中排氣式防氣抽油泵防氣性能數值模擬研究

韓國有，陳魏建，宋玉杰，韓道權，葉衛東

(東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

目前國內許多油田都進入高含氣開采階段，而且部分油田為了提高采收率應用了CO2等氣驅技術，這大大增加了油層氣體的含量，嚴重時會發生氣鎖現象[1-2]。我國油田所使用的抽油泵大部分是柱塞式抽油泵,由于普通的柱塞式抽油泵結構簡單，不適應氣液兩相共存的流場環境，氣體的存在會造成游動閥和固定閥開啟延遲，而防氣抽油泵則可以避免這種問題的出現[3-5]。

本文對一種新型的中排氣式防氣抽油泵進行了仿真模擬研究，該種防氣抽油泵的泵筒開有幾個與套管相通的通孔，通孔的位置要保證在整個沖程范圍內油管不能與套管連通[6]，因此在進行結構設計時，中排氣式防氣抽油泵柱塞的長度應該和沖程一樣，或者差別不大。此通孔的主要作用就是在油液中的含氣率較高的情況下排出泵筒內的氣體和吸入套管中的液體。

1 模型的建立

1.1 幾何模型的建立

圖1(a)為對中排氣式防氣抽油泵進行簡化后的三維模型，圖1(b)為流體數值模擬計算模型。與實際的模型相比，通過設置邊界條件模擬游動閥和固定閥的啟閉；本文主要研究泵筒內部流場的運動規律，為此忽略了抽油泵柱塞與泵筒之間的間隙。

圖1 中排氣式防氣抽油泵模型圖

1.2 物理模型的選擇

由于本文涉及氣液兩相流，因此首先選擇多相流模型。多相流模型包含VOF模型、混合模型和歐拉模型。本文采用的是VOF模型，VOF模型是建立在固定的歐拉網格下的一種模型，其利用了表面跟蹤方法，適合于求解分層和追蹤自由表面的問題[7-8]，VOF模型的特點是將運動界面在空間網格內定義成一種流體體積函數。

1.3 基本方程

1)體積分數方程。

(1)

2)動量方程。

(2)

式中：ρ為流體密度；ν為流體速度；P為流體壓力；μ為流體動力黏度；g為重力加速度；F為系統外力。

通過求解整個區域內單一的動量方程，得到的速度場由各相共享。該動量方程取決于通過所有相的體積分數。

3)能量方程。

(3)

式中：E為總能量；keff為有效熱導率；T為系統溫度；Sh為包括來自輻射以及任何其它體積的熱源。

1.4 初始條件的設置

柱塞處于上死點位置，設置泵筒內初始壓力為8 MPa，初始含氣量為95%，設置抽油泵沖次為6次/min，防沖距為0.6 m，沖程為1.8 m。

1.5 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，當固定閥開啟時設置為壓力入口pressure-inlet,入口壓力為2 MPa。當游動閥關閉時，把游動閥所處的平面設置為壁面wall，當游動閥開啟時，設置為接觸表面interface。把模型上表面設置為壓力出口pressure-outlet ，出口壓力為8 MPa。

2 仿真模擬結果分析

2.1 柱塞從上死點到中排孔關閉過程分析

圖2為中排氣式防氣抽油泵運行過程中含氣率云圖，由圖可知，隨著柱塞的移動泵筒內部壓力的分布及變化。圖3是中排氣式防氣抽油泵泵筒內壓力隨時間變化的曲線，從曲線圖中可以看到，當柱塞處于上死點位置時，泵筒內壓力為2 MPa。當柱塞向下移動至中排孔位置過程中，由于中排孔將泵筒與套筒連通，所以雖然柱塞在下移，但泵筒內的壓力一直維持在2 MPa。

圖2 中排氣式防氣抽油泵運行過程中含氣率云圖

圖3 中排氣式防氣抽油泵泵筒內壓力變化曲線

圖4為中排氣式防氣抽油泵泵筒內含氣率隨時間的變化曲線，由圖可知，初始時刻泵筒內含氣率為95%，隨著柱塞的下移含氣率會下降，而且經過幾個周期過后，泵筒內的總體含氣率是在逐漸降低的。圖5為中排孔排出介質的含氣率隨時間變化曲線圖，由圖可知，從中排孔排出的介質主要是氣相介質，因此泵筒內含氣率下降。

圖4 中排氣式防氣抽油泵泵筒內含氣率變化曲線

圖5 中排氣式防氣抽油泵中排孔含氣率變化曲線

2.2 柱塞從中排孔關閉到下死點過程分析

當柱塞繼續下行至把中排孔堵住時，泵筒內壓力還未到達游動閥開啟壓力，隨著柱塞的繼續下行至下死點，在此過程中抽油泵泵筒內的壓力升高，含氣率下降，如圖2中時間為2.5 s時的狀態。由于泵筒內含氣率過大，當柱塞下行到下死點時，泵筒內壓力未達到游動閥開啟壓力8 MPa，所以在第一個沖程內游動閥未能開啟。從圖3可以看到，在前4個周期抽油泵泵筒內的壓力都未達到游動閥開啟壓力，直到第五個周期時，泵筒內壓力達到了游動閥開啟壓力，游動閥才得以開啟。從圖4可以看到，隨著柱塞從中排孔開始關閉的位置到下死點，泵筒內氣體體積壓縮，泵筒內含氣率降低。

2.3 柱塞從下死點到中排孔開啟過程分析

當柱塞處于上沖程并處于中排孔開啟之前，壓力逐漸降低，含氣率逐漸增大，如圖2中時間為7.5 s時的狀態。 由圖3可知，從下死點位置開始，隨著柱塞向上運動，由于泵筒內的壓力始終未降低到固定閥開啟壓力2 MPa，所以在此期間固定閥和游動閥均處于關閉狀態。兩個周期后，壓力降低到了到固定閥開啟壓力，固定閥打開并吸入井下介質。但此時從固定閥吸入的介質非常少，如圖6吸入和排出質量流量變化曲線所示，第八個周期后固定閥才會有穩定的質量流量。

圖6 吸入和排出質量流量變化曲線

從圖4可知，柱塞處于上沖程，泵筒內的容積逐漸增大，泵筒內含氣率升高。在經歷2個周期后，泵筒內總體含氣率有所下降。

2.4 柱塞從中排孔打開到上死點過程分析

當抽油泵柱塞上移至中排孔開啟并繼續上升到上死點，此過程中泵筒與套管連通，泵筒內壓力與套管內壓力相等，如圖2中時間為10 s時的狀態。由圖3可知，在前兩個周期由于固定閥未開啟，當柱塞上行至中排孔開啟后，泵筒與套管相通，所以在圖中可以明顯看出有壓力突降的過程。隨著柱塞繼續上移，井下介質會從中排孔吸入至泵筒內。從第三個周期開始，在柱塞上行至中排孔開啟之前固定閥已經開啟，所以不會有像前兩個周期那樣壓力突降的過程。

如圖4所示，由于從井下吸入的介質含氣率為95%，較泵筒內介質的含氣率高，因此這個階段泵筒內介質含氣率會繼續升高。圖7中的數值為正代表井下介質流進泵筒內，數值為負代表泵筒內的介質流出泵筒，由圖可知，通過中排孔的質量流量流入的遠大于流出的。

圖7 中排孔質量流量變化曲線

結合圖6和圖8可以知道，雖然在前兩個周期內固定閥未開啟，但泵筒內的液相質量還是在增加，這就證明了中排孔起到了吸入介質的作用。結合圖6和圖7可以看出，兩個周期過后，上沖程固定閥開啟，但是當柱塞處于上行程并到超過排孔位置后，吸入口的流量會降為零，說明固定閥在此后關閉，泵筒內的介質主要通過中排孔吸入。

圖8 泵筒內液相質量變化曲線

3 結論

本文通過對中排氣式防氣抽油泵防氣性能的模擬可以得出以下結論：

1)即使在井下油液含氣率非常高的情況下，在經歷了幾個周期的運行之后，中排氣式防氣抽油泵泵筒內的壓力均可以達到游動閥和固定閥開啟的壓力，并且泵筒內部的流場趨于穩定，每個周期泵筒內的壓力和含氣率的變化規律基本相同。

2)中排氣式防氣抽油泵在下沖程的初期通過中排孔將泵筒內的高含氣介質排出到套管，使泵筒內含氣率降低；在上沖程的末期通過中排孔將套管中的介質吸入到泵筒，增加了泵筒內的液相質量。

3)中排氣式防氣抽油泵可以有效防止氣鎖現象的發生，并且即使在抽油泵發生氣鎖現象之后也可以快速地緩解氣鎖現象。