适用于返排液射流泵的取样器设计及有限元分析

耿敏涛 柳 愿

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

0 引言

目前油田试油时取样普遍采用的方法是通过钢丝绳作业把取样器放入井筒取样，这种方法增加了一道工序，从而增加了作业费用和作业时间[1]。还有一种不需要通过单独作业即可取样的取样器，是2015年4月中国石油集团渤海钻探工程有限公司已获国家授权的“射流泵取样器”（专利号：201510173864.4）[2]。其主要结构由单向阀、取样仓和开关滑套组成，通过开关滑套的上下滑动实现地层液体和取样仓的通断，而开关滑套的开启压力较大（3.1MPa），会降低射流泵的泵效，因此需有进一步的改进与优化。

在上述调查与研究的基础上，一种新型的适用于返排液射流泵的取样器设计思路被提出。这种取样器结构简单、安装方便，且与射流泵泵芯连接，不需要单独进行取样工序，不会影响泵效，能准确获取地层流体样品。目前，该装置已申请一项实用新型专利并获国家授权。这种名为“一种适用于返排液射流泵的取样器”（专利号：201620022665.7）目前正进行室内试验与数据分析，后期将会在部分油田进行现场试验与应用。

1 基于射流泵泵芯返出地面的取样器设计

1.1 结构

井下取样器一般分为两大类：第一类是气体取样器；第二类是液体取样器。所取的样本不同，取样器的结构也有所不同。笔者设计的取样器属于井下液体取样器，是油田试油排液用射流泵的配套设备，其结构如图1所示。

图1 射流泵取样器结构示意图

1.2 工作原理

射流泵取样器工作时，将取样器安装在射流泵泵芯的下端，随泵芯一起投入井筒，靠重力自由下落或泵送入位，当下落到泵筒内的预定工作位置时对泵芯进行锁定，下单向阀3设定的开启压力为0.2～0.5MPa，由于井底压力高于单向阀开启压力，上单向阀1和下单向阀3都会自动打开，地层流体通过转换接头4上的孔道流向下单向阀3的进口，钢球被推开，弹簧压缩，流体进入取样筒2再进入射流泵，射流泵工作前和工作时，取样筒和泵芯内部连通，射流泵停止工作后两个单向阀同时自动关闭，通过下入泵芯解锁工具进行解锁，从油套环形空间注入动力液使取样器随同泵芯返出地面，卸掉压力计5和转换接头4，从取样器下端顶起钢球即可放出液体样品。

1.3 性能特点

① 主要由两个单向阀、取样筒和转换接头组成，结构和原理都比较简单，易于加工，成本较低；② 取样准确，由于该取样器安装在射流泵的下端，只有地层流体通过该取样器，所以取到的样品是纯地层流体；③ 开启压力小，对泵效的影响小；④ 利用射流泵泵芯返排地面完成取样，减少施工工序和成本。

2 部分结构的有限元分析

2.1 取样筒有限元分析

取样筒作为取样器的承载元件，在井下压裂过程中承受内外高压，支撑取样器。现将Solidworks中建成的取样筒的三维实体另存为igs格式，添加到workbench的静力学分析中，然后进行有限元分析。

有限元分析时网格划分采用六面体网格（Hex Dominant）划分方法，划分后的模型如图2所示。按实际工作情况，取样筒的两端采用固定约束，筒外施加压力20MPa。分析后的云图分别如图3、图4、图5所示。已知取样筒的材料初步设定为Q235碳为235 MPa，最大应力为176.84MPa，因此满足工况要求。

图2 取样筒网格划分图

图3 取样筒变形图

图4 取样筒应变云图

图5 取样筒应力云图

图6 钢球网格划分图

图7 钢球变形图

图8 钢球应变云图

图9 钢球应力云图

2.2 钢球有限元分析

有限元分析时对钢球施加0.5MPa压力。网格划分后的模型如图6所示。分析后的云图分别如图7、图8、图9所示。初步确定钢球的材料采用GCr15钢，其屈服强度为518.42MPa，其性能满足工况的要求。

3 结论

提出的新型的可随射流泵泵芯返出地面的取样器设计方案，不仅减少了作业工序和成本，还克服了“射流泵取样器”设计中出现的取样器开启压力高、取样时影响泵效、取样不准确等一系列问题。目前，该适用于返排液射流泵的取样器已申请实用新型专利，后期将会对其进行进一步的优化并在部分油田进行现场试验和应用。

[1]石艳.反排式射流泵排液技术在油田测井中的应用[J].科技资讯，2011（16）：115.

[2]刘士旺，朱宝峰，雷明，等.射流泵取样器：201510173864.4[P].2015-09.