韓洪升,王立陳,陳鴻鹍,任師華,楊 杰

(1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室,黑龍江大慶163318;2.中國石油長慶油田公司第一采油廠;3.中國石油大慶油田建設(shè)集團油建公司;4.天津大學(xué)管理與經(jīng)濟學(xué)部工程管理系)

高效抽油泵凡爾阻力實驗研究

韓洪升1,王立陳1,陳鴻鹍2,任師華3,楊 杰4

(1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室,黑龍江大慶163318;2.中國石油長慶油田公司第一采油廠;3.中國石油大慶油田建設(shè)集團油建公司;4.天津大學(xué)管理與經(jīng)濟學(xué)部工程管理系)

為了研究高效抽油泵中流體介質(zhì)通過其凡爾的壓降規(guī)律,利用室內(nèi)實驗裝置,測量用不同濃度聚合物溶液配制成的粘度不同的實驗介質(zhì)在豎直條件下通過抽油泵的固定凡爾和游動凡爾時的壓降,從而對相同條件下同一種泵的不同凡爾阻力、不同泵同一種凡爾阻力以及同一凡爾不同粘度下的阻力進行對比。結(jié)果表明,流體介質(zhì)通過高效泵新型固定凡爾時所產(chǎn)生的壓降要小于相同條件下的普通泵固定凡爾,而通過游動凡爾時則相反。同時根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果擬合出局部阻力經(jīng)驗公式,并對其進行了驗證。

高效抽油泵;凡爾阻力;壓降;阻力系數(shù);實驗

目前,國內(nèi)外油田普遍采用有桿抽油泵采油。據(jù)統(tǒng)計,全球范圍內(nèi)有桿抽油泵井幾十萬口,我國石油行業(yè)使用有桿抽油泵的油井在十五萬口以上[1]。國內(nèi)大部分油田進入開發(fā)后期,面臨著油層出砂、高含水、高氣油比、強腐蝕性等問題,而普通抽油泵在這些井上工作時處于低效生產(chǎn)狀態(tài),因此為了更好地滿足油田生產(chǎn)的需要,許多廠家及油田都在研制新型高效抽油泵,主要是對其結(jié)構(gòu)進行了一些改動。本實驗所采用的抽油泵是現(xiàn)場工作人員經(jīng)過不斷探索并成功研制的一種新型高效泵,與其同系列的普通泵相比,其固定凡爾球采用陶瓷球,游動凡爾上裝有環(huán)形閥總成。針對這種新型高效泵,工作人員已經(jīng)做了大量研究,但對于其凡爾阻力的實驗研究卻鮮見文章。本文通過室內(nèi)實驗裝置,測量用不同粘度的實驗介質(zhì)在不同流量下通過凡爾所產(chǎn)生的壓降,從而得出新型高效泵凡爾的壓降變化規(guī)律及與普通泵凡爾的對比關(guān)系,并以此為基礎(chǔ),為現(xiàn)場不同工況下抽油泵的選取提供參考。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

為了模仿現(xiàn)場抽油泵工作情況,實驗介質(zhì)從下至上依次通過固定凡爾和游動凡爾,我們設(shè)計了以下室內(nèi)實驗裝置,如圖1所示。

圖1 實驗裝置流程

實驗采用泵徑為38mm抽油泵,其中,游動凡爾為下游動凡爾(因為同一種泵上下游動凡爾及其底座的結(jié)構(gòu)是相同的,因此選用其中的一個凡爾即下游動凡爾進行實驗),流量計為電磁流量計,差壓計為雙波紋管差壓計,測量范圍0～60kPa間任選。

1.2 實驗方法

儲液罐中的聚合物溶液被螺桿泵吸入,并經(jīng)過螺桿泵增壓后,以一定的壓力和流量從下向上依次通過泵的固定凡爾,游動凡爾,在每個凡爾上下兩端連接的差壓計,會及時反映聚合物溶液通過凡爾過程中壓力的變化,從而得出該流量條件下聚合物溶液通過各凡爾產(chǎn)生的壓降,流量的大小可通過電磁流量計進行監(jiān)測,流量的改變通過電機變頻器進行調(diào)節(jié),最后聚合物溶液通過管路回流到儲液罐。

2 實驗結(jié)果與討論

實驗基于ΔP=f(Q,μ結(jié)構(gòu)系數(shù))[2]函數(shù)關(guān)系,目的是通過研究流體粘度、流量和結(jié)構(gòu)性系數(shù)對凡爾阻力的影響,來對流體通過高效泵與普通泵的固定凡爾、游動凡爾所產(chǎn)生的壓降進行對比。這里結(jié)構(gòu)性系數(shù)與泵閥各局部尺寸和表面粗糙度有關(guān),但對于某一固定的泵閥結(jié)構(gòu)而言,結(jié)構(gòu)性系數(shù)為一定值,本實驗用的兩種泵的固定泵閥結(jié)構(gòu)是相同的,但游動泵閥略有差異,見圖2、圖3。

圖2 高效泵新型游動凡爾罩

圖3 兩種泵的 固定凡爾罩

2.1 相同粘度條件下,不同凡爾的壓降與流量關(guān)系

實驗中,實驗介質(zhì)分別用粘度為 3、10、20、30 mPa·s的聚合物溶液。實驗結(jié)果見圖4～圖7。

圖4 粘度為3 mPa·s各種凡爾的壓降與流量關(guān)系

圖5 粘度為10 mPa·s各種凡爾的壓降與流量關(guān)系

圖6 粘度為20 mPa·s各種凡爾的壓降與流量關(guān)系

圖7 粘度為30 mPa·s各種凡爾的壓降與流量關(guān)系

從圖中可以看出,在相同條件下,新型固定凡爾的壓降小于普通固定凡爾壓降;新型游動凡爾壓降大于普通游動凡爾壓降;對于同一種泵,在相同條件下,游動凡爾的壓降要大于固定凡爾的壓降。

抽油泵的固定閥由閥座、閥球以及凡爾罩三部分組成,而固定閥閥球?qū)υ瓦M入泵筒的流壓影響主要表在兩個階段,一是在閥球開關(guān)瞬間,閥球的自重直接影響著開啟壓差;二是在閥球處于開啟狀態(tài),原油經(jīng)固定閥球進入泵筒期間,閥球的外形尺寸及重量影響著油流的壓力降。這就意味著固定閥采用密度較大的閥球時,進泵筒的油流就必須產(chǎn)生相對更大的壓力降,才能使油流連續(xù)不斷地進入抽油泵泵筒。本實驗所用的普通固定凡爾閥組和新型固定凡爾閥組的結(jié)構(gòu)尺寸一致,不同的是前者的凡爾球為鋼球,后者為陶瓷球,因陶瓷球的密度小于鋼球密度,所以由以上分析得知,在相同條件下,聚合物溶液分別通過鋼球固定凡爾與陶瓷球固定凡爾時所產(chǎn)生的壓降,前者要大于后者;在設(shè)計高效泵時,為了提高泵效,對凡爾罩進行了改造,特別是在游動凡爾罩的頂部增加了環(huán)形裝置,從而減小了氣體影響,防止氣鎖、改善抽油桿受力狀況,大大提高了泵效,但從阻力實驗結(jié)果來看,這種閥改變了聚合物溶液的流道方向,并減小了流道的截面積,與普通游動凡爾相比,無疑增加了聚合物溶液通過游動凡爾時的阻力損耗;由于聚合物溶液通過固定凡爾閥組時的孔道截面積要大于游動凡爾的孔道面積,所以盡管聚合物溶液克服固定凡爾的重力所產(chǎn)生的壓降大于克服游動凡爾的重力所產(chǎn)生的壓降,但這遠遠不能平衡孔道截面積縮小所帶來的壓力損失。

2.2 不同粘度條件下,同一凡爾的壓降與流量關(guān)系

實驗結(jié)果見圖8～圖11。

由圖中可以看出,相同條件下,隨著粘度的增大,凡爾壓降也隨之增大。

圖8 不同粘度下,新型固定凡爾壓降與流量關(guān)系

圖9 不同粘度下,新型游動凡爾壓降與流量關(guān)

圖10 不同粘度下,普通固定凡爾壓降與流量關(guān)系

圖11 不同粘度下,普通游動凡爾壓降與流量關(guān)系

實驗所用的普通型固定凡爾、游動凡爾和高效泵新型固定凡爾、游動凡爾的孔球比均小于1.5,根據(jù)抽油泵泵閥流體阻力試驗[2],在孔球比小于1.5時,阻力主要來源于流速和粘度,其阻力對粘度和流速反應(yīng)敏感,呈現(xiàn)軟特性。局部阻力損失公式、流量公式以及雷諾數(shù)公式如下:

式中:ΔP——壓降 ,m;ζ——局部阻力系數(shù);v——流速,m/s;h——局部水頭損失,m;g——9.8m2/s;Q——流量 ,m3/s;Re——雷諾數(shù);ρ——kg/m3;D ——內(nèi)徑 ,m;μ——粘度 ,Pa·s。

由以上公式可知,對于同一凡爾在一定粘度下,局部阻力壓降隨著流速增加而增加;關(guān)于閥門的局部阻力系數(shù),在一般的化工原理教材或是化工設(shè)計手冊中,通常只能查到一個定值,而閥門的局部阻力系數(shù)嚴格地講與Re密切相關(guān)[3],阻力系數(shù)ζ隨著雷諾數(shù)Re的減小而增大,而雷諾數(shù)Re是隨著粘度的增大而減小,即阻力系數(shù)ζ隨著粘度的增大而增大,根據(jù)實驗的數(shù)據(jù)繪制的圖像體現(xiàn)了這一規(guī)律。

2.3 凡爾局部阻力關(guān)系式及其驗證

利用以上實驗數(shù)據(jù)結(jié)果,可以得出阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線圖(如圖12),并擬合出局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的經(jīng)驗公式(表1)。

圖12 各凡爾阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

表1 凡爾局部阻力關(guān)系公式

為了檢驗擬合出來的經(jīng)驗公式是否具有實際意義,用粘度為5mPa·s的聚合物溶液進行驗證,并將實驗得出的數(shù)據(jù)與由擬合公式得出的數(shù)據(jù)進行對比,如圖13、14所示:

圖13 高效泵新型凡爾阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系理論值與實測值對比關(guān)系

圖14 普通泵凡爾阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系理論值與實測值對比關(guān)系

通過比較可知,由擬合公式得出的數(shù)據(jù)圖像與通過實驗得出的數(shù)據(jù)圖像關(guān)聯(lián)度較高,說明擬合的經(jīng)驗公式接近實際。

3 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場的要求,對研制的高效抽油泵的新型凡爾壓降變化規(guī)律進行了室內(nèi)模擬實驗,并由實驗數(shù)據(jù)結(jié)果得出新型凡爾與普通凡爾壓降的對比關(guān)系,同時擬合出關(guān)于凡爾局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的經(jīng)驗公式,從而對現(xiàn)場高效抽油泵的選取與應(yīng)用提供參考。

在相同流量、粘度條件下,新型游動凡爾壓降大于普通游動凡爾的壓降,而新型泵固定凡爾的壓降小于普通固定凡爾的壓降;對于同一種泵,游動凡爾的壓降大于固定凡爾的壓降。

[1] 閆學(xué)峰,檀朝東,周曉東.國內(nèi)油田抽油泵應(yīng)用工況及失效形式綜述[J].中國石油與化工,2008,18:48-51.

[2] 姚建設(shè).抽油泵泵閥的流體阻力試驗[J].石油機械,1993,21(3):21-25.

[3] 吳大偉,張成林.球閥摩擦阻力系數(shù)的研究[J].機械、裝備與設(shè)計,2006,9(5):35-37.

編輯:李金華

TE833

A

2010-09-09

韓洪升,教授,1950年生,1981年獲大慶石油學(xué)院碩士學(xué)位,現(xiàn)主要研究方向為多相流體力學(xué)和非牛頓流體流變學(xué)。

1673-8217(2011)01-0125-03