.第二放水孔、29.过滤器、30.活塞圆柱、31.观察孔、32.第一柱塞杆、33.活塞、34.第二柱塞杆、35.供水网管、36.水井。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步解释。

实施例1：

如图1、图2所述，本发明为油田注水二次增压泵，原动机1、液压泵2、安全阀3、液压过滤器4、液压油箱5、液压换向阀6构成液压驱动系统。原动机1的输出轴端与液压泵2的输入轴端相连，液压泵2的进油口与过滤器29的一端相连，过滤器29的另一端与液压油箱5的一个端口相连；液压泵2的出口分成两路，一路与液压换向阀6进油端口相连，一路与安全阀3入口相连；液压换向阀6的回油端口与安全阀3的出口汇流后，同时与液压过滤器4的一端相连，液压过滤器4的另一端与液压油箱5的其中一个端口相连。

液压换向阀6的第一工作油口与第一液压油腔23相连，第二工作油口与第二液压油腔24相连。

供水管网进水分别与进水单向阀8的一端口相连，两个出水单向阀9的另一端通过管路汇流，最终至水井。所述进水单向阀8、出水单向阀9与水压缸体10的端口直接相连，所述水压缸体10上于第一高压水腔21、第二高压水腔22端部下方分别设有第一放水孔27、第二放水孔28，所述放水孔为单独使用的，平时有螺塞封堵，需要时打开。

第一放水孔27、第二放水孔28工作时堵住，用于长时间停放时排出第一高压水腔21、第二高压水腔22腔内的水，特别冬季，防止结冰胀坏。

水压缸体10是盲孔筒体结构，其开口一端与过渡连接体11相连。

过渡连接体11的另一端与液压缸体12相连。

位置检测元件13安装在过渡连接体11上，过渡连接体11是内表面呈圆柱形腔体结构，过渡连接体11上设置观察孔31，导向工艺元件16上设置泄漏孔25, 泄漏孔25设置在第二水压密封件17、液压密封件18之间，泄漏孔25与观察孔31内部连通，用于观察泄漏情况，当高压水腔密封件损坏时，此孔漏水，当液压油腔密封损坏时，此孔漏油。

水压缸体10的内壁表面与活塞圆柱30在主要接触长度上的间隙小于5mm。所述的进水单向阀8、出水单向阀9在安装时与水压缸体10之间不设置管路、与水压缸体10的端口直接相连。所述的活塞圆柱30的硬度在HRC35~HRC75之间，粗糙度在Ra0.1~Ra0.6之间。

导向工艺元件16位于过渡连接体11内部，导向工艺元件16的外表面与过渡连接体11的内表面之间形成密封。导向工艺元件16内壁上开设安装第一水压密封件15、第二水压密封件17、液压密封件18、支撑导向元件19的沟槽，第一水压密封件15、第二水压密封件17、液压密封件18、支撑导向元件19同时安装在导向工艺元件16内。密封件和导向支撑件都安装在导向工艺元件16上。导向工艺元件16一端面与水压缸体10一端面接触并形成密封。

本发明所使用的液压泵、液压换向阀、液压过滤器、单向阀、压力表等均为成熟市售产品，电控元件也全部是市售产品。

工作原理：

当本发明的设备与原有供水管网接通后，水压通过进水管路分别流经进水单向阀8进入第一高压水腔21、第二高压水腔22。此时水压对在第一高压水腔21内的活塞体14左端面产生向右的推力，对在第二高压水腔22内的活塞体14右端面产生向左的推力，由于活塞体14的两个端面面积相等，所以产生的推力相等，方向相对，此时活塞体14左右受力平衡，静止不动。

工作时，换向阀6切换到一个工作位，此时阀体内部进油口P与工作油口A接通，回油口T与工作油口B接通，来自液压泵2的液压油经换向阀6的工作油口A进入第一高压水腔21，同时第二高压水腔22内的液压油为低压回油状态，经液压换向阀6的T口流回到液压油箱5内。此时在第一高压水腔21内产生对活塞体14左端面向右的推力，此时活塞体14受力平衡被打破，合力向右，活塞体14开始向右运动，此时第二高压水腔22容积减小，腔内压力升高，压力大于进水时压力，所以进水单向阀8关闭，出水单向阀9被水压开启，增压后的水经过出水单向阀9后通过管道注入水井，完成对水井的二次增压注水。活塞体14持续向右运动，当活塞体14上的轴肩26到达位置检测元件13的检测范围内时，位置检测元件13被触发，发出信号给电控箱7,经电控箱7处理后发送指令给液压换向阀6, 液压换向阀6换向，此时油液从液压换向阀6的B口出去进去第二高压水腔22腔，同上原理完成向右的行程。如此左右往复运动，连续将二次增压后的高压水注入到水井中。

节能原理，也是高效率原理；管网水压使活塞体14左右平衡，液压驱动系统油压仅提供二次增压时所需要的功率即可。例如管网水压压力15MPa，增压后需要16MPa才能完成注水（设此时注水量为“Q1”，即欠注井的注水量），那么此时增压系统只需完成1MPa压差（即△p=16MPa-15MPa）的输出功率即可。

此液压驱动系统为典型的容积控制回路，系统效率（η₁）较高，没有节流发热等额外能效消耗。

流体系统功率（包括液压系统、注水系统）基本计算公式为：

S=△p×Q/η （式1）

S-功率，△p-压差，Q-流量，η-系统效率

采用本发明时，功率为：

△S₁=△p ×Q₁/η₁（式2）

采用背景技术中解决方案3中注水系统升压改造的方案，其必要功率为：

△S₂=△p×Q₂/η₂（式3）

△S₁—本发明工作时所需的功率；

△S₂—采用前述“解决方案3”方式增加的功率；

η₂—大注水泵的总效率，其传动环节多，是齿轮箱、皮带轮、曲轴、曲柄滑块机构、轴承等各自效率乘积，一般在60％左右；

η₁—本发明的系统效率，主要受液压泵2形式结构的影响，但通常在85~95％左右；

Q₁—用本发明时的流量

Q₂—大注水泵的流量

比较S₁与S₂:

因为：

式2与式3中，△p相同，效率η₁小于η₂、Q₁远小于Q₂；

所以：

△S₁远小于△S₂；Q₂其余流量都被浪费掉了，所以经济性较差。

实施例2：

如图3所示，其连接方式与实施例1基本一致，区别在于

位置检测元件13安装在水压缸体10上。

实施例3：

如图4所示，其连接方式与实施例1、2基本一致，区别在于，图2中的过渡连接体11和导向工艺元件16组合成一体结构的整体连接体20。

实施例4：

如图5所示，其连接方式与实施例1、2基本一致，区别在于，第一水压密封件15、第二水压密封件17安装在水压缸体10的内部。

实施例5：

如图6所示，其连接方式与实施例1、2基本一致，区别在于，

活塞体可以是分体结构的，包括第一柱塞杆32、活塞33、第二柱塞杆34，活塞33的左右两端分别与第一柱塞杆32、第二柱塞杆34相连，并且形成密封。

分体结构不影响轴肩26的设置，既可设置在第一柱塞杆32上，也可以在活塞33上。

Claims

1. 一种油田注水二次增压泵，包括供水网管（35）、水井（36）、增压系统、液压驱动系统，所述增压系统还包括缸体，所述缸体两端于高压水腔端部经进水单向阀（8）与供水网管（35）相连，所述缸体两端于高压水腔上部经出水单向阀（9）与水井（36）相连，所述缸体内设有中部与缸体内部紧密贴合的活塞体（14），其特征在于：所述活塞体（14）左右两侧设有柱塞杆，所述柱塞杆左右两端部与缸体两端内部形成相互隔离的高压水腔，所述缸体内于左右两侧的柱塞杆中部设有封堵装置，所述活塞体（14）与左右两侧的封堵装置之间形成相互隔离的液压油腔，所述缸体包括水压缸体（10）、过渡连接体（11）、液压缸体（12），所述液压缸体（12）两端与过渡连接体（11）相连，所述过渡连接体（11）两端与水压缸体（10）相连，所述过渡连接体（11）内部设有导向工艺元件（16），所述导向工艺元件（16）内壁上设有第一水压密封件（15）、第二水压密封件（17）、液压密封件（18）、支撑导向元件（19）的沟槽，所述第一水压密封件（15）、第二水压密封件（17）、液压密封件（18）、支撑导向元件（19）同时按顺序依次安装在导向工艺元件（16）内；所述缸体上于活塞检测位置处设有位置检测元件（13），所述的位置检测元件（13）垂直安装于液压油腔上，所述位置检测元件（13）的轴线与活塞体（14）的轴线垂直；所述增压泵还包括液压换向阀（6）、电控箱（7），所述液压换向阀（6）与电控箱（7）相连，所述位置检测元件（13）与电控箱（7）相连，所述的活塞体（14）为整体结构，其上设置轴肩（26），或与轴肩（26）同等作用套环或挡块，所述轴肩（26）的直径小于活塞体直径，当活塞体（14）上的轴肩（26）到达位置检测元件（13）的检测范围内时，位置检测元件（13）被触发，发出信号给电控箱（7）,经电控箱（7）处理后发送指令给液压换向阀（6）, 液压换向阀（6）换向，所述活塞体（14）两端为活塞圆柱（30），所述水压缸体（10）的内壁表面与活塞圆柱（30）的表面之间间隙小于5mm。