基于AMESim 的抽油泵柱塞間隙漏失規(guī)律特性與節(jié)能分析

滕向松 謝宇（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

抽油泵作為有桿抽油系統(tǒng)的重要組成部分，由于其內(nèi)部柱塞與泵筒之間長(zhǎng)期處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此柱塞與泵筒之間會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的磨損，從而造成泵泄漏影響。抽油泵的間隙寬度會(huì)因磨損的持續(xù)而加大，其中流體的間隙漏失量也會(huì)加劇，最終將導(dǎo)致泵效的降低從而造成不必要的能源浪費(fèi)[1-2]。因此準(zhǔn)確地分析出間隙漏失規(guī)律有著重要的理論與實(shí)際意義。

由于當(dāng)前對(duì)于抽油泵間隙漏失規(guī)律的探究較少，因此，基于AMESim 軟件平臺(tái)通過(guò)對(duì)抽油系統(tǒng)仿真模型的整體搭建，探究出了抽油泵在不同沖速和不同壓差2 個(gè)主要關(guān)鍵工況下的間隙漏失規(guī)律特性。

1 抽油泵間隙漏失原理分析

抽油泵在工作時(shí)，油管與泵筒相固定且共同處于靜止?fàn)顟B(tài)，而抽油泵內(nèi)部的柱塞同油桿一起做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)致二者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而需保證兩者之間留有充足的運(yùn)動(dòng)間隙[3-4]。間隙大小的設(shè)定需根據(jù)井下實(shí)際情況綜合考慮，在保證泵效的同時(shí)，還需盡可能的減小泵筒與柱塞之間的摩擦。

1.1 間隙漏失類型的研究

柱塞與泵筒之間的漏失形式主要包含以下兩種：由柱塞表面上下壓差所產(chǎn)生的壓差間隙漏失；因柱塞與泵筒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的剪切間隙漏失[5-6]。但在大多數(shù)實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題中，由于柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，第二種類型的間隙漏失會(huì)因抽油系統(tǒng)的上下沖程而相互抵消，因此在文中不做重點(diǎn)研究，只對(duì)壓差間隙漏失的計(jì)算方式進(jìn)行探討。

抽油系統(tǒng)在下沖程開(kāi)始前，泵內(nèi)2 個(gè)閥球均處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)腔室內(nèi)的壓力與泵入口處的沉沒(méi)度壓力相同。在下沖程進(jìn)行過(guò)程中，腔室內(nèi)壓力逐漸增大，當(dāng)柱塞上下壓差達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，游動(dòng)閥開(kāi)啟。在此過(guò)程中，游動(dòng)閥未打開(kāi)前，由于柱塞的上下壓差，導(dǎo)致了間隙漏失的發(fā)生。在游動(dòng)閥開(kāi)啟時(shí)，腔室內(nèi)上下壓力平衡，間隙漏失停止。

在上沖程的情況下，由于固定閥在上下表面產(chǎn)生壓差時(shí)閥球才會(huì)開(kāi)啟，故在閥球開(kāi)啟前，壓差的形成過(guò)程會(huì)導(dǎo)致液體流向間隙而形成漏失。圖1 所示的是抽油泵在一個(gè)完整沖程期間的柱塞與固定閥座內(nèi)腔室的所處狀態(tài)壓差漏失規(guī)律分析示意圖。

圖1 壓差漏失規(guī)律分析示意圖

其中，P1為固定閥球下表面所受壓力；P2為游動(dòng)閥上表面所受壓力；P0為柱塞與固定閥座內(nèi)腔室內(nèi)壓力。

1.2 泵內(nèi)液體變化時(shí)的計(jì)算模型

在通常情況下，抽油泵內(nèi)的間隙漏失量變化規(guī)律與柱塞的工作狀態(tài)相關(guān)。

1.2.1 柱塞處于下沖程運(yùn)動(dòng)

此時(shí)的柱塞處于上死點(diǎn)，閥球呈關(guān)閉狀態(tài)。因此泵筒內(nèi)的壓力為吸入壓力Ps。當(dāng)柱塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，筒內(nèi)壓力升高，在達(dá)到排出壓力Pd時(shí)，游動(dòng)閥開(kāi)啟。

在游動(dòng)閥打開(kāi)之前，當(dāng)某時(shí)刻t且泵筒內(nèi)壓力為p時(shí)，可得到泵筒內(nèi)的壓力計(jì)算公式：

在超凈工作臺(tái)上，將1 mL的大腸桿菌OP50涂布到配制好的NMG培養(yǎng)基上，然后自然干燥，放于4 ℃的冰箱內(nèi)備用。將秀麗隱桿線蟲(chóng)接種于上述含有大腸桿菌OP50的NGM培養(yǎng)基中，培養(yǎng)溫度為20 ℃，培養(yǎng)到產(chǎn)卵期。用2 mL M9緩沖液將大量處于產(chǎn)卵期的雌雄同體秀麗隱桿線蟲(chóng)成蟲(chóng)從NGM固體培養(yǎng)基表面沖洗下來(lái)并轉(zhuǎn)移到1.5 mL EP管中，然后3000 r/min離心1.5 min，棄上清。向EP管中加入1 mL裂解液，上下顛倒混勻裂解5 min，3000 r/min離心1.5 min，棄上清，然后用無(wú)菌M9緩沖液反復(fù)清洗3次，充分去除裂解液成分，得到同步化后的蟲(chóng)卵[7]。

式中：n為天然氣多邊過(guò)程指數(shù)，n取值為1.2；ΔVd(t)為t時(shí)刻的下沖程總漏失量體積， m3；Vp為抽油泵柱塞有效行程容積， m3；Vx為柱塞理論行程容積， m3；Vg為柱塞位于上死點(diǎn)時(shí)，泵筒內(nèi)自由氣的體積， m3。

假設(shè)游動(dòng)閥開(kāi)啟的瞬間時(shí)刻為td，柱塞行程容積為Vd滿足下述關(guān)系：

1.2.2 柱塞處于上沖程運(yùn)動(dòng)

由于柱塞位于下死點(diǎn)，因此2 個(gè)閥球均處于關(guān)閉狀態(tài)，且此時(shí)泵筒內(nèi)壓力與泵的排出壓力相同，均為Pd。當(dāng)柱塞進(jìn)行上沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵筒內(nèi)壓力逐漸下降，在泵筒內(nèi)壓力值低于Ps時(shí)，則滿足固定閥的開(kāi)啟條件。

在固定閥開(kāi)啟前，當(dāng)某時(shí)刻t且泵筒內(nèi)壓力為P時(shí)，經(jīng)推導(dǎo)可得到泵筒內(nèi)的壓力計(jì)算公式：

式中：Vog為柱塞位于下死點(diǎn)時(shí)，泵筒內(nèi)自由氣的體積， m3； ΔVs(t) 為t時(shí)刻的上沖程總漏失量體積， m3。

同上述情況類似，在假設(shè)游動(dòng)閥開(kāi)啟的瞬間時(shí)刻為ts，柱塞行程容積為Vs并滿足下述關(guān)系：

抽油泵的間隙漏失過(guò)程為一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，利用上述四種情況下的計(jì)算推導(dǎo)，可以為后文的規(guī)律仿真分析提供較為準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。

2 抽油泵仿真模型的建立

2.1 抽油泵結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2 為常規(guī)管式抽油泵結(jié)構(gòu)原理圖。其工作原理如下：在抽油泵活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵筒內(nèi)腔室體積增大，導(dǎo)致原有壓力減小[7]。當(dāng)腔室內(nèi)壓力與外界油層的壓力差達(dá)到固定閥的啟動(dòng)壓力時(shí)，閥座開(kāi)啟，從而使得油液通過(guò)閥口流入泵筒內(nèi)。柱塞上方液體在柱塞推動(dòng)下排出泵口，完成抽油泵吸液工作；在抽油泵活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，下方固定閥球因泵筒內(nèi)壓力大于外界油層壓力而被關(guān)閉，在筒內(nèi)腔室壓力增大到一定程度上時(shí)，上方游動(dòng)閥被頂開(kāi)，隨后泵內(nèi)油液在壓力作用下流經(jīng)游動(dòng)閥進(jìn)入井筒中，完成抽油泵排液工作。

圖2 常規(guī)管式抽油泵結(jié)構(gòu)原理

2.2 AMESim 模型建立

根據(jù)抽油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，所要建立的仿真模型主要包含地面游梁式抽油機(jī)以及地下抽油泵。其中，地面部分的抽油機(jī)的工作原理相當(dāng)于四桿機(jī)構(gòu)，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源來(lái)促使驢頭帶動(dòng)抽油桿進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)針對(duì)流體過(guò)閥流動(dòng)機(jī)理，并通過(guò)綜合分析抽油泵的實(shí)際作業(yè)工況后，發(fā)現(xiàn)存在沖速和壓差2 個(gè)可能對(duì)間隙漏失量產(chǎn)生影響的因素。

在抽油系統(tǒng)的模型建立之初，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工作原理，在AMESim 的元件庫(kù)中選取相應(yīng)的模型組件，搭建如圖3 所示的仿真模型。

圖3 抽油系統(tǒng)AMESim 仿真模型

3 仿真與分析

3.1 仿真參數(shù)的確認(rèn)

通過(guò)完成對(duì)抽油系統(tǒng)AMESim 模型的搭建后，需對(duì)模型的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其余非關(guān)鍵參數(shù)可采取系統(tǒng)默認(rèn)值。抽油系統(tǒng)模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 抽油系統(tǒng)模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

表1 中參數(shù)在設(shè)置時(shí)，應(yīng)盡可能確保與實(shí)際抽油機(jī)在作業(yè)時(shí)的工作參數(shù)保持一致，從而才會(huì)使得仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況。進(jìn)入仿真模式后，為探究各工況變量之間的關(guān)系以及后續(xù)的規(guī)律分析，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)采取控制變量法且對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理。

3.2 沖速對(duì)抽油泵間隙漏失的影響

以控制變量作為基礎(chǔ)，在沖程為1、3、5 m 且保持柱塞上下間隙壓差為7 MPa 時(shí)，不同沖速對(duì)抽油泵漏失量的影響變化曲線如圖4 所示。通過(guò)對(duì)圖4分析可知，在沖程一定時(shí)，沖速越高抽油泵的漏失量越大；在沖速一定時(shí)，沖程的增加也會(huì)導(dǎo)致抽油泵漏失量的增大。這是由于柱塞的速度會(huì)對(duì)系統(tǒng)的沖程和沖速2 個(gè)量產(chǎn)生影響。在抽油系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，柱塞的速度V可用公式為曲柄角速度；Smax為光桿最大沖程；φ為曲柄轉(zhuǎn)角）。因此，通過(guò)上述公式可知，隨著沖速和沖程的增大，二者相對(duì)應(yīng)的柱塞速度的增幅也越大。根據(jù)正弦函數(shù)的特點(diǎn)，函數(shù)曲線振幅越大，柱塞的速度變化越陡峭，于是整體的規(guī)律表現(xiàn)為沖程越長(zhǎng)泵的漏失量增長(zhǎng)越明顯，沖速越高泵的漏失量越大。

圖4 不同沖速對(duì)抽油泵漏失量的影響變化曲線

3.3 壓差對(duì)抽油泵間隙漏失的影響

抽油泵柱塞與泵筒間隙上下兩端的壓差是作為漏失量的主要來(lái)源之一，壓差大小的變化會(huì)直接引起漏失量的改變。在仿真過(guò)程中，通過(guò)改變泵筒內(nèi)腔室可壓縮性模塊的大小以及柱塞懸掛質(zhì)量模塊的大小可間接對(duì)間隙壓差的大小進(jìn)行控制。壓差對(duì)漏失量的影響變化曲線如圖5 所示。

圖5 壓差對(duì)漏失量的影響變化曲線

由圖5 可知，在抽油系統(tǒng)的沖速和其它地面參數(shù)一定時(shí)，改變間隙上下兩端壓差，抽油泵的漏失量會(huì)隨著壓差的增大而增大，并且在整體的變化趨勢(shì)中漏失量與壓差呈現(xiàn)出線性分布。通過(guò)上述理論分析可知，間隙上下端的壓差與漏失量成正比例關(guān)系，因此通過(guò)數(shù)值模擬的結(jié)果與理論分析的對(duì)比，驗(yàn)證了仿真和所搭建模型的正確性。

通過(guò)對(duì)兩種影響因素下的變化曲線分析可知，不同的泵況因素雖然都會(huì)在一定程度上對(duì)抽油泵的漏失量產(chǎn)生影響，整體的影響趨勢(shì)都表現(xiàn)為隨著某一因素的增加，抽油泵的漏失量也隨之增加，其中壓差的影響性占85.7%，沖速因素的影響占11.3%。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與效果分析

為驗(yàn)證其效果，現(xiàn)場(chǎng)選取抽油機(jī)井南4-丁3-139 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別測(cè)試了從1～7 min-1不同沖速下的節(jié)電率（圖6）。通過(guò)圖6 可知，節(jié)電率隨著沖速的增加而逐漸下降，并趨于平緩。低沖速工況下的抽油機(jī)節(jié)能效果明顯，在沖速為3 min-1時(shí)依舊可以保持25%以上的節(jié)電率，說(shuō)明在滿足生產(chǎn)條件的要求下，通過(guò)對(duì)抽油泵間隙漏失規(guī)律的分析來(lái)合理調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖速，可進(jìn)一步降低因沖速過(guò)多而帶來(lái)的能耗增加。

圖6 節(jié)電率隨抽油泵沖速的變化關(guān)系曲線

同時(shí)繪制節(jié)電率隨抽油泵間隙壓差的變化關(guān)系曲線（圖7）。在不同間隙壓差的條件下，抽油機(jī)節(jié)電率隨間隙壓差的增大而減小，但節(jié)電變化幅度較為平緩，在所試驗(yàn)范圍內(nèi)整體變化率不超過(guò)18%。

圖7 節(jié)電率隨抽油泵間隙壓差的變化關(guān)系曲線

綜合分析可知，通過(guò)對(duì)抽油泵間隙漏失規(guī)律的分析，在低沖速和低間隙壓差范圍內(nèi)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，可以有效降低抽油機(jī)的運(yùn)行能耗，從而保證較高的泵效。

5 結(jié)論

1）通過(guò)分析抽油泵實(shí)際作業(yè)時(shí)泵筒內(nèi)的壓力變化規(guī)律對(duì)漏失量的影響，建立了抽油泵間隙漏失量的計(jì)算模型。

2）根據(jù)抽油泵的結(jié)構(gòu)及工作原理搭建了抽油系統(tǒng)的AMESim 仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)的2 個(gè)重要影響因素沖速和壓差進(jìn)行了抽油泵漏失量的規(guī)律探究，得到的各項(xiàng)仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了抽油系統(tǒng)仿真模型的正確性。

3）通過(guò)對(duì)兩種因素的分析，得出間隙漏失規(guī)律：隨著沖速及壓差的增大，漏失量整體均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在保證生產(chǎn)的情況下合理調(diào)節(jié)沖速及抽油泵間隙壓差，可得到較明顯的節(jié)能效果。