高效抽油泵凡尔阻力实验研究

韩洪升,王立陈,陈鸿鹍,任师华,杨 杰

(1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室,黑龙江大庆163318;2.中国石油长庆油田公司第一采油厂;3.中国石油大庆油田建设集团油建公司;4.天津大学管理与经济学部工程管理系)

高效抽油泵凡尔阻力实验研究

韩洪升1,王立陈1,陈鸿鹍2,任师华3,杨 杰4

(1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室,黑龙江大庆163318;2.中国石油长庆油田公司第一采油厂;3.中国石油大庆油田建设集团油建公司;4.天津大学管理与经济学部工程管理系)

为了研究高效抽油泵中流体介质通过其凡尔的压降规律,利用室内实验装置,测量用不同浓度聚合物溶液配制成的粘度不同的实验介质在竖直条件下通过抽油泵的固定凡尔和游动凡尔时的压降,从而对相同条件下同一种泵的不同凡尔阻力、不同泵同一种凡尔阻力以及同一凡尔不同粘度下的阻力进行对比。结果表明,流体介质通过高效泵新型固定凡尔时所产生的压降要小于相同条件下的普通泵固定凡尔,而通过游动凡尔时则相反。同时根据实验数据结果拟合出局部阻力经验公式,并对其进行了验证。

高效抽油泵;凡尔阻力;压降;阻力系数;实验

目前,国内外油田普遍采用有杆抽油泵采油。据统计,全球范围内有杆抽油泵井几十万口,我国石油行业使用有杆抽油泵的油井在十五万口以上[1]。国内大部分油田进入开发后期,面临着油层出砂、高含水、高气油比、强腐蚀性等问题,而普通抽油泵在这些井上工作时处于低效生产状态,因此为了更好地满足油田生产的需要,许多厂家及油田都在研制新型高效抽油泵,主要是对其结构进行了一些改动。本实验所采用的抽油泵是现场工作人员经过不断探索并成功研制的一种新型高效泵,与其同系列的普通泵相比,其固定凡尔球采用陶瓷球,游动凡尔上装有环形阀总成。针对这种新型高效泵,工作人员已经做了大量研究,但对于其凡尔阻力的实验研究却鲜见文章。本文通过室内实验装置,测量用不同粘度的实验介质在不同流量下通过凡尔所产生的压降,从而得出新型高效泵凡尔的压降变化规律及与普通泵凡尔的对比关系,并以此为基础,为现场不同工况下抽油泵的选取提供参考。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

为了模仿现场抽油泵工作情况,实验介质从下至上依次通过固定凡尔和游动凡尔,我们设计了以下室内实验装置,如图1所示。

图1 实验装置流程

实验采用泵径为38mm抽油泵,其中,游动凡尔为下游动凡尔(因为同一种泵上下游动凡尔及其底座的结构是相同的,因此选用其中的一个凡尔即下游动凡尔进行实验),流量计为电磁流量计,差压计为双波纹管差压计,测量范围0～60kPa间任选。

1.2 实验方法

储液罐中的聚合物溶液被螺杆泵吸入,并经过螺杆泵增压后,以一定的压力和流量从下向上依次通过泵的固定凡尔,游动凡尔,在每个凡尔上下两端连接的差压计,会及时反映聚合物溶液通过凡尔过程中压力的变化,从而得出该流量条件下聚合物溶液通过各凡尔产生的压降,流量的大小可通过电磁流量计进行监测,流量的改变通过电机变频器进行调节,最后聚合物溶液通过管路回流到储液罐。

2 实验结果与讨论

实验基于ΔP=f(Q,μ结构系数)[2]函数关系,目的是通过研究流体粘度、流量和结构性系数对凡尔阻力的影响,来对流体通过高效泵与普通泵的固定凡尔、游动凡尔所产生的压降进行对比。这里结构性系数与泵阀各局部尺寸和表面粗糙度有关,但对于某一固定的泵阀结构而言,结构性系数为一定值,本实验用的两种泵的固定泵阀结构是相同的,但游动泵阀略有差异,见图2、图3。

图2 高效泵新型游动凡尔罩

图3 两种泵的 固定凡尔罩

2.1 相同粘度条件下,不同凡尔的压降与流量关系

实验中,实验介质分别用粘度为 3、10、20、30 mPa·s的聚合物溶液。实验结果见图4～图7。

图4 粘度为3 mPa·s各种凡尔的压降与流量关系

图5 粘度为10 mPa·s各种凡尔的压降与流量关系

图6 粘度为20 mPa·s各种凡尔的压降与流量关系

图7 粘度为30 mPa·s各种凡尔的压降与流量关系

从图中可以看出,在相同条件下,新型固定凡尔的压降小于普通固定凡尔压降;新型游动凡尔压降大于普通游动凡尔压降;对于同一种泵,在相同条件下,游动凡尔的压降要大于固定凡尔的压降。

抽油泵的固定阀由阀座、阀球以及凡尔罩三部分组成,而固定阀阀球对原油进入泵筒的流压影响主要表在两个阶段,一是在阀球开关瞬间,阀球的自重直接影响着开启压差;二是在阀球处于开启状态,原油经固定阀球进入泵筒期间,阀球的外形尺寸及重量影响着油流的压力降。这就意味着固定阀采用密度较大的阀球时,进泵筒的油流就必须产生相对更大的压力降,才能使油流连续不断地进入抽油泵泵筒。本实验所用的普通固定凡尔阀组和新型固定凡尔阀组的结构尺寸一致,不同的是前者的凡尔球为钢球,后者为陶瓷球,因陶瓷球的密度小于钢球密度,所以由以上分析得知,在相同条件下,聚合物溶液分别通过钢球固定凡尔与陶瓷球固定凡尔时所产生的压降,前者要大于后者;在设计高效泵时,为了提高泵效,对凡尔罩进行了改造,特别是在游动凡尔罩的顶部增加了环形装置,从而减小了气体影响,防止气锁、改善抽油杆受力状况,大大提高了泵效,但从阻力实验结果来看,这种阀改变了聚合物溶液的流道方向,并减小了流道的截面积,与普通游动凡尔相比,无疑增加了聚合物溶液通过游动凡尔时的阻力损耗;由于聚合物溶液通过固定凡尔阀组时的孔道截面积要大于游动凡尔的孔道面积,所以尽管聚合物溶液克服固定凡尔的重力所产生的压降大于克服游动凡尔的重力所产生的压降,但这远远不能平衡孔道截面积缩小所带来的压力损失。

2.2 不同粘度条件下,同一凡尔的压降与流量关系

实验结果见图8～图11。

由图中可以看出,相同条件下,随着粘度的增大,凡尔压降也随之增大。

图8 不同粘度下,新型固定凡尔压降与流量关系

图9 不同粘度下,新型游动凡尔压降与流量关

图10 不同粘度下,普通固定凡尔压降与流量关系

图11 不同粘度下,普通游动凡尔压降与流量关系

实验所用的普通型固定凡尔、游动凡尔和高效泵新型固定凡尔、游动凡尔的孔球比均小于1.5,根据抽油泵泵阀流体阻力试验[2],在孔球比小于1.5时,阻力主要来源于流速和粘度,其阻力对粘度和流速反应敏感,呈现软特性。局部阻力损失公式、流量公式以及雷诺数公式如下:

式中:ΔP——压降 ,m;ζ——局部阻力系数;v——流速,m/s;h——局部水头损失,m;g——9.8m2/s;Q——流量 ,m3/s;Re——雷诺数;ρ——kg/m3;D ——内径 ,m;μ——粘度 ,Pa·s。

由以上公式可知,对于同一凡尔在一定粘度下,局部阻力压降随着流速增加而增加;关于阀门的局部阻力系数,在一般的化工原理教材或是化工设计手册中,通常只能查到一个定值,而阀门的局部阻力系数严格地讲与Re密切相关[3],阻力系数ζ随着雷诺数Re的减小而增大,而雷诺数Re是随着粘度的增大而减小,即阻力系数ζ随着粘度的增大而增大,根据实验的数据绘制的图像体现了这一规律。

2.3 凡尔局部阻力关系式及其验证

利用以上实验数据结果,可以得出阻力系数与雷诺数的关系曲线图(如图12),并拟合出局部阻力系数与雷诺数之间的经验公式(表1)。

图12 各凡尔阻力系数与雷诺数关系曲线

表1 凡尔局部阻力关系公式

为了检验拟合出来的经验公式是否具有实际意义,用粘度为5mPa·s的聚合物溶液进行验证,并将实验得出的数据与由拟合公式得出的数据进行对比,如图13、14所示:

图13 高效泵新型凡尔阻力系数与雷诺数关系理论值与实测值对比关系

图14 普通泵凡尔阻力系数与雷诺数关系理论值与实测值对比关系

通过比较可知,由拟合公式得出的数据图像与通过实验得出的数据图像关联度较高,说明拟合的经验公式接近实际。

3 结论

根据现场的要求,对研制的高效抽油泵的新型凡尔压降变化规律进行了室内模拟实验,并由实验数据结果得出新型凡尔与普通凡尔压降的对比关系,同时拟合出关于凡尔局部阻力系数与雷诺数的经验公式,从而对现场高效抽油泵的选取与应用提供参考。

在相同流量、粘度条件下,新型游动凡尔压降大于普通游动凡尔的压降,而新型泵固定凡尔的压降小于普通固定凡尔的压降;对于同一种泵,游动凡尔的压降大于固定凡尔的压降。

[1] 闫学峰,檀朝东,周晓东.国内油田抽油泵应用工况及失效形式综述[J].中国石油与化工,2008,18:48-51.

[2] 姚建设.抽油泵泵阀的流体阻力试验[J].石油机械,1993,21(3):21-25.

[3] 吴大伟,张成林.球阀摩擦阻力系数的研究[J].机械、装备与设计,2006,9(5):35-37.

编辑:李金华

TE833

A

2010-09-09

韩洪升,教授,1950年生,1981年获大庆石油学院硕士学位,现主要研究方向为多相流体力学和非牛顿流体流变学。

1673-8217(2011)01-0125-03