付俊宏，于繼林，王 寶

（1.長慶油田分公司物資供應(yīng)處，陜西西安 710018；2.渤海裝備鉆采裝備銷售公司，天津 300280）

0 引言

潛油電泵的應(yīng)用為快速開采石油提供了一個有效途徑，但由于氣體影響使?jié)撚碗姳玫膽?yīng)用受到限制。石油是一種復(fù)雜的碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮诰赂邷?、高壓狀態(tài)下，以油、氣、水三相混合的狀態(tài)存在。當(dāng)受到其他因素影響使環(huán)境壓力低于泡點壓力時，氣體就從原油中游離出來，以游離氣體的方式存在。

為解決現(xiàn)有潛油電泵油氣分離器分離效果差，使用范圍小，氣蝕和氣鎖泵嚴(yán)重，揚程和壓力損失大的問題，需要研制具有高攜氣能力的潛油電泵氣體處理器。避免發(fā)生氣蝕和氣鎖，保證泵高效運行，延長泵的使用壽命，并盡可能利用氣體，提高潛油電泵采油能力，擴大潛油電泵應(yīng)用范圍。

1 技術(shù)研究方法及原理

應(yīng)用環(huán)境決定了Sop-PGP 系列氣體處理器具有類似潛油泵的外形；它的處理對象性質(zhì)決定了它的具體結(jié)構(gòu)；與油氣分離器完全相反的設(shè)計理念使它成為一種新的泵類產(chǎn)品。

井液中氣體的逸出是因環(huán)境發(fā)生變化，當(dāng)壓力低于同溫時的泡點壓力，氣體就會逸出。潛油泵運轉(zhuǎn)時，井液壓力沿著泵入口到葉輪入口而下降，在葉片入口井液壓力最低。此后由于葉輪對液體做功，液體壓力很快上升。當(dāng)葉輪葉片入口附近的壓力低于泡點壓力時，溶解在井液中的氣體逸出，形成許多氣泡，氣化的區(qū)域阻礙了液體流動，限制了泵的排量。當(dāng)氣泡隨液體流到流道內(nèi)壓力較高處時，由于此時壓力高于泡點壓力，氣泡急劇凝結(jié)消失。因氣泡的消失產(chǎn)生局部真空，周圍液體就以極高速度沖向氣泡中心，瞬間產(chǎn)生極大的局部沖擊力，局部溫度驟升，造成葉輪氣蝕，并且使泵產(chǎn)生振動，發(fā)出噪聲。

潛油泵發(fā)生氣蝕時，葉輪內(nèi)井液的能量交換受到干擾、破壞，表現(xiàn)為流量—揚程曲線、流量—功率曲線、流量—效率曲線下降。潛油泵最易發(fā)生氣蝕的部位:①第一級葉輪；②葉輪曲率最大的前蓋板處，靠近葉片進(jìn)口邊緣的低壓側(cè)（從旋轉(zhuǎn)方向看）；③導(dǎo)輪的靠近進(jìn)口邊緣低壓側(cè)。

解決潛油泵氣蝕產(chǎn)生的關(guān)鍵是提高葉輪的攜氣能力，氣體處理器的葉導(dǎo)輪采用軸流式設(shè)計，有較好的攜氣能力。當(dāng)井液進(jìn)入葉輪，沒有離心力的作用，液體和氣體不會分離，液體將氣體包裹起來。因葉輪的軸向舉升而向上運動，葉輪的軸面流線采用變徑形式，由入口到出口逐漸收縮，流經(jīng)的氣液受到壓縮，使部分游離出的氣體重新溶入井液，通過導(dǎo)輪整流進(jìn)入下一級葉輪。通過氣體處理器多級葉導(dǎo)輪的遞送，井液中的氣體含量逐漸減少，進(jìn)入潛油泵的井液含氣量更少且壓力高于泡點壓力，避免了氣蝕或氣鎖的發(fā)生。當(dāng)井液通過潛油泵加壓，進(jìn)入油管時，在流動過程中，壓力逐漸減小，當(dāng)?shù)陀谂蔹c壓力時，大量氣泡逸出，起到氣舉作用，加快井液舉升。

2 解決的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

2.1 葉導(dǎo)輪材料的選擇

氣體處理器安裝在潛油電泵下面，井液經(jīng)過氣體處理器后進(jìn)入潛油泵。井液成分復(fù)雜，通常具有腐蝕性，因此葉導(dǎo)輪的材料應(yīng)當(dāng)具有耐腐蝕性，這樣才能保證氣體處理器的水力性能及使用壽命。此外，井液中通常含有顆粒狀物，不可避免會磨蝕葉導(dǎo)輪；在正常運轉(zhuǎn)下，葉輪始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，導(dǎo)輪與軸套之間也處于高速摩擦。葉輪、導(dǎo)輪及與之配合的各零件之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須保證變化極小，才能保證泵的正常運轉(zhuǎn)，這對葉導(dǎo)輪的材料又提出了另一要求，即要有高的強度、硬度、沖擊韌性及低的熱鼓脹性。

通過比較發(fā)現(xiàn)，用高鎳鑄鐵作為葉導(dǎo)輪的材料是最佳選擇。高鎳鑄鐵的主要成分是無磁性的奧氏體鐵，不僅具有高的強度及硬度，而且其沖擊韌性及熱鼓脹性都很好。此外，高鎳鑄鐵與普通鑄鐵相比，在相同的硬度、強度和組織時更易于加工。

2.2 設(shè)計反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母

在氣體處理器軸的上端設(shè)計反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母，對葉輪及軸進(jìn)行鎖緊固定。采用反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母，在葉輪旋轉(zhuǎn)時，可以防止鎖緊螺母松動。

2.3 設(shè)計環(huán)槽采用兩半環(huán)結(jié)構(gòu)承重

在設(shè)計氣體處理器軸的下端設(shè)計承重環(huán)槽，采用兩半環(huán)結(jié)構(gòu)，用以承擔(dān)葉輪軸向力及軸自重，保證多級葉輪在軸上的固定。

2.4 葉導(dǎo)輪設(shè)計

葉導(dǎo)輪的設(shè)計是氣體處理器設(shè)計的關(guān)鍵。氣體處理器葉導(dǎo)輪葉片的曲線形狀，要保證葉輪中井液的流向是在以軸線為中心的柱面方向，徑向分速度為零。為實現(xiàn)氣體溶入液體，葉輪輪轂柱面采用曲線變徑的形式。由入口到出口逐漸收縮，使氣液混合的井液進(jìn)入葉輪后，獲得一定的速度沿軸向旋轉(zhuǎn)的同時被壓縮，使部分游離出的氣體重新混入井液中。根據(jù)輸出功率、流量及轉(zhuǎn)速，應(yīng)用計算流體動力學(xué)（CFD）軟件研究葉片內(nèi)特性——紊流流場對葉片水力性能的影響，定出葉片的參數(shù)并計算水力效率。

2.5 導(dǎo)輪壓緊量的計算

氣體處理器的葉導(dǎo)輪采用多級串連方式，以及整體壓緊式結(jié)構(gòu)，即通過對葉輪輪轂的擠壓，使葉輪相對軸的位置固定。葉輪、軸及相應(yīng)的配合部分成為一個整體——轉(zhuǎn)動部，葉輪所受軸向力將通過軸傳遞出去，而不是通過葉輪與導(dǎo)輪的接觸傳遞給導(dǎo)輪；導(dǎo)輪、殼體及接頭等也通過擠壓成為另一個整體——固定部；每一級葉輪與導(dǎo)輪之間的間隙保持相同，在氣體處理器正常運轉(zhuǎn)時，葉輪與導(dǎo)輪不接觸。這種結(jié)構(gòu)可以使葉導(dǎo)輪在井液沖擊下不易存砂，減少葉輪、導(dǎo)輪間磨損。但由于擠壓，葉導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)將發(fā)生變化，合理設(shè)計葉導(dǎo)輪相關(guān)參數(shù)及壓縮量成為實現(xiàn)氣體處理器壓緊式結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

通過結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，將轉(zhuǎn)動部相對于固定部每級軸向尺寸減少0.08 mm，與單級導(dǎo)輪壓縮量相同。這樣轉(zhuǎn)動部壓緊和固定部壓緊的軸向減少量相同，在保證壓緊的同時，使每一級葉輪與導(dǎo)輪間隙相同。

2.6 氣體處理器最大排量的計算

氣體處理器的最大排量直接影響使用范圍，最大排量取決于泵的轉(zhuǎn)速、葉輪直徑和輪轂直徑。受潛油電泵和油井尺寸限制，泵的轉(zhuǎn)速、葉輪的直徑基本固定；縮小輪轂的尺寸，可以加大過流面積，減小水力摩擦損失；但是，輪轂過小會增加葉片的扭曲，容易造成葉輪進(jìn)、出口處的二次回流，使泵效下降，高效區(qū)變窄。同時，輪轂過小直接降低葉輪強度。計算出系列氣體處理器最大排量為1200 m3/d。

2.7 防砂氣體處理器設(shè)計

當(dāng)井液中的含砂量較大時，砂粒對處理器的性能將產(chǎn)生極大影響。砂粒的沖擊會造成處理器的嚴(yán)重磨損，葉片磨損會直接改變處理器的水力性能；當(dāng)軸套與導(dǎo)輪輪轂的配合處被磨損后，轉(zhuǎn)動部（主要包括軸、葉輪、軸套等）的扶正被破壞，動平衡也被破壞，處理器的整體性能將直線下滑，處理器使用壽命會嚴(yán)重縮短。如果能夠保證扶正不被破壞，氣體處理器的運轉(zhuǎn)就會很平穩(wěn)，砂粒對氣體處理器的影響就會下降。因此在普通氣體處理器基礎(chǔ)上，改變導(dǎo)輪輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加硬質(zhì)合金扶正，使氣體處理器在含砂工況下也能正常運轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

Sop-PGP 氣體處理器的應(yīng)用，可以減少氣體對泵性能的影響，保證泵高效運行，增加泵的壽命。通過增加壓力差提高油產(chǎn)量，使油井更經(jīng)濟，也增加了油田區(qū)塊可開采儲量，延長了油田經(jīng)濟壽命。

Sop-PGP 氣體處理器的應(yīng)用必將擴大潛油電泵應(yīng)用范圍，以往因含氣量高而無法采用潛油電泵進(jìn)行開采的油井，應(yīng)用高攜氣潛油電泵機組使電泵采油變?yōu)榭赡堋碛袧撚碗姳脷怏w處理器，將豐富產(chǎn)品種類，擴大產(chǎn)品應(yīng)用范圍，提高公司市場競爭力。