井下自力式强制涡流排水采气装置设计

席鹏超，秦 亮，王 卓

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

涡流排水采气是迎合低压低产气井复产增产需求的工艺技术。该项技术2011年引入国内，在各大气田投用，取得一定的效果，但并不是很理想，主要原因在于:流体流经井下涡流工具时，流动参数受工具结构参数与特征的影响；流过该工具后，流动参数受管段摩阻和流体自重等因素影响。

常规涡流工具的研究热点主要体现在排液机理[1-2]、性能与结构优化[3-6]、技术界限[7-8]等方面，随着涡流理论在排水采气领域的应用逐渐深入，射流涡流[9]、旋流雾化[10]、满眼涡流[11]等新型排水采气方案相继问世，进一步为气井复产增产带来借鉴意义。然而，此类工具旋流体运动行为对排水采气效果具有何种影响。目前，此方面的研究报道相对缺乏。

从排水采气工具设计角度入手，基于气井工况、涡流理论以及机械工程学科相关知识，笔者采用NX 8.0软件设计了一种井下自力式强制涡流排水采气装置，简要阐述其设计思路与要点，重点阐述其结构组成、工艺原理和创新点等。

1 设计思路

在常规涡流工具中，旋流体是实现流体气液分离与运移的静止部件，在整个工具中占据极为重要的作用。笔者转变思路，为研究旋流体转动时对排水采气效果的影响，基于气井工况，设计此装置。

气井工况参数见表1所示。

2 设计要点

基于前人的设计经验和当下设计思路，此装置应满足以下设计要点:1）体现井内流体自力式运动行为[12]；2） 工作条件易满足；3） 减小流过此装置的压降损失[13]。

3 结构组成

此装置结构组成见图1所示。

由图1可知:此装置包括弹簧、销钉、定子、弹性体、转子、行星齿轮、橡胶环、中心管、外机架、转臂、推力球轴承、旋流体等组成。弹簧与弹性体通过销钉连接。装置工作前，销钉孔a和销钉孔b同心，且被插装入销钉，限制弹性体沿中心管外壁移动。弹簧约束弹性体的两臂，使其向转子轴线弯曲靠拢。定子和中心管均处于弹性体内部，二者通过螺纹连接。定子具有中心孔和叶片特征，内部插装具有叶片、内环槽和内齿轮特征的转子。行星轮下端插入转子内环槽，与转子内齿轮啮合，上端插装入转臂下端盲孔。弹性体与橡胶环均被套装于中心管外壁，橡胶环位于弹性体之上，外机架之下。外机架具有台阶孔和中心孔特征，可过盈装配推力球轴承和插装旋流体，旋流体螺纹连接转臂，可获得来自转臂的动力。图2所示为此装置部件实体模型，图3是此装置实体装配模型。

1-弹簧；2-销钉；3-定子；4-弹性体；5-转子；6-行星轮；7-中心管；8-橡胶环；9-外机架；10-转臂；11-推力球轴承；12-旋流体；a-销钉孔；b-销钉孔。

图2 部件实体模型

4 工艺原理

此装置的工艺原理主要包括投送过程、工作原理以及打捞过程等，图4是其投捞工艺简图，图5是投捞工具串连接及装置坐落关系简图。

图3井下自力式强制涡流排水采气装置实体模型

图4 投捞工艺简图

图5 投捞工具串连接及装置坐落关系简图

1）投送过程。钢丝绞车、地滑轮、天滑轮以及井下投送工具串投送其接近预定位置，突然上提钢丝绳，与弹性体连接的弹簧松脱，弹性体贴住油管内壁。工具串的震击器对装置产生轴向激振力，导致工具串与装置共同沿油管轴线下行，直至弹性体到达接箍继续恢复变形，阻止整体下行趋势。接箍给予弹性体的反力促使约束弹性体移动的销钉被剪断，弹性体和橡胶环沿中心管外壁上行。当橡胶环上行至外机架下端锥面时，受到轴向压缩力，产生径向变形，进而封堵装置与油管之间的环形间隙，至此，投送过程结束。此过程中，装置部件运动行为示意图见图6所示。

2）工作原理。井内流体流入此装置，对转子叶片产生力的作用，当流过定子与转子叶片之间的压差满足转子工作条件时，转子开始转动，转子内齿轮向行星齿轮传递传动比为0.4的运动，转臂和旋流体获得比转子更高的转速。

图6 部件运动行为示意图（投送过程）

3）打捞过程。当此装置无法满足气井增产要求且有必要取出井筒时，投捞工具串下部的捕捉器抓紧装置旋流体上的打捞头，绞车上提钢丝绳，橡胶环首先恢复变形，且滑动至初始位置，装置与油管环形间隙被打开，其次，弹性体沿油管轴线滑动至初始位置，销钉孔a与销钉孔b再一次同心，装置坐卡状态被解除。至此，装置解封解卡过程结束，绞车持续上提钢丝绳，装置被上提出井口，打捞过程完成。此过程中，装置部件运动行为示意图见图7所示。

图7 部件运动行为示意图（打捞过程）

5 创新点

同现有成果比较可知[14-15]，此装置有以下优势:

1）推力球轴承可承载装置投放时的轴向激振力和减小工作时的转动摩阻；

2）旋流体与转臂的结构设计，减轻了转子的承重重量及其与定子接触面的摩擦转矩，装置工作条件较容易满足；

3）齿轮传动部分采用行星传动方案，减小了转子径向尺寸和装置内部流体加速度压降。

6 结论

此装置可为低压低产气井涡流排水采气工具设计提供一定的借鉴。