Sop-PGP 氣體處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

付俊宏，于繼林，王 寶

（1.長慶油田分公司物資供應(yīng)處，陜西西安 710018；2.渤海裝備鉆采裝備銷售公司，天津 300280）

0 引言

潛油電泵的應(yīng)用為快速開采石油提供了一個(gè)有效途徑，但由于氣體影響使?jié)撚碗姳玫膽?yīng)用受到限制。石油是一種復(fù)雜的碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，在井下高溫、高壓狀態(tài)下，以油、氣、水三相混合的狀態(tài)存在。當(dāng)受到其他因素影響使環(huán)境壓力低于泡點(diǎn)壓力時(shí)，氣體就從原油中游離出來，以游離氣體的方式存在。

為解決現(xiàn)有潛油電泵油氣分離器分離效果差，使用范圍小，氣蝕和氣鎖泵嚴(yán)重，揚(yáng)程和壓力損失大的問題，需要研制具有高攜氣能力的潛油電泵氣體處理器。避免發(fā)生氣蝕和氣鎖，保證泵高效運(yùn)行，延長泵的使用壽命，并盡可能利用氣體，提高潛油電泵采油能力，擴(kuò)大潛油電泵應(yīng)用范圍。

1 技術(shù)研究方法及原理

應(yīng)用環(huán)境決定了Sop-PGP 系列氣體處理器具有類似潛油泵的外形；它的處理對(duì)象性質(zhì)決定了它的具體結(jié)構(gòu)；與油氣分離器完全相反的設(shè)計(jì)理念使它成為一種新的泵類產(chǎn)品。

井液中氣體的逸出是因環(huán)境發(fā)生變化，當(dāng)壓力低于同溫時(shí)的泡點(diǎn)壓力，氣體就會(huì)逸出。潛油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，井液壓力沿著泵入口到葉輪入口而下降，在葉片入口井液壓力最低。此后由于葉輪對(duì)液體做功，液體壓力很快上升。當(dāng)葉輪葉片入口附近的壓力低于泡點(diǎn)壓力時(shí)，溶解在井液中的氣體逸出，形成許多氣泡，氣化的區(qū)域阻礙了液體流動(dòng)，限制了泵的排量。當(dāng)氣泡隨液體流到流道內(nèi)壓力較高處時(shí)，由于此時(shí)壓力高于泡點(diǎn)壓力，氣泡急劇凝結(jié)消失。因氣泡的消失產(chǎn)生局部真空，周圍液體就以極高速度沖向氣泡中心，瞬間產(chǎn)生極大的局部沖擊力，局部溫度驟升，造成葉輪氣蝕，并且使泵產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)出噪聲。

潛油泵發(fā)生氣蝕時(shí)，葉輪內(nèi)井液的能量交換受到干擾、破壞，表現(xiàn)為流量—揚(yáng)程曲線、流量—功率曲線、流量—效率曲線下降。潛油泵最易發(fā)生氣蝕的部位:①第一級(jí)葉輪；②葉輪曲率最大的前蓋板處，靠近葉片進(jìn)口邊緣的低壓側(cè)（從旋轉(zhuǎn)方向看）；③導(dǎo)輪的靠近進(jìn)口邊緣低壓側(cè)。

解決潛油泵氣蝕產(chǎn)生的關(guān)鍵是提高葉輪的攜氣能力，氣體處理器的葉導(dǎo)輪采用軸流式設(shè)計(jì)，有較好的攜氣能力。當(dāng)井液進(jìn)入葉輪，沒有離心力的作用，液體和氣體不會(huì)分離，液體將氣體包裹起來。因葉輪的軸向舉升而向上運(yùn)動(dòng)，葉輪的軸面流線采用變徑形式，由入口到出口逐漸收縮，流經(jīng)的氣液受到壓縮，使部分游離出的氣體重新溶入井液，通過導(dǎo)輪整流進(jìn)入下一級(jí)葉輪。通過氣體處理器多級(jí)葉導(dǎo)輪的遞送，井液中的氣體含量逐漸減少，進(jìn)入潛油泵的井液含氣量更少且壓力高于泡點(diǎn)壓力，避免了氣蝕或氣鎖的發(fā)生。當(dāng)井液通過潛油泵加壓，進(jìn)入油管時(shí)，在流動(dòng)過程中，壓力逐漸減小，當(dāng)?shù)陀谂蔹c(diǎn)壓力時(shí)，大量氣泡逸出，起到氣舉作用，加快井液舉升。

2 解決的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 葉導(dǎo)輪材料的選擇

氣體處理器安裝在潛油電泵下面，井液經(jīng)過氣體處理器后進(jìn)入潛油泵。井液成分復(fù)雜，通常具有腐蝕性，因此葉導(dǎo)輪的材料應(yīng)當(dāng)具有耐腐蝕性，這樣才能保證氣體處理器的水力性能及使用壽命。此外，井液中通常含有顆粒狀物，不可避免會(huì)磨蝕葉導(dǎo)輪；在正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，葉輪始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，導(dǎo)輪與軸套之間也處于高速摩擦。葉輪、導(dǎo)輪及與之配合的各零件之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須保證變化極小，才能保證泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)葉導(dǎo)輪的材料又提出了另一要求，即要有高的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性及低的熱鼓脹性。

通過比較發(fā)現(xiàn)，用高鎳鑄鐵作為葉導(dǎo)輪的材料是最佳選擇。高鎳鑄鐵的主要成分是無磁性的奧氏體鐵，不僅具有高的強(qiáng)度及硬度，而且其沖擊韌性及熱鼓脹性都很好。此外，高鎳鑄鐵與普通鑄鐵相比，在相同的硬度、強(qiáng)度和組織時(shí)更易于加工。

2.2 設(shè)計(jì)反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母

在氣體處理器軸的上端設(shè)計(jì)反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母，對(duì)葉輪及軸進(jìn)行鎖緊固定。采用反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母，在葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以防止鎖緊螺母松動(dòng)。

2.3 設(shè)計(jì)環(huán)槽采用兩半環(huán)結(jié)構(gòu)承重

在設(shè)計(jì)氣體處理器軸的下端設(shè)計(jì)承重環(huán)槽，采用兩半環(huán)結(jié)構(gòu)，用以承擔(dān)葉輪軸向力及軸自重，保證多級(jí)葉輪在軸上的固定。

2.4 葉導(dǎo)輪設(shè)計(jì)

葉導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)是氣體處理器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。氣體處理器葉導(dǎo)輪葉片的曲線形狀，要保證葉輪中井液的流向是在以軸線為中心的柱面方向，徑向分速度為零。為實(shí)現(xiàn)氣體溶入液體，葉輪輪轂柱面采用曲線變徑的形式。由入口到出口逐漸收縮，使氣液混合的井液進(jìn)入葉輪后，獲得一定的速度沿軸向旋轉(zhuǎn)的同時(shí)被壓縮，使部分游離出的氣體重新混入井液中。根據(jù)輸出功率、流量及轉(zhuǎn)速，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件研究葉片內(nèi)特性——紊流流場對(duì)葉片水力性能的影響，定出葉片的參數(shù)并計(jì)算水力效率。

2.5 導(dǎo)輪壓緊量的計(jì)算

氣體處理器的葉導(dǎo)輪采用多級(jí)串連方式，以及整體壓緊式結(jié)構(gòu)，即通過對(duì)葉輪輪轂的擠壓，使葉輪相對(duì)軸的位置固定。葉輪、軸及相應(yīng)的配合部分成為一個(gè)整體——轉(zhuǎn)動(dòng)部，葉輪所受軸向力將通過軸傳遞出去，而不是通過葉輪與導(dǎo)輪的接觸傳遞給導(dǎo)輪；導(dǎo)輪、殼體及接頭等也通過擠壓成為另一個(gè)整體——固定部；每一級(jí)葉輪與導(dǎo)輪之間的間隙保持相同，在氣體處理器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪與導(dǎo)輪不接觸。這種結(jié)構(gòu)可以使葉導(dǎo)輪在井液沖擊下不易存砂，減少葉輪、導(dǎo)輪間磨損。但由于擠壓，葉導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)將發(fā)生變化，合理設(shè)計(jì)葉導(dǎo)輪相關(guān)參數(shù)及壓縮量成為實(shí)現(xiàn)氣體處理器壓緊式結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

通過結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)動(dòng)部相對(duì)于固定部每級(jí)軸向尺寸減少0.08 mm，與單級(jí)導(dǎo)輪壓縮量相同。這樣轉(zhuǎn)動(dòng)部壓緊和固定部壓緊的軸向減少量相同，在保證壓緊的同時(shí)，使每一級(jí)葉輪與導(dǎo)輪間隙相同。

2.6 氣體處理器最大排量的計(jì)算

氣體處理器的最大排量直接影響使用范圍，最大排量取決于泵的轉(zhuǎn)速、葉輪直徑和輪轂直徑。受潛油電泵和油井尺寸限制，泵的轉(zhuǎn)速、葉輪的直徑基本固定；縮小輪轂的尺寸，可以加大過流面積，減小水力摩擦損失；但是，輪轂過小會(huì)增加葉片的扭曲，容易造成葉輪進(jìn)、出口處的二次回流，使泵效下降，高效區(qū)變窄。同時(shí)，輪轂過小直接降低葉輪強(qiáng)度。計(jì)算出系列氣體處理器最大排量為1200 m3/d。

2.7 防砂氣體處理器設(shè)計(jì)

當(dāng)井液中的含砂量較大時(shí)，砂粒對(duì)處理器的性能將產(chǎn)生極大影響。砂粒的沖擊會(huì)造成處理器的嚴(yán)重磨損，葉片磨損會(huì)直接改變處理器的水力性能；當(dāng)軸套與導(dǎo)輪輪轂的配合處被磨損后，轉(zhuǎn)動(dòng)部（主要包括軸、葉輪、軸套等）的扶正被破壞，動(dòng)平衡也被破壞，處理器的整體性能將直線下滑，處理器使用壽命會(huì)嚴(yán)重縮短。如果能夠保證扶正不被破壞，氣體處理器的運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)很平穩(wěn)，砂粒對(duì)氣體處理器的影響就會(huì)下降。因此在普通氣體處理器基礎(chǔ)上，改變導(dǎo)輪輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加硬質(zhì)合金扶正，使氣體處理器在含砂工況下也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

Sop-PGP 氣體處理器的應(yīng)用，可以減少氣體對(duì)泵性能的影響，保證泵高效運(yùn)行，增加泵的壽命。通過增加壓力差提高油產(chǎn)量，使油井更經(jīng)濟(jì)，也增加了油田區(qū)塊可開采儲(chǔ)量，延長了油田經(jīng)濟(jì)壽命。

Sop-PGP 氣體處理器的應(yīng)用必將擴(kuò)大潛油電泵應(yīng)用范圍，以往因含氣量高而無法采用潛油電泵進(jìn)行開采的油井，應(yīng)用高攜氣潛油電泵機(jī)組使電泵采油變?yōu)榭赡堋碛袧撚碗姳脷怏w處理器，將豐富產(chǎn)品種類，擴(kuò)大產(chǎn)品應(yīng)用范圍，提高公司市場競爭力。