潛油電泵井氣體處理器數(shù)值模擬與實驗

陳德春， 張 琛， 周 童， 黃新春， 羅會剛， 任敏華

(1中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 2中石化勝利油田分公司石油開發(fā)中心有限公司 3中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司機械采油分公司 4中石化勝利油田分公司純梁采油廠)

潛油電泵井應(yīng)用氣體處理器有利于提高含氣井中潛油電泵機組的工作性能，并被生產(chǎn)實踐證實[1-2]，但其工作機理的研究還較缺乏，應(yīng)用優(yōu)化理論和方法尚不完善。前人運用數(shù)值模擬方法對油氣分離器工作機理的研究已相對成熟[3-5]，為此，筆者運用Fluent數(shù)值模擬軟件進行氣液兩相流體通過氣體處理器的動態(tài)流場模擬，并研制氣體處理器性能測試裝置進行實驗檢驗，以研究其工作機理和氣體處理效果，指導(dǎo)氣體處理器的優(yōu)選和高效應(yīng)用[6-7]。

一、數(shù)值模擬模型

1. 物理模型

氣體處理器由轉(zhuǎn)動部分和固定部分組成[8]，其中對氣體處理起關(guān)鍵作用的是葉輪和導(dǎo)輪。基于實際葉輪和導(dǎo)輪的尺寸，按照幾何相似，在Solidworks軟件中對其分別進行物理建模，如圖1和圖2所示，然后按照葉輪-導(dǎo)輪的順序進行三級裝配，形成氣體處理器的物理模型，如圖3所示。

圖1 葉輪模型

圖2 導(dǎo)輪模型

圖3 氣體處理器物理模型

2. 網(wǎng)格劃分

由于氣體處理器中對氣體處理起作用的是葉輪和導(dǎo)輪部分，對其進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。為了保證網(wǎng)格的質(zhì)量和計算結(jié)果的精度，選用精細化網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)，平滑迭代等級選擇中級，過渡選項選擇慢速過渡，在保證計算精度的前提下，提高運算速度。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

3. 數(shù)學(xué)模型

3.1 控制方程

根據(jù)氣體處理器內(nèi)流體流動的質(zhì)量守恒和動量守恒，建立連續(xù)性方程和動量方程[9]。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

3.2 氣液兩相流動模型

基于氣體處理器的氣體處理原理，選擇歐拉模型作為氣液兩相流動模型[10]。

3.3 湍流模型

由脈動方程推導(dǎo)而得的雷諾方程[11]為：

(3)

經(jīng)過模型化之后，湍動能方程和湍動能耗散方程就變成如下形式：

邊界方程：

(4)

其它流域方程：

(5)

雷諾模型在精度上較高，而且考慮了各相異性等條件，因此選用其作為湍流模型。

二、數(shù)值模擬分析

通過Fluent軟件進行動態(tài)流場模擬，結(jié)果如下：

(1)從模型入口至出口，壓力逐漸變大，說明通過葉輪與導(dǎo)輪的多級遞送，氣相和液相都獲得了能量的增加，如圖5所示。

圖5 壓力分布云圖

(2)模型入口處氣液是分離的兩相，液相主要集中于中心區(qū)域，氣相則圍繞于液相周圍分布；通過葉輪和導(dǎo)輪的處理，液相體積分?jǐn)?shù)逐漸變大，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸變?。怀隹谔帤庀嘣谝合嘀芯鶆蚍稚?，氣液兩相分離流轉(zhuǎn)化為分散流，液相為連續(xù)相和主控相，如圖6～圖9所示。

圖6 入口及出口的液相分布云圖

圖7 入口及出口的氣相分布云圖

圖8 動態(tài)流場區(qū)域的液相分布云圖

圖9 動態(tài)流場區(qū)域的氣相分布云圖

三、實驗研究與分析

1. 實驗原理

潛油電泵的性能參數(shù)包括泵的排量、揚程、轉(zhuǎn)速、功率和效率[12]，氣體處理器必須在含自由氣的條件下改善潛油電泵的工作性能。氣體處理器性能測試裝置是將配套機組下入模擬井，通過對比安裝氣體處理器前后潛油電泵的特性曲線及數(shù)據(jù)，分析其性能好壞；同時可以測試氣體處理器的處理能力，計算高含氣液體通過氣體處理器后的氣體含量降低率(氣體含量降低率=入口與出口體積含氣率的差值/入口體積含氣率×100%)。

2. 實驗裝置組成

實驗裝置由井筒、控制、懸架、起吊、泵送、管路、計量和數(shù)據(jù)采集處理等子系統(tǒng)組成。海上潛油電泵井多為多分支井且分支與海底處于30°左右，因此為了貼近現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，將井筒子系統(tǒng)設(shè)計為與地面呈30°安裝。

3. 實驗內(nèi)容

(1)將電機、潛油電泵依次裝入罐系統(tǒng)，調(diào)配進罐氣液含量，使氣體含量分別為0%、10%、20%、30%進行4組實驗；通過調(diào)節(jié)泵出口壓力，記錄出口流量、壓力及電機運行參數(shù)，形成4份特性曲線，如圖10所示。

(2)將電機、氣體處理器、潛油電泵依次裝入罐系統(tǒng)，調(diào)配進罐氣液含量，使氣體含量分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%進行6組實驗；通過調(diào)節(jié)泵出口壓力，記錄出口流量、壓力及電機運行參數(shù)，形成6份特性曲線，如圖11所示。

4. 實驗結(jié)果與分析

結(jié)合實驗和數(shù)值模擬結(jié)果(見表1)可以看出：

圖10 安裝氣體處理器前不同含氣率下的潛油電泵特性曲線

(1)安裝氣體處理器后，高含氣液體被處理為低含氣液體，平均氣體含量降低率為80.0%，有利于改善潛油電泵的工作性能。

(2)安裝氣體處理器前，隨著氣體含量的增加，特性曲線逐漸下移，說明潛油電泵的工作性能受到了影響。根據(jù)國標(biāo)規(guī)定的潛油電泵驗收極限[13]，當(dāng)氣體含量為10%時，特性曲線達到了極限范圍，說明該潛油電泵的耐氣能力為10%。

圖11 安裝氣體處理器后不同含氣率下的潛油電泵特性曲線

(3)根據(jù)圖11，安裝氣體處理器后，隨著氣體含量的增加特性曲線下移幅度明顯變小。在實驗中當(dāng)氣體含量為50%時，出口處的體積含氣率為9.9%，接近于潛油電泵的耐氣能力值，說明安裝后氣體含量為50%才使特性曲線達到了極限范圍，氣體處理器使?jié)撚碗姳玫哪蜌饽芰μ嵘搅?0%。

(4)數(shù)值模擬與實驗結(jié)果顯示了相同規(guī)律，見表1。出口含氣率的平均相對誤差為5.06%，氣體含量降低率的平均相對誤差為1.3%，證明該數(shù)值模擬方法應(yīng)用于氣體處理器的動態(tài)流場研究是可行的。

表1 實驗值與數(shù)模值的對比

四、結(jié)論

(1)氣體處理器可將高含氣、分離型的氣液兩相流體處理為低含氣、氣相在液相中均勻分散的流體，平均氣體含量降低率為80.0%。

(2)實驗中潛油電泵的耐氣能力由10%提升到了50%，表明氣體處理器使?jié)撚碗姳玫墓ぷ餍阅艿玫搅颂嵘?/p>

(3)在不同的入口氣體含量下，出口體積含氣率實驗值和數(shù)值模擬值的平均相對誤差為5.06%，氣體含量降低率的平均相對誤差為1.3%，表明應(yīng)用數(shù)值模擬研究氣體處理器的動態(tài)流場是可行的。

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