注聚螺桿泵撓性桿數(shù)值模擬優(yōu)化分析

牛貴鋒，艾志久

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都610500；2.中海油能源發(fā)展采油技術(shù)服務(wù)公司，天津300452） ①

目前，聚合物驅(qū)油技術(shù)已是我國各主力油田進(jìn)入開發(fā)后期提高采收率的重要方法之一。聚合物驅(qū)是指在注入的水中加入水溶性高分子量聚合物，通過增加水相黏度和降低水相滲透率，改善流度比，進(jìn)而提高原油采收率的方法［1－3］。在注聚工程中，因?yàn)槁輻U泵是容積泵，對聚合物的剪切很小，保黏率很高，因此，用螺桿泵作注入泵是理想的選擇。由于海上平臺的空間有限，提出了將注聚螺桿泵放入井下的技術(shù)方案。這與螺桿泵放到甲板有了很大的不同，新技術(shù)方案需要解決配套問題，其中撓性桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1 工作原理

如果聚合物溶液承受物理的擠壓及剪切，其分子鏈會被剪斷及破壞，黏度會很快降低，高分子聚合物“井下驅(qū)油增產(chǎn)”的原理在于它的吸附性和捕集性。高分子聚合物溶液被注入井下，可以增加水的黏度，減少油層的水相滲透率，水油流度比減少，進(jìn)而提高原油采收率。所以在配制和輸送聚合物溶液時(shí)，要最大限度地提高聚合物溶液的黏度。

螺桿泵屬于容積式回轉(zhuǎn)類泵，轉(zhuǎn)子和定子相互嚙合，在定子和偏心旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之間形成相互隔離的腔室，隨轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，腔室不斷地軸向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輸送介質(zhì)的目的。螺桿泵輸送介質(zhì)的空腔容積與形狀一定，所以在輸送過程中，對介質(zhì)無剪切、無擠壓、無脈動(dòng)且連續(xù)移動(dòng)，適合輸送高黏度溶液。由于定子是橡膠材料制造，它有很好的退讓性，適合輸送含固量很高的介質(zhì)。

聚驅(qū)作業(yè)時(shí)，先將注聚螺桿泵下入井筒中，聚合物充滿泵內(nèi)的系列螺旋形腔室，在工作過程中，隨著驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，泵內(nèi)腔室將由泵入口向出口方向移動(dòng)，從而將聚合物由地面注入到井內(nèi)，并通過油管從井口注入到地層。所以螺桿泵在油田輸送高黏度、高含固的聚合物有很大的適應(yīng)性和優(yōu)越性，并有較長的使用壽命，在海洋平臺條件下使用，更有廣泛的推廣意義。

2 撓性桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺桿泵在采油領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和良好的發(fā)展前景［4－5］。為了滿足海上油田聚驅(qū)開發(fā)的需要，提出將螺桿泵安裝在井內(nèi)作為聚合物井口注入泵使用，這就改變了螺桿泵作為人工舉升裝置的工作狀態(tài)，其撓性桿原結(jié)構(gòu)尺寸存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不能滿足作為注聚螺桿泵使用的要求。

通過優(yōu)化和改進(jìn)撓性桿的結(jié)構(gòu)尺寸，以解決應(yīng)力集中的問題，進(jìn)而延長注聚螺桿泵壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。分析撓性桿的工作狀態(tài)、變形特點(diǎn)和應(yīng)力分布情況，為撓性桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作參數(shù)選擇提供依據(jù)。撓性桿的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 撓性桿結(jié)構(gòu)

2.1 基本參數(shù)

聚合物黏度 2 000～15 000mPa·s

注入壓力 12MPa

2.2 特點(diǎn)

1） 撓性桿兩端設(shè)計(jì)為“左旋”的外螺紋，一端與轉(zhuǎn)子連接，另一端與傳動(dòng)軸連接。

2） 桿的中間直徑較小，可以產(chǎn)生撓性變形，滿足轉(zhuǎn)子偏心公轉(zhuǎn)的要求。

3） 能夠保證有足夠的強(qiáng)度和剛度，滿足自轉(zhuǎn)的扭力要求和推動(dòng)介質(zhì)所需的軸向力要求。

3 撓性桿數(shù)值模擬

由于注聚螺桿泵工作壓力高，故產(chǎn)生很大的向上軸向力及扭矩。為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及分析撓性桿設(shè)計(jì)的可靠性，采用目前業(yè)內(nèi)認(rèn)可的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，模擬結(jié)構(gòu)在工作條件下的特性。利用 ANSYS技術(shù)分析結(jié)果［6－9］，并結(jié)合試驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來評價(jià)設(shè)計(jì)，以此來減少物理試驗(yàn)，節(jié)省費(fèi)用并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.1 網(wǎng)格劃分及模型設(shè)置

撓性桿網(wǎng)格劃分設(shè)置如表1。

表1 撓性桿網(wǎng)格劃分設(shè)置

網(wǎng)格設(shè)置為－100，網(wǎng)格劃分成粗網(wǎng)格，所劃分網(wǎng)格數(shù)量少，求解速度快，得出的結(jié)果可能包含著極大的不確定性；網(wǎng)格設(shè)置為＋100，劃分成細(xì)網(wǎng)格，用較長時(shí)間得出的結(jié)果的不確定性最小；零是缺省的相關(guān)設(shè)置。

本次分析假設(shè)材料為線彈性材料，應(yīng)力與應(yīng)變成正比；材料特性與溫度無關(guān)；均勻性：特性在零件的整個(gè)體積內(nèi)不變；各向同性：材料性質(zhì)在各個(gè)方向都是相同的。材料設(shè)置數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 材料特性

根據(jù)井下注聚螺桿泵的實(shí)際工況，模擬作用在零件特定區(qū)域的載荷和約束。這些區(qū)域由選定的表面、圓柱面、邊緣或頂點(diǎn)來定義。具體設(shè)置參數(shù)如表3。

表3 載荷與約束參數(shù)設(shè)置

3.2 結(jié)果分析

分析結(jié)果如表4。材料的安全因數(shù)采用最大等效應(yīng)力失效理論來計(jì)算，應(yīng)力極限由材料的拉伸屈服強(qiáng)度來確定。

表4 分析結(jié)果

撓性桿等效應(yīng)力云圖如圖2所示，可以看出：撓性桿惡劣工況時(shí)等效應(yīng)力的最大值小于材料的拉伸極限強(qiáng)度。因此，撓性桿的使用安全能夠得到保證，即滿足工況要求。

圖2 撓性桿等效應(yīng)力云圖

撓性桿最大、最小主應(yīng)力云圖如圖3～4所示，可知：撓性桿的最大主應(yīng)力82.36MPa，遠(yuǎn)小于材料的拉伸屈服極限228MPa，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能承受螺桿泵注聚的復(fù)雜工況。

圖3 撓性桿最大主應(yīng)力云圖

圖4 撓性桿最小主應(yīng)力云圖

撓性桿變形云圖如圖5所示，可得出：撓性桿一端的最大變形量能夠滿足注聚螺桿泵的安裝要求。從整個(gè)井下注聚螺桿泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)來看，即使撓性桿出現(xiàn)最大變形，也不會對管柱產(chǎn)生偏磨現(xiàn)象。

圖5 撓性桿變形云圖

撓性桿安全因數(shù)數(shù)值模擬如圖6所示，可以看出：安全因數(shù)均在工程應(yīng)用允許范圍之內(nèi)，說明撓性桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖6 撓性桿安全因數(shù)數(shù)值模擬

由以上的分析結(jié)果可知：注聚螺桿泵關(guān)鍵部件——撓性桿能夠滿足工作要求，分析結(jié)果有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及設(shè)計(jì)的可靠性，減少了物理試驗(yàn)所帶來的高額費(fèi)用，并縮短了開發(fā)周期。

4 結(jié)論

1） 撓性桿應(yīng)力分析結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合螺桿泵注聚工況的要求，能夠較好地降低撓性桿失效事故。

2） 根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，對撓性桿做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用數(shù)值模擬計(jì)算方法模擬了撓性桿所承受復(fù)雜工況，得到了應(yīng)力分布場、撓性桿變形云圖及各個(gè)部位的安全因數(shù)。根據(jù)理論分析和模擬結(jié)果可以得出撓性桿容易失效的部位，對其進(jìn)一步優(yōu)化研究。

3） 對注聚螺桿泵撓性桿進(jìn)行優(yōu)化分析，完善了配套工藝，使井下注聚螺桿泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為合理，性能可靠。

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