韓錫鵬，張立軍，王錦程，謝文獻

（1.中國石油大學機電工程學院，山東青島266580；2.中石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東東營257051）①

潛油電泵用單流閥的沖蝕研究

韓錫鵬1，張立軍1，王錦程2，謝文獻2

（1.中國石油大學機電工程學院，山東青島266580；2.中石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東東營257051）①

針對潛油電泵機組中單流閥常出現(xiàn)的沖蝕問題，采用Solid w orks三維建模軟件，建立單流閥仿真模型，并用W orkbench Fluent對其進行流場分析。研究結(jié)果表明，在現(xiàn)有參數(shù)下，單流閥變徑處含沙井液的紊流速度高達2.924 m／s，加之腐蝕作用，致使單流閥刺漏。在此基礎(chǔ)上，提出了單流閥的改進結(jié)構(gòu)，防沖蝕效果得到明顯改善。

單流閥；沖蝕；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)

在潛油電泵機組［1］配套組件中單流閥通常安裝在泵的出口處，用于防止停泵時油管內(nèi)的液體回流，引起機組反轉(zhuǎn)，同時減輕電泵的啟動負荷，以防啟動時損壞機組。根據(jù)勝利油田某采油廠提供的數(shù)據(jù)，2010年以來，單流閥、油管螺紋刺漏共23口井，其中：單流閥刺壞9口井，單流閥連續(xù)二次刺壞的油井6口，單流閥刺壞并有腐蝕現(xiàn)象的油井5口，單流閥刺壞并有出砂現(xiàn)象的油井2口。統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1。

表1 電泵井單流閥和油管螺紋刺漏井次統(tǒng)計

從拆檢結(jié)果看，單流閥刺損主要表現(xiàn)在流速較高的球座上部0～40 m m處、擋板上部0～55 m m處及單流閥下部倒角處明顯刺壞，球座、球、擋板完好，如圖1所示。本文采用數(shù)值模擬方法分析單流閥刺漏的原因，并提出改進建議。

圖1 單流閥刺漏形態(tài)

1 沖蝕原因及危害

井下高壓流體及砂粒經(jīng)油管進入單流閥，對單流閥產(chǎn)生劇烈沖擊［2］。由于單流閥截面面積的變化，根據(jù)流體力學連續(xù)性方程［3-4］可知，在球座上部、單向閥螺紋處隨著截面面積的變小，而入口的流量不變的情況下，流體的速度將變大；在單向閥螺紋處出現(xiàn)紊流。層流時，在沿管道截面有一種穩(wěn)態(tài)的速度分布，由于流體黏性的存在，流速在管中心處最大，其近壁處最小。紊流時，破壞了這種穩(wěn)態(tài)速度分布，這不僅加速了腐蝕劑的供應(yīng)和腐蝕產(chǎn)物的遷移，而且在流體與金屬之間產(chǎn)生切應(yīng)力，使得單向閥螺紋處的保護膜被剝落，露出活性金屬表面，使得該處內(nèi)外構(gòu)成原電池，進一步加速腐蝕。砂粒的沖擊也會使裸露的新鮮金屬表面發(fā)生塑性變形或者產(chǎn)生微裂紋，使之處于高能區(qū)，在原電池中成為陽極區(qū)；H2S、C O2等腐蝕性物質(zhì)使金屬不斷以離子的形式融入流體，進一步加劇了腐蝕。隨著流體流動速度增加，腐蝕速率也隨之增加。在力學、化學、電化學的聯(lián)合作用下，加速了沖蝕過程，最終導致單流閥刺漏。

單流閥刺漏后，原油開采效率降低。停泵時，油管內(nèi)的液體回流，會引起機組反轉(zhuǎn)，同時增加了電泵的啟動負荷，啟動時易損壞機組。停機后管柱內(nèi)的砂和雜質(zhì)就會沉入到泵的葉輪中，在下次開機時發(fā)生失效。離心泵含砂量過大會導致砂卡，使機組過載停機、斷軸、機組落井。最終導致整個油井癱瘓，對生產(chǎn)造成巨大損失。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 仿真模型建立

勝利油田某采油廠所用單流閥主要由球、球座擋板及殼體組成，對單流閥結(jié)構(gòu)簡化后，在Solid-W orks中直接建模，分析模型如圖2所示。

圖2 單流閥結(jié)構(gòu)及實體模型

2.2 網(wǎng)格劃分

將上述模型導入W orkbench Fluent后，在單流閥內(nèi)部填充流體，對流體域進行網(wǎng)格劃分［5］，單流閥流場網(wǎng)格劃分如圖3所示，共劃分171 818個網(wǎng)格，網(wǎng)格最大扭曲率≤0.8，絕大部分網(wǎng)格的最大扭曲率在0.2～0.5，能較好地滿足C F D計算要求。

圖3 單流閥流場網(wǎng)格劃分

2.3 控制方程和邊界條件

考慮到單流閥內(nèi)液體流動的特點，選用多相流模型中的歐拉模型，控制方程用雷諾數(shù)時均N-S方程，采用標準k-ε模型［6-7］。流體介質(zhì)為原油，油田原油密度為908.2 kg／m3，動力黏度為1.057×10-3Pa·s。計算中單流閥內(nèi)部無熱傳導現(xiàn)象。邊界區(qū)域采用標準壁面函數(shù)來計算近壁面網(wǎng)格上的各物理量。非金屬顆粒取為砂粒，并假設(shè)：砂粒成分為SiO2，密度為2 000 kg／m3，粒子形狀為球形，取其半徑為100μm；砂粒具有很好的跟隨流動特性；電泵始終處于同一工作狀態(tài)；砂粒沖蝕在涂層不同位置所形成的損傷相互獨立。單流閥進口邊界采用velocity-inlet條件，出口采用pressure-outlet條件。采用sim ple算法迭代求解。

2.4 求解結(jié)果及分析

首先對常見液量為250 m3／d，含沙量為0.3‰時的狀況進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 單流閥流場速度矢量

由圖4可以看出，單流閥下部倒角處存在渦流現(xiàn)象，該處易刺壞。而在螺紋位置處形成渦流，砂粒沖擊速度約為2.924 m／s，高于沖蝕臨界速度［8］（2.133 6 m／s），井液在高流速下，在砂粒與金屬之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，將金屬表面防腐蝕層破壞，最終導致單流閥刺漏。

為了進一步分析含沙量和液量對單流閥速度的影響，又對液量250、270、300 m3／d，含砂量為0‰、0.1‰、0.2‰、0.3‰時的狀況進行數(shù)值模擬分析，計算結(jié)果如表2所示。

表2 單流閥在不同流量和不同含砂量時的最大速度比較

由表2可知，在相同含砂量的情況下，隨著液量的增大，流體流速增大；在相同液量下，隨含砂量的增大，流體流速逐漸增大，說明液量越大、含砂量越大，沖蝕程度越大。

3 結(jié)構(gòu)改進

3.1 方案

通過前面分析可知，要減少單流閥的刺漏，可以從2個方面對單流閥進行改進。①提高單流閥本身材質(zhì)的強度、硬度，將單流閥材質(zhì)由45#鋼改為35Cr M o或40Cr材質(zhì)合金鋼［9］，增加耐磨性，降低沖蝕程度；②將單流閥加長，避免流體對螺紋的直接沖蝕，提高使用壽命，如圖5所示，這種改進方法所需成本較低。

圖5 改進前、后的單流閥結(jié)構(gòu)示意

3.2 改進后單流閥沖蝕的數(shù)值模擬

對加長后的單流閥進行建模，按照同樣的方法在W orkbench Fluent中進行流體流場分析。單流閥改進后的模型如圖6所示，流場速度分布如圖7所示。

由圖7可知，單流閥改進之后在螺紋位置處砂粒沖擊速度明顯降低，約為1.022 m／s，低于沖蝕臨界速度，一定程度上減小了沖蝕的程度。同時由于加長了單流閥的長度，改變了沖蝕位置（由原來的對螺紋的沖蝕變成了對殼體的沖刷）。因此，避免了螺紋處的渦流現(xiàn)象，提高了單流閥的使用壽命。

改進后的單流閥在勝利油田某井進行了現(xiàn)場應(yīng)用。現(xiàn)場使用1 000 d之后，未出現(xiàn)單流閥刺壞的油井，通過現(xiàn)場拆檢未發(fā)現(xiàn)螺紋處出現(xiàn)刺壞，單流閥內(nèi)部無明顯的沖蝕現(xiàn)象。說明改進后的新型單流閥具有很好的防沖蝕效果，滿足現(xiàn)場使用要求。

圖6 改進后單流閥模型

圖7 改進后單流閥流場速度矢量

4 結(jié)論

1） 簡述了單流閥的沖蝕與腐蝕現(xiàn)狀及單流閥的刺漏形態(tài)，并指出高流速和高含砂量的液體沖刷是導致單流閥沖蝕刺壞的重要原因。

2） 通過對單流閥內(nèi)部流體域進行Fluent分析可知，在單流閥螺紋位置處，含砂油氣混合井液的速度可高達2.924 m／s，高于沖蝕臨界速度（2.133 6 m／s），同時渦流的影響加速了該處的刺漏。

3） 對單流閥的結(jié)構(gòu)進行改進后，單流閥螺紋位置處流速明顯降低（約為1.022 m／s），已低于沖蝕臨界速度，避免了螺紋處的渦流現(xiàn)象，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著。

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Erosion Research on Single Flow Valve of Electrical Sub mersible Pum p Unit

H A N Xi-peng1，Z A H N G Li-jun1，W A N G Jin-cheng2，XIE W en-xian2
（1．College of Electromechanical Engineering，China University of Petroleu m，Qingdao266580，China；2．Shengli Oil Production Plant，Shengli Oilfield Com pany，SI N O P E C，Dongying257051，China）

Aiming at the erosion problems of single flow valve in electrical sub mersible pu m p units，the single valve sim ulation m odel was established by means of Solid W orks 3D m odeling software，and the flow field of single valve is analyzed by means of W orkbench Fluent software.T he research results show that the speed of turbulent flow with sand reaches 2.924 m／s at the place of changed diameter，co m bined with the corrosion effect，and the single flow valve leakage.T herefore，im proved structure single valve is proposed，and anti-erosion effect is im proved greatly.

single flow valve；erosion；nu merical sim ulation；structure

T E933.307

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.019

1001-3482（2014）08-0085-03

2014-02-09

韓錫鵬（1989-），男，山東青島人，碩士研究生，主要從事潛油電機技術(shù)研究，E-mail：jackiehan89＠163.co m。