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魏宇曦

一、我国注聚泵应用现状

石油是不可再生资源，时至今日，我国的大庆油田、胜利油田等东部油田都已陆续进入了开发末期，产量都在不同程度地缩减，而储量的增加也逐渐减缓，因此稳定老油田的原油产量，尽最大能力提高最终采收率，对老油田有着举足轻重的作用。

在三次采油技术中，化学驱技术是最受欢迎的技术之一，化学驱技术中又以聚合物驱技术最为成熟有效。我国的油田主要分布于陆相沉积盆地，以河流三角洲沉积体系为主，储油层砂体纵横向分布和物性变化均比海相沉积更加复杂，油藏的非均质性较严重，而且原油粘度高，这些条件使得其比较适合聚合物驱。

我国于1972年开始在大庆油田进行聚合物驱试验。大庆油田的油层具有以下特性：渗透率较高，油层温度较低，油层水的矿化度较低。这几个特性也使得大庆油田比较适合进行聚合物驱油。通过一系列的现场试验及相关研究发现，聚合物驱可比水驱提高原油采收率20%以上。驱油液的粘度越高，就越能扩大波及体积，就越能提高驱油效果。最常用的聚合物驱油剂是 HPAM，这种 HPAM 的现场应用还存在一些问题，其中一个问题就是在地面泵送及经过管汇时容易产生剪切，导致粘度降低。

由于国内油藏注聚开发技术才刚刚起步，所以没有专用的注聚泵，目前都是使用普通的三缸柱塞泵。用来注聚的普通柱塞泵对介质粘度降解大、容积效率不够高成为了聚驱驱替效果不高的主要因素。

因此，对注聚泵进行优化改造，使其更好的适应聚合物的流动，减少对聚合物的剪切效应，能够显著地降低聚合物的粘度损失并提高原油采收率。本论文的研究主要改善了泵的入口阀、出口阀、壳体流道和壳体结构等部件在工作中对聚合物溶液产生剪切作用导致聚合物粘度降低的问题。

二、聚丙烯酰胺的特性

目前，油田用于聚合物驱的化学剂中，聚丙烯酰胺是普遍认为效果最好、发展前景最好的。这种聚丙烯酰胺包含非离子聚丙烯酰胺和部分阴离子聚丙烯酰胺。在两种聚丙烯酰胺中，部分水解的聚丙烯酰胺的相对分子质量较高，也是目前应用最广泛的用于提高原油采收率的聚合物。

但是在聚丙烯酰胺驱油的实践应用过程中也逐渐暴露出了一些问题，比如聚丙烯酰胺的降解，包括剪切降解、热降解和氧化降解。在分析中发现，部分水解聚丙烯酰胺注入泵之后的粘度比注入泵之前下降了10～30%。现场为了解决此问题，陆续采用了增加注入浓度、加入交联剂以及地下合成等方法。现在的发展方向是利用共聚合的方法，将带支链的链节引入到聚丙烯酰胺分子中，使原聚丙烯酰胺的刚性提高，抗剪切能力也增强。在温度超过93℃时，聚丙烯酰胺会发生严重的热降解，故聚丙烯酰胺不适宜在高温地层中使用。

聚丙烯酰胺能与水以任意比例互溶，水溶液为均匀的高粘度液体。此时溶液的粘度只取决于其相对分子质量，浓度和温度。其中相对分子质量是影响聚丙烯酰胺溶液粘度的关键因素，相对分子质量越大，粘度越大。聚丙烯酰胺的水溶液为假塑性流体，其粘度会随着剪切速率增加而下降，这种情况称为剪切变稀。

三、注聚泵粘损率偏高原因分析及优化措施

泵中液体的输送过程实际上主要就是液力端吸入和排出液体的过程，因此可以推断，注聚泵对聚合物的降解应该主要发生在液力端。而液力端是由不锈钢制成的，所以可以排除化学降解，且泵送时流体温度一般不超过35℃，故也可以排除热降解，因此只可能存在机械降解。

液力端的主要组成为由液缸（壳体）、柱塞、吸入阀和排出阀、密封填料等，往复泵的工作原理决定了机械降解只可能发生在吸入阀和排出阀处。因此，分析得出以下几点引起粘损的原因：（1）泵的容积效率偏低；（2）流体流动过程中变向及机械剪切较多；（3）冲程冲次影响大。根据以上分析，并通过现场调研以及查找许多相关资料，现提出以下几点改造措施：

（1）柱塞杆的参数方面。通过查阅文献资料，了解到采用大直径、长冲程和低冲次的柱塞杆可降低机械降解率。故而第一处优化措施即是采用大直径、长冲程和低冲次的柱塞杆代替原柱塞杆。

（2）壳体方面。原始壳体内部过流通道结构有很多不合理的地方。底部用带聚四氟乙烯垫片的螺纹密封，然而裸露在過流通道表面的螺纹会对高聚物起到一个抽丝的破坏，削短了高聚物的分子链长度，降低了高聚物的粘度；入口阀下部过流通道处明显有多余台阶，形同多了一个变径，但没有什么实际作用，反而使壳体内部过流通道变得更加复杂；排出阀罩、压盖以及出口的流道不在同一轴线上，且三者直径大小不一，既增加了流体的转弯次数，又形成了多个无用的小腔室，而腔室内极容易长生涡旋，降低高聚物的粘度。泵壳的这些不合理地方，不仅对高聚物产生了抽丝的破坏，而且增加了转弯次数和多个小腔室，使得过流通道变得更加复杂，增大了对高聚物的机械降解。在优化中，将螺纹密封换成了堵头密封，去除螺纹对高聚物的抽丝现象；去掉多余台阶，简化过流通道；将阀罩和压盖做成一体式，并使流道和出口流道等径且同轴线，消除无用小腔室，更进一步简化过流通道。此改造方案去除了抽丝现象，消除了无用小腔室，并进一步简化了过流通道，有效地降低流道阻力，提高了泵对高聚物的输送能力，有效降低了对高聚物的机械降解。

（3）阀罩方面。改造前的阀罩流道是由位于顶部和侧面的多个圆孔构成，这大大增加了流道的转弯次数，并很大程度上增大了高聚物的剪切率。而改造后，把入口阀阀罩上多余的地方完全去掉，只保留为弹簧起支撑作用的支撑座。出口阀把不仅把圆孔去掉，而且将阀罩和压盖做成一体式，大大减少了转弯次数，降低了剪切率。

（4）阀座方面。原始阀座的流道面积较窄，且阀座底部变径处为急剧收缩，不利于高聚物流动。入口阀底座采用锥密封，易造成泄露，降低容积效率。现将阀座流道直径合理增大，且将阀座底部做成45°倒角，有效地降低了泵阀对高聚物的机械降解率。

结论

经过几十年的开发，大庆油田早已进入了三次采油阶段，相关实验和现场试验表明聚驱采油技术可比传统的水驱提高采收率20%。但目前聚驱中应用的柱塞泵大多是注水泵，并没有专用的注聚泵。针对目前普通柱塞泵对介质粘度降解大、容积效率不够高等问题，设计改造出适用于聚驱的低粘损，高容积效率的注聚泵液力端。

1.对注聚泵液力端结构进行了详细研究，确定了影响聚合物母液粘度降低的主要因素为：泵的入口阀、出口阀结构，内部流道的形状及表面光洁度，柱塞及柱塞缸结构等。

2.针对影响聚合物粘度的主要因素进行了相关改造设计，重点对入口阀和出口阀整体结构进行了改造设计；对液力端内部流道进行了优化改造；对柱塞缸进行了优化设计。

参考文献

[1] Shu J J，Burrows CR，Edge K A.Pressure Pulsation in reciprocating pumping piping Systems Part 1：Modeling[J].Proceeding of the Institution of Mechanical Engineer.1997，211（1）：229-236.

[2] 王启民，冀宝发，隋军，等.大庆油田三次采油的实践与认识[J].大庆石油地质与开发.2001，20（2）：1-6.