劉延鑫, 王旱祥, 汪潤(rùn)濤, 晁明偉， 張震寧, 黃海春, 馬振勇

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;3.中國(guó)石油工程公司華東設(shè)計(jì)分公司,山東青島 266071; 4.江蘇省海洋油氣鉆井裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇姜堰 225532;5.中國(guó)石油青海油田分公司采油一廠，青海海西 816400)

電動(dòng)潛油離心泵葉輪沖蝕磨損研究

劉延鑫1,2, 王旱祥1, 汪潤(rùn)濤1, 晁明偉3， 張震寧4, 黃海春4, 馬振勇5

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;3.中國(guó)石油工程公司華東設(shè)計(jì)分公司,山東青島 266071; 4.江蘇省海洋油氣鉆井裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇姜堰 225532;5.中國(guó)石油青海油田分公司采油一廠，青海海西 816400)

針對(duì)油田特高含水階段電動(dòng)潛油離心泵葉輪沖蝕磨損問題,采用RNGk-ε湍流模型和離散相模型并利用SIMPLEC算法進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)對(duì)電潛泵沖蝕磨損的數(shù)值模擬,并研究工況參數(shù)和葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電潛泵葉輪沖蝕磨損的影響。結(jié)果表明:葉輪葉片吸力面是葉輪沖蝕磨損嚴(yán)重區(qū)域;隨著砂粒濃度的升高及葉輪轉(zhuǎn)速的提高,葉輪磨損速率增大;隨著粒徑及出口安放角的增加,葉輪磨損速率先升高后降低;葉輪平均磨損率隨著進(jìn)口安放角的增加而降低。關(guān)鍵詞:電動(dòng)潛油離心泵; 離散相模型; 湍流模型; 沖蝕磨損; 數(shù)值模擬

隨著油田的不斷開發(fā),很多油田進(jìn)入特高含水開發(fā)階段。電動(dòng)潛油離心泵(以下簡(jiǎn)稱“電潛泵”)具有排量揚(yáng)程范圍大、功率大、適應(yīng)性強(qiáng)、檢泵周期長(zhǎng)、管理方便及經(jīng)濟(jì)效益顯著的特點(diǎn),在特高含水開發(fā)階段成為油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的主要舉升方式。然而由于油井含砂體積分?jǐn)?shù)也逐漸增多,導(dǎo)致井筒狀況不斷復(fù)雜化,導(dǎo)致電潛泵壽命下降,經(jīng)濟(jì)效益逐年變差。含砂導(dǎo)致葉輪出現(xiàn)嚴(yán)重的沖蝕磨損,引起泵效下降,影響設(shè)備正常運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起穿孔,引起泵筒穿孔甚至泵殼斷裂、落井,因此有必要對(duì)葉輪進(jìn)行磨損分析,研究磨損機(jī)理,以便于采取相應(yīng)的防護(hù)措施。電潛泵是離心泵的一種,目前對(duì)離心泵的研究主要針對(duì)渣漿泵等大直徑、臥式、葉輪-蝸殼式離心泵,其含砂體積分?jǐn)?shù)基本在1%以上,固體粒徑也比較大[1-5];對(duì)電潛泵這種小直徑、含砂體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低(低于0.1%)、高轉(zhuǎn)速、小粒徑、葉導(dǎo)輪立式離心泵葉片磨損的研究較少,目前僅有王尊策、陳思等[6-7]對(duì)其葉輪磨損進(jìn)行了研究,但是在研究中只考慮了工況參數(shù)對(duì)葉輪磨損的影響,未開展葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)葉輪磨損影響的研究。由于采用CFD數(shù)值模擬方法[8]計(jì)算沖蝕磨損可靠性強(qiáng),成本低,周期短,因此,筆者利用fluent軟件,采用離散相模型及磨損理論[9-11],對(duì)電潛泵沖蝕磨損進(jìn)行數(shù)值模擬,研究電潛泵沖蝕磨損規(guī)律,分析不同參數(shù)對(duì)電潛泵磨損影響。

1 基于離散相模型的固液控制方程

1.1 液相流動(dòng)控制方程

電潛泵葉輪葉片型線是彎曲的,其流體的流線也是彎曲的,湍流呈現(xiàn)各向異性。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型相比,RNGk-ε湍流模型修正了湍流黏度,并考慮平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況[12],電潛泵液相湍流采用RNGk-ε湍流模型較為合適，表示為

(1)

C2ερfε) .

(2)

1.2 離散相(砂粒)控制方程

在固液兩相流中固體顆粒主要受到繞流阻力、重力、各種附加力、離心力、科氏力、Basset力和Magnus升力等作用力。固體顆粒受力控制方程為

(3)

式中,ρs為砂粒密度;g為重力加速度;FD為流體繞流阻力;FV為附加質(zhì)量力;FP為壓力梯度導(dǎo)致的附加力;Fother為離心力、科氏力、Basset力、Magnus升力等外力的總和。

1.3 磨損率計(jì)算模型

磨損率定義為在單位時(shí)間內(nèi)顆粒作用在單位面積物體表面所切掉的材料質(zhì)量。其計(jì)算公式[13]為

(4)

2 電潛泵葉輪沖蝕磨損數(shù)值模擬及其分析

2.1 電潛泵葉輪沖蝕磨損數(shù)值模擬模型

以W150型潛油離心泵為例進(jìn)行數(shù)值模擬,其葉片為圓柱型葉片,葉輪葉片數(shù)為8。由于離心泵的葉輪流動(dòng)區(qū)域幾何非常不規(guī)則,所以采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格,并對(duì)流動(dòng)較為復(fù)雜葉輪葉片部位的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密,如圖1所示。

圖1 葉輪流道網(wǎng)格Fig.1 3D flow field model of impeller

(1)模型選擇與坐標(biāo)系處理。選擇離散相(DPM)模型,湍流模型選取RNGk-ε模型。流體排量為150 m3/d,砂粒的直徑為0.05 mm,砂粒進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0.3‰,砂粒密度設(shè)定為2 700 kg/m3。

針對(duì)可動(dòng)流域問題,選擇多重參考系模型(MRF模型),將葉輪流域設(shè)置為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系,旋轉(zhuǎn)速度為2 300 r/min。

(2)進(jìn)出口邊界條件。液相:葉輪入口采用速度進(jìn)口(velocity-inlet),設(shè)置液相的出口邊界為自由流動(dòng)(outflow)。顆粒相出口設(shè)置為逃逸。

固相入口條件:將固相的射流源設(shè)置為面源,設(shè)置顆粒的粒徑和質(zhì)量流率,將顆粒設(shè)置為惰性粒子,設(shè)置其密度為2 700 kg/m3。固相入口邊界設(shè)置為逃逸。定義進(jìn)口截面顆粒的體積分?jǐn)?shù)和速度均勻分布,固相顆粒相對(duì)液相的跟隨系數(shù)取為1.0,即在進(jìn)口邊界固、液兩相的速度相同。

(3)壁面條件。液相:液相無滑移。固相:壁面為反射壁面,考慮顆粒與壁面的碰撞反射。

2.2 基于離散相模型的電潛泵葉輪磨損分析

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)采用SIMPLEC算法進(jìn)行求解。圖2為葉輪蓋板磨損云圖。從圖2中可以看出,葉輪前蓋板除出入口局部磨損劇烈外,其它部位磨損較均勻,靠近吸力面一側(cè)的磨損較嚴(yán)重;后蓋板前部分磨損較嚴(yán)重,后半部分磨損較輕。葉輪前蓋板平均磨損率為6.28×10-5kg·m-2·s-1,葉輪后蓋板平均磨損率為9.11×10-5kg·m-2·s-1,葉輪后蓋板處的磨損更嚴(yán)重,這與田愛民等[15]的試驗(yàn)結(jié)果比較一致。

圖3為葉輪葉片磨損云圖。從圖3中可以看出,葉片吸力面磨損分布較廣,其葉片頭部磨損嚴(yán)重,中部次之,出口處磨損最輕。葉片壓力面的磨損主要分布在頭部和尾部,中間部分磨損較輕,吸力面和壓力面的最大磨損率相差不大,但吸力面的磨損分布范圍大,平均磨損率為1.46×10-5kg·m-2·s-1,壓力面平均磨損率為4.36×10-6kg·m-2·s-1,葉片吸力面磨損更嚴(yán)重。

圖2 葉輪蓋板磨損云圖Fig.2 Wear contour of impeller cover plate

圖3 葉輪葉片磨損云圖Fig.3 Wear contour of impeller blades

3 工況及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)葉輪磨損影響

葉輪是離心泵的核心部件,為舉升鉆井液提供能量。葉輪也是離心泵磨損最為嚴(yán)重的部件之一,葉輪壁面磨損會(huì)導(dǎo)致葉片失去原有型線導(dǎo)致其效率降低、轉(zhuǎn)子不平衡性增加,從而導(dǎo)致一系列后果。

3.1 工況參數(shù)對(duì)葉輪磨損影響

3.1.1 砂粒粒徑、含砂體積分?jǐn)?shù)的影響

實(shí)際工作中一般要求電潛泵井的含砂體積分?jǐn)?shù)不得超過0.05%,但在投產(chǎn)初期含砂體積分?jǐn)?shù)較高,故選擇工況如下:額定排量為150 m3/d,固相進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)分別為0.03%、0.05%、0.1%,粒徑分別為0.03、0.04、0.05、0.06、0.07和0.08 mm。

在含砂體積分?jǐn)?shù)分別為0.03%、0.05%、0.1%時(shí),改變砂粒粒徑,計(jì)算含砂體積分?jǐn)?shù)與砂粒粒徑對(duì)離心泵葉輪磨損的影響。從平均磨損率考慮計(jì)算不同砂粒體積分?jǐn)?shù)下葉輪平均磨損率隨砂粒粒徑的變化曲線,如圖4所示。

圖4 不同砂粒體積分?jǐn)?shù)下葉輪平均磨損率 隨砂粒粒徑的變化Fig.4 Average wear rate changes under different particle size and volume fraction

從圖4可以看出,砂粒進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)越高,磨損率越高。在砂粒進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)一定時(shí),隨著粒徑的增加,葉輪的平均磨損率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),且不同體積分?jǐn)?shù)下平均磨損率最大值的位置不同。砂粒進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí),最大值出現(xiàn)在粒徑0.05 mm處,砂粒進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)為0.05%、0.1%時(shí),最大值出現(xiàn)在粒徑0.06 mm處。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是在一定的砂粒進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)下,隨著粒徑的增加,雖然單個(gè)顆粒的質(zhì)量增加但是顆粒數(shù)量降低,從而與葉輪壁面發(fā)生碰撞的次數(shù)降低,在撞擊葉片壁面顆粒次數(shù)和質(zhì)量的綜合影響下,葉輪的平均磨損率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。同時(shí)從圖4中可以看出,在砂粒粒徑一定時(shí),隨著砂粒體積分?jǐn)?shù)增加,葉輪磨損率增大。

3.1.2 泵轉(zhuǎn)速對(duì)葉輪磨損的影響

固相進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)為0.05%,粒徑為0.05 mm時(shí)分析不同轉(zhuǎn)速對(duì)葉輪磨損率的影響,見圖5。從圖5中可以看出,隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提高,平均磨損率增大，因此可以適度降低葉輪轉(zhuǎn)速,從而降低磨損。

圖5 葉輪平均磨損率隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.5 Changes of average wear rate under different rotational speed

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)葉輪磨損影響

3.2.1 葉輪葉片進(jìn)口角的影響

選取葉片出口安放角β2為21°,葉片進(jìn)口安放角β1分別為26°、29°、32°、35°、38°、41°,含砂體積分?jǐn)?shù)為0.03%,固體砂粒為0.05 mm,研究葉片進(jìn)口安放角對(duì)潛油離心泵磨損的影響。圖6為不同葉片進(jìn)口角下葉輪各部分平均磨損率。

從圖6中可以看出,葉片出口角β2=21°時(shí),隨著葉片進(jìn)口角的增加,前蓋板的最大磨損速率不斷降低,但下降速度越來越平緩;后蓋板最大磨損速率呈線性下降趨勢(shì);當(dāng)β1<32°,前蓋板的最大磨損速率大于后蓋板的最大磨損速率;當(dāng)β1>32°,前蓋板的最大磨損速率小于后蓋板的最大磨損速率。隨著葉片進(jìn)口角的增加,吸力面最大磨損速率上下波動(dòng),在β1=41°處,快速下降,達(dá)到最小值;壓力面最大磨損速率整體呈下降趨勢(shì),但下降緩慢;吸力面最大磨損速率均大于壓力面。對(duì)葉輪整體最大磨損速率而言,其隨著葉片出口角的增加而不斷降低。綜上所述,在葉片進(jìn)口角β2=21°下,隨著葉片出口角的增加,葉輪最大磨損速率呈下降趨勢(shì),故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取較大的葉片進(jìn)口安放角。

圖6 不同葉片進(jìn)口角下葉輪各部分平均磨損率Fig.6 Average wear rate under different inlet angle

3.2.2 葉輪葉片出口角的影響

選取葉片進(jìn)口安放角β1為38°,葉片進(jìn)口安放角β2分別為18°、21°、24°、27、30°、33°,含砂體積分?jǐn)?shù)為0.03%,固體砂粒為0.05mm,研究葉片出口安放角對(duì)潛油離心泵磨損的影響。圖7為不同葉片出口角下葉輪各部分平均磨損率。

圖7 不同葉片出口角下葉輪各部分平均磨損率Fig.7 Average wear rate under different outlet angle

從圖7中可以看出,在葉片進(jìn)口角β1=38°時(shí),隨著葉片出口角的增加,前蓋板的平均磨損率先下降后上升,但上升幅度不大;后蓋板的平均磨損率不斷降低,后蓋板的平均磨損率均大于前蓋板。吸力面平均磨損率先下降后上升再下降,壓力面平均磨損率先下降后上升,兩者均在β2=24°時(shí)最低。由此可知設(shè)計(jì)葉片出口角不宜過大或者過小。

4 結(jié) 論

(1)葉片吸力面磨損分布較廣,葉片吸力面頭部至中部、壓力面入口和出口處磨損嚴(yán)重,在葉片吸力面增加防護(hù)涂層,可達(dá)到降低沖蝕磨損的效果。

(2)隨著砂粒體積分?jǐn)?shù)升高及葉輪轉(zhuǎn)速的增大,葉輪磨損率增大;砂粒體積分?jǐn)?shù)相同時(shí),隨著粒徑的增加,顆粒質(zhì)量增加,數(shù)量減少,葉輪磨損速率先升高后降低。

(3)葉輪平均磨損率隨著進(jìn)口安放角的增加而降低,隨著出口安放角的增加先增加后降低,設(shè)計(jì)時(shí)葉片進(jìn)口安放角應(yīng)取較大值,葉片出口安放角不應(yīng)過大或過小。

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(編輯 沈玉英)

Study on erosive wear of electric submersible pumps impeller

LIU Yanxin1,2， WANG Hanxiang1， WANG Runtao1， CHAO Mingwei3,ZHANG Zhenning4， HUANG Haichun4, MA Zhenyong5

(1.CollegeofMechanicalEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;3.EastChinaInstituteofChinaPetroleumEngineeringandConstructionCorportation,Qingdao266071,China;4.JiangsuKeyLaboratoryofOffshoreOilandGasDrillingEquipment，Jiangyan225532，China;5.TheFirstOilProductionPlantofQinghaiOilfieldCompany，PetroChina，Haixi816400，China)

In order to solve the erosive wear problems in the impeller in the high water-cut stage, the RNGk-εturbulence model, discrete phase model and SIMPLEC algorithm are employed to realize the simulation of an electric submersible pumps (ESP) erosive wear. The effects of the working condition and structural parameters of the ESP are also studied. The results show that the concave side of the impellers blade is a serious eroded area. With the increases of the sand volume fraction and the impeller speed, the impellers wear rate goes up. With the increase of the particle size and outlet angle, the wear rate firstly rises then reduces. Finaly, the impellers average wear rate reduces with the increase of the inlet angle.

electric submersible pump; discrete phase model; turbulence model; erosive wear; numerical simulation

2016-08-22

國(guó)家重大專項(xiàng)(2011ZX05038-02)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (ZR2015EL012);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(17CX02022A)

劉延鑫(1985-)，男，講師，博士，研究方向?yàn)橛蜌饩畻U管柱力學(xué)及流體力學(xué)。E-mail: liuyanxin1985@163.com。

1673-5005(2017)04-0155-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.020

TE 933

A

劉延鑫,王旱祥,汪潤(rùn)濤,等.電動(dòng)潛油離心泵葉輪沖蝕磨損研究[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,41(4):155-159.

LIU Yanxin， WANG Hanxiang， WANG Runtao, et al. Study on erosive wear of electric submersible pumps impeller[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(4):155-159.