基于FLUENT的變徑防氣抽油泵性能數值模擬及研究

葉衛東，張巖，候宇，李大齊，魏雪彤

(1. 東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

0 引言

目前國內油田為了提高采收率應用了CO2驅油技術，雖提高了原油采收率，但大大增加了原油中氣體的含量，使抽油泵泵效降低，嚴重時會發生“氣鎖”現象[1]。防氣抽油泵可以避免這種問題的出現，提高泵效[2-3]。

本文利用FLUENT軟件對變徑防氣抽油泵氣液兩相流場進行了仿真模擬研究，分析防氣抽油泵泵筒的大直徑區對整個流場的影響及這種防氣抽油泵結構的優缺點，為以后防氣抽油泵的結構優化提供了理論基礎[4-5]。

1 計算模型的建立

1.1 幾何模型的建立

如圖1(a)所示，變徑防氣抽油泵與普通抽油泵不同之處在防氣抽油泵泵筒的上端有一段錐形的大直徑段。當柱塞上行至接近上死點時，進入泵筒大直徑段。

根據變徑防氣抽油泵的工作原理和結構，建立了簡化的流體數值模擬計算模型如圖1(b)所示。把游動閥和固定閥進行簡化，通過邊界條件的設置來模擬閥門的啟閉。

1.2 物理模型的選擇

本文研究對象為氣液兩相介質在抽油泵中的流動特性，因此選擇VOF多相流模型。VOF模型是建立在固定歐拉網格下的表面跟蹤方法，適合于求解分層和追蹤自由表面的問題，符合本文的研究。

圖1 變徑防氣抽油泵模型圖

1.3 基本方程

1) 體積分數方程

相與相之間界面的跟蹤是通過對多個相體積分數的連續性方程解來實現的。對于qth相，該方程具有以下形式：

(1)

2) 動量方程

通過求解整個區域內單一的動量方程，得到的速度場是由各相共享的。

(2)

該動量方程取決于通過密度ρ和黏度μ所有相的體積分數。

3) 能量方程

(3)

VOF模型將能量E與溫度T視為質量平均變量：

(4)

式中：Eq為每個相的能量，根據該相的比熱和共享溫度得到；ρ為密度；keff為有效熱導率。

ρ和keff由各個相共享。源項Sh包括來自輻射以及任何其他體積的熱源。

1.4 動網格設置

本文涉及到抽油泵柱塞的往復運動，即內部流場的邊界發生了往復運動，因此對游動閥及其中間的柱塞段運用動網格技術。采用In.cylinder模型模擬抽油泵的運動規律。

1.5 初始條件的設置

柱塞處于下死點位置，設置泵筒內初始壓力為8MPa，初始含氣量為60%，設置抽油泵沖次為6次/min，防沖距0.6m，沖程為1.8m。

1.6 邊界條件的設置

當固定閥關閉時，把固定閥所處的平面設置為壁面wall，固定閥開啟時設為壓力入口pressure-inlet，入口壓力為井下壓力2MPa。當游動閥關閉時把游動閥所處的平面設置為壁面wall，當游動閥開啟式設置為接觸表面interface，與上部大錐段連通。把大直徑段上表面設置為壓力出口pressure-outlet，出口壓力為8MPa。

2 仿真模擬結果分析

2.1 上沖程階段

圖2(a)為防氣抽油泵泵筒內壓力隨時間變化曲線，圖2(b)為防氣抽油泵泵筒內含氣率變化曲線。由模擬結果可知，在上沖程前期隨著柱塞的上移，泵筒內氣體膨脹，含氣率升高，壓力下降。當泵筒壓力降低到固定閥開啟的壓力后，固定閥開啟，井下液體進入泵筒內，泵筒內壓力穩定為井下壓力。

圖2 上沖程泵筒內壓力和含氣率曲線

如圖2(a)中所示的4.74s之后，柱塞進入錐段。柱塞進入錐段后泵筒內壓力變化云圖如圖3所示。當柱塞進入錐段后，在壓差作用下，油管底部分離的液體迅速流入泵筒，泵筒內壓力快速上升到8MPa，使固定閥迅速關閉，同時使柱塞上下壓差迅速從6MPa下降到0MPa。由于柱塞上下壓差的突變，使抽油桿柱載荷發生突變，造成地面抽油機沖擊振動。

圖3 柱塞進入錐段泵筒內壓力變化云圖

由于泵筒內壓力迅速上升到8MPa，有利于下沖程游動閥快速開啟，更重要的是油管中的液體進入泵筒后會使泵筒內含氣量明顯降低，同時破壞泵筒內氣液兩相流的段塞流流型，柱塞進入錐段后泵筒內含氣率變化云圖如圖4所示。

圖4 柱塞進入錐段泵筒內含氣率變化云圖

2.2 下沖程階段

下沖程泵筒內壓力和含氣率變化曲線如圖5所示。泵筒內壓力等于油管中的壓力，游動閥打開，泵內壓力保持穩定。泵筒內介質由于氣液分離，泵筒上部含氣量高，從游動閥排出泵筒后，泵筒內含氣率降低。由于柱塞在進入下沖程階段之前泵筒內的壓力就到了游動閥開啟的壓力，所以防氣抽油泵在下沖程無沖程損失。

2.3 運行過程分析

圖6 為防氣抽油泵5 個周期運行過程的壓力和含氣率隨時間變化曲線。選擇防氣抽油泵運行平穩的第5個周期進行分析。

防氣抽油泵從柱塞下死點40s開始到42.137s 后固定閥打開，到44.548s時固定閥關閉。上沖程損失時間2.589s，損失沖程0.471m，上沖程有效沖程1.329m。

圖5 下沖程泵筒內壓力和含氣率變化曲線

通過對整個運行過程的分析可知，變徑防氣抽油泵的優勢在于下沖程無沖程損失，最大的缺點就是在柱塞進入上沖程末端隨即進入泵筒大直徑段后，泵筒內的壓力會突然增大而造成抽油機載荷的突然變化，會對抽油機產生沖擊振動。

圖6 防氣抽油泵5個周期內運行過程曲線

3 結語

1)變徑防氣抽油泵柱塞在上沖程末段進入大直徑段后，油管中的液體會迅速進入泵筒內，使泵筒內壓力升高，

含氣量明顯降低，同時破壞泵筒內氣液兩相流的段塞流流型，從而避免了“氣鎖”現象的發生。

2) 由于變徑防氣抽油泵柱塞進入大直徑段后泵筒內壓力會突然增大到油管中的壓力，致使抽油桿柱載荷突變，造成地面抽油機沖擊振動。

3) 變徑防氣抽油泵下沖程時，由于在上沖程末端泵筒內的壓力就達到了游動閥開啟的壓力，所以防氣抽油泵在下沖程時游動閥會迅速開啟，致使下沖程無沖程損失，有助于提高泵效。