韓國有，陳魏建，宋玉杰，韓道權(quán)，葉衛(wèi)東

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

目前國內(nèi)許多油田都進(jìn)入高含氣開采階段，而且部分油田為了提高采收率應(yīng)用了CO2等氣驅(qū)技術(shù)，這大大增加了油層氣體的含量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生氣鎖現(xiàn)象[1-2]。我國油田所使用的抽油泵大部分是柱塞式抽油泵,由于普通的柱塞式抽油泵結(jié)構(gòu)簡單，不適應(yīng)氣液兩相共存的流場環(huán)境，氣體的存在會(huì)造成游動(dòng)閥和固定閥開啟延遲，而防氣抽油泵則可以避免這種問題的出現(xiàn)[3-5]。

本文對(duì)一種新型的中排氣式防氣抽油泵進(jìn)行了仿真模擬研究，該種防氣抽油泵的泵筒開有幾個(gè)與套管相通的通孔，通孔的位置要保證在整個(gè)沖程范圍內(nèi)油管不能與套管連通[6]，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，中排氣式防氣抽油泵柱塞的長度應(yīng)該和沖程一樣，或者差別不大。此通孔的主要作用就是在油液中的含氣率較高的情況下排出泵筒內(nèi)的氣體和吸入套管中的液體。

1 模型的建立

1.1 幾何模型的建立

圖1(a)為對(duì)中排氣式防氣抽油泵進(jìn)行簡化后的三維模型，圖1(b)為流體數(shù)值模擬計(jì)算模型。與實(shí)際的模型相比，通過設(shè)置邊界條件模擬游動(dòng)閥和固定閥的啟閉；本文主要研究泵筒內(nèi)部流場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為此忽略了抽油泵柱塞與泵筒之間的間隙。

圖1 中排氣式防氣抽油泵模型圖

1.2 物理模型的選擇

由于本文涉及氣液兩相流，因此首先選擇多相流模型。多相流模型包含VOF模型、混合模型和歐拉模型。本文采用的是VOF模型，VOF模型是建立在固定的歐拉網(wǎng)格下的一種模型，其利用了表面跟蹤方法，適合于求解分層和追蹤自由表面的問題[7-8]，VOF模型的特點(diǎn)是將運(yùn)動(dòng)界面在空間網(wǎng)格內(nèi)定義成一種流體體積函數(shù)。

1.3 基本方程

1)體積分?jǐn)?shù)方程。

(1)

2)動(dòng)量方程。

(2)

式中：ρ為流體密度；ν為流體速度；P為流體壓力；μ為流體動(dòng)力黏度；g為重力加速度；F為系統(tǒng)外力。

通過求解整個(gè)區(qū)域內(nèi)單一的動(dòng)量方程，得到的速度場由各相共享。該動(dòng)量方程取決于通過所有相的體積分?jǐn)?shù)。

3)能量方程。

(3)

式中：E為總能量；keff為有效熱導(dǎo)率；T為系統(tǒng)溫度；Sh為包括來自輻射以及任何其它體積的熱源。

1.4 初始條件的設(shè)置

柱塞處于上死點(diǎn)位置，設(shè)置泵筒內(nèi)初始?jí)毫? MPa，初始含氣量為95%，設(shè)置抽油泵沖次為6次/min，防沖距為0.6 m，沖程為1.8 m。

1.5 邊界條件的設(shè)置

當(dāng)固定閥關(guān)閉時(shí)把固定閥所處的平面設(shè)置為壁面wall，當(dāng)固定閥開啟時(shí)設(shè)置為壓力入口pressure-inlet,入口壓力為2 MPa。當(dāng)游動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)，把游動(dòng)閥所處的平面設(shè)置為壁面wall，當(dāng)游動(dòng)閥開啟時(shí)，設(shè)置為接觸表面interface。把模型上表面設(shè)置為壓力出口pressure-outlet ，出口壓力為8 MPa。

2 仿真模擬結(jié)果分析

2.1 柱塞從上死點(diǎn)到中排孔關(guān)閉過程分析

圖2為中排氣式防氣抽油泵運(yùn)行過程中含氣率云圖，由圖可知，隨著柱塞的移動(dòng)泵筒內(nèi)部壓力的分布及變化。圖3是中排氣式防氣抽油泵泵筒內(nèi)壓力隨時(shí)間變化的曲線，從曲線圖中可以看到，當(dāng)柱塞處于上死點(diǎn)位置時(shí)，泵筒內(nèi)壓力為2 MPa。當(dāng)柱塞向下移動(dòng)至中排孔位置過程中，由于中排孔將泵筒與套筒連通，所以雖然柱塞在下移，但泵筒內(nèi)的壓力一直維持在2 MPa。

圖2 中排氣式防氣抽油泵運(yùn)行過程中含氣率云圖

圖3 中排氣式防氣抽油泵泵筒內(nèi)壓力變化曲線

圖4為中排氣式防氣抽油泵泵筒內(nèi)含氣率隨時(shí)間的變化曲線，由圖可知，初始時(shí)刻泵筒內(nèi)含氣率為95%，隨著柱塞的下移含氣率會(huì)下降，而且經(jīng)過幾個(gè)周期過后，泵筒內(nèi)的總體含氣率是在逐漸降低的。圖5為中排孔排出介質(zhì)的含氣率隨時(shí)間變化曲線圖，由圖可知，從中排孔排出的介質(zhì)主要是氣相介質(zhì)，因此泵筒內(nèi)含氣率下降。

圖4 中排氣式防氣抽油泵泵筒內(nèi)含氣率變化曲線

圖5 中排氣式防氣抽油泵中排孔含氣率變化曲線

2.2 柱塞從中排孔關(guān)閉到下死點(diǎn)過程分析

當(dāng)柱塞繼續(xù)下行至把中排孔堵住時(shí)，泵筒內(nèi)壓力還未到達(dá)游動(dòng)閥開啟壓力，隨著柱塞的繼續(xù)下行至下死點(diǎn)，在此過程中抽油泵泵筒內(nèi)的壓力升高，含氣率下降，如圖2中時(shí)間為2.5 s時(shí)的狀態(tài)。由于泵筒內(nèi)含氣率過大，當(dāng)柱塞下行到下死點(diǎn)時(shí)，泵筒內(nèi)壓力未達(dá)到游動(dòng)閥開啟壓力8 MPa，所以在第一個(gè)沖程內(nèi)游動(dòng)閥未能開啟。從圖3可以看到，在前4個(gè)周期抽油泵泵筒內(nèi)的壓力都未達(dá)到游動(dòng)閥開啟壓力，直到第五個(gè)周期時(shí)，泵筒內(nèi)壓力達(dá)到了游動(dòng)閥開啟壓力，游動(dòng)閥才得以開啟。從圖4可以看到，隨著柱塞從中排孔開始關(guān)閉的位置到下死點(diǎn)，泵筒內(nèi)氣體體積壓縮，泵筒內(nèi)含氣率降低。

2.3 柱塞從下死點(diǎn)到中排孔開啟過程分析

當(dāng)柱塞處于上沖程并處于中排孔開啟之前，壓力逐漸降低，含氣率逐漸增大，如圖2中時(shí)間為7.5 s時(shí)的狀態(tài)。 由圖3可知，從下死點(diǎn)位置開始，隨著柱塞向上運(yùn)動(dòng)，由于泵筒內(nèi)的壓力始終未降低到固定閥開啟壓力2 MPa，所以在此期間固定閥和游動(dòng)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。兩個(gè)周期后，壓力降低到了到固定閥開啟壓力，固定閥打開并吸入井下介質(zhì)。但此時(shí)從固定閥吸入的介質(zhì)非常少，如圖6吸入和排出質(zhì)量流量變化曲線所示，第八個(gè)周期后固定閥才會(huì)有穩(wěn)定的質(zhì)量流量。

圖6 吸入和排出質(zhì)量流量變化曲線

從圖4可知，柱塞處于上沖程，泵筒內(nèi)的容積逐漸增大，泵筒內(nèi)含氣率升高。在經(jīng)歷2個(gè)周期后，泵筒內(nèi)總體含氣率有所下降。

2.4 柱塞從中排孔打開到上死點(diǎn)過程分析

當(dāng)抽油泵柱塞上移至中排孔開啟并繼續(xù)上升到上死點(diǎn)，此過程中泵筒與套管連通，泵筒內(nèi)壓力與套管內(nèi)壓力相等，如圖2中時(shí)間為10 s時(shí)的狀態(tài)。由圖3可知，在前兩個(gè)周期由于固定閥未開啟，當(dāng)柱塞上行至中排孔開啟后，泵筒與套管相通，所以在圖中可以明顯看出有壓力突降的過程。隨著柱塞繼續(xù)上移，井下介質(zhì)會(huì)從中排孔吸入至泵筒內(nèi)。從第三個(gè)周期開始，在柱塞上行至中排孔開啟之前固定閥已經(jīng)開啟，所以不會(huì)有像前兩個(gè)周期那樣壓力突降的過程。

如圖4所示，由于從井下吸入的介質(zhì)含氣率為95%，較泵筒內(nèi)介質(zhì)的含氣率高，因此這個(gè)階段泵筒內(nèi)介質(zhì)含氣率會(huì)繼續(xù)升高。圖7中的數(shù)值為正代表井下介質(zhì)流進(jìn)泵筒內(nèi)，數(shù)值為負(fù)代表泵筒內(nèi)的介質(zhì)流出泵筒，由圖可知，通過中排孔的質(zhì)量流量流入的遠(yuǎn)大于流出的。

圖7 中排孔質(zhì)量流量變化曲線

結(jié)合圖6和圖8可以知道，雖然在前兩個(gè)周期內(nèi)固定閥未開啟，但泵筒內(nèi)的液相質(zhì)量還是在增加，這就證明了中排孔起到了吸入介質(zhì)的作用。結(jié)合圖6和圖7可以看出，兩個(gè)周期過后，上沖程固定閥開啟，但是當(dāng)柱塞處于上行程并到超過排孔位置后，吸入口的流量會(huì)降為零，說明固定閥在此后關(guān)閉，泵筒內(nèi)的介質(zhì)主要通過中排孔吸入。

圖8 泵筒內(nèi)液相質(zhì)量變化曲線

3 結(jié)論

本文通過對(duì)中排氣式防氣抽油泵防氣性能的模擬可以得出以下結(jié)論：

1)即使在井下油液含氣率非常高的情況下，在經(jīng)歷了幾個(gè)周期的運(yùn)行之后，中排氣式防氣抽油泵泵筒內(nèi)的壓力均可以達(dá)到游動(dòng)閥和固定閥開啟的壓力，并且泵筒內(nèi)部的流場趨于穩(wěn)定，每個(gè)周期泵筒內(nèi)的壓力和含氣率的變化規(guī)律基本相同。

2)中排氣式防氣抽油泵在下沖程的初期通過中排孔將泵筒內(nèi)的高含氣介質(zhì)排出到套管，使泵筒內(nèi)含氣率降低；在上沖程的末期通過中排孔將套管中的介質(zhì)吸入到泵筒，增加了泵筒內(nèi)的液相質(zhì)量。

3)中排氣式防氣抽油泵可以有效防止氣鎖現(xiàn)象的發(fā)生，并且即使在抽油泵發(fā)生氣鎖現(xiàn)象之后也可以快速地緩解氣鎖現(xiàn)象。