曲 海,魏秦文,梁 政,徐 淼

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;2.中國石油天然氣管道科學研究院,河北廊坊065000;3.西南石油大學,成都610500;4.中國石油管道局第一工程分公司,河北廊坊065000)

直線電機抽油泵泵閥不同工況特點研究

曲 海1,魏秦文2,3,梁 政3,徐 淼4

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;2.中國石油天然氣管道科學研究院,河北廊坊065000;3.西南石油大學,成都610500;4.中國石油管道局第一工程分公司,河北廊坊065000)

直線電機抽油泵是一種新型高效節(jié)能的采油裝備,目前尚處于研發(fā)階段,泵閥總成是制約其工作效率提高的關鍵因素之一。為充分認識該系統(tǒng)泵閥工作行為與其他抽油機的不同,找出合理設計依據(jù),運用計算流體力學方法對所設計的泵閥總成進行了三維數(shù)值模擬,計算結(jié)果正確反映了流場狀態(tài),得到了閥球運動規(guī)律。通過研究不同柱塞沖程和沖次參數(shù)組合情況下閥球運動,分析了泵閥總成的啟閉和導向性能,得到了系統(tǒng)最佳設計參數(shù)。

直線電機抽油泵;泵閥總成;數(shù)值模擬;啟閉性能;導向性能

直線電機抽油泵利用直線電機驅(qū)動井下柱塞泵舉升原油,系統(tǒng)效率大大提高,節(jié)能效果明顯[1-2]。作為一項新興高新尖端采油技術,目前尚未形成統(tǒng)一標準,直線電機抽油泵的研制尚待進一步深入展開。泵閥總成是直線電機抽油泵的關鍵部件之一,它決定了系統(tǒng)舉升原油的基本能力、泵效、檢泵周期以及直線電機結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)基本工作參數(shù)。研究分析泵閥總成工作行為,對于合理選擇、設計直線電機抽油泵結(jié)構(gòu)具有十分重要的指導作用。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

直線電機抽油泵主要結(jié)構(gòu)設計參數(shù)如表1所示,系統(tǒng)柱塞泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。柱塞直接與直線電機動子相連,泵閥總成安裝在泵殼內(nèi)[3-4]。

表1 直線電機抽油泵主要設計參數(shù)

圖1 直線電機抽油泵柱塞泵結(jié)構(gòu)

泵閥總成由閥罩、閥球和閥座組成,根據(jù)API SPEC 11AX標準,設計采用性能優(yōu)良槽形球室型閉室閥罩,固定閥總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。球室壁有4條圓弧狀凹直槽,形成主要的液體流道。閥罩頂部鉆出與直槽相應的直孔作為出油孔,各孔斷面積之和不小于球室流道面積。閥罩下加工出內(nèi)螺紋與泵筒相連接。

固定閥總成與柱塞總成上的游動閥工作原理相同,結(jié)構(gòu)相似,僅存在尺寸上的差別。柱塞上行程擠壓泵筒中液體,閥球在壓差作用下脫離閥座打開,油液通過閥座內(nèi)孔進入閥罩,經(jīng)閥球與閥罩內(nèi)壁之間空隙流向閥罩出口。柱塞上行程結(jié)束,閥球落入閥座關閉。

圖2 固定閥總成結(jié)構(gòu)

2 控制模型

流體流動要受物理守恒定律的支配,基本的守恒定律包括:質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。仿真時不考慮流場熱交換,則需滿足以下守恒定律[5-6]。

2.1 流動控制模型

2.1.1 質(zhì)量守恒方程

式中,ρ為流體密度,kg/m3;u、v、w為流體速度分量,m/s;t為時間,s;x、y、z為3個坐標方向。

2.1.2 動量守恒方程

式中,p為流體微元體上的壓力,N;τxx、τyy、τzz為微元體表面粘性應力τ分量;Fx、Fy、Fz為微元體上的體積力,N。

2.2 湍流模型

k -ε模型是目前流場仿真中應用最廣泛的模型。因流場視為不可壓縮流動,不考慮用戶定義的源項,則采用的k -ε形式為

式中,k為湍動能;ε為湍動耗散率;μ為動力粘度, Pa·s;ut為湍流動力粘度,ut=ρCuK2/ε,Cu= 0109;σκ為湍動能的普朗特數(shù),σk=1;σε為耗散率對應的普朗特數(shù),σε=1.3;Gk為平均速度梯度湍動能k產(chǎn)生項;C1z、C2z為經(jīng)驗常數(shù),C1z=1.44、C2z=1.92。

2.3 流場變化控制模型

流場控制模型是基于流場區(qū)域固定形狀的情況,當采用動網(wǎng)格技術后,計算區(qū)域是變化的,所以要對上述流場模型進行改造,即考慮動邊界移動的影響,表達式為

式中,<為通用變量;Vs為控制體積,m3;Ls為控制體積邊界;u為流體時均速度,m/s;ug為動網(wǎng)格邊界移動速度,m/s;n為表面Ls上方向朝外的法向單位相量;q<為源項;Γ為擴散系數(shù)。

3 仿真分析

根據(jù)所設計的泵閥總成結(jié)構(gòu),在Pro/E軟件中建立如圖3所示的流場模型,并導入Cfdesign中進行流場分析。根據(jù)流場模型結(jié)構(gòu),同時考慮閥球在閥罩內(nèi)運動的隨機性,選用四面體單元劃分流場區(qū)域。閥球與閥座間存在嚙合面,因此流場區(qū)域被分割成上下2部分。對閥腔內(nèi)部4個主要過流區(qū)域進行網(wǎng)格細化處理,網(wǎng)格劃分如圖4所示,共劃分21 628個流場單元,4 325個節(jié)點。

抽油泵泵閥在開啟狀態(tài),進油口、出油口以及閥腔內(nèi)流體壓力幾乎相等。根據(jù)表1中井況參數(shù),固定閥開啟后,固定閥的進油口和出油口處壓力設為15 MPa。工作介質(zhì)密度ρ為900 kg/m3,粘性系數(shù)μ為0117 kg·m/s。閥球在閥腔內(nèi)受流體沖擊,運動規(guī)律呈現(xiàn)隨機性,在CFdesign中設閥球為6自由度運動體。根據(jù)有關分析[7],主要對柱塞沖次為6 min-1、沖程為016 m和112 m時的情況進行討論。

圖3 固定閥總成流場模型

圖4 固定閥總成流場網(wǎng)格模型

3.1 運動規(guī)律

柱塞沖次為6 min-1,沖程為0.6 m與1.2 m時的情況基本相同,根據(jù)圖5～8固定閥不同工作狀態(tài)閥腔內(nèi)部三維流場模擬結(jié)果,可得出閥球運動規(guī)律。

圖5 閥球開啟初始狀態(tài)

圖6 閥球懸浮狀態(tài) xz平面

圖7 閥球懸浮狀態(tài)yz平面

圖8 閥球關閉狀態(tài)

a) 閥球不是沿閥座通孔軸心線起升的,而是繞閥座的1個支撐點邊旋轉(zhuǎn)邊打開,閥球上升受到閥罩限制,與其發(fā)生多次碰撞后進入懸浮階段。

b) 由于閥球是一個球形零件,當流體繞過它流動時,在其后部將發(fā)生附面層的脫離現(xiàn)象,同時產(chǎn)生一個橫向激動力。由于閥球的對稱性,這種橫向激動力將沿閥球的“赤道”周圍周而復始地移動,使閥球不是始終位于閥座孔軸心線上,而是偏離一段距離作公轉(zhuǎn)運動。

c) 由于流體流動的不穩(wěn)定性以及閥球的偏離造成流體相對閥球流動的不對稱性,對閥球?qū)a(chǎn)生一定的擾動,使這個橫向力不能作用于球心,而是偏離球心一段距離,使閥球在水平面上還作自轉(zhuǎn)運動。

d) 閥球落座也是繞著閥座1個支撐點邊旋轉(zhuǎn)邊關閉。

e) 閥球打開、落座總是滯后于柱塞運動時間。沖次減小或沖次增加,閥球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)速度加快,運動規(guī)律基本不變,沖次過大,超過閥球打開與落座時間,閥球基本處于懸停狀態(tài)。

泵閥開啟和關閉功能的好壞,在一定程度上影響采油泵的泵效,并縮短泵閥壽命。泵閥開啟滯后,容易使泵筒內(nèi)液體的壓力受柱塞作用而急劇上升,在泵閥開啟后,液體能量急劇釋放,使得閥的沖擊動能增大,嚴重地損壞閥球與閥座的接觸表面,降低抽油泵的泵效和使用壽命。泵閥關閉滯后,由于柱塞已進入吸液過程,使得已從泵筒排出的液體,在柱塞作用下又回到泵筒,降低抽油泵的泵效。

3.2 啟閉性能

泵閥的啟閉性能主要與泵閥結(jié)構(gòu)、柱塞運動、油液壓力和粘度等參數(shù)相關[8]。在2種工況下,根據(jù)圖9～10閥球開啟運動規(guī)律曲線、落座運動規(guī)律曲線和滯后時間,可以檢驗固定閥的啟閉性能。

a) 固定閥開啟靈活、迅速,沒有阻礙作用,存在滯后,但時間極短。固定閥關閉存在極短時間的滯后,是由于閥球從懸浮狀態(tài)下落到閥座需要一定時間,同時由于閥球落座時存在一定的速度,這會與閥座發(fā)生碰撞反彈。

b) 柱塞沖程一定時,即泵的排量一定時,沖次越大,閥球的落座速度越大(如圖11)。

c) 柱塞沖次一定時,沖程越大,閥球落座速度越小,造成閥球落座的滯后時間越長(如圖12)。

3.3 導向性能

泵閥對進入流體的導向性能是檢驗其性能的主要標準,相對飄忽量越小,導向性能越好。泵閥結(jié)構(gòu)是影響泵閥導向性能的主要因素[9-11]。分析閥球徑向移動量,即y、z兩個方向上的位移,如圖13～14所示,可以檢驗固定閥的導向性能。

圖9 沖程為0.6 m閥球沿 x方向運動規(guī)律曲線

圖10 沖程為1.2 m閥球沿 x方向運動規(guī)律曲線

圖11 閥球落座速度對比曲線

圖12 閥球落座時間對比曲線

圖13 沖程600 mm閥球y、z方向位移曲線

圖14 沖程1 200 mm閥球y、z方向位移曲線

閥球在y、z方向上的飄忽量、相對飄忽量對比如表2所示,其中A為沖次6 min-1、沖程600 mm時的情況,B為沖次6 min-1、沖程1 200 mm時的情況,閥球相對飄忽量符合抽油泵泵閥相對飄忽量的要求,說明其導向性能較好。

表2 泵閥導向性能對比 mm

綜合上述分析,選取設計的泵閥結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)能夠滿足直線電機抽油泵正常工作要求,結(jié)合直線電機工作特點,沖次為6 min-1、沖程1 200 mm時,泵閥工作狀態(tài)最佳。

4 結(jié)論

1) 直線電機抽油泵與抽油機相比效率較高,泵閥運動規(guī)律相似,在柱塞上下行程時,閥球啟閉均存在一定的滯后,但受套管、直線電機出力和起下作業(yè)要求限制,其柱塞沖程不可能太大。

2) 直線電機抽油泵工況與其他采油方式存在一定差別,根據(jù)泵閥工作行為特點,比較適合小排量、低行程、低沖次、頻繁換向采油工作。

3) 直接影響泵閥選擇和工作參數(shù)設計的主要因素是泵閥啟閉性能和導向性能,它最終決定了直線電機結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)參數(shù)的合理范圍。泵閥啟閉性能主要與泵閥結(jié)構(gòu)、柱塞運動、油液壓力和粘度等參數(shù)相關。

4) 相對飄忽量越小,導向性能越好,改變固定閥閥座下端形狀,可以消除渦旋、減小流動阻力,改善泵閥工作性能。

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Research on Work Performances of Valve in Oil Pump Driven by Linear Motor at Different Work Conditions

QU Hai1,WEI Qin-wen2,3,LIANG Zheng3,XU Miao4
(1.State Key L aboratory ofPetroleum Resource and Prospecting,China University ofPetroleum,Beijing102249,China; 2.Pipeline Research Institute Of CN PC,Langf ang065000,China;3.Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China; 4.The First B ranch,China N ational Petroleum B ureau Projects,L angf ang065000,China)

High efficient and energy saving are the Characteristics of oil pump driven by linear mo-tor.Valve is one of key parts.Based on computational fluid dynamics,numerical stimulations for the fluid field around valve.The motion law of ball valve was obtained.Open-close and guide performances were evaluated by analyzing the motions of ball valve in different strokes and strokes per minute of pump.

oil pump driven by linear motor;valve;numerical simulation;open-close;guide

1001-3482(2010)03-0012-06

TE933.3

A

2009-09-21

教育部重點實驗室資助項目(2006STS02)

曲 海(1981-),男,山東濰坊人,博士研究生,主要從事油氣井工程方面的研究,Emali:swpuwqw@126.com。