適用于返排液射流泵的取樣器設(shè)計(jì)及有限元分析

耿敏濤 柳 愿

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

0 引言

目前油田試油時(shí)取樣普遍采用的方法是通過(guò)鋼絲繩作業(yè)把取樣器放入井筒取樣，這種方法增加了一道工序，從而增加了作業(yè)費(fèi)用和作業(yè)時(shí)間[1]。還有一種不需要通過(guò)單獨(dú)作業(yè)即可取樣的取樣器，是2015年4月中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司已獲國(guó)家授權(quán)的“射流泵取樣器”（專利號(hào)：201510173864.4）[2]。其主要結(jié)構(gòu)由單向閥、取樣倉(cāng)和開(kāi)關(guān)滑套組成，通過(guò)開(kāi)關(guān)滑套的上下滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)地層液體和取樣倉(cāng)的通斷，而開(kāi)關(guān)滑套的開(kāi)啟壓力較大（3.1MPa），會(huì)降低射流泵的泵效，因此需有進(jìn)一步的改進(jìn)與優(yōu)化。

在上述調(diào)查與研究的基礎(chǔ)上，一種新型的適用于返排液射流泵的取樣器設(shè)計(jì)思路被提出。這種取樣器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，且與射流泵泵芯連接，不需要單獨(dú)進(jìn)行取樣工序，不會(huì)影響泵效，能準(zhǔn)確獲取地層流體樣品。目前，該裝置已申請(qǐng)一項(xiàng)實(shí)用新型專利并獲國(guó)家授權(quán)。這種名為“一種適用于返排液射流泵的取樣器”（專利號(hào)：201620022665.7）目前正進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，后期將會(huì)在部分油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用。

1 基于射流泵泵芯返出地面的取樣器設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)

井下取樣器一般分為兩大類：第一類是氣體取樣器；第二類是液體取樣器。所取的樣本不同，取樣器的結(jié)構(gòu)也有所不同。筆者設(shè)計(jì)的取樣器屬于井下液體取樣器，是油田試油排液用射流泵的配套設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 射流泵取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

射流泵取樣器工作時(shí)，將取樣器安裝在射流泵泵芯的下端，隨泵芯一起投入井筒，靠重力自由下落或泵送入位，當(dāng)下落到泵筒內(nèi)的預(yù)定工作位置時(shí)對(duì)泵芯進(jìn)行鎖定，下單向閥3設(shè)定的開(kāi)啟壓力為0.2～0.5MPa，由于井底壓力高于單向閥開(kāi)啟壓力，上單向閥1和下單向閥3都會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，地層流體通過(guò)轉(zhuǎn)換接頭4上的孔道流向下單向閥3的進(jìn)口，鋼球被推開(kāi)，彈簧壓縮，流體進(jìn)入取樣筒2再進(jìn)入射流泵，射流泵工作前和工作時(shí)，取樣筒和泵芯內(nèi)部連通，射流泵停止工作后兩個(gè)單向閥同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，通過(guò)下入泵芯解鎖工具進(jìn)行解鎖，從油套環(huán)形空間注入動(dòng)力液使取樣器隨同泵芯返出地面，卸掉壓力計(jì)5和轉(zhuǎn)換接頭4，從取樣器下端頂起鋼球即可放出液體樣品。

1.3 性能特點(diǎn)

① 主要由兩個(gè)單向閥、取樣筒和轉(zhuǎn)換接頭組成，結(jié)構(gòu)和原理都比較簡(jiǎn)單，易于加工，成本較低；② 取樣準(zhǔn)確，由于該取樣器安裝在射流泵的下端，只有地層流體通過(guò)該取樣器，所以取到的樣品是純地層流體；③ 開(kāi)啟壓力小，對(duì)泵效的影響??；④ 利用射流泵泵芯返排地面完成取樣，減少施工工序和成本。

2 部分結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1 取樣筒有限元分析

取樣筒作為取樣器的承載元件，在井下壓裂過(guò)程中承受內(nèi)外高壓，支撐取樣器。現(xiàn)將Solidworks中建成的取樣筒的三維實(shí)體另存為igs格式，添加到workbench的靜力學(xué)分析中，然后進(jìn)行有限元分析。

有限元分析時(shí)網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格（Hex Dominant）劃分方法，劃分后的模型如圖2所示。按實(shí)際工作情況，取樣筒的兩端采用固定約束，筒外施加壓力20MPa。分析后的云圖分別如圖3、圖4、圖5所示。已知取樣筒的材料初步設(shè)定為Q235碳為235 MPa，最大應(yīng)力為176.84MPa，因此滿足工況要求。

圖2 取樣筒網(wǎng)格劃分圖

圖3 取樣筒變形圖

圖4 取樣筒應(yīng)變?cè)茍D

圖5 取樣筒應(yīng)力云圖

圖6 鋼球網(wǎng)格劃分圖

圖7 鋼球變形圖

圖8 鋼球應(yīng)變?cè)茍D

圖9 鋼球應(yīng)力云圖

2.2 鋼球有限元分析

有限元分析時(shí)對(duì)鋼球施加0.5MPa壓力。網(wǎng)格劃分后的模型如圖6所示。分析后的云圖分別如圖7、圖8、圖9所示。初步確定鋼球的材料采用GCr15鋼，其屈服強(qiáng)度為518.42MPa，其性能滿足工況的要求。

3 結(jié)論

提出的新型的可隨射流泵泵芯返出地面的取樣器設(shè)計(jì)方案，不僅減少了作業(yè)工序和成本，還克服了“射流泵取樣器”設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的取樣器開(kāi)啟壓力高、取樣時(shí)影響泵效、取樣不準(zhǔn)確等一系列問(wèn)題。目前，該適用于返排液射流泵的取樣器已申請(qǐng)實(shí)用新型專利，后期將會(huì)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化并在部分油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用。

[1]石艷.反排式射流泵排液技術(shù)在油田測(cè)井中的應(yīng)用[J].科技資訊，2011（16）：115.

[2]劉士旺，朱寶峰，雷明，等.射流泵取樣器：201510173864.4[P].2015-09.