王小兵 屈平亮 蘇宏益

1常州大學石油工程學院

2中國石油新疆油田分公司重油開發(fā)公司

射流泵是利用高速射流的動力液帶動引流管中液體流動的機械設備[1].近年來,隨著對射流泵技術研究的不斷深入,射流泵技術已逐漸發(fā)展成熟,廣泛地應用到各行各業(yè)中,例如石油和天然氣開采與勘探、魚類的輸送、河道與海港疏浚施工、建筑施工等.在水驅(qū)井開采過程中,由于地層容易出砂,會造成設備嚴重磨損,增加了采油成本,影響油井產(chǎn)液量[2].因此,提出用射流泵來進行排砂,但液固射流泵的效率很低,制約了液固射流泵的發(fā)展[3].喉嘴距是影響液固射流泵效率的關鍵因素之一,為滿足石油工程發(fā)展的需要,分析喉嘴距對液固射流泵效率的影響,來確定最優(yōu)喉嘴距,以提高射流泵的效率.

葛研軍等認為液氣射流泵的最佳喉嘴距為1.5倍噴嘴直徑[4];龍新平、程茜等認為喉嘴距最佳范圍為0.5~1.5倍噴嘴直徑[5];胡湘韓認為喉嘴距最佳范圍為0~2倍噴嘴直徑之間.上述研究喉嘴距的最佳范圍,都是關于液液或液氣方面的,沒有考慮液固兩相流時喉嘴距對射流泵性能的影響.本文通過對液固射流泵進行三維數(shù)值模擬,以效率最優(yōu)為目標,研究喉嘴距對液固射流泵性能的影響,分析不同喉嘴距、不同固相初始體積分數(shù)下的液固射流泵的性能曲線和效率曲線,確定最優(yōu)喉嘴距,以提高液固射流泵的效率.

1 數(shù)值計算方法

1.1 控制方程

采用混合模型模擬液固射流泵內(nèi)部流場流動,需要滿足流體動力學方程,主要包括連續(xù)性方程和動量守恒方程.

連續(xù)性方程

式中:ρm為混合液密度,kg/m3;t為時間,s;?為哈密爾頓算子;vˉm為質(zhì)量平均速度矩陣,m/s;n為相數(shù);ak為第k相的體積分數(shù);vk為第k相的平均速度,m/s;ρk為第k相的密度,kg/m3.

動量守恒方程

式中:p為混合液壓力,Pa;F為體積力,N/m3;g為重力加速度,m/s2;um為混合液黏度,kg/(m.s);uk為第k相黏度,Pa.s;vdr,k為第k相的漂移速度,m/s.

1.2 計算模型

液固射流泵內(nèi)部流場流動考慮為定常不可壓縮流動,首先在SolidWorks中建立三維射流泵模型,如圖1所示.將模型導入ANSYS中進行網(wǎng)格劃分和計算,根據(jù)油井射流排砂泵液固兩相流數(shù)值分析[6],建立液固射流泵模型.射流泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示,其中噴嘴直徑為6.4 mm,喉管距為18 mm,面積比為8,喉管長度為60 mm,射流管直徑為24 mm,吸入管直徑為16 mm,擴散管長度為30 mm,擴散管出口直徑為24 mm,喉嘴距不定.ANSYS軟件中流場分析選擇混合模型,數(shù)值計算采用的湍流模型為標準的k-ε模型[7],采用有限體積法對射流泵的計算域進行離散[8],離散化格式采用二階迎風格式,采用Simple算法對液固射流泵內(nèi)部流場進行計算[9].

圖1 射流泵三維模型Fig.1 3D model of jet pump

圖2 射流泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of jet pump structure

1.3 流體的物性

采用材料包括水、原油和砂子,水為工作流體,吸入液為采出液.采出液包括油水混合物和砂子,油水混合物中含水率為95%,固相體積分數(shù)分別為10%、20%和30%,砂子的密度為2 500 kg/m3,水驅(qū)井采出液的黏度為3.0~5.0 mPa.s[10].本文選取采出液的黏度為4.0 mPa.s.

1.4 基本假設

流體是在整個泵內(nèi)的連續(xù)流動,固相為尺寸均勻的砂子,砂子粒徑為0.1 mm,固相均勻分布于吸入口;液相為不可壓縮流體.固相與液相之間無相變,各相的物理特性為常數(shù),不考慮射流泵內(nèi)部流場的空化現(xiàn)象對液固射流泵的影響[11],在理想狀態(tài)下對液固射流泵進行數(shù)值計算.

1.5 網(wǎng)格劃分

在ICEM中對液固射流泵進行網(wǎng)格劃分.因射流泵內(nèi)部流動屬于高雷諾數(shù)的強剪切湍射流流動,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中適應性比較強的Tgrid混合網(wǎng)格來進行網(wǎng)格劃分,并且保證網(wǎng)格數(shù)滿足計算需要[12],網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

1.6 初始條件

液固射流泵由動力液入口、吸入液入口和混合液出口三部分組成,數(shù)值計算中選用的動力液為水,水為不可壓縮流體,固體介質(zhì)選用砂子,吸入液為采出液.將工作流體入口和吸入液入口均定義為速度入口,速度方向與入口疊面相垂直.射流泵出口定義為壓力出口,壓力大小根據(jù)泵深來確定[13].固壁上滿足無滑移條件.

2 喉嘴距對射流泵性能和流場的影響

2.1 液固射流泵性能方程

液固射流泵基本方程的表達式為h=f(q,m,ρ),其反映了液固射流泵邊界條件設置和主要部件對液固射流泵效率的影響,是設計、制造和使用液固射流泵的理論基礎[14].因此,液固射流泵的性能通常用一組無因次參數(shù)來表示[15],其定義如下:無量綱壓力比p為吸入液壓力增量與工作液減少壓力之比;無量綱質(zhì)量流量比q為吸入液質(zhì)量流量與工作液質(zhì)量流量之比;液固射流泵基本特性方程反映吸入端增加壓力與工作液減少壓力之比;射流泵的效率η為被吸混合液所得到的能量E2與工作液所提供的能量E1之比.

2.2 不同流量比下喉嘴距對液固射流泵性能影響

喉嘴距是噴嘴出口到喉管入口之間的距離,一般采用與噴嘴直徑d的倍數(shù)關系表示.為了研究不同喉嘴距、不同固相初始體積分數(shù)對液固射流泵性能的影響,固定射流泵其他尺寸不變,只改變射流泵喉嘴距為0.5d、1d、1.5d、2d和初始固相體積分數(shù)為10%、20%、30%,對液固射流泵進行數(shù)值計算.

2.2.1 液固射流泵壓力云圖

圖4為固相體積分數(shù)為30%時射流泵壓力云圖.

圖4 固相體積分數(shù)為30%時射流泵壓力云圖Fig.4 Jet pump pressure cloud map with a solid phase volume fraction of 30%

通過圖4進行數(shù)值計算,可以得到射流泵吸入口與次入口的壓力大小和質(zhì)量流量,分別比較在不同質(zhì)量流量比時液固射流泵的性能和效率,進而得出射流泵最優(yōu)喉嘴距.

2.2.2 固相初始體積分數(shù)為10%結(jié)果分析

在固相初始體積分數(shù)為10%時,通過不同喉嘴距的性能曲線(圖5)和效率曲線(圖6)可以看出:隨著質(zhì)量流量比的增大,射流泵的效率先增大后減少.0.5d喉嘴距在流量比為1.2時,液固射流泵的效率最高;1d喉嘴距在流量比為1.3時,射流泵的效率最高;1.5d喉嘴距在流量比為1.1時,射流泵的效率最高;2d喉嘴距在流量比為1.3時,射流泵的效率最高.并且當固相初始體積分數(shù)為10%,1倍喉嘴距的液固射流泵的效率值最大.

2.2.3 固相初始體積分數(shù)為20%結(jié)果分析

由圖7和圖8可知:當固相初始體積分數(shù)為20%時,不同喉嘴距的射流泵性能曲線隨流量比呈線性變化.0.5d喉嘴距在流量比為1.2時,液固射流泵的效率最高;1d喉嘴距在流量比為1.4時,液固射流泵的效率最高;1.5d喉嘴距在流量比為1.4時,射流泵的效率最高;2d喉嘴距在流量比為1.3時,射流泵的效果最高;并且在固相初始體積分數(shù)為20%時,1d喉嘴距的射流泵效率最高.

圖5 固相體積分數(shù)為10%的不同喉嘴距下射流泵的性能曲線Fig.5 Performance curve of jet pump with different throat volume of 10%solid phase volume fraction

圖6 固相體積分數(shù)為10%的不同喉嘴距下射流泵的效率曲線Fig.6 Efficiency curve of jet pump with different throat volume of 10%solid phase volume fraction

圖7 固相體積分數(shù)為20%的不同喉嘴距下射流泵的性能曲線Fig.7 Performance curve of jet pump with different throat volume of 20%solid phase volume fraction

圖8 固相體積分數(shù)為20%的不同喉嘴距下射流泵的效率曲線Fig.8 Efficiency curve of jet pump with different throat volume of 20%solid phase volume fraction

2.2.4 固相初始體積分數(shù)為30%結(jié)果分析

圖9 固相體積分數(shù)為30%的不同喉嘴距下射流泵的性能曲線Fig.9 Performance curve of jet pump with different throat volume of 30%solid phase volume fraction

圖10 固相體積分數(shù)為30%的不同喉嘴距下射流泵的效率曲線Fig.10 Efficiency curve of jet pump with different throat volume of 30%solid phase volume fraction

由圖9和圖10可知:當固相初始體積分數(shù)為30%時,不同喉嘴距的射流泵性能曲線差異明顯.0.5d喉嘴距在流量比為1.1時,射流泵的效率最高;1d喉嘴距在流量比為1.6時,射流泵的效率最高;1.5d喉嘴距在流量比為1.5時,射流泵的效率最高;2d喉嘴距在流量比為1.4時,射流泵的效率最高;并且在固相初始體積分數(shù)為30%時,1d喉嘴距的效率最高.

3 結(jié)果分析

通過上述分析可知,在不同固相初始體積分數(shù)時,液固射流泵的性能曲線和效率曲線各不相同,固相初始體積分數(shù)的變化對液固射流泵效率的影響比較顯著.隨著固相初始體積分數(shù)的增加,液固射流泵的壓力比逐漸減小,射流泵的性能曲線下降.說明隨著固相初始體積分數(shù)的增大,在一定流量比時,射流泵吸入端所需的壓力逐漸增大.通過比較不同喉嘴距下液固射流泵的效率曲線圖發(fā)現(xiàn),當固相初始體積分數(shù)不變時,在液固射流泵質(zhì)量流量比較小時,喉嘴距對射流泵效率的影響不明顯,隨著質(zhì)量流量比的增大,喉嘴距對液固射流泵效率的影響逐漸增強,說明在較大質(zhì)量流量比時,喉嘴距的變化對液固射流泵效率的影響比較顯著.

由液固射流泵的性能曲線圖可以看出,當喉嘴距不變時,隨著流量比的增大,液固射流泵的壓力比逐漸減少.通過液固射流泵的效率曲線圖可以看出,當流量比不變時,隨著喉嘴距的增大,液固射流泵的效率先增大后減小,液固射流泵效率最高時存在最佳喉嘴距.在不同喉嘴距的條件下,射流泵最佳流量比以及所對應的最高效率也各不相同,比較不同喉嘴距、不同固相初始體積分數(shù)下射流泵的效率曲線圖可以看出,1d喉嘴距的液固射流泵效率都最高,液固射流泵的最優(yōu)喉嘴距為(1d噴嘴直徑).

4 結(jié)論

通過對液固射流泵在不同喉嘴距、不同初始體積分數(shù)下的性能模擬和計算,分析比較不同流量下的性能曲線和效率曲線,得出如下結(jié)論:

(1)當喉嘴距不變時,隨著質(zhì)量流量比的增大,液固射流泵壓力比逐漸減少;當質(zhì)量流量比不變時,隨著喉嘴距的增大,液固射流泵的效率先增大后減小.

(2)當固相初始體積不變時,在質(zhì)量流量比較小時,喉嘴距的變化對液固射流泵效率影響不明顯,隨著質(zhì)量流量比的增大,喉嘴距對液固射流泵效率的影響增強.

(3)隨著固相初始體積分數(shù)的增加,液固射流泵的性能曲線下降.

(4)在液固射流泵面積比為8,不同固相初始體積分數(shù)時,喉嘴距為1倍噴嘴直徑時,液固射流泵的效率最高,最優(yōu)喉嘴距為1倍噴嘴直徑.