抽油機(jī)變周期運(yùn)動(dòng)泵內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

徐 暢, 閆雪柱, 褚慧娟, 儀記敏, 孟 珊

（1. 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318；　2. 中原油田普光分公司采氣廠， 四川 達(dá)州 636150）

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抽油機(jī)變周期運(yùn)動(dòng)泵內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

徐 暢1, 閆雪柱2, 褚慧娟1, 儀記敏1, 孟 珊1

（1. 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318；2. 中原油田普光分公司采氣廠， 四川 達(dá)州 636150）

目前，油田現(xiàn)場(chǎng)已采用的變周期采油方式，具有提高泵效，降低能耗等優(yōu)點(diǎn)，但變周期采油井底形態(tài)及抽汲參數(shù)、抽油泵結(jié)構(gòu)和抽油泵沉沒壓力等因素對(duì)變周期采油影響規(guī)律尚不明確。針對(duì)上述問題，根據(jù)抽油泵變周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律，應(yīng)用FLUENT軟件，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)與UDF程序控制抽油泵內(nèi)柱塞與球閥的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)井下抽油泵變周期運(yùn)動(dòng)抽汲過程的仿真模擬。取得成果如下：在變周期上下沖程速比固定條件下，得到井下抽油泵泵內(nèi)流場(chǎng)分布，以及不同沖程、沖次對(duì)抽油泵泵效的影響規(guī)律。取得的研究成果，可為現(xiàn)場(chǎng)變周期采油提供理論支持。

變周期；數(shù)值模擬；泵效；動(dòng)網(wǎng)格

機(jī)械采油在石油工業(yè)一直占據(jù)重要地位［1］。機(jī)械采油一直采用對(duì)稱循環(huán)式抽油即周期式抽油方式，但是一直以來存在抽油系統(tǒng)能耗大、效率低的問題［2］。現(xiàn)在可以通過地面控制使得抽油機(jī)采用變周期運(yùn)動(dòng)方式，在上下沖程過程中改變抽汲速度，使抽油機(jī)不采用對(duì)稱循環(huán)的抽汲方式［3，4］。但是這種變周期抽汲方式缺少相關(guān)動(dòng)態(tài)理論研究。

針對(duì)上述問題，根據(jù)抽油泵抽汲過程采用變周期運(yùn)動(dòng)方式［5］，應(yīng)用FLUENT軟件，以及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)與 UDF程序，實(shí)現(xiàn)井下抽油泵變周期采油的數(shù)值模擬，得到變周期采用井下抽油泵的內(nèi)部流場(chǎng)分布，研究了在變周期上下沖程速比固定條件下，不同沖程、沖次對(duì)抽油泵泵效的影響規(guī)律，明確了抽油泵泵效最佳的抽汲參數(shù)。

1 計(jì)算基礎(chǔ)

實(shí)現(xiàn)抽油泵動(dòng)態(tài)模擬過程主要包括多相流模型的確定和抽油泵各個(gè)部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；通過Fluent中的多相流模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)可以解決相關(guān)問題。

1.1多相流模型

多相流是指在流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)有兩種或兩種以上的相存在，而抽油泵內(nèi)部流體主要為油水兩相混合。在FLUENT中的多相流VOF模型是一種在歐拉網(wǎng)格下求解及跟蹤兩種以上不相溶物質(zhì)界面跟蹤方法。根據(jù)泵內(nèi)油水兩相互不混溶的性質(zhì)，采用VOF多相流模型。多相流是指在流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)有兩種或兩種以上的相存在，而抽油泵內(nèi)部流體主要為油水兩相混合。在FLUENT中的多相流VOF模型是一種在歐拉網(wǎng)格下求解及跟蹤兩種以上不相溶物質(zhì)界面跟蹤方法。根據(jù)泵內(nèi)油水兩相互不混溶的性質(zhì)，采用VOF多相流模型。

1.2動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

抽油泵工作過程中閥球與泵筒、柱塞之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此可利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和 UDF程序進(jìn)行仿真模擬［5-9］。UDF程序中DEFINE_CG_MOTION宏可以控制各部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。抽油泵內(nèi)柱塞具有指定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而游動(dòng)閥球與固定閥球在泵筒內(nèi)外壓差作用下開啟與關(guān)閉。因此編寫程序時(shí)，柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律指定，閥球運(yùn)動(dòng)規(guī)律需編寫受力運(yùn)動(dòng)程序。

2 物理模型與網(wǎng)格劃分

本文采用的抽油泵的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《抽油泵及其組件規(guī)范（GB/T 18607-2001）》，本文以桿式泵為研究對(duì)象，抽油泵的部分幾何結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示：

表1　抽油泵的部分幾何結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 The geometric size of the pump

抽油泵的特點(diǎn)是立體結(jié)構(gòu)極為細(xì)長(zhǎng)，管長(zhǎng)與直徑之間相差很大，而且抽油泵在地下工作時(shí)抽油泵內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律極其復(fù)雜。因此建立二維模型并進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。抽油泵結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且為了動(dòng)網(wǎng)格的實(shí)現(xiàn)，本文采用混合網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖1　抽油泵模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 The meshing diagram model of the pump

3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過Fluent數(shù)值模擬，得到了在不同沖程、沖次條件下不同時(shí)刻的泵內(nèi)流場(chǎng)的分布情況，以及不同沖程、沖次對(duì)泵效的影響規(guī)律。具體內(nèi)容如下：

3.1泵內(nèi)流場(chǎng)分布

抽油桿在上下沖程速比 2：1變周期運(yùn)動(dòng)沖程 3 m，沖次6/min條件下，抽油泵泵內(nèi)壓力場(chǎng)云圖、速度場(chǎng)云圖和油水體積分布圖如下圖2、3、4所示。沖次6/min，沖程時(shí)間為10 s，上下沖程速度比2：1，則上沖程時(shí)間為3.33 s，下沖程過程為6.66 s。

（1）變周期運(yùn)動(dòng)泵內(nèi)壓力場(chǎng)云圖

上沖程初始時(shí)期，游動(dòng)閥關(guān)閉，上沖程柱塞運(yùn)動(dòng)速度較快，泵筒內(nèi)壓力降低迅速，固定閥開啟，泵筒內(nèi)壓力呈現(xiàn)上低下高趨勢(shì)，直至柱塞在3.33 s時(shí)到達(dá)上死點(diǎn)。下沖程時(shí)間為6.66 s，是上沖程時(shí)間的二倍，泵內(nèi)壓力變化較為平緩，呈現(xiàn)下高上低趨勢(shì)。

圖2　泵內(nèi)壓力場(chǎng)云圖Fig.2 Pressure field cloud within of the pump

（2）變周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律下泵內(nèi)速度場(chǎng)云圖

抽油桿變周期運(yùn)動(dòng)規(guī)對(duì)泵內(nèi)流體速度有較大影響。在上下沖程速比2：1條件下，上沖程時(shí)間較短，流體流速變化幅度大，柱塞在3.33 s是到達(dá)上死點(diǎn)，此時(shí)在固定閥球與球座之間空隙處流體速度仍然很大。在下沖程過程中，固定閥球關(guān)閉，游動(dòng)閥球打開，泵筒內(nèi)與游動(dòng)閥球兩側(cè)處的流體流速不大，下沖程時(shí)間較短有利于流體進(jìn)入柱塞上部。

圖3　泵內(nèi)速度場(chǎng)云圖Fig.3 Velocity field cloud within the pump

（3）變周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律下泵內(nèi)油水兩相分布云圖

圖 4為抽油泵泵內(nèi)流場(chǎng)液相體積分?jǐn)?shù)分布情況。隨著柱塞向上加速運(yùn)動(dòng)，泵內(nèi)壓力迅速降低，泵外液體迅速流入泵筒。但是，由于泵內(nèi)壓力變化過于迅速，液體在上沖過程中并不能完全充滿泵。柱塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)間是上沖程時(shí)間的2倍，向下運(yùn)動(dòng)速度緩慢，有利于液體進(jìn)入柱塞上部。

圖4　泵內(nèi)油水兩相分布云圖Fig.4 Oil and water distribution cloud of the pump

3.2影響因素分析

抽油機(jī)變周期工作中，上下沖程速比為 2:1，仿真計(jì)算收斂時(shí)，邊界上的質(zhì)量流量也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通過計(jì)算得到的柱塞入口的平均質(zhì)量流量，得到一個(gè)周期內(nèi)流入泵筒內(nèi)液體體積，與通過沖程以及泵筒直徑計(jì)算得到柱塞讓出體積進(jìn)行比較得到在此條件下的泵效。

（1）抽油桿變周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律下沖程對(duì)泵效影響

通過計(jì)算上下沖程速比2：1變周期條件下，沖次為6/min，沖程分別為1、1.5、2、2.5、3m情況下的泵效，分析不同沖程對(duì)泵效影響，計(jì)算所得沖程與抽油泵泵效關(guān)系曲線如圖5。

圖5　沖程對(duì)泵效的影響Fig. 5 The influence of stroke on the pump efficiency

由計(jì)算結(jié)果可以看出在上下沖程速度比2：1變周期固定沖次6/min條件下，增大沖程泵效增大，泵效達(dá)到最大值之后，泵效隨著沖程的增加泵效緩慢降低，計(jì)算結(jié)果中表明在沖次6/min條件下，長(zhǎng)沖程情況泵效較高，其中沖程2.5 m具有最優(yōu)泵效，泵效值為75.5%。

圖6　沖次對(duì)泵效的影響Fig.6 The influence of speed on the pump efficiency

（2）抽油桿變周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律下沖程對(duì)泵效影響

通過計(jì)算上次沖程速比2：1變周期條件下，沖程為3 m，沖次分別為2/min、4/min、6/min、8/min、10/min情況下的泵效，分析不同沖次對(duì)泵效影響，計(jì)算所得沖次與抽油泵泵效關(guān)系曲線如圖6所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出在上下沖程速度比2：1變周期固定沖程3 m條件下，增大沖次提高泵效，但時(shí)泵效達(dá)到峰值后隨著沖次增加而降低。計(jì)算結(jié)果中表明在沖程3 m、中低沖次條件下情況泵效較高，其中沖次 6/min情況具有最優(yōu)泵效，泵效值為74.4%。

4　結(jié) 論

（1）通過FLUENT軟件、動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)以及UDF程序控制泵內(nèi)各部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，仿真計(jì)算的得到泵內(nèi)流體速度、壓力分布的變化規(guī)律，以及沖程、沖次對(duì)泵效的影響規(guī)律

（2）在沖次 6/min條件下，泵效隨著沖程的增加先增加后降低，泵效在一定區(qū)間內(nèi)泵效相對(duì)較高，泵效最高值出現(xiàn)在沖程為2.5 m時(shí)，此時(shí)泵效可達(dá)到66.9%。

在沖程3 m條件下，泵效隨著沖次的增加而增加，但是沖次不宜過高，超過一定范圍泵效隨之降低，中低沖次情況泵效較佳，其中沖次6/min具有最優(yōu)泵效，泵效最高值可到達(dá)63.1%。

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Numerical Simulation on Flow Field in Pump During Varying Periodic Motion of the Pumping Unit

XV Chang1, YAN Xue-zhu2, CHU Hui-juan1, YI Ji-min1, MENG Shan12. Zhongyu?(a1n.NOoilrftiheelda sPt uPgeutraonlge uBmra Uncnhiv Gerassi tPy, r oHdeuiclotinognj iPalnagn tD, Saqicinhgua1n6 D33a1z8h,o Cu h6i3n6a1;50, China)

Recently, period-varying production mode has been put into use in field site. This mode has many advantages, such as high pump efficiency, low energy consumption and so on.But the influence of many factors such as bottom hole pattern, sucker parameter, pump structure and sinking pump pressure on the period-varying production mode is not clear. To solve the problems above, dynamic mesh technology and UDF program were used to control the movement of the ball valve and plunger in the oil-well pump with FLUENT software to realize the simulation of down hole pump period-varying movement swabbing process with FLUENT software. Results are as follows: Obtaining the flow field distribution in the down hole pump and the influence regularity to pump efficiency under different number of stroke and dash with the condition of same up and down stroke ratio. All those results can be used as the theoretical support of period-varying production in field sites.

period-varying motion; numerical simulation; pump efficiency; dynamic grid

徐暢（1990-），女，碩士研究生，研究方向：復(fù)雜流體流動(dòng)與數(shù)值模擬。E-mail：xhdhl2010@163.com。

TE933.3

A

1671-0460（2016）05-1079-03

2016-01-12