射流排砂泵動態(tài)特性分析

金 博

（長慶油田分公司第五采油廠，西安710201） ＊

射流排砂泵動態(tài)特性分析

金 博

（長慶油田分公司第五采油廠，西安710201）＊

介紹了射流排砂泵的結(jié)構(gòu)及工作原理，定義了射流排砂泵洗井沖砂的技術(shù)參數(shù)。建立了射流排砂泵的無因次動態(tài)方程，分析了其能量損失和噴嘴、吸人腔室、擴散管的壓力損失，并通過分析氣體對射流排砂泵的影響，計算得到最小氣蝕面積，為射流泵的設計應用提供依據(jù)。

射流泵；動態(tài)特性；數(shù)值模擬

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，將射流泵應用于原油開采已經(jīng)成為一種重要手段。射流排砂泵是利用射流原理將注入井內(nèi)的高壓動力液的能量傳遞給井下產(chǎn)液的無桿泵采油裝置，其在井下無運動部件，對于高溫深井、高產(chǎn)井和含砂、含腐蝕性介質(zhì)、稠油以及高氣液比井具有較強的適應性［1－7］。射流泵的動態(tài)特性與電磁泵的特性相似（壓力和排量的關(guān)系［8］）。射流泵的生產(chǎn)廠家較多，有許多系列的射流泵，每個噴嘴又有5個以上的喉管與之組合，使射流泵的結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)、工作條件不同，其動態(tài)特性也就不同。因此，射流泵動態(tài)特性曲線數(shù)目也就很多。本文采用無因次化的統(tǒng)一數(shù)學模型來模擬射流泵的動態(tài)特性。

1 結(jié)構(gòu)組成及特點

射流排砂泵主要由噴嘴、喉管和擴散管3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。射流排砂泵通過2種流體之間的動量交換實現(xiàn)能量傳遞：由噴嘴將動力液高壓勢能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚賱幽埽辉诤砉軆?nèi)，高速動力液與低速產(chǎn)液混合，進行動量交換；通過擴散管將動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，將混合物采到地面。

圖1 射流排砂泵結(jié)構(gòu)

1） 優(yōu)點 沒有運動部件，適合于處理腐蝕和含砂流體；結(jié)構(gòu)緊湊，適用于傾斜、水平井；自由投撈作業(yè)，維護費用低；產(chǎn)量范圍大，控制靈活方便；適用于稠油開采，容易對動力液加熱；適用于含氣流體；適用于高溫深井；對非自噴井，可用于產(chǎn)能測試和鉆桿測試。

2） 缺點 為避免氣蝕，必須有較高的吸人壓力，使射流泵的應用受到限制；另外，射流泵泵效較低，所需要的輸入功率比水力活塞泵高；射流泵的設計計算非常復雜，需要迭代，采用計算機完成。

2 射流泵能量損失

射流泵的能量損失包括摩阻損失和混合損失2種，其能量損失與流體性質(zhì)、流量、壓力等操作參數(shù)及泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有噴嘴形狀、吸入腔室形狀、噴嘴與喉管距離、喉管長度、喉管張角、擴散管長度、擴散管張角、表面光潔度等。

在噴嘴、吸入腔室、喉管、擴散管中存在摩阻損失，目前設計制造的吸入腔室形狀可以使摩阻損失為零。混合損失主要在喉管內(nèi)存在，在噴嘴到喉管距離內(nèi)及擴散管中存在很少一部分混合損失。射流泵喉管內(nèi)的混合流動屬于伴隨流動的非自由空間紊流射流，如圖2所示。當產(chǎn)液和動力液密度相等時還屬于淹沒射流，其中的壓力、速度、濃度分布相當復雜。

圖2 喉管中的混合流動

3 射流泵無因次動態(tài)方程

通過考慮噴嘴、吸入腔室、喉管和擴散管的能量和動量守恒，可推導出射流泵的動態(tài)特性方程。

3.1 條件假設

1） 動力液與井液不可壓縮，有相同的密度。

2） 一維穩(wěn)定等溫流動。

3） 泵入口和出口動能忽略不計。

4） 流體在喉管出口完全混合。

5） 在橫截面上壓力相同。

6） 在應用守恒定律的截面上速度服從標準分布。

7） 在噴嘴出口和喉管入口射流速度相同。

3.2 無因次參數(shù)的定義

1） 無因次面積比 即噴嘴面積與喉管面積之比為

式中，An、At分別為噴嘴和喉管面積，mm2。

2） 無因次壓力比 即井液獲得的壓力與動力液在泵內(nèi)損失的壓力之比為

式中，pd、ps、pn分別為排出壓力、吸人壓力、動力液壓力，MPa。

3） 無因次質(zhì)量流量比 即井液質(zhì)量流量與動力液質(zhì)量流量之比。由于假設動力液和井液密度相同，可表示為

式中，QL、Qn分別為井液流量和動力液流量，m3／d。

3.3 壓力損失

無因次壓力比可表示為

式中，pt、pe分別為喉管出、入口壓力，MPa。

噴嘴、吸人腔室和擴散管應用伯努利方程，喉管應用動量方程，可分別獲得式（4）括號中的各項，各個部分的摩阻損失采用摩阻系數(shù)描述。

3.3.1 噴嘴壓力損失

噴嘴除摩阻損失外，還包括噴嘴到喉管這一段的壓力損失，相當于流體的摩阻能量損失。為推導方便，式（5）～（9）中壓力單位用Pa，則

式中，Kn為噴嘴損失系數(shù)；ρ為流體密度，kg／m3；vn為噴嘴出口速度，m／s。

3.3.2 吸入腔室壓力損失

只要吸入腔室設計得當，其摩阻損失為零，則

式中，vs為喉管入口吸入流體速度，m／s。

3.3.3 擴散管壓力損失

式中，Kd為擴散管損失系數(shù)；vt為喉管出口速度，m／s。

式中，Kt為喉管損失系數(shù)。

將式（5）～（9）代入式（4），令Ktd＝Kt＋Kd整理得

式中，Ktd為喉管和擴散管的綜合損失系數(shù)。

式（10）即為射流泵無因次動態(tài)方程，摩阻損失系數(shù)和流動雷諾數(shù)與泵的結(jié)構(gòu)有關(guān)。Cunningham試驗證明：噴嘴雷諾數(shù)＞20 000、喉管雷諾數(shù)＞3 800時，噴嘴、喉管和擴散管的綜合損失系數(shù)為常數(shù)，與流體黏度無關(guān)。

3.4 無因次特性曲線

射流泵的無因次特性曲線是指無因次壓力比、無因次質(zhì)量流量比及無因次面積、功率、效率之間的關(guān)系曲線，代表射流泵無因次動態(tài)特性方程，如圖3所示。由圖3可知：質(zhì)量流量比一定，都有一個效率最高的面積比相對應，即存在一個最高效率的泵；在噴嘴和喉管面積比為0.25和0.30時，泵的峰值效率最高；較高的面積比產(chǎn)生的壓頭高，但動力液流量明顯大于吸入流量，這種泵適用于舉升深井；較小的面積比產(chǎn)生較小的壓頭，但動力液流量明顯小于吸入流量，這種泵適用于舉升淺井。

圖3 射流泵無因次特性曲線

4 氣體的影響

4.1 氣蝕和最小氣蝕面積

氣蝕對射流泵正常工作的影響很大。在喉管入口處，吸人流體是通過噴嘴和喉管之間的環(huán)形面積進人喉管的，環(huán)形面積越小，吸人流體的速度越高，喉管入口處的壓力越低。當吸入壓力降到流體蒸汽壓時，流體中會出現(xiàn)小氣泡，氣泡進入喉管的高壓區(qū)就會冷凝和破碎，對泵產(chǎn)生沖蝕，這種現(xiàn)象稱為氣蝕。

氣蝕對進入喉管的吸入流體還起節(jié)流作用，當氣蝕發(fā)生時，即使增加動力液流量，也不會使產(chǎn)量提高。對一定的產(chǎn)量和吸入壓力，存在一個剛好能避免氣蝕的環(huán)形面積，該面積稱為最小氣蝕面積。另一方面，為了避免氣蝕，射流泵需要較高的吸入壓力，射流泵在最高效率點工作時，一般要求泵的沉沒度在20%以上，而且隨采出流體的摩阻和地面回壓增大，需要的沉沒度也將隨之增大。為了獲得較低的吸入壓力和沉沒度，同時又不出現(xiàn)氣蝕，就必須降低泵效，這使射流泵可以用于更多的低壓深井。

根據(jù)式（6），可得最小氣蝕面積為

式中，Acm為最小氣蝕而積，mm2；gs為吸入流體壓力梯度，MPa／m。

4.2 氣體對射流泵的影響［9］

1） 氣體要占據(jù)一定的體積，使泵的液體體積排量下降。

2） 氣體對泵內(nèi)壓力損失產(chǎn)生影響，吸入腔室的壓力下降會脫出溶解氣，喉管兩相混合過程的速度、濃度分布極不均勻。同時氣、液相間要產(chǎn)生滑脫，擴散管的壓力回升會使游離氣體重新溶解在液體中，泵的結(jié)構(gòu)不同，其影響程度差別較大，一般氣體會使泵效下降。

3） 氣體影響排出管柱的壓力損失，對于合理的排出管尺寸，氣體的舉升作用有利于降低排出管壓力損失，如果氣液比較大，排出管柱的壓力損失應采用多相流理論計算。

由于兩相射流泵的理論較復雜，本文介紹一種簡單實用的近似計算方法：如果把游離氣的體積看作液體并加到液體體積上，泵的特性與吸入單相不可壓縮液體的特性十分吻合，在吸入兩相流體時需進行如下修正。

無因次質(zhì)量流量比修正為

式中，Bt為油、氣、水三相地層體積系數(shù)，m3／m3。

由式（11）得最小氣蝕面積為

對氣體的近似處理使模型的適用范圍受到限制，當吸入條件下氣液比＞5（氣體體積分數(shù)＞0.83）時，模型的預側(cè)精度開始變差。當游離氣量超過模型適當范圍時，建議采用有排氣系統(tǒng)的裝置。

5 結(jié)語

本文采用無因次化的統(tǒng)一數(shù)學模型模擬分析了射流泵的動態(tài)特性，給出了射流泵動態(tài)特性曲線，得到了一些有助于射流排砂泵結(jié)構(gòu)設計的結(jié)論，為射流泵的設計應用提供了依據(jù)，但仍有一些問題有待進一步研究。

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Dynamic Characteristic Analysis for Jet Sand Pump

JIN Bo
（No.5 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Xi’an710201，China）

The structure and working principle are introduced.And the technical parameters are defined to set up dimensionless dynamic equation and the energy loss is analyzed and the pressure loss at nozzle，suction chamber and diffusion pipe as well，through which the cavitations’area is calculated for basis of design.

jet pump；dynamic character；data simulation

1001－3482（2012）07－0055－04

TE933.3

A

2012－01－12

金 博（1973－），男，陜西三原人，工程師，主要從事設備管理工作。