韓岐清,李少甫,韓　濤

(中國石油大港油田分公司采油工藝研究院，天津 300280)

?

抽油桿扶正器液流阻力模擬研究

韓岐清,李少甫,韓濤

(中國石油大港油田分公司采油工藝研究院，天津 300280)

大港油田目前應(yīng)用的抽油桿扶正器種類繁多，結(jié)構(gòu)尺寸、性能參數(shù)均存在較大差異，基于Flow Simulation計算流體力學(xué)模塊建立了螺旋扶正器、葉片扶正器及圓環(huán)扶正器三維仿真流動模型，分析評價不同類型扶正器在不同黏度流體下的過流能力。結(jié)果表明，井液流經(jīng)扶正器產(chǎn)生的液流阻力對桿柱受力產(chǎn)生重要影響，且隨流體黏度增加而急劇增加，其中，葉片扶正器產(chǎn)生的液流阻力最小。

大港油田;扶正器;液流阻力;模擬計算

大港油田應(yīng)用的抽油桿扶正器種類繁多，扶正器在抽油機井上廣泛應(yīng)用，有效保護了抽油桿及接箍，延長了抽油桿及油管的使用壽命，同時抽油桿加裝扶正器也改變了抽油桿的受力狀況[1-3]。

本文基于Flow Simulation流體仿真模擬軟件，通過建立不同結(jié)構(gòu)扶正器三維實體模型，應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析井液流經(jīng)扶正器流場分布和液流阻力，并分析評價不同結(jié)構(gòu)扶正器在不同黏度流體介質(zhì)下的過流能力，為扶正器優(yōu)選及桿柱受力分析提供理論依據(jù)。

1　流體數(shù)值模擬計算

在進行流體數(shù)值模擬分析之前，首先對油管、抽油桿及扶正器建立三維實體模型[4]，扶正器為大港油田主體采用的螺旋扶正器、葉片扶正器及圓環(huán)扶正器，依據(jù)實際尺寸1∶1建模。工件規(guī)格尺寸分別為：內(nèi)徑φ62 mm平式油管、直徑22 mm抽油桿、FZ58.5-22螺旋扶正器、FYPⅡ22×58A葉片扶正器、FYH22×58A圓環(huán)扶正器。

Flow Simulation流體分析建立的三維模型為管道內(nèi)部流動，需在油管兩端使用封蓋，確保模型內(nèi)部為密閉空間。井液流動模型假設(shè)條件：①假設(shè)抽油桿與油管相對靜止，管內(nèi)流體相對速度為流體平均流速加上抽油桿下行最大速度，分析計算扶正器在油管內(nèi)所受最大液流阻力。②流動數(shù)值模擬方法采用雷諾平均模擬[5]，湍流模型采用具有阻尼函數(shù)的 κ-ε模型[6]。③流體管程2 m，為扶正器平均有效長度7倍。④模擬流體采用自定義油井產(chǎn)出液，密度890 kg/m3,黏度100 mPa·s。⑤入口流體速度按產(chǎn)液量20 m3/d，折算流速v1=0.077 m/s，抽油桿下行最大速度vmax= 0.785 m/s，平均沖程為5 m，沖次為3次/min,流體相對速度v=v1+vmax=0.862 m/s。⑥出口壓力0.1 MPa。⑦默認壁面為絕熱壁面。

依據(jù)邊界條件，通過精細網(wǎng)格劃分，進行流體數(shù)值模擬運算。計算結(jié)果通過流動跡線顯示螺旋扶正器(圖1)、葉片扶正器(圖2)、圓環(huán)扶正器(圖3)在油管內(nèi)的流場分布及壓力變化。

圖1　螺旋扶正器流場示意圖

2　計算結(jié)果分析

井液流經(jīng)抽油桿扶正器產(chǎn)生的液流阻力主要由流經(jīng)扶正器的壓力損失以及由于過流面積改變產(chǎn)生的局部阻力損失引起[7],不同結(jié)構(gòu)扶正器其過流面積不同，有效實體長度不同，產(chǎn)生的壓力損失也不同。由圖4可以看出，流體流經(jīng)螺旋扶正器產(chǎn)生的壓力損失最大，圓環(huán)扶正器次之，葉片扶正器產(chǎn)生的壓力損失最小，且沿程壓力變化最為平緩。

圖2　葉片扶正器流場示意圖

圖3　圓環(huán)扶正器流場示意圖

從圖4壓力分布情況看，流體流經(jīng)扶正器產(chǎn)生壓降與理論計算基本相近。

對比不同扶正器結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1)，葉片扶正器實體截面積僅為螺旋扶正器的75%,但過流面積是螺旋扶正器的1.5倍，有效實體長度是螺旋扶正器的3.8倍，單個扶正器產(chǎn)生的液流阻力僅為螺旋扶正器的1/2。葉片扶正器從井液過流能力和抽油桿有效保護長度均優(yōu)于螺旋扶正器和圓環(huán)扶正器。

對流體黏度100 mPa·s的油井產(chǎn)出液，單井平均下入扶正器個數(shù)一般為100～150個，扶正器產(chǎn)生的液流阻力達到1.58～2.37 kN，是扶正器與油管摩擦阻力的30%～41%，是桿柱平均軸向載荷的2.15%～3.40%，對抽油機懸點載荷以及中性點位置均產(chǎn)生一定影響。

圖4　部分管段內(nèi)壓力變化曲線

扶正器類型實體截面積/mm2過流面積/mm2有效實體長度/mm壓力損失/kPa液流阻力/N螺旋扶正器1942.581074.96128.610.13115.83葉片扶正器1458.671558.87489.57.3967.98圓環(huán)扶正器1611.961405.58235.29.80212.07

同時流體黏度的變化也對液流阻力影響程度較大[8]，大港油田不同區(qū)塊原油黏度的差異較大，為22.3 ～12 587 mPa·s，從不同流體黏度與液流阻力的變化關(guān)系(圖5)可以看出，隨著流體黏度的增加，井液流經(jīng)扶正器液流阻力急劇增加；葉片扶正器過流能力優(yōu)于螺旋扶正器和圓環(huán)扶正器，液流阻力變化最小。

圖5　不同流體黏度液流阻力變化

3　結(jié)論

(1)運用Flow Simulation流動模擬仿真技術(shù)建立了描述井液流經(jīng)不同類型扶正器的三維流動模型，得到了井液流經(jīng)扶正器流場分布和液流阻力分布圖。

(2)在相同流動條件下，葉片扶正器的過流能力和抽油桿有效保護長度均優(yōu)于螺旋扶正器和圓環(huán)扶正器。

(3)隨井液動力黏度增加，流經(jīng)扶正器液流阻力急劇增加，對懸點載荷和中性點位置產(chǎn)生較大影響，建議優(yōu)選過流面積小，液流阻力影響較小的葉片扶正器。

[1]夏麒彪，劉永輝，周新富.定向井中抽油桿柱的摩擦力計算和扶正器分布設(shè)計[J].鉆采工藝，2004，27(1)：60-63.

[2]張瑞霞，李增亮，姜東，等.往復(fù)式有桿泵抽油桿扶正器的布置研究[J].石油礦場機械，2008，37(12)：28-35.

[3]劉新福，王春升，劉春花,等.基于井液流動特性的抽油桿柱力學(xué)模型及應(yīng)用[J].機械工程學(xué)報，2013，49(14):176-181.

[4]DS SolidWorks公司.SolidWorks Flow Simulation 教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013:2-3.

[5]王福軍．計算流體動力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004: 118-119.

[6]熊莉芳，林 源，李世武.κ-ε湍流模型及其在FLUENT軟件中的應(yīng)用[J].工業(yè)加熱,2007， 36(4):13-15.

[7]張 權(quán)，汪志明，翟羽佳,等.存在扶正器條件下三元復(fù)合溶液環(huán)空流動實驗與模型研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，(32)12：8521-8525.

[8]章敬, 程豪, 梁程,等.基于Fluent的稠油定向井扶正器流場數(shù)值模擬[J]. 油氣田地面工程,2011，31(11):37-38.

編輯：李金華

1673-8217(2016)05-0133-03

2016-04-16

韓岐清，大港油田高級技術(shù)專家，高級工程師，1963年生，1995年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事油田機械采油研究工作。

TE831

A