注聚螺桿泵撓性桿數(shù)值模擬優(yōu)化分析

牛貴鋒，艾志久

（1.西南石油大學 機電工程學院，成都610500；2.中海油能源發(fā)展采油技術服務公司，天津300452） ①

目前，聚合物驅油技術已是我國各主力油田進入開發(fā)后期提高采收率的重要方法之一。聚合物驅是指在注入的水中加入水溶性高分子量聚合物，通過增加水相黏度和降低水相滲透率，改善流度比，進而提高原油采收率的方法［1－3］。在注聚工程中，因為螺桿泵是容積泵，對聚合物的剪切很小，保黏率很高，因此，用螺桿泵作注入泵是理想的選擇。由于海上平臺的空間有限，提出了將注聚螺桿泵放入井下的技術方案。這與螺桿泵放到甲板有了很大的不同，新技術方案需要解決配套問題，其中撓性桿的優(yōu)化設計就是比較重要的一個環(huán)節(jié)。

1 工作原理

如果聚合物溶液承受物理的擠壓及剪切，其分子鏈會被剪斷及破壞，黏度會很快降低，高分子聚合物“井下驅油增產”的原理在于它的吸附性和捕集性。高分子聚合物溶液被注入井下，可以增加水的黏度，減少油層的水相滲透率，水油流度比減少，進而提高原油采收率。所以在配制和輸送聚合物溶液時，要最大限度地提高聚合物溶液的黏度。

螺桿泵屬于容積式回轉類泵，轉子和定子相互嚙合，在定子和偏心旋轉的轉子之間形成相互隔離的腔室，隨轉子的連續(xù)轉動，腔室不斷地軸向移動，從而實現(xiàn)輸送介質的目的。螺桿泵輸送介質的空腔容積與形狀一定，所以在輸送過程中，對介質無剪切、無擠壓、無脈動且連續(xù)移動，適合輸送高黏度溶液。由于定子是橡膠材料制造，它有很好的退讓性，適合輸送含固量很高的介質。

聚驅作業(yè)時，先將注聚螺桿泵下入井筒中，聚合物充滿泵內的系列螺旋形腔室，在工作過程中，隨著驅動裝置帶動轉子轉動，泵內腔室將由泵入口向出口方向移動，從而將聚合物由地面注入到井內，并通過油管從井口注入到地層。所以螺桿泵在油田輸送高黏度、高含固的聚合物有很大的適應性和優(yōu)越性，并有較長的使用壽命，在海洋平臺條件下使用，更有廣泛的推廣意義。

2 撓性桿結構設計

螺桿泵在采油領域有著廣泛的應用和良好的發(fā)展前景［4－5］。為了滿足海上油田聚驅開發(fā)的需要，提出將螺桿泵安裝在井內作為聚合物井口注入泵使用，這就改變了螺桿泵作為人工舉升裝置的工作狀態(tài)，其撓性桿原結構尺寸存在較嚴重的應力集中現(xiàn)象，不能滿足作為注聚螺桿泵使用的要求。

通過優(yōu)化和改進撓性桿的結構尺寸，以解決應力集中的問題，進而延長注聚螺桿泵壽命，提高經濟效益。分析撓性桿的工作狀態(tài)、變形特點和應力分布情況，為撓性桿的結構設計及工作參數(shù)選擇提供依據(jù)。撓性桿的結構如圖1所示。

圖1 撓性桿結構

2.1 基本參數(shù)

聚合物黏度 2 000～15 000mPa·s

注入壓力 12MPa

2.2 特點

1） 撓性桿兩端設計為“左旋”的外螺紋，一端與轉子連接，另一端與傳動軸連接。

2） 桿的中間直徑較小，可以產生撓性變形，滿足轉子偏心公轉的要求。

3） 能夠保證有足夠的強度和剛度，滿足自轉的扭力要求和推動介質所需的軸向力要求。

3 撓性桿數(shù)值模擬

由于注聚螺桿泵工作壓力高，故產生很大的向上軸向力及扭矩。為了保證結構設計的合理性及分析撓性桿設計的可靠性，采用目前業(yè)內認可的計算機輔助設計軟件進行應力分析，模擬結構在工作條件下的特性。利用 ANSYS技術分析結果［6－9］，并結合試驗測定的數(shù)據(jù)和設計工程師的實際經驗來評價設計，以此來減少物理試驗，節(jié)省費用并提高設計質量。

3.1 網格劃分及模型設置

撓性桿網格劃分設置如表1。

表1 撓性桿網格劃分設置

網格設置為－100，網格劃分成粗網格，所劃分網格數(shù)量少，求解速度快，得出的結果可能包含著極大的不確定性；網格設置為＋100，劃分成細網格，用較長時間得出的結果的不確定性最小；零是缺省的相關設置。

本次分析假設材料為線彈性材料，應力與應變成正比；材料特性與溫度無關；均勻性：特性在零件的整個體積內不變；各向同性：材料性質在各個方向都是相同的。材料設置數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 材料特性

根據(jù)井下注聚螺桿泵的實際工況，模擬作用在零件特定區(qū)域的載荷和約束。這些區(qū)域由選定的表面、圓柱面、邊緣或頂點來定義。具體設置參數(shù)如表3。

表3 載荷與約束參數(shù)設置

3.2 結果分析

分析結果如表4。材料的安全因數(shù)采用最大等效應力失效理論來計算，應力極限由材料的拉伸屈服強度來確定。

表4 分析結果

撓性桿等效應力云圖如圖2所示，可以看出：撓性桿惡劣工況時等效應力的最大值小于材料的拉伸極限強度。因此，撓性桿的使用安全能夠得到保證，即滿足工況要求。

圖2 撓性桿等效應力云圖

撓性桿最大、最小主應力云圖如圖3～4所示，可知：撓性桿的最大主應力82.36MPa，遠小于材料的拉伸屈服極限228MPa，說明結構設計合理，能承受螺桿泵注聚的復雜工況。

圖3 撓性桿最大主應力云圖

圖4 撓性桿最小主應力云圖

撓性桿變形云圖如圖5所示，可得出：撓性桿一端的最大變形量能夠滿足注聚螺桿泵的安裝要求。從整個井下注聚螺桿泵系統(tǒng)設計來看，即使撓性桿出現(xiàn)最大變形，也不會對管柱產生偏磨現(xiàn)象。

圖5 撓性桿變形云圖

撓性桿安全因數(shù)數(shù)值模擬如圖6所示，可以看出：安全因數(shù)均在工程應用允許范圍之內，說明撓性桿結構設計合理。

圖6 撓性桿安全因數(shù)數(shù)值模擬

由以上的分析結果可知：注聚螺桿泵關鍵部件——撓性桿能夠滿足工作要求，分析結果有一定的工程應用價值，保證了結構設計的合理性及設計的可靠性，減少了物理試驗所帶來的高額費用，并縮短了開發(fā)周期。

4 結論

1） 撓性桿應力分析結果表明：所設計的結構符合螺桿泵注聚工況的要求，能夠較好地降低撓性桿失效事故。

2） 根據(jù)有限元計算結果，對撓性桿做進一步的優(yōu)化設計，利用數(shù)值模擬計算方法模擬了撓性桿所承受復雜工況，得到了應力分布場、撓性桿變形云圖及各個部位的安全因數(shù)。根據(jù)理論分析和模擬結果可以得出撓性桿容易失效的部位，對其進一步優(yōu)化研究。

3） 對注聚螺桿泵撓性桿進行優(yōu)化分析，完善了配套工藝，使井下注聚螺桿泵系統(tǒng)的設計更為合理，性能可靠。

［1］ 孫煥泉，張以根，曹緒龍.聚合物驅油技術［M］.東營：石油大學出版社，2002.

［2］ 陳鐵龍.三次采油概論［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000.

［3］ 胡博仲，劉 恒，立 林.聚合物驅采油工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1997.

［4］ 師國臣.螺桿泵采油及其配套技術［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2002.

［5］ 魏秦文，張 茂.潛油電機驅動采油技術的發(fā)展［J］.石油礦場機械，2007，36（7）：127.

［6］ 王路超，徐興平.基于ANSYS的割縫篩管強度分析［J］.石油礦場機械，2007，36（4）：41-43.

［7］ 徐垚英，張生昌，鄧鴻英，等.基于ADAMS和ANSYS的五缸往復泵曲軸有限元分析［J］.石油礦場機械，2011，40（1）：48-51.

［8］ 秦國明，何東升，張麗萍，等.基于 ANSYS／LS-DYNA的實體膨脹管膨脹力分析［J］.石油礦場機械，2009，38（8）：9-12.

［9］ 徐建寧，李萬鐘，呂文杰.油井管空心輕質爬行器設計研究［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：43-46.