中排气式防气抽油泵防气性能数值模拟研究

韩国有，陈魏建，宋玉杰，韩道权，叶卫东

(东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

目前国内许多油田都进入高含气开采阶段，而且部分油田为了提高采收率应用了CO2等气驱技术，这大大增加了油层气体的含量，严重时会发生气锁现象[1-2]。我国油田所使用的抽油泵大部分是柱塞式抽油泵,由于普通的柱塞式抽油泵结构简单，不适应气液两相共存的流场环境，气体的存在会造成游动阀和固定阀开启延迟，而防气抽油泵则可以避免这种问题的出现[3-5]。

本文对一种新型的中排气式防气抽油泵进行了仿真模拟研究，该种防气抽油泵的泵筒开有几个与套管相通的通孔，通孔的位置要保证在整个冲程范围内油管不能与套管连通[6]，因此在进行结构设计时，中排气式防气抽油泵柱塞的长度应该和冲程一样，或者差别不大。此通孔的主要作用就是在油液中的含气率较高的情况下排出泵筒内的气体和吸入套管中的液体。

1 模型的建立

1.1 几何模型的建立

图1(a)为对中排气式防气抽油泵进行简化后的三维模型，图1(b)为流体数值模拟计算模型。与实际的模型相比，通过设置边界条件模拟游动阀和固定阀的启闭；本文主要研究泵筒内部流场的运动规律，为此忽略了抽油泵柱塞与泵筒之间的间隙。

图1 中排气式防气抽油泵模型图

1.2 物理模型的选择

由于本文涉及气液两相流，因此首先选择多相流模型。多相流模型包含VOF模型、混合模型和欧拉模型。本文采用的是VOF模型，VOF模型是建立在固定的欧拉网格下的一种模型，其利用了表面跟踪方法，适合于求解分层和追踪自由表面的问题[7-8]，VOF模型的特点是将运动界面在空间网格内定义成一种流体体积函数。

1.3 基本方程

1)体积分数方程。

(1)

2)动量方程。

(2)

式中：ρ为流体密度；ν为流体速度；P为流体压力；μ为流体动力黏度；g为重力加速度；F为系统外力。

通过求解整个区域内单一的动量方程，得到的速度场由各相共享。该动量方程取决于通过所有相的体积分数。

3)能量方程。

(3)

式中：E为总能量；keff为有效热导率；T为系统温度；Sh为包括来自辐射以及任何其它体积的热源。

1.4 初始条件的设置

柱塞处于上死点位置，设置泵筒内初始压力为8 MPa，初始含气量为95%，设置抽油泵冲次为6次/min，防冲距为0.6 m，冲程为1.8 m。

1.5 边界条件的设置

当固定阀关闭时把固定阀所处的平面设置为壁面wall，当固定阀开启时设置为压力入口pressure-inlet,入口压力为2 MPa。当游动阀关闭时，把游动阀所处的平面设置为壁面wall，当游动阀开启时，设置为接触表面interface。把模型上表面设置为压力出口pressure-outlet ，出口压力为8 MPa。

2 仿真模拟结果分析

2.1 柱塞从上死点到中排孔关闭过程分析

图2为中排气式防气抽油泵运行过程中含气率云图，由图可知，随着柱塞的移动泵筒内部压力的分布及变化。图3是中排气式防气抽油泵泵筒内压力随时间变化的曲线，从曲线图中可以看到，当柱塞处于上死点位置时，泵筒内压力为2 MPa。当柱塞向下移动至中排孔位置过程中，由于中排孔将泵筒与套筒连通，所以虽然柱塞在下移，但泵筒内的压力一直维持在2 MPa。

图2 中排气式防气抽油泵运行过程中含气率云图

图3 中排气式防气抽油泵泵筒内压力变化曲线

图4为中排气式防气抽油泵泵筒内含气率随时间的变化曲线，由图可知，初始时刻泵筒内含气率为95%，随着柱塞的下移含气率会下降，而且经过几个周期过后，泵筒内的总体含气率是在逐渐降低的。图5为中排孔排出介质的含气率随时间变化曲线图，由图可知，从中排孔排出的介质主要是气相介质，因此泵筒内含气率下降。

图4 中排气式防气抽油泵泵筒内含气率变化曲线

图5 中排气式防气抽油泵中排孔含气率变化曲线

2.2 柱塞从中排孔关闭到下死点过程分析

当柱塞继续下行至把中排孔堵住时，泵筒内压力还未到达游动阀开启压力，随着柱塞的继续下行至下死点，在此过程中抽油泵泵筒内的压力升高，含气率下降，如图2中时间为2.5 s时的状态。由于泵筒内含气率过大，当柱塞下行到下死点时，泵筒内压力未达到游动阀开启压力8 MPa，所以在第一个冲程内游动阀未能开启。从图3可以看到，在前4个周期抽油泵泵筒内的压力都未达到游动阀开启压力，直到第五个周期时，泵筒内压力达到了游动阀开启压力，游动阀才得以开启。从图4可以看到，随着柱塞从中排孔开始关闭的位置到下死点，泵筒内气体体积压缩，泵筒内含气率降低。

2.3 柱塞从下死点到中排孔开启过程分析

当柱塞处于上冲程并处于中排孔开启之前，压力逐渐降低，含气率逐渐增大，如图2中时间为7.5 s时的状态。 由图3可知，从下死点位置开始，随着柱塞向上运动，由于泵筒内的压力始终未降低到固定阀开启压力2 MPa，所以在此期间固定阀和游动阀均处于关闭状态。两个周期后，压力降低到了到固定阀开启压力，固定阀打开并吸入井下介质。但此时从固定阀吸入的介质非常少，如图6吸入和排出质量流量变化曲线所示，第八个周期后固定阀才会有稳定的质量流量。

图6 吸入和排出质量流量变化曲线

从图4可知，柱塞处于上冲程，泵筒内的容积逐渐增大，泵筒内含气率升高。在经历2个周期后，泵筒内总体含气率有所下降。

2.4 柱塞从中排孔打开到上死点过程分析

当抽油泵柱塞上移至中排孔开启并继续上升到上死点，此过程中泵筒与套管连通，泵筒内压力与套管内压力相等，如图2中时间为10 s时的状态。由图3可知，在前两个周期由于固定阀未开启，当柱塞上行至中排孔开启后，泵筒与套管相通，所以在图中可以明显看出有压力突降的过程。随着柱塞继续上移，井下介质会从中排孔吸入至泵筒内。从第三个周期开始，在柱塞上行至中排孔开启之前固定阀已经开启，所以不会有像前两个周期那样压力突降的过程。

如图4所示，由于从井下吸入的介质含气率为95%，较泵筒内介质的含气率高，因此这个阶段泵筒内介质含气率会继续升高。图7中的数值为正代表井下介质流进泵筒内，数值为负代表泵筒内的介质流出泵筒，由图可知，通过中排孔的质量流量流入的远大于流出的。

图7 中排孔质量流量变化曲线

结合图6和图8可以知道，虽然在前两个周期内固定阀未开启，但泵筒内的液相质量还是在增加，这就证明了中排孔起到了吸入介质的作用。结合图6和图7可以看出，两个周期过后，上冲程固定阀开启，但是当柱塞处于上行程并到超过排孔位置后，吸入口的流量会降为零，说明固定阀在此后关闭，泵筒内的介质主要通过中排孔吸入。

图8 泵筒内液相质量变化曲线

3 结论

本文通过对中排气式防气抽油泵防气性能的模拟可以得出以下结论：

1)即使在井下油液含气率非常高的情况下，在经历了几个周期的运行之后，中排气式防气抽油泵泵筒内的压力均可以达到游动阀和固定阀开启的压力，并且泵筒内部的流场趋于稳定，每个周期泵筒内的压力和含气率的变化规律基本相同。

2)中排气式防气抽油泵在下冲程的初期通过中排孔将泵筒内的高含气介质排出到套管，使泵筒内含气率降低；在上冲程的末期通过中排孔将套管中的介质吸入到泵筒，增加了泵筒内的液相质量。

3)中排气式防气抽油泵可以有效防止气锁现象的发生，并且即使在抽油泵发生气锁现象之后也可以快速地缓解气锁现象。