潛油電泵高效氣體處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳 頻，王建寶，梅 陽，倪小濤，王春亮，李光祥

（1.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280；2.大港油田第四采油廠（灘海開發(fā)公司），天津 300280）

0 引言

隨著油田油井的持續(xù)開采，井下飽和壓力不斷降低，當(dāng)井底原油流動(dòng)壓力低于飽和壓力時(shí)，地層井液中游離氣體體積比將增大，大量的自有氣體進(jìn)入潛油電泵中，占據(jù)了一部分甚至全部進(jìn)入液體的空間（圖1）：當(dāng)氣液比較小時(shí)，只是影響潛油電泵的工作效率，但當(dāng)氣液比大于40%時(shí)，如果不進(jìn)行氣體處理，潛油電泵采油將有可能失效甚至產(chǎn)生氣鎖現(xiàn)象，嚴(yán)重影響潛油電泵使用（圖2）。

圖1 氣泡聚集

圖2 氣鎖現(xiàn)象

根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)總結(jié)，潛油電泵隨著采油區(qū)塊氣液比變化，必須采取氣體處理措施（表1）。

表1 氣液比相對(duì)應(yīng)氣體處理措施

潛油電泵工作原理：電泵的工作轉(zhuǎn)速為2800～3200 r/min（高速旋轉(zhuǎn)），當(dāng)攜氣井液進(jìn)入電泵中受離心力的作用將混合液分離，氣體被釋放到油井套管中，液體通過潛油電泵被輸送至地面。當(dāng)氣液比較大時(shí)，如果不采取相應(yīng)的措施，潛油電泵將無法正常工作。以往采用的氣體處理器工況使用極限為氣液比小于70%的油井，如下介紹的新型結(jié)構(gòu)高效氣體處理器，經(jīng)多次改進(jìn)液氣軸向流動(dòng)具有高的攜氣性能，可用在氣液比70%及以上的潛油電泵采油中。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于油井空間環(huán)境的限制，氣體處理器的外形同潛油電泵類似，其具體結(jié)構(gòu)則由液氣分離原理所決定，采用高速旋轉(zhuǎn)離心分離（與原油氣分離器的設(shè)計(jì)理念完全不同），是一種新型結(jié)構(gòu)的液氣處理器產(chǎn)品。

工作原理：利用葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的推力推動(dòng)井液，葉片對(duì)水產(chǎn)生向上的升力，把井液從葉輪的入口推到出口，葉輪具有攜氣能力，配合分離器、吸入口使用；氣體處理器中的井液和氣體沿葉輪的軸相吸入、軸相流出，導(dǎo)輪整流后繼續(xù)軸向流動(dòng)；井液和氣體不受離心力的作用，保證葉輪中的井液的流向是在以軸線為中心的柱面方向，徑向分速度vr=0，因此氣體處理器具有較好的氣體攜帶性能。氣體處理器中軸面流線采用變徑形式，由入口到出口逐漸收縮，流經(jīng)的氣液受到一定壓縮，使部分游離出的氣體重新混入井液中，杜絕氣蝕現(xiàn)象。

由于液體中含有大量的氣體，在長期使用過程中潛油電泵泵體內(nèi)部極易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，這使得電泵運(yùn)轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)能量場(chǎng)交替變化，將嚴(yán)重干擾和破壞正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致潛油電泵運(yùn)轉(zhuǎn)的流量曲線、功率曲線、效率曲線嚴(yán)重失常。潛油電泵極易發(fā)生氣蝕的部位是首級(jí)葉輪、從旋轉(zhuǎn)方向液體進(jìn)口靠近葉片的低壓側(cè)及導(dǎo)輪低壓側(cè)、曲率較大的前端蓋。

為了解決潛油電泵氣蝕，確保電泵正常有效工作，關(guān)鍵在于提高葉導(dǎo)輪輸送的攜氣能力。新改進(jìn)型葉導(dǎo)輪延用原軸流式設(shè)計(jì)方案，根據(jù)葉片力學(xué)模型及多次調(diào)整試驗(yàn)測(cè)試，改進(jìn)后的葉導(dǎo)輪有更高的攜氣能力。在設(shè)計(jì)中葉導(dǎo)輪通過進(jìn)口角度調(diào)整，使液氣混合物進(jìn)入時(shí)基本不產(chǎn)生離心力，即氣液不分離，而是將氣液混合包裹，通過葉導(dǎo)輪軸向舉升流動(dòng)；將軸面設(shè)計(jì)為變徑流線形式，由入口逐漸收縮到出口，使混合液在舉升流動(dòng)過程中不斷壓縮，析出氣體重新溶入液體，然后進(jìn)入下一級(jí)葉輪，通過多級(jí)壓縮輸送使氣液混合物進(jìn)入潛油電泵時(shí)壓力高于飽和析出壓力，這樣既避免了潛油電泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的氣鎖現(xiàn)象，又減少了氣蝕現(xiàn)象（圖3）。

圖3 氣體處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 高效氣體處理器結(jié)構(gòu)

2.1 葉導(dǎo)輪設(shè)計(jì)

葉導(dǎo)輪作為氣體處理器中使氣液混合體能否有效充分溶合、輸送的最關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)中葉導(dǎo)輪片的曲線性狀必須保證氣液混合體延軸線為中心的柱面方向流動(dòng)，徑向不產(chǎn)生離心力，實(shí)現(xiàn)氣液充分溶合。將軸面設(shè)計(jì)為變徑流線形式，由入口逐漸收縮到出口，使混合液在舉升流動(dòng)過程中不斷壓縮，析出氣體重新溶入液體，然后進(jìn)入下一級(jí)葉輪，通過多級(jí)壓縮輸送，使氣液混合物進(jìn)入潛油電泵時(shí)壓力高于飽和析出壓力。根據(jù)輸出的流量、轉(zhuǎn)速、功率，采用計(jì)算軟件建模流體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究葉片內(nèi)特性，可得出紊流流場(chǎng)對(duì)葉片水力性能影響，設(shè)計(jì)葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算葉導(dǎo)輪水力效率。

2.2 軸上端反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母設(shè)計(jì)

防止氣體處理器上端鎖緊螺母松動(dòng)，在以往工況中時(shí)常發(fā)生，設(shè)計(jì)反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母，對(duì)葉輪及軸進(jìn)行鎖緊固定，可以杜絕由于螺母松動(dòng)造成的設(shè)備事故（圖4）。

圖4 軸上端反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母

2.3 軸下端環(huán)槽設(shè)計(jì)

為保證多級(jí)葉導(dǎo)輪在軸上的有效固定，氣體處理器軸的軸下端設(shè)計(jì)采用兩半環(huán)結(jié)構(gòu)的承重環(huán)槽，既能有效承擔(dān)葉輪軸向力及軸自重，也使安裝和維修更加方便。

2.4 導(dǎo)輪壓緊量設(shè)計(jì)

氣體處理器多級(jí)葉輪采用串聯(lián)方式安裝在軸上，通過端部的鎖緊螺母壓緊，葉輪輪轂、葉輪相對(duì)軸的位置是固定的，這樣軸、多級(jí)葉導(dǎo)輪及其他配合部件形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)（傳動(dòng)部分），葉輪所受的所有軸向力施加在軸上，而不會(huì)通過葉輪傳遞給導(dǎo)輪。

另一部分殼體、導(dǎo)輪及接頭，通過法蘭也形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)（固定部分），多級(jí)葉輪與導(dǎo)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，每一級(jí)葉輪與導(dǎo)輪的間隙是不會(huì)發(fā)生改變的，并且不相互接觸，減少葉導(dǎo)輪在井液沖擊，且不易夾砂存砂、減少磨損。但是由于壓緊螺母的擠壓會(huì)使葉導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，所以壓緊結(jié)構(gòu)形式及壓緊量參數(shù)將非常關(guān)鍵。

對(duì)以往氣體處理器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合計(jì)算機(jī)建模設(shè)計(jì)，在改進(jìn)型高效氣體處理器中將傳動(dòng)部分與固定部分每級(jí)的軸向尺寸壓縮0.08 mm，與單級(jí)導(dǎo)輪間壓縮量不變。這樣在保證每一級(jí)在壓緊的同時(shí)，葉輪和導(dǎo)輪間隙不變。

2.5 最大排量確定

在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，根據(jù)油井采油量設(shè)計(jì)選定潛油電泵規(guī)格并匹配相應(yīng)處理量規(guī)格的氣體處理器。氣體處理器的最大處理量由泵轉(zhuǎn)速、葉輪直徑、輪轂直徑等參數(shù)來確定，在實(shí)際工況中同時(shí)也受到潛油電泵及油井尺寸參數(shù)的限制。一般型號(hào)匹配后，泵速及葉輪直徑基本確定，在設(shè)計(jì)中為了提高處理量，會(huì)通過減小輪轂尺寸及水力摩擦損失的方式加大過流面積，但同時(shí)也會(huì)降低輪轂的強(qiáng)度，增加葉片變形量，造成泵效下降、高效區(qū)變小，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這兩方面的因素。

2.6 防砂設(shè)計(jì)

氣體處理器在工作中過程中，當(dāng)井液中含砂量較大時(shí)，隨著液體氣體高速流動(dòng)，產(chǎn)生的沖擊、沖刷會(huì)加快葉輪葉片磨損的速度，短時(shí)間內(nèi)會(huì)造成處理量下降，嚴(yán)重的還會(huì)影響設(shè)備使用效果及壽命。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上葉導(dǎo)輪采用嚴(yán)緊式結(jié)構(gòu)，井液沖擊下不易存砂。另外，為提高葉輪葉片耐磨性，分別進(jìn)行徑向和軸向防砂設(shè)計(jì)，并以高鎳鑄鐵作為基材，不僅有較高的表面硬度及機(jī)體強(qiáng)度，沖擊韌性及熱膨脹性也非常優(yōu)良；輪轂增加硬質(zhì)合金扶正，也能夠提高產(chǎn)品的耐磨性及使用壽命。

3 結(jié)束語

2018 年，經(jīng)過精細(xì)化設(shè)計(jì)的高效氣體處理器在冀東及勝利采油廠開始推廣使用。通過對(duì)近年來現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，并與以往常規(guī)氣體處理器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品不僅可以保證潛油電泵高效運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還可延長潛油電泵使用壽命15%以上，葉輪葉片的氣蝕現(xiàn)象較原來明顯改善，基本上杜絕了現(xiàn)場(chǎng)由于氣液比不合理而造成的潛油電泵氣鎖現(xiàn)象。

高效氣體處理器還可以進(jìn)一步拓寬潛油電泵的高效使用區(qū)間，為降低潛油泵百米能耗提供有力的保障，使更高攜氣量的油田區(qū)塊采用潛油電泵采油成為可能。未來還會(huì)繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化產(chǎn)品規(guī)格，進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)品應(yīng)用范圍，提高其市場(chǎng)價(jià)值。