韓洪升,王立陳,陳鴻鹍,任師華,楊 杰

(1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江大慶163318;2.中國石油長慶油田公司第一采油廠;3.中國石油大慶油田建設(shè)集團(tuán)油建公司;4.天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部工程管理系)

高效抽油泵凡爾阻力實(shí)驗(yàn)研究

韓洪升1,王立陳1,陳鴻鹍2,任師華3,楊 杰4

(1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江大慶163318;2.中國石油長慶油田公司第一采油廠;3.中國石油大慶油田建設(shè)集團(tuán)油建公司;4.天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部工程管理系)

為了研究高效抽油泵中流體介質(zhì)通過其凡爾的壓降規(guī)律,利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置,測量用不同濃度聚合物溶液配制成的粘度不同的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)在豎直條件下通過抽油泵的固定凡爾和游動凡爾時(shí)的壓降,從而對相同條件下同一種泵的不同凡爾阻力、不同泵同一種凡爾阻力以及同一凡爾不同粘度下的阻力進(jìn)行對比。結(jié)果表明,流體介質(zhì)通過高效泵新型固定凡爾時(shí)所產(chǎn)生的壓降要小于相同條件下的普通泵固定凡爾,而通過游動凡爾時(shí)則相反。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果擬合出局部阻力經(jīng)驗(yàn)公式,并對其進(jìn)行了驗(yàn)證。

高效抽油泵;凡爾阻力;壓降;阻力系數(shù);實(shí)驗(yàn)

目前,國內(nèi)外油田普遍采用有桿抽油泵采油。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球范圍內(nèi)有桿抽油泵井幾十萬口,我國石油行業(yè)使用有桿抽油泵的油井在十五萬口以上[1]。國內(nèi)大部分油田進(jìn)入開發(fā)后期,面臨著油層出砂、高含水、高氣油比、強(qiáng)腐蝕性等問題,而普通抽油泵在這些井上工作時(shí)處于低效生產(chǎn)狀態(tài),因此為了更好地滿足油田生產(chǎn)的需要,許多廠家及油田都在研制新型高效抽油泵,主要是對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些改動。本實(shí)驗(yàn)所采用的抽油泵是現(xiàn)場工作人員經(jīng)過不斷探索并成功研制的一種新型高效泵,與其同系列的普通泵相比,其固定凡爾球采用陶瓷球,游動凡爾上裝有環(huán)形閥總成。針對這種新型高效泵,工作人員已經(jīng)做了大量研究,但對于其凡爾阻力的實(shí)驗(yàn)研究卻鮮見文章。本文通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置,測量用不同粘度的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)在不同流量下通過凡爾所產(chǎn)生的壓降,從而得出新型高效泵凡爾的壓降變化規(guī)律及與普通泵凡爾的對比關(guān)系,并以此為基礎(chǔ),為現(xiàn)場不同工況下抽油泵的選取提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了模仿現(xiàn)場抽油泵工作情況,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)從下至上依次通過固定凡爾和游動凡爾,我們設(shè)計(jì)了以下室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程

實(shí)驗(yàn)采用泵徑為38mm抽油泵,其中,游動凡爾為下游動凡爾(因?yàn)橥环N泵上下游動凡爾及其底座的結(jié)構(gòu)是相同的,因此選用其中的一個(gè)凡爾即下游動凡爾進(jìn)行實(shí)驗(yàn)),流量計(jì)為電磁流量計(jì),差壓計(jì)為雙波紋管差壓計(jì),測量范圍0～60kPa間任選。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

儲液罐中的聚合物溶液被螺桿泵吸入,并經(jīng)過螺桿泵增壓后,以一定的壓力和流量從下向上依次通過泵的固定凡爾,游動凡爾,在每個(gè)凡爾上下兩端連接的差壓計(jì),會及時(shí)反映聚合物溶液通過凡爾過程中壓力的變化,從而得出該流量條件下聚合物溶液通過各凡爾產(chǎn)生的壓降,流量的大小可通過電磁流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測,流量的改變通過電機(jī)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié),最后聚合物溶液通過管路回流到儲液罐。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)基于ΔP=f(Q,μ結(jié)構(gòu)系數(shù))[2]函數(shù)關(guān)系,目的是通過研究流體粘度、流量和結(jié)構(gòu)性系數(shù)對凡爾阻力的影響,來對流體通過高效泵與普通泵的固定凡爾、游動凡爾所產(chǎn)生的壓降進(jìn)行對比。這里結(jié)構(gòu)性系數(shù)與泵閥各局部尺寸和表面粗糙度有關(guān),但對于某一固定的泵閥結(jié)構(gòu)而言,結(jié)構(gòu)性系數(shù)為一定值,本實(shí)驗(yàn)用的兩種泵的固定泵閥結(jié)構(gòu)是相同的,但游動泵閥略有差異,見圖2、圖3。

圖2 高效泵新型游動凡爾罩

圖3 兩種泵的 固定凡爾罩

2.1 相同粘度條件下,不同凡爾的壓降與流量關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)分別用粘度為 3、10、20、30 mPa·s的聚合物溶液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4～圖7。

圖4 粘度為3 mPa·s各種凡爾的壓降與流量關(guān)系

圖5 粘度為10 mPa·s各種凡爾的壓降與流量關(guān)系

圖6 粘度為20 mPa·s各種凡爾的壓降與流量關(guān)系

圖7 粘度為30 mPa·s各種凡爾的壓降與流量關(guān)系

從圖中可以看出,在相同條件下,新型固定凡爾的壓降小于普通固定凡爾壓降;新型游動凡爾壓降大于普通游動凡爾壓降;對于同一種泵,在相同條件下,游動凡爾的壓降要大于固定凡爾的壓降。

抽油泵的固定閥由閥座、閥球以及凡爾罩三部分組成,而固定閥閥球?qū)υ瓦M(jìn)入泵筒的流壓影響主要表在兩個(gè)階段,一是在閥球開關(guān)瞬間,閥球的自重直接影響著開啟壓差;二是在閥球處于開啟狀態(tài),原油經(jīng)固定閥球進(jìn)入泵筒期間,閥球的外形尺寸及重量影響著油流的壓力降。這就意味著固定閥采用密度較大的閥球時(shí),進(jìn)泵筒的油流就必須產(chǎn)生相對更大的壓力降,才能使油流連續(xù)不斷地進(jìn)入抽油泵泵筒。本實(shí)驗(yàn)所用的普通固定凡爾閥組和新型固定凡爾閥組的結(jié)構(gòu)尺寸一致,不同的是前者的凡爾球?yàn)殇撉?后者為陶瓷球,因陶瓷球的密度小于鋼球密度,所以由以上分析得知,在相同條件下,聚合物溶液分別通過鋼球固定凡爾與陶瓷球固定凡爾時(shí)所產(chǎn)生的壓降,前者要大于后者;在設(shè)計(jì)高效泵時(shí),為了提高泵效,對凡爾罩進(jìn)行了改造,特別是在游動凡爾罩的頂部增加了環(huán)形裝置,從而減小了氣體影響,防止氣鎖、改善抽油桿受力狀況,大大提高了泵效,但從阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,這種閥改變了聚合物溶液的流道方向,并減小了流道的截面積,與普通游動凡爾相比,無疑增加了聚合物溶液通過游動凡爾時(shí)的阻力損耗;由于聚合物溶液通過固定凡爾閥組時(shí)的孔道截面積要大于游動凡爾的孔道面積,所以盡管聚合物溶液克服固定凡爾的重力所產(chǎn)生的壓降大于克服游動凡爾的重力所產(chǎn)生的壓降,但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能平衡孔道截面積縮小所帶來的壓力損失。

2.2 不同粘度條件下,同一凡爾的壓降與流量關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8～圖11。

由圖中可以看出,相同條件下,隨著粘度的增大,凡爾壓降也隨之增大。

圖8 不同粘度下,新型固定凡爾壓降與流量關(guān)系

圖9 不同粘度下,新型游動凡爾壓降與流量關(guān)

圖10 不同粘度下,普通固定凡爾壓降與流量關(guān)系

圖11 不同粘度下,普通游動凡爾壓降與流量關(guān)系

實(shí)驗(yàn)所用的普通型固定凡爾、游動凡爾和高效泵新型固定凡爾、游動凡爾的孔球比均小于1.5,根據(jù)抽油泵泵閥流體阻力試驗(yàn)[2],在孔球比小于1.5時(shí),阻力主要來源于流速和粘度,其阻力對粘度和流速反應(yīng)敏感,呈現(xiàn)軟特性。局部阻力損失公式、流量公式以及雷諾數(shù)公式如下:

式中:ΔP——壓降 ,m;ζ——局部阻力系數(shù);v——流速,m/s;h——局部水頭損失,m;g——9.8m2/s;Q——流量 ,m3/s;Re——雷諾數(shù);ρ——kg/m3;D ——內(nèi)徑 ,m;μ——粘度 ,Pa·s。

由以上公式可知,對于同一凡爾在一定粘度下,局部阻力壓降隨著流速增加而增加;關(guān)于閥門的局部阻力系數(shù),在一般的化工原理教材或是化工設(shè)計(jì)手冊中,通常只能查到一個(gè)定值,而閥門的局部阻力系數(shù)嚴(yán)格地講與Re密切相關(guān)[3],阻力系數(shù)ζ隨著雷諾數(shù)Re的減小而增大,而雷諾數(shù)Re是隨著粘度的增大而減小,即阻力系數(shù)ζ隨著粘度的增大而增大,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)繪制的圖像體現(xiàn)了這一規(guī)律。

2.3 凡爾局部阻力關(guān)系式及其驗(yàn)證

利用以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,可以得出阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線圖(如圖12),并擬合出局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式(表1)。

圖12 各凡爾阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

表1 凡爾局部阻力關(guān)系公式

為了檢驗(yàn)擬合出來的經(jīng)驗(yàn)公式是否具有實(shí)際意義,用粘度為5mPa·s的聚合物溶液進(jìn)行驗(yàn)證,并將實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)與由擬合公式得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖13、14所示:

圖13 高效泵新型凡爾阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系理論值與實(shí)測值對比關(guān)系

圖14 普通泵凡爾阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系理論值與實(shí)測值對比關(guān)系

通過比較可知,由擬合公式得出的數(shù)據(jù)圖像與通過實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)圖像關(guān)聯(lián)度較高,說明擬合的經(jīng)驗(yàn)公式接近實(shí)際。

3 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場的要求,對研制的高效抽油泵的新型凡爾壓降變化規(guī)律進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),并由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果得出新型凡爾與普通凡爾壓降的對比關(guān)系,同時(shí)擬合出關(guān)于凡爾局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式,從而對現(xiàn)場高效抽油泵的選取與應(yīng)用提供參考。

在相同流量、粘度條件下,新型游動凡爾壓降大于普通游動凡爾的壓降,而新型泵固定凡爾的壓降小于普通固定凡爾的壓降;對于同一種泵,游動凡爾的壓降大于固定凡爾的壓降。

[1] 閆學(xué)峰,檀朝東,周曉東.國內(nèi)油田抽油泵應(yīng)用工況及失效形式綜述[J].中國石油與化工,2008,18:48-51.

[2] 姚建設(shè).抽油泵泵閥的流體阻力試驗(yàn)[J].石油機(jī)械,1993,21(3):21-25.

[3] 吳大偉,張成林.球閥摩擦阻力系數(shù)的研究[J].機(jī)械、裝備與設(shè)計(jì),2006,9(5):35-37.

編輯:李金華

TE833

A

2010-09-09

韓洪升,教授,1950年生,1981年獲大慶石油學(xué)院碩士學(xué)位,現(xiàn)主要研究方向?yàn)槎嘞嗔黧w力學(xué)和非牛頓流體流變學(xué)。

1673-8217(2011)01-0125-03