0 引言

油田生产耗电除了采油耗电量较高外，地面工程则以注水耗电最高，注水占产油总电耗的33%~56%^[1]。油田注水系统一般由注水站、配水间、注水井以及连接上述三者的注水管网组成^[2]。由于注水管网对不同类型的注水井只能提供一种注水压力，为保证所有注水井能正常注水，注水管网来水压力不得不采取“就高不就低”的原则。近几年来，油田增压注水泵的发展十分迅速^{[3, 4, 5, 6, 7, 8]}，已初步形成了离心式和往复式2大类。目前，油田注水系统注水井通常存在既有低压井又有高压井的情况，有时甚至整个系统中只有几口高压井，其余都为低压井。这种情况下，传统的解决方法一是使来水压力高于高压井的配注压力，二是在高压井口安装增压泵。但是，无论哪种情况，都将不可避免地造成大量能量损失，出现注水系统中局部压力过高带来总能耗上升的问题。为了解决此问题，研究了一种用水作动力液的活塞泵——水力压差驱动往复式增压泵。该泵利用来水与低压水的压力差来实现活塞的往复运动，从而实现向低压井和高压井注水。

水力压差驱动往复式增压泵整体采用橇装结构，主要由换向阀体、泵基座、主增压缸、低压出水口、泵进水口、高压出水口和换向电机组成，如图1所示。各组成部件按照模块化的方法设计，相互独立，利于拆装和维护。由于采用橇装结构，所以便于运移。现场使用过程中，只需将油田注水系统来水管线与泵进水口连接，将低压井注水管线与泵低压出水口连接，将高压井注水管线与泵高压出水口连接即可完成设备的安装，无需对其他注水工艺进行改动。

图 1 增压泵总体结构 Fig.1 General structure of the booster 1-换向阀;2-泵基座;3-主增压缸;4-换向电机。

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水力压差驱动往复式增压泵主要利用高压井配注压力、低压井配注压力和管网来水压力间的压力差来实现增压，即：

当液压缸活塞一侧的推力大于另一侧时，活塞移动，实现了将管网来水与低压井间的能量转移到高压井上，进而达到高压注水的目的，增压泵的工作原理如图2所示。

图 2 增压泵工作原理图 Fig.2 Operating principle of the booster 1—高压接近开关4；2—进水单向阀；3—阀芯；4—阀体；5—高压接近开关3；6—高压接近开关2；7—泵体；8—高压出水单向阀；9—活塞杆；10—活塞；11—高压接近开关1。

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增压泵最大出口压力36 MPa，最大进口压力20 MPa，最大理论排量160 m³/d，电机功率0.75 kW，泵质量550 kg。

正行程：活塞处于增压缸左端位置，管网来水通过换向阀进入A腔和C腔，活塞向右运动，B腔的高压出水单向阀打开，实现向高压井注水，D腔的水通过两位四通换向阀注入到低压井；当活塞运动到增压缸右端时，触发高压接近开关1，电机启动正转，带动换向阀阀芯向右运动，实现换向，当阀芯触发右端的高压接近开关3时，电机停止，此时管网来水管线与B、D腔连通。

反行程：活塞处于增压缸右端位置，管网来水通过换向阀进入B腔和D腔，活塞向左运动，C腔的高压出水单向阀打开，实现向高压井注水，A腔的水通过两位四通换向滑阀注入到低压井；当活塞运动到增压缸左端时，触发高压接近开关2，电机启动反转，带动换向阀阀芯向左运动，实现换向，当阀芯触发左端的高压接近开关4时，电机停止，此时管网来水管线与A、C腔连通，1个工作过程结束。

根据实际注水系统的需要，在不改变原注水工艺及泵主体结构的情况下，可以通过以下3种方式调整泵流量和压力：①当高压注水井配注流量变化较大时，可以通过选配增压缸直径型号来满足处理水量变换的需求；②当高压注水井配注压力变化时，可以通过调整活塞杆直径来调整泵高压腔出水压力和高、低压腔出水比例；③当高压水配注流量较少，低压水配注流量较多时，可以通过调整管网来水管线与低压注水井间的阀门，满足低压注水井的配注流量要求。

由于密封段需要过孔，换向阀采用了阀芯与阀体间的间隙式动密封技术。换向阀结构如图3所示。管网来水通过进水口进入阀体，当阀芯处于换向阀左侧时，管网来水通过右侧进出水口进入增压泵缸体，增压缸低压水则经过左进出水口注入到低压井。当阀芯处于换向阀右侧时，管网来水通过左侧进出水口进入增压泵缸体，增压缸低压水则经过右进出水口注入到低压井，如图4所示。

图 3 换向阀结构图 Fig.3 The structure of reversing valve 1-端盖;2-阀体;3-进出水口;4-进水口;5-阀芯;6-动密封组件。

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从图4可以看出，阀体2个进出水口分别连接管网来水和低压井，存在的压差需要通过换向阀阀芯与阀体间的动密封来实现隔离。阀芯与缸体间隙过小，会增加制造、装配成本，且不便维护；间隙太大，则泄漏量增大，达不到密封效果，因此需要合理地选择密封结构和尺寸参数。经过对比分析，确定该部位采用槽式密封结构，阀芯与阀体密封段长度6 mm，并以6 MPa压差为边界条件，采用Fluent仿真平台，对密封间隙、密封槽数量、槽宽、槽深与泄漏量间关系进行仿真研究^[9]，结果见图5。

图 4 换向阀剖视图 Fig.4 The cross-sectional view of reversing valve

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图 5 间隙密封仿真结果 Fig.5 Simulation results of clearance seal

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综合考虑制造、维护与实际工况对密封级别和性能的要求，确定了密封间隙0.04 mm，密封槽数3个，槽宽0.5 mm，槽深1.0 mm的结构参数，如图6所示。

图 6 间隙密封结构 Fig.6 Structure of clearance seal

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活塞不需要过孔，因此增压缸主体采用了接触式密封设计，如图7所示。活塞和单向阀均自主设计。活塞由多级耐磨橡胶组成，设计的组合结构在流体压力作用下，可以实现活塞与缸体之间自锁密封。单向阀主体材料为陶瓷，具有很好的耐磨损和耐腐蚀性。单向阀上弹簧的参数及性能对阀开启幅值和响应灵敏度影响很大，采用ADAMS动力学分析软件对其动力学行为进行仿真，结果见表1。在此基础上确定了不同型号缸体的弹簧参数。

图 7 增压缸结构 Fig.7 The structure of pressure cylinder 1—高压接近开关2；2—进水单向阀；3—高压接近开关1；4—活塞；5—泵筒；6—活塞杆；7—泵体；8—分隔套；9—高压出水单向阀。

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水力压差驱动往复式增压泵在室内和专业测试场地进行了故障断电启停、流量调节测试、压力调节测试和极限压力测试等试验，完全实现了预定的设置指标。2012年，在大庆油田8-2-1区块进行了推广试验研究。通过对某配水间连续1个月观测，该泵运行过程中无噪声、运行平稳、维护简单、可靠性好。经测试，当管网来水压力为14.5 MPa时，经该泵处理后，高压出口压力为19.1 MPa，低压出口压力为10.3 MPa，高压出口流量达40.3 m³/d，效率在90%以上。由于采用换向电机间歇式工作模式，经测试每天耗电量不足2 kW。添加选配GPRS控制模块后，该泵可以实现远程注水数据监控和启停等功能，无需巡查人员现场操作。

(1)采用管网来水作为主要动力源，实现了管网来水压力低于高压井配注压力的高压井注水工艺，解决了水力压差驱动往复式增压泵少数高压井与低压井共处同一区块的注水难题。

(2)研制的增压泵采用模块化设计方式，可根据现场不同的配注流量和配注压力进行调节。

(3)泵运行效率高、操作简单、维护方便，可以实现远程数据监控和启停控制，节能环保。