直線電機(jī)抽油泵泵閥不同工況特點(diǎn)研究

曲 海,魏秦文,梁 政,徐 淼

(1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院,河北廊坊065000;3.西南石油大學(xué),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(jī)抽油泵泵閥不同工況特點(diǎn)研究

曲 海1,魏秦文2,3,梁 政3,徐 淼4

(1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院,河北廊坊065000;3.西南石油大學(xué),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(jī)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(guān)鍵因素之一。為充分認(rèn)識(shí)該系統(tǒng)泵閥工作行為與其他抽油機(jī)的不同,找出合理設(shè)計(jì)依據(jù),運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)所設(shè)計(jì)的泵閥總成進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果正確反映了流場(chǎng)狀態(tài),得到了閥球運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),分析了泵閥總成的啟閉和導(dǎo)向性能,得到了系統(tǒng)最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

直線電機(jī)抽油泵;泵閥總成;數(shù)值模擬;啟閉性能;導(dǎo)向性能

直線電機(jī)抽油泵利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(xiàng)新興高新尖端采油技術(shù),目前尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),直線電機(jī)抽油泵的研制尚待進(jìn)一步深入展開。泵閥總成是直線電機(jī)抽油泵的關(guān)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(jī)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(duì)于合理選擇、設(shè)計(jì)直線電機(jī)抽油泵結(jié)構(gòu)具有十分重要的指導(dǎo)作用。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

直線電機(jī)抽油泵主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)動(dòng)子相連,泵閥總成安裝在泵殼內(nèi)[3-4]。

表1 直線電機(jī)抽油泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 直線電機(jī)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(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)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(yīng)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(dòng)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(jìn)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(guān)閉。

圖2 固定閥總成結(jié)構(gòu)

2 控制模型

流體流動(dòng)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(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。仿真時(shí)不考慮流場(chǎng)熱交換,則需滿足以下守恒定律[5-6]。

2.1 流動(dòng)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(shí)間,s;x、y、z為3個(gè)坐標(biāo)方向。

2.1.2 動(dòng)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(yīng)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(chǎng)仿真中應(yīng)用最廣泛的模型。因流場(chǎng)視為不可壓縮流動(dòng),不考慮用戶定義的源項(xiàng),則采用的k -ε形式為

式中,k為湍動(dòng)能;ε為湍動(dòng)耗散率;μ為動(dòng)力粘度, Pa·s;ut為湍流動(dòng)力粘度,ut=ρCuK2/ε,Cu= 0109;σκ為湍動(dòng)能的普朗特?cái)?shù),σk=1;σε為耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù),σε=1.3;Gk為平均速度梯度湍動(dòng)能k產(chǎn)生項(xiàng);C1z、C2z為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),C1z=1.44、C2z=1.92。

2.3 流場(chǎng)變化控制模型

流場(chǎng)控制模型是基于流場(chǎng)區(qū)域固定形狀的情況,當(dāng)采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)后,計(jì)算區(qū)域是變化的,所以要對(duì)上述流場(chǎng)模型進(jìn)行改造,即考慮動(dòng)邊界移動(dòng)的影響,表達(dá)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(shí)均速度,m/s;ug為動(dòng)網(wǎng)格邊界移動(dòng)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(xiàng);Γ為擴(kuò)散系數(shù)。

3 仿真分析

根據(jù)所設(shè)計(jì)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(chǎng)模型,并導(dǎo)入Cfdesign中進(jìn)行流場(chǎng)分析。根據(jù)流場(chǎng)模型結(jié)構(gòu),同時(shí)考慮閥球在閥罩內(nèi)運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性,選用四面體單元?jiǎng)澐至鲌?chǎng)區(qū)域。閥球與閥座間存在嚙合面,因此流場(chǎng)區(qū)域被分割成上下2部分。對(duì)閥腔內(nèi)部4個(gè)主要過流區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理,網(wǎng)格劃分如圖4所示,共劃分21 628個(gè)流場(chǎng)單元,4 325個(gè)節(jié)點(diǎn)。

抽油泵泵閥在開啟狀態(tài),進(jìn)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(jìn)油口和出油口處壓力設(shè)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(yùn)動(dòng)規(guī)律呈現(xiàn)隨機(jī)性,在CFdesign中設(shè)閥球?yàn)?自由度運(yùn)動(dòng)體。根據(jù)有關(guān)分析[7],主要對(duì)柱塞沖次為6 min-1、沖程為016 m和112 m時(shí)的情況進(jìn)行討論。

圖3 固定閥總成流場(chǎng)模型

圖4 固定閥總成流場(chǎng)網(wǎng)格模型

3.1 運(yùn)動(dòng)規(guī)律

柱塞沖次為6 min-1,沖程為0.6 m與1.2 m時(shí)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(chǎng)模擬結(jié)果,可得出閥球運(yùn)動(dòng)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(guān)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(gè)支撐點(diǎn)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(jìn)入懸浮階段。

b) 由于閥球是一個(gè)球形零件,當(dāng)流體繞過它流動(dòng)時(shí),在其后部將發(fā)生附面層的脫離現(xiàn)象,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)橫向激動(dòng)力。由于閥球的對(duì)稱性,這種橫向激動(dòng)力將沿閥球的“赤道”周圍周而復(fù)始地移動(dòng),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(yùn)動(dòng)。

c) 由于流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性以及閥球的偏離造成流體相對(duì)閥球流動(dòng)的不對(duì)稱性,對(duì)閥球?qū)a(chǎn)生一定的擾動(dòng),使這個(gè)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(yùn)動(dòng)。

d) 閥球落座也是繞著閥座1個(gè)支撐點(diǎn)邊旋轉(zhuǎn)邊關(guān)閉。

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

泵閥開啟和關(guān)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(dòng)能增大,嚴(yán)重地?fù)p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(guān)閉滯后,由于柱塞已進(jìn)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(yùn)動(dòng)、油液壓力和粘度等參數(shù)相關(guān)[8]。在2種工況下,根據(jù)圖9～10閥球開啟運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線、落座運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線和滯后時(shí)間,可以檢驗(yàn)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(shí)間極短。固定閥關(guān)閉存在極短時(shí)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(shí)間,同時(shí)由于閥球落座時(shí)存在一定的速度,這會(huì)與閥座發(fā)生碰撞反彈。

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

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

3.3 導(dǎo)向性能

泵閥對(duì)進(jìn)入流體的導(dǎo)向性能是檢驗(yàn)其性能的主要標(biāo)準(zhǔn),相對(duì)飄忽量越小,導(dǎo)向性能越好。泵閥結(jié)構(gòu)是影響泵閥導(dǎo)向性能的主要因素[9-11]。分析閥球徑向移動(dòng)量,即y、z兩個(gè)方向上的位移,如圖13～14所示,可以檢驗(yàn)固定閥的導(dǎo)向性能。

圖9 沖程為0.6 m閥球沿 x方向運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

圖10 沖程為1.2 m閥球沿 x方向運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

圖11 閥球落座速度對(duì)比曲線

圖12 閥球落座時(shí)間對(duì)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(duì)飄忽量對(duì)比如表2所示,其中A為沖次6 min-1、沖程600 mm時(shí)的情況,B為沖次6 min-1、沖程1 200 mm時(shí)的情況,閥球相對(duì)飄忽量符合抽油泵泵閥相對(duì)飄忽量的要求,說明其導(dǎo)向性能較好。

表2 泵閥導(dǎo)向性能對(duì)比 mm

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

4 結(jié)論

1) 直線電機(jī)抽油泵與抽油機(jī)相比效率較高,泵閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似,在柱塞上下行程時(shí),閥球啟閉均存在一定的滯后,但受套管、直線電機(jī)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(jī)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(diǎn),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(shè)計(jì)的主要因素是泵閥啟閉性能和導(dǎo)向性能,它最終決定了直線電機(jī)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(yùn)動(dòng)、油液壓力和粘度等參數(shù)相關(guān)。

4) 相對(duì)飄忽量越小,導(dǎo)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(dòng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)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。