變速率驅(qū)動(dòng)特征下的抽油泵球閥運(yùn)動(dòng)行為分析

劉洪斌 王遼 段志剛 李偉 李傳杰 朱天際

1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院

游梁式抽油系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)能力強(qiáng)、易于維修、經(jīng)濟(jì)耐用等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)械采油方式的主要設(shè)備，在國內(nèi)外眾多油田中仍是首選。但其幾何固有特性與常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式(即曲柄做勻速圓周轉(zhuǎn)動(dòng))會(huì)使游梁式抽油系統(tǒng)在工作過程中存在系統(tǒng)效率偏低等多種問題。因此在驅(qū)動(dòng)方法上提出抽油機(jī)柔性控制運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)。該技術(shù)是一種合理變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)，主要特征是通過電動(dòng)機(jī)的合理變速來改善整個(gè)抽油系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程，從而延長其使用壽命，減少損耗，提高抽油效率，因此被國內(nèi)各大油田廣泛使用［1-5］。目前分析變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的方向主要集中在電機(jī)扭矩、減速箱扭矩和懸點(diǎn)載荷上。筆者分析了變速驅(qū)動(dòng)下固定閥閥球的運(yùn)動(dòng)受力規(guī)律，評價(jià)變速驅(qū)動(dòng)的合理性，從而得到柔性控制運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)的特點(diǎn)。

1 固定閥開啟壓力分析

抽油泵泵閥的開啟是泵正常工作的重要前提之一。上下沖程開始后，隨著柱塞的上下行運(yùn)動(dòng)，泵內(nèi)壓力會(huì)隨之降低或增加，在泵閥閥球上下截面的壓差克服閥球的重力后，抽油泵泵閥便能夠開啟。泵閥閥座根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為3類：不完全研合式結(jié)構(gòu)、帶護(hù)錐式結(jié)構(gòu)和圓倒角式結(jié)構(gòu)（圖1）、帶護(hù)錐式結(jié)構(gòu)和圓倒角式結(jié)構(gòu)。

圖1 不完全研合式閥座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of incompletely ground valve seat structure

泵閥閥球所受向上的井底液體作用力［6-7］為

式中，P為井底液體的作用力，N；d1為研合弧下端橫截面的直徑，mm；p1為研合密封弦以下閥球受到的液體壓力，MPa；d2為研合弧上端橫截面的直徑，mm；p2為研合密封弦以上閥球受到的液體壓力，MPa。

若不考慮閥球慣性力造成的影響，泵閥開啟壓差的計(jì)算公式為

式中，Δp為泵閥開啟壓差，Pa；G為閥球重力，N。

對于固定閥，根據(jù)泵閥閥球的靜力平衡條件可得固定閥開啟時(shí)泵內(nèi)流體壓力為

式中，pos為泵閥開啟時(shí)泵筒內(nèi)流體壓力，Pa；ps為泵吸入口壓力，Pa；Δpos為固定閥開啟壓差，Pa。

2 流速對固定閥球受力的影響特性

固定閥開啟后，井底流體開始被吸入泵筒內(nèi)。假設(shè)固定閥閥球沿閥座中心線做直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)其受力平衡條件建立的閥球運(yùn)動(dòng)微分方程［8-9］

式中，mb為固定閥閥球質(zhì)量，kg；hs為固定閥閥球升程，m；FB為固定閥閥球所受浮力，N；FD為流體對固定閥閥球的繞球作用力，N；g為重力加速度，N/kg；Ab為固定閥閥球投影截面積，m2；p為泵筒內(nèi)流體壓力，Pa；CD為繞球流動(dòng)因數(shù)；ρv為經(jīng)過固定閥閥隙的流體密度，kg/m3；vin為泵筒內(nèi)流體速度，m/s。

由式(4)知，為固定閥閥球提供加速度的力有3個(gè)：重力、浮力和繞球作用力。繞球作用力與流體速度呈平方關(guān)系，影響極大；浮力受閥球上下壓差影響。因此需探尋上沖程中固定閥閥球上下壓差的變化，從而得到固定閥閥球運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力變化。

利用ANSYS建立流體經(jīng)過固定閥的二維仿真模型，其中固定閥采用SY/T 5059—2009《組合泵筒管式抽油泵》中標(biāo)稱泵徑為44 mm的結(jié)構(gòu)，選取流體區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅黧w流動(dòng)模型為湍流模型；固定閥下端為流體入口，設(shè)為速度入口邊界，閥罩上端油管為流體出口，設(shè)為壓力出口邊界，其余設(shè)為壁面邊界；流域各處溫度相等且恒定。

仿真分析時(shí)流體密度取860 kg/m3，黏度取0.035 63 Pa · s，流體出口壓力取2 MPa，入口流速取0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s，固定閥閥球升程取1 mm、4 mm、9 mm、和16 mm。模擬分析所得部分壓力云圖如圖2~圖4。

圖2 升程為1 mm時(shí)不同入口流速下的壓力云圖Fig.2 Pressure cloud diagram at different inlet flow rates when the lift is 1 mm

圖3 升程為4 mm時(shí)不同入口流速下的壓力云圖Fig.3 Pressure cloud diagram at different inlet flow rates when the lift is 4 mm

圖4 升程為9 mm時(shí)不同入口流速下的壓力云圖Fig.4 Pressure cloud diagram at different inlet flow rates when the lift is 9 mm

對比圖2、圖3和圖4可看出，閥球升程相同時(shí)，流域最大壓差會(huì)隨入口流速的加快而升高；對比入口流速為0.5 m/s和2.0 m/s下流域最大壓差，其增加量在閥球升程為1 mm、4 mm和9 mm時(shí)分別為426 kPa、86 kPa和18 kPa；入口流速相同時(shí)，流域最大壓差會(huì)隨固定閥閥球升程的增大而降低，固定閥閥球下部分流域的高壓力面積也會(huì)隨之減少。

為更加直觀地觀測固定閥閥球周邊的壓力變化，取固定閥閥球周邊壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以仿真模型中圓形的圓心為定點(diǎn)，x軸正方向?yàn)?°，順時(shí)針方向?yàn)檎较蚪⑵矫鏄O坐標(biāo)系，如圖5所示。

按平面極坐標(biāo)系仿真分析結(jié)果，將16種工況下固定閥閥球周邊壓力值繪制為曲線圖(0~180°為固定閥閥球下截面壓力值，180°~360°為固定閥閥球上截面壓力值)，如圖6所示?？梢钥闯?，閥球升程相同時(shí)，固定閥閥球上下截面的壓差會(huì)隨入口流速的加快而升高，且該升高量也會(huì)隨之增加。但隨閥球升程增大，壓差升高量會(huì)大幅度降低，且固定閥閥球下截面的高壓力所占角度也會(huì)隨之減少。

圖5 平面極坐標(biāo)系Fig.5 Plane polar coordinate system

結(jié)合仿真分析與式(4)可知，固定閥閥球向上的力在升程低時(shí)由其所受浮力和繞球作用力共同提供，升程高時(shí)主要由繞球作用力提供。入口流速越高，固定閥閥球所受向上的力越大，閥球向上的加速度則越大；入口流速低于某值后，固定閥閥球所受向上的力不能克服其重力，閥球加速度向下而下落。

圖6 不同閥球升程時(shí)閥球受力隨入口流速的變化曲線Fig.6 The change curve of the force of the valve ball with the inlet flow rate when the valve ball is lifted

3 固定閥閥球運(yùn)動(dòng)初始條件與邊界條件

3.1 初始條件

上沖程，柱塞開始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻到固定閥開啟時(shí)刻的過程被稱為固定閥的滯后開啟，閥球在該過程內(nèi)一直位于閥座，這便是固定閥運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)。

以單相原油作為流體介質(zhì)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知固定閥開啟時(shí)柱塞位移為［10］

式中，xos為固定閥開啟時(shí)柱塞位移，m；L為防沖距，m；Δxcd為游動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)，柱塞由下死點(diǎn)往上運(yùn)動(dòng)的距離，m；ρpd、ρos分別為當(dāng)泵內(nèi)壓力為排出壓力、開啟壓力時(shí)的流體密度，kg/m3。

由式(5)所得固定閥開啟時(shí)的柱塞位移xos，從柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律中可知固定閥的滯后開啟時(shí)間tos，在此時(shí)間內(nèi)，閥球相對于閥座的位移與速度均為0。

3.2 邊界條件

固定閥閥罩與閥座限制固定閥的上下運(yùn)動(dòng)，則兩者便是固定閥運(yùn)動(dòng)的邊界。在上升到閥罩限制高度時(shí)，固定閥閥球會(huì)與閥罩發(fā)生碰撞而向下運(yùn)動(dòng)，則固定閥閥球運(yùn)動(dòng)的邊界條件為

式中，hs為固定閥升程，m；hsm為閥罩限制的最大上升高度，m；CR為閥球與閥罩頂部碰撞的彈性恢復(fù)系數(shù)；vm為在最大上升高度時(shí)閥球的速度，m/s。

4 變速驅(qū)動(dòng)及其固定閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律

變速驅(qū)動(dòng)會(huì)改變柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而不同的柱塞速度會(huì)引起不同的泵內(nèi)流體速度，從而改變泵閥閥球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此可從閥球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析評價(jià)變速驅(qū)動(dòng)的優(yōu)劣性。以江蘇油田某井為例，各項(xiàng)參數(shù)為：游梁式抽油機(jī)型號CYJT8-3-26HY，井液密度860 kg/m3，沖程3 m，沖次3次/min，抽油泵防沖距0.5 m，泵吸入口壓力3 MPa，泵排出口壓力15 MPa，泵閥采用SY/T 5059—2009《組合泵筒管式抽油泵》中標(biāo)稱泵徑為44 mm的結(jié)構(gòu)，閥球密度7 750 kg/m3。

4.1 變速驅(qū)動(dòng)特征

6種變速驅(qū)動(dòng)方式的代號與在極坐標(biāo)系中的特征如圖7所示。

圖7 變速驅(qū)動(dòng)代號及特征Fig.7 Variable speed drive code and characteristics

從圖7中可以看出，工況1中驅(qū)動(dòng)速率中心在圓心；工況2中驅(qū)動(dòng)速率中心在橢圓中心，0°起始位置在短軸；工況3~工況6為工況2的變形形式，“長短軸”表示工況2中驅(qū)動(dòng)速率中心在橢圓的長軸或短軸上偏移，“長短邊”表示工況3~工況6中驅(qū)動(dòng)速率的0°起始位置。

4.2 變速驅(qū)動(dòng)下固定閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律

利用三維軟件建立CYJT8-3-26HY型號的游梁式抽油機(jī)模型，對其運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)以下死點(diǎn)為起始位置，在曲柄處加載6種驅(qū)動(dòng)速率，可得6種工況下抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。6種工況下懸點(diǎn)的位移和速度曲線如圖8和圖9所示。

圖8 6種工況下懸點(diǎn)的位移曲線Fig.8 Displacement curve of suspension point under six working conditions

圖9 6種工況下懸點(diǎn)的速度曲線Fig.9 The speed curve of the suspension point under six working conditions

假設(shè)柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與懸點(diǎn)一致，且柱塞速度為50 mm/s時(shí)固定閥閥球開始落座。根據(jù)工作參數(shù)和圖8，由3.1小節(jié)的分析計(jì)算可得6種工況下固定閥的滯后開啟時(shí)間；從圖9可得泵閥開啟時(shí)的柱塞速度、最大速度及其時(shí)刻、開始落座時(shí)刻（表1）?？梢钥闯?，工況3的固定閥滯后開啟時(shí)間為最短0.24 s，開啟時(shí)柱塞速度最快為354.65 mm/s；工況6為最長1.58 s，最慢為50.79 mm/s，因此柱塞初始速度大有利于泵閥開啟；固定閥開啟后，井底流體開始入泵，柱塞到達(dá)最大速度時(shí)刻在工況3時(shí)最快0.8 s，在工況4時(shí)最慢9.0 s；固定閥閥球開始落座時(shí)刻在工況5時(shí)最快7.20 s，在工況4時(shí)最慢9.85 s。依據(jù)圖9與3.2小節(jié)分析可知，閥球上升過程中工況3的固定閥閥球最快接觸閥罩、與閥罩碰撞時(shí)速度最大、碰撞次數(shù)最多，工況6則相反；閥球落座過程中工況4的柱塞速度變化最大，則固定閥閥球向下的加速度快速增大，最終閥球與閥座發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，工況5則相反。

表1 6種工況下固定閥3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的時(shí)間與柱塞速度Table 1 The time and plunger speed of the three key points of the fixed valve under six working conditions

從上述分析可得，柔性驅(qū)動(dòng)在上沖程時(shí)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：(1)保證固定閥閥球與閥罩的碰撞損失小的時(shí)候，上沖程初始速度大，從而減少泵閥滯后開啟時(shí)間，減少漏失；(2)上沖程末期緩慢抵達(dá)上死點(diǎn)位置，使固定閥球平穩(wěn)落座，從而能夠長時(shí)間保證泵閥密封性能；(3)保證當(dāng)一定的閥球升程和流體入泵速度時(shí)，上沖程中驅(qū)動(dòng)速度快，從而提升日產(chǎn)量。由于游動(dòng)閥的運(yùn)動(dòng)過程與固定閥類似，柔性驅(qū)動(dòng)在上下沖程具備相同的特點(diǎn)。因此泵閥需要長時(shí)間具有良好的工作性能時(shí)，最佳驅(qū)動(dòng)為工況2，最差驅(qū)動(dòng)為工況6。

5 測試試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

結(jié)合選定工作參數(shù)，利用1∶4的臺架試驗(yàn)裝置模擬6種驅(qū)動(dòng)方式下抽油系統(tǒng)的工作過程，臺架試驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 臺架試驗(yàn)裝置Fig.10 Bench test device

臺架試驗(yàn)采用單相流體(清水)，井斜角14°、32°和50°。在抽油系統(tǒng)工作時(shí)，通過攝像機(jī)記錄固定閥閥球的運(yùn)動(dòng)過程，如圖11所示。

圖11 固定閥閥球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.11 Fixed valve ball movement state

以柱塞從下死點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為起始，通過處理固定閥閥球運(yùn)動(dòng)過程的錄像，可得到固定閥閥球的啟閉時(shí)間，結(jié)果如表2所示。

表 2 6種工況下不同井斜時(shí)固定閥閥球的啟閉時(shí)間Table 2 The opening and closing time of the fixed valve ball at different well inclination under six working conditions

從表2可以看出在不同井斜角時(shí)，固定閥閥球的最快開啟時(shí)間均在工況3時(shí)，最慢均在工況6；固定閥閥球的最快落座時(shí)間均在工況5，最慢均在工況4。由此可知，臺架試驗(yàn)所得6種工況下固定閥的啟閉規(guī)律與理論分析一致。

6 結(jié)論

(1)流速對固定閥球的受力具有很大影響，抽油系統(tǒng)上沖程時(shí)，固定閥閥球所受向上的力在開啟時(shí)由浮力提供，在閥球升程低時(shí)由浮力和繞球作用力共同提供，在閥球升程高時(shí)主要由繞球作用力提供；入口流速越快，固定閥閥球向上運(yùn)動(dòng)的加速度越大，入口流速低于某值后，固定閥閥球所受向上的力不能克服其重力，閥球加速度向下而下落。

(2)6種驅(qū)動(dòng)工況中，工況3的初始速度最快，使得泵閥滯后開啟時(shí)間最短、閥球接觸閥罩最快，這有利于泵閥開啟但最為損傷閥球與閥罩，工況6的初始速度最慢，利弊則與工況3相反；工況4在抵達(dá)死點(diǎn)位置時(shí)速度變化最快，使得閥球向上的力減小最快、向下的加速度最大，最終閥球與閥座發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，這不利于閥球與閥座的壽命。

(3)為提高系統(tǒng)效率、泵閥壽命和油井產(chǎn)量，柔性驅(qū)動(dòng)應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：保證小的泵閥閥球與閥罩的碰撞損失時(shí)，具有快的初始速度；沖程末期緩慢抵達(dá)死點(diǎn)位置，使得閥球平穩(wěn)落座，減小碰撞損失；保證一定的閥球升程和流體入泵速度時(shí)，上下沖程中具有快的驅(qū)動(dòng)速度。綜合分析6種驅(qū)動(dòng)工況，最佳驅(qū)動(dòng)為工況2，最差驅(qū)動(dòng)為工況6。

(4)臺架試驗(yàn)所得六種工況下固定閥的啟閉規(guī)律與理論分析一致，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性。

(5)抽油泵工作時(shí)閥球的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，本研究能夠分析閥球運(yùn)動(dòng)規(guī)律，卻不足以得到閥球加速度曲線。從文獻(xiàn)［9］可知還需要一些公式才能對閥球運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，因此論文對閥球的加速度和閥球與閥座碰撞的力只進(jìn)行了定性分析。