潛油電泵高效氣體處理器技術(shù)研究

王建寶，梅 陽，黃志敏，倪小濤，王春亮，李光祥

（1.渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280；2.大港油田第四采油廠（灘海開發(fā)公司），天津 300280）

0 引言

潛油電泵在長期的使用中由于液體中大量氣體的存在，泵體內(nèi)部極易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。當(dāng)氣蝕發(fā)生時電泵運轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)能量場交替變化嚴(yán)重干擾和破壞正常運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致潛油電泵運轉(zhuǎn)的流量曲線、功率曲線、效率曲線嚴(yán)重失常。潛油電泵極易發(fā)生氣蝕的部位是首級葉輪、從旋轉(zhuǎn)方向液體進口靠近葉片的低壓側(cè)及導(dǎo)論低壓側(cè)、曲率較大的前端蓋。

為解決潛油電泵氣蝕及正常有效工作，關(guān)鍵在于提高葉導(dǎo)輪輸送的攜氣能力，本文研究改進型氣體處理器，葉導(dǎo)輪延用原軸流式設(shè)計方案，根據(jù)葉片力學(xué)模型及多次調(diào)整試驗測試，改進后的葉導(dǎo)輪有更高的攜氣能力。在設(shè)計中葉導(dǎo)輪通過進口角度調(diào)整，使液氣混合物進入時基本不產(chǎn)生離心力，即不分離，而是將氣液混合包裹，通過葉導(dǎo)輪軸向舉升流動，將軸面設(shè)計為變徑流線形式，由入口逐漸收縮到出口，使混合液在舉升流動過程中不斷壓縮，析出氣體重新溶入液體，然后進入下一級葉輪，通過多級壓縮輸送，使氣液混合物進入潛油電泵時壓力高于飽和析出壓力，避免了潛油電泵運轉(zhuǎn)氣鎖現(xiàn)象，也減少了氣蝕的發(fā)生。

1 研究方向及目標(biāo)

目前油田現(xiàn)場潛油電泵90%以上配套安裝的為常規(guī)型式氣體處理器，高效氣體處理器技術(shù)研究的目標(biāo)是將氣體處理器處理的液氣比工況從目前的50%左右提升至70%以上，并使氣體處理器及所配套潛油電泵的使用壽命提升15%以上。高效氣體處理器通過對軸流式扭曲葉片改進、葉導(dǎo)輪輪轂的變徑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓縮、反向鎖緊螺母擠壓設(shè)計、導(dǎo)輪的特殊材料選擇、多級導(dǎo)輪間間隙優(yōu)化、葉輪葉片的耐磨及強度硬化、提高潛油電泵及氣體處理器模擬測試系統(tǒng)等方面進行優(yōu)化，使新型的高效氣體處理器可以應(yīng)用到液氣比更高的油井區(qū)塊，也可以進一步提高潛油電泵的工作效率，降低百米能耗。

2 技術(shù)研究方法

通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，第一方面使葉導(dǎo)輪能夠減少對氣液的離心作用，防止葉導(dǎo)輪中的氣液分離；第二方面也造成氣體稀釋于液體當(dāng)中；第三方面由于氣體處理器也采用葉導(dǎo)輪的多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，多級增壓作用的存在，使得氣體含量逐漸減少。通過以上三方面的作用，使得氣液兩相流的流動性如同單相流，使得氣體處理器具備比普通潛油泵更高的攜氣能力。

潛油電泵工作原理是利用葉輪（圖1）的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的推力推動井液，葉片對水產(chǎn)生向上的升力。可把井液從葉輪的入口推到出口，葉輪具有攜氣能力，配合分離器、吸入口使用。氣體處理器中的井液和氣體沿葉輪的軸相吸入、軸相流出，導(dǎo)輪（圖2）整流后繼續(xù)軸向流動。井液和氣體不受離心力的作用，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vr=0，因此氣體處理器具有高的氣體攜帶性能。氣體處理器中軸面流線采用變徑的形式，由入口到出口逐漸收縮，流經(jīng)的氣液受到一定的壓縮，使部分游離出的氣體重新混入井液中，徹底杜絕氣蝕現(xiàn)象發(fā)生（圖3）。

圖1 氣體處理器——葉輪

圖2 氣體處理器——導(dǎo)輪

圖3 葉片力學(xué)模型

3 技術(shù)研究改進措施

（1）葉導(dǎo)輪曲線設(shè)計中葉導(dǎo)輪片的曲線性狀必須保證氣液混合體延軸線為中心的柱面方向流動，徑向不產(chǎn)生離心力，實現(xiàn)氣液充分溶合。將軸面設(shè)計為變徑流線形式，由入口逐漸收縮到出口，使混合液在舉升流動過程中不斷壓縮，析出氣體重新溶入液體，然后進入下一級葉輪，通過多級壓縮輸送，使氣液混合物進入潛油電泵時壓力高于飽和析出壓力。

（2）防止氣體處理器上端鎖緊螺母松動，在以往工況中時常發(fā)生，設(shè)計反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母，對葉輪及軸進行鎖緊固定。

（3）為保證多級葉導(dǎo)輪在軸上的有效固定。在氣體處理器軸的軸下端設(shè)計采用兩半環(huán)結(jié)構(gòu)的承重環(huán)槽，既能有效承擔(dān)葉輪軸向力及軸自重，安裝維修也更加方便。

（4）通過以往氣體處理器現(xiàn)場應(yīng)用情況參數(shù)分析，結(jié)合計算機建模設(shè)計，在改進型高效氣體處理器中將傳動部分與固定部分每級的軸向尺寸壓縮0.08 mm，與單級導(dǎo)輪間壓縮量不變；保證每一級在壓緊的同時，葉輪和導(dǎo)輪間隙不變。

（5）為了提高處理量會加大過流面積，通過減小輪轂尺寸及水力摩擦損失的方式，但同時會降低輪轂的強度，這樣會增加葉片變形量，造成泵效下降、高效區(qū)變小，所以在優(yōu)化設(shè)計時結(jié)合兩方面因素進行考慮。

（6）為提高葉輪葉片耐磨性，設(shè)計上在修改導(dǎo)輪葉片結(jié)構(gòu)的同時用高鎳鑄鐵作為基材，不僅有高的表面硬度及機體強度，沖擊韌性及熱膨脹性也非常優(yōu)良；輪轂增加硬質(zhì)合金扶正，提高耐磨性及使用壽命。

（7）測試臺改進，結(jié)合當(dāng)前各種型號潛油電泵匹配氣體處理器的結(jié)構(gòu)及葉導(dǎo)輪參數(shù)將測試系統(tǒng)最大參數(shù)確定為：泵出口壓力20 MPa，電機功率90 kW，泵長5 m。扭矩傳感器選用高精度、高過載保護的1604-2k 型，特點在于轉(zhuǎn)速范圍大，軸承引起滯留小，抗干擾能力強，允許安裝誤差等優(yōu)點。流量測量選擇型號為Ds300 的Emerson 公司產(chǎn)品，可完成過程流體流量、密度高精度測量，并且可實現(xiàn)液體、氣體及漿液的質(zhì)量流量及密度測量。

4 氣液混合試驗效果

經(jīng)過技術(shù)研究改進后的氣體處理器在廠內(nèi)的測試數(shù)據(jù)中得到驗證。結(jié)合130 型高效氣體處理器測試數(shù)據(jù)，技術(shù)升級后的潛油電泵水平測試系統(tǒng)試驗結(jié)果如圖4、圖5 所示，測試過程中混合氣體量按5%遞增。

圖4 水介質(zhì)下性能曲線

圖5 氣體處理特性曲線

測試結(jié)果表明：由水介質(zhì)下性能曲線可以得出改進后的氣體處理器，其水力性能完全達到預(yù)期研究目標(biāo)；由工作特性曲線可以表明，其處理能力也達到了預(yù)期研究目標(biāo)。若結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用時參數(shù)，高效氣體處理器混合液入口壓力要大于試驗臺流體壓力，可以預(yù)期實際應(yīng)用時高效氣體處理器的使用效果會更好。

5 應(yīng)用前景

2018 年，經(jīng)過技術(shù)研究改進型的高效氣體處理器在冀東油田現(xiàn)場廣泛應(yīng)用，性能得到充分認可。目前大量應(yīng)用在高油氣比海上油井生產(chǎn)中，也陸續(xù)對原有潛油電泵井配置的氣體處理器進行了重新優(yōu)化，更換了效果更好的高效處理器。對勝利油田（含海上）應(yīng)用的近100 套改進型高效處理器的設(shè)計及應(yīng)用情況進行分析得出如下結(jié)論：①潛油電泵的檢修周期從原來的200多天提升至300 天以上；②提高了潛油電泵高含氣井的適應(yīng)性，基本解決氣鎖現(xiàn)象的發(fā)生；③由于高效氣體處理器具有逐級壓縮能力，提高了油井舉升揚程，也提高了潛油電泵組對混合井液的舉升能力；④高效氣體處理器完全可以滿足海上氣液比較高的生產(chǎn)需要。

6 結(jié)語

高效氣體處理器的應(yīng)用可以進一步提高潛油電泵的高效使用區(qū)間，降低潛油泵百米能耗，也使得更高攜氣量的油田區(qū)塊采用潛油電泵采油成為可能，后期還會繼續(xù)改進優(yōu)化產(chǎn)品規(guī)格，進一步擴大應(yīng)用范圍，提高產(chǎn)品市場價值。