井下自力式強制渦流排水采氣裝置設(shè)計

席鵬超，秦 亮，王 卓

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

渦流排水采氣是迎合低壓低產(chǎn)氣井復(fù)產(chǎn)增產(chǎn)需求的工藝技術(shù)。該項技術(shù)2011年引入國內(nèi)，在各大氣田投用，取得一定的效果，但并不是很理想，主要原因在于:流體流經(jīng)井下渦流工具時，流動參數(shù)受工具結(jié)構(gòu)參數(shù)與特征的影響；流過該工具后，流動參數(shù)受管段摩阻和流體自重等因素影響。

常規(guī)渦流工具的研究熱點主要體現(xiàn)在排液機理[1-2]、性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3-6]、技術(shù)界限[7-8]等方面，隨著渦流理論在排水采氣領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸深入，射流渦流[9]、旋流霧化[10]、滿眼渦流[11]等新型排水采氣方案相繼問世，進一步為氣井復(fù)產(chǎn)增產(chǎn)帶來借鑒意義。然而，此類工具旋流體運動行為對排水采氣效果具有何種影響。目前，此方面的研究報道相對缺乏。

從排水采氣工具設(shè)計角度入手，基于氣井工況、渦流理論以及機械工程學(xué)科相關(guān)知識，筆者采用NX 8.0軟件設(shè)計了一種井下自力式強制渦流排水采氣裝置，簡要闡述其設(shè)計思路與要點，重點闡述其結(jié)構(gòu)組成、工藝原理和創(chuàng)新點等。

1 設(shè)計思路

在常規(guī)渦流工具中，旋流體是實現(xiàn)流體氣液分離與運移的靜止部件，在整個工具中占據(jù)極為重要的作用。筆者轉(zhuǎn)變思路，為研究旋流體轉(zhuǎn)動時對排水采氣效果的影響，基于氣井工況，設(shè)計此裝置。

氣井工況參數(shù)見表1所示。

2 設(shè)計要點

基于前人的設(shè)計經(jīng)驗和當下設(shè)計思路，此裝置應(yīng)滿足以下設(shè)計要點:1）體現(xiàn)井內(nèi)流體自力式運動行為[12]；2） 工作條件易滿足；3） 減小流過此裝置的壓降損失[13]。

3 結(jié)構(gòu)組成

此裝置結(jié)構(gòu)組成見圖1所示。

由圖1可知:此裝置包括彈簧、銷釘、定子、彈性體、轉(zhuǎn)子、行星齒輪、橡膠環(huán)、中心管、外機架、轉(zhuǎn)臂、推力球軸承、旋流體等組成。彈簧與彈性體通過銷釘連接。裝置工作前，銷釘孔a和銷釘孔b同心，且被插裝入銷釘，限制彈性體沿中心管外壁移動。彈簧約束彈性體的兩臂，使其向轉(zhuǎn)子軸線彎曲靠攏。定子和中心管均處于彈性體內(nèi)部，二者通過螺紋連接。定子具有中心孔和葉片特征，內(nèi)部插裝具有葉片、內(nèi)環(huán)槽和內(nèi)齒輪特征的轉(zhuǎn)子。行星輪下端插入轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)槽，與轉(zhuǎn)子內(nèi)齒輪嚙合，上端插裝入轉(zhuǎn)臂下端盲孔。彈性體與橡膠環(huán)均被套裝于中心管外壁，橡膠環(huán)位于彈性體之上，外機架之下。外機架具有臺階孔和中心孔特征，可過盈裝配推力球軸承和插裝旋流體，旋流體螺紋連接轉(zhuǎn)臂，可獲得來自轉(zhuǎn)臂的動力。圖2所示為此裝置部件實體模型，圖3是此裝置實體裝配模型。

1-彈簧；2-銷釘；3-定子；4-彈性體；5-轉(zhuǎn)子；6-行星輪；7-中心管；8-橡膠環(huán)；9-外機架；10-轉(zhuǎn)臂；11-推力球軸承；12-旋流體；a-銷釘孔；b-銷釘孔。

圖2 部件實體模型

4 工藝原理

此裝置的工藝原理主要包括投送過程、工作原理以及打撈過程等，圖4是其投撈工藝簡圖，圖5是投撈工具串連接及裝置坐落關(guān)系簡圖。

圖3井下自力式強制渦流排水采氣裝置實體模型

圖4 投撈工藝簡圖

圖5 投撈工具串連接及裝置坐落關(guān)系簡圖

1）投送過程。鋼絲絞車、地滑輪、天滑輪以及井下投送工具串投送其接近預(yù)定位置，突然上提鋼絲繩，與彈性體連接的彈簧松脫，彈性體貼住油管內(nèi)壁。工具串的震擊器對裝置產(chǎn)生軸向激振力，導(dǎo)致工具串與裝置共同沿油管軸線下行，直至彈性體到達接箍繼續(xù)恢復(fù)變形，阻止整體下行趨勢。接箍給予彈性體的反力促使約束彈性體移動的銷釘被剪斷，彈性體和橡膠環(huán)沿中心管外壁上行。當橡膠環(huán)上行至外機架下端錐面時，受到軸向壓縮力，產(chǎn)生徑向變形，進而封堵裝置與油管之間的環(huán)形間隙，至此，投送過程結(jié)束。此過程中，裝置部件運動行為示意圖見圖6所示。

2）工作原理。井內(nèi)流體流入此裝置，對轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生力的作用，當流過定子與轉(zhuǎn)子葉片之間的壓差滿足轉(zhuǎn)子工作條件時，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子內(nèi)齒輪向行星齒輪傳遞傳動比為0.4的運動，轉(zhuǎn)臂和旋流體獲得比轉(zhuǎn)子更高的轉(zhuǎn)速。

圖6 部件運動行為示意圖（投送過程）

3）打撈過程。當此裝置無法滿足氣井增產(chǎn)要求且有必要取出井筒時，投撈工具串下部的捕捉器抓緊裝置旋流體上的打撈頭，絞車上提鋼絲繩，橡膠環(huán)首先恢復(fù)變形，且滑動至初始位置，裝置與油管環(huán)形間隙被打開，其次，彈性體沿油管軸線滑動至初始位置，銷釘孔a與銷釘孔b再一次同心，裝置坐卡狀態(tài)被解除。至此，裝置解封解卡過程結(jié)束，絞車持續(xù)上提鋼絲繩，裝置被上提出井口，打撈過程完成。此過程中，裝置部件運動行為示意圖見圖7所示。

圖7 部件運動行為示意圖（打撈過程）

5 創(chuàng)新點

同現(xiàn)有成果比較可知[14-15]，此裝置有以下優(yōu)勢:

1）推力球軸承可承載裝置投放時的軸向激振力和減小工作時的轉(zhuǎn)動摩阻；

2）旋流體與轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減輕了轉(zhuǎn)子的承重重量及其與定子接觸面的摩擦轉(zhuǎn)矩，裝置工作條件較容易滿足；

3）齒輪傳動部分采用行星傳動方案，減小了轉(zhuǎn)子徑向尺寸和裝置內(nèi)部流體加速度壓降。

6 結(jié)論

此裝置可為低壓低產(chǎn)氣井渦流排水采氣工具設(shè)計提供一定的借鑒。