多级离心泵转输返排液故障率高问题研究

一、前言

页岩气开采过程中，压裂返排液的处理与再利用是降低成本和环境风险的关键环节。渝西黄瓜山页岩气田采用“返排液管道转输至钻井平台就地处置后再利用”方案，但现场机泵频发故障， 重影响生产效率。本文针对机泵高温磨损、材料不匹配、缺乏联锁控制等问题，提出系统性解决方案，旨在提升转输系统的可靠性。

二、 现场情况简介

在渝西黄瓜山页岩气田的开发过程中，为解决压裂返排液的暂存处理问题，修建了两个返排液池子，采用一备一用的工作方式。这种设置旨在确保返排液能够被有效收集和处理，同时避免因单个池子故障而影响整体处理流程。每个池子的容量根据实际需求设计，以满足返排液的临时存储需求。

电潜泵安装在离排污口约 6 米的位置，用于给下游的多级离心泵提供足够的进水量。其设计工作温度上限为 40^∘C 。然而，由于页岩气井返排液的温度通常高达 70^∘C ，这使得电潜泵在实际运行中面临超温风险。此外，返排液中含有的固体颗粒（如支撑剂）容易对潜水泵造成磨损和堵塞，影响其正常运行。

多级离心泵最高输出压力 4.2MPa ，最高排量 <100m³/h 。尽管该泵的设计参数能够满足排液需求，但由于返排液中含有大量砂粒且温度较高，导致多级离心泵频繁发生故障。具体表现为叶轮和密封部件的磨损加剧，以及因高温引起的密封材料老化，这些问题显著降低了泵的使用寿命和运行稳定性。

三、机泵故障率高原因分析

1. 泵运行工况恶劣

页岩气压裂返排液中含有的固体颗粒对泵的正常运行构成了显著威胁。这些固体颗粒主要来源于压裂过程中加入的支撑剂，砂粒粒径多集中于 0.06-0.08mm ，在返排过程中随液体带至地面。电潜泵安装于离排污口 6 米处，直接接触含砂返排液，导致叶轮严重磨损。当含砂返排液通过多级离心泵时，砂粒会对叶轮、密封部件等关键部位造成严重磨损，导致泵的效率下降直至失效。

2. 高温介质对泵材料性能的影响

气井返排前期，排液量大且沉淀散热时间不足，返排液温度达 70% ，远超电潜泵推荐的 40% 上限。研究表明，高温环境会加速泵内密封材料老化导致变形。在用多级离心泵采用普通铸铁叶轮，在高温（ 70% ）含砂介质中运行时，叶轮和泵壳磨损速率加快，显著降低泵的使用寿命。

3. 缺失联锁控制

前端电潜泵与多级离心泵未联锁控制，当喂水泵故障时，多级离心泵仍持续运行易造成空转烧机。

四、 解决措施探讨

为解决多级离心泵转输返排液故障率高的问题，需从多个方面针对性采取解决措施。

1. 降低机泵入口介质温度和含砂量

研究表明，电潜泵离排污口过近会加剧砂粒磨损和堵塞的风险，改变其安装位置是降低砂粒对设备影响的有效手段。将安装的电潜泵迁移至备用池，同时在两个池子中间的隔墙上部开孔连通。从排污口排出的液体在池内充分沉淀固体颗粒，液位升高后从挡墙开口溢流至下入电潜泵的水池，达到在沉淀除砂的同时充分冷却返排液。

2. 改用耐磨材料叶轮

多级离心泵的材质对于提高其抗磨损能力和耐高温性能至关重要。针对返排液高温含砂的特点，作业区将泵送回生产厂家维修时，将原有的普通铸铁叶轮叶轮更换成耐磨性强、耐高温性能优异的高强度合金钢，修复使用半年以来，明显降低了多级离心泵的故障率。

3. 设置联锁控制系统

实现电潜泵与多级离心泵的联锁控制是解决空转烧机的重要措施。通过智能控制系统在线监测机泵的运行状态，前端电潜泵故障系统立即联锁停机，可有效避免多级离心泵因空转导致的设备故障。其次可将为多级离心转水泵提供吸头的电潜泵更换为负压罐。负压罐的核心原理是通过保持罐内一定的负压状态，使水泵在吸水过程中能够形成稳定的正压吸水条件，防止气蚀和空化影响，适应多种工况的同时减少能耗。

上述策略的综合应用有望显著降低多级离心泵的故障率，提高返排液转输效率。

五、 解决策略可行性分析

从技术层面来看，所提出的解决措施在当前工程技术领域具有可行性。根据参考文献中的数据估算，采用耐高温、抗磨损材料制造的多级离心泵在使用寿命内可节省约 30% 以上的运营成本，而联锁控制系统的引入则能额外降低 10%-15% 的故障率。优化泵的安装位置、更换高性能材料和入口负压罐可能会增加一定的设备采购和改造费用。相较于频繁维修或更换损坏泵所产生的高额维护成本而言，这种一次性投入更具经济效益。此外，提高多级离心泵的运行稳定性和使用寿命将显著减少因设备故障导致的平台停产损失，进一步提升了整体经济性。

六、 总结与展望

本研究针对渝西黄瓜山页岩气田多级离心泵转输返排液故障率高的问题，从含砂、高温介质影响及设备配置等方面进行了深入分析，并提出了相应的解决策略。通过优化泵的安装位置、改进多级离心泵材质以及实现喂水泵与多级离心泵联锁控制，可有效降低故障率，提升返排液处理效率，从而为页岩气田的经济高效开发提供技术支持。未来，应进一步研究新型泵技术以适应复杂工况需求，同时优化返排液处理流程，推动智慧化气田建设，为实现页岩气田的可持续发展奠定基础。