潛油電泵高效氣體處理器結構設計

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）中成機械制造有限公司，天津 300280；2.大港油田第四采油廠（灘海開發公司），天津 300280）

0 引言

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

圖1 氣泡聚集

圖2 氣鎖現象

根據以往現場使用數據總結，潛油電泵隨著采油區塊氣液比變化，必須采取氣體處理措施（表1）。

表1 氣液比相對應氣體處理措施

潛油電泵工作原理：電泵的工作轉速為2800～3200 r/min（高速旋轉），當攜氣井液進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。當氣液比較大時，如果不采取相應的措施，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，如下介紹的新型結構高效氣體處理器，經多次改進液氣軸向流動具有高的攜氣性能，可用在氣液比70%及以上的潛油電泵采油中。

1 工作原理及結構設計

由于油井空間環境的限制，氣體處理器的外形同潛油電泵類似，其具體結構則由液氣分離原理所決定，采用高速旋轉離心分離（與原油氣分離器的設計理念完全不同），是一種新型結構的液氣處理器產品。

工作原理：利用葉輪的高速旋轉所產生的推力推動井液，葉片對水產生向上的升力，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，導輪整流后繼續軸向流動；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部極易發生氣蝕現象，這使得電泵運轉葉輪內能量場交替變化，將嚴重干擾和破壞正常運轉，導致潛油電泵運轉的流量曲線、功率曲線、效率曲線嚴重失常。潛油電泵極易發生氣蝕的部位是首級葉輪、從旋轉方向液體進口靠近葉片的低壓側及導輪低壓側、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，關鍵在于提高葉導輪輸送的攜氣能力。新改進型葉導輪延用原軸流式設計方案，根據葉片力學模型及多次調整試驗測試，改進后的葉導輪有更高的攜氣能力。在設計中葉導輪通過進口角度調整，使液氣混合物進入時基本不產生離心力，即氣液不分離，而是將氣液混合包裹，通過葉導輪軸向舉升流動；將軸面設計為變徑流線形式，由入口逐漸收縮到出口，使混合液在舉升流動過程中不斷壓縮，析出氣體重新溶入液體，然后進入下一級葉輪，通過多級壓縮輸送使氣液混合物進入潛油電泵時壓力高于飽和析出壓力，這樣既避免了潛油電泵運轉時的氣鎖現象，又減少了氣蝕現象（圖3）。

圖3 氣體處理器內部結構

2 高效氣體處理器結構

2.1 葉導輪設計

葉導輪作為氣體處理器中使氣液混合體能否有效充分溶合、輸送的最關鍵部件，設計中葉導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，徑向不產生離心力，實現氣液充分溶合。將軸面設計為變徑流線形式，由入口逐漸收縮到出口，使混合液在舉升流動過程中不斷壓縮，析出氣體重新溶入液體，然后進入下一級葉輪，通過多級壓縮輸送，使氣液混合物進入潛油電泵時壓力高于飽和析出壓力。根據輸出的流量、轉速、功率，采用計算軟件建模流體結構設計研究葉片內特性，可得出紊流流場對葉片水力性能影響，設計葉片結構參數，計算葉導輪水力效率。

2.2 軸上端反向旋轉鎖緊螺母設計

防止氣體處理器上端鎖緊螺母松動，在以往工況中時常發生，設計反向旋轉鎖緊螺母，對葉輪及軸進行鎖緊固定，可以杜絕由于螺母松動造成的設備事故（圖4）。

圖4 軸上端反向旋轉鎖緊螺母

2.3 軸下端環槽設計

為保證多級葉導輪在軸上的有效固定，氣體處理器軸的軸下端設計采用兩半環結構的承重環槽，既能有效承擔葉輪軸向力及軸自重，也使安裝和維修更加方便。

2.4 導輪壓緊量設計

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

另一部分殼體、導輪及接頭，通過法蘭也形成一個整體結構（固定部分），多級葉輪與導輪正常運轉過程中，每一級葉輪與導輪的間隙是不會發生改變的，并且不相互接觸，減少葉導輪在井液沖擊，且不易夾砂存砂、減少磨損。但是由于壓緊螺母的擠壓會使葉導輪結構參數發生變化，所以壓緊結構形式及壓緊量參數將非常關鍵。

對以往氣體處理器現場應用情況參數進行分析，結合計算機建模設計，在改進型高效氣體處理器中將傳動部分與固定部分每級的軸向尺寸壓縮0.08 mm，與單級導輪間壓縮量不變。這樣在保證每一級在壓緊的同時，葉輪和導輪間隙不變。

2.5 最大排量確定

在現場使用過程中，根據油井采油量設計選定潛油電泵規格并匹配相應處理量規格的氣體處理器。氣體處理器的最大處理量由泵轉速、葉輪直徑、輪轂直徑等參數來確定，在實際工況中同時也受到潛油電泵及油井尺寸參數的限制。一般型號匹配后，泵速及葉輪直徑基本確定，在設計中為了提高處理量，會通過減小輪轂尺寸及水力摩擦損失的方式加大過流面積，但同時也會降低輪轂的強度，增加葉片變形量，造成泵效下降、高效區變小，所以在優化設計時應考慮這兩方面的因素。

2.6 防砂設計

氣體處理器在工作中過程中，當井液中含砂量較大時，隨著液體氣體高速流動，產生的沖擊、沖刷會加快葉輪葉片磨損的速度，短時間內會造成處理量下降，嚴重的還會影響設備使用效果及壽命。因此，結構設計上葉導輪采用嚴緊式結構，井液沖擊下不易存砂。另外，為提高葉輪葉片耐磨性，分別進行徑向和軸向防砂設計，并以高鎳鑄鐵作為基材，不僅有較高的表面硬度及機體強度，沖擊韌性及熱膨脹性也非常優良；輪轂增加硬質合金扶正，也能夠提高產品的耐磨性及使用壽命。

3 結束語

2018 年，經過精細化設計的高效氣體處理器在冀東及勝利采油廠開始推廣使用。通過對近年來現場使用數據的總結分析，并與以往常規氣體處理器進行比較，發現該產品不僅可以保證潛油電泵高效運轉，同時還可延長潛油電泵使用壽命15%以上，葉輪葉片的氣蝕現象較原來明顯改善，基本上杜絕了現場由于氣液比不合理而造成的潛油電泵氣鎖現象。

高效氣體處理器還可以進一步拓寬潛油電泵的高效使用區間，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塊采用潛油電泵采油成為可能。未來還會繼續改進優化產品規格，進一步擴大產品應用范圍，提高其市場價值。