潛油電泵用單流閥的沖蝕研究

韓錫鵬，張立軍，王錦程，謝文獻

（1.中國石油大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島266580；2.中石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東東營257051）①

潛油電泵用單流閥的沖蝕研究

韓錫鵬1，張立軍1，王錦程2，謝文獻2

（1.中國石油大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島266580；2.中石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東東營257051）①

針對潛油電泵機組中單流閥常出現(xiàn)的沖蝕問題，采用Solid w orks三維建模軟件，建立單流閥仿真模型，并用W orkbench Fluent對其進行流場分析。研究結(jié)果表明，在現(xiàn)有參數(shù)下，單流閥變徑處含沙井液的紊流速度高達2.924 m／s，加之腐蝕作用，致使單流閥刺漏。在此基礎(chǔ)上，提出了單流閥的改進結(jié)構(gòu)，防沖蝕效果得到明顯改善。

單流閥；沖蝕；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)

在潛油電泵機組［1］配套組件中單流閥通常安裝在泵的出口處，用于防止停泵時油管內(nèi)的液體回流，引起機組反轉(zhuǎn)，同時減輕電泵的啟動負荷，以防啟動時損壞機組。根據(jù)勝利油田某采油廠提供的數(shù)據(jù)，2010年以來，單流閥、油管螺紋刺漏共23口井，其中：單流閥刺壞9口井，單流閥連續(xù)二次刺壞的油井6口，單流閥刺壞并有腐蝕現(xiàn)象的油井5口，單流閥刺壞并有出砂現(xiàn)象的油井2口。統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1。

表1 電泵井單流閥和油管螺紋刺漏井次統(tǒng)計

從拆檢結(jié)果看，單流閥刺損主要表現(xiàn)在流速較高的球座上部0～40 m m處、擋板上部0～55 m m處及單流閥下部倒角處明顯刺壞，球座、球、擋板完好，如圖1所示。本文采用數(shù)值模擬方法分析單流閥刺漏的原因，并提出改進建議。

圖1 單流閥刺漏形態(tài)

1 沖蝕原因及危害

井下高壓流體及砂粒經(jīng)油管進入單流閥，對單流閥產(chǎn)生劇烈沖擊［2］。由于單流閥截面面積的變化，根據(jù)流體力學(xué)連續(xù)性方程［3-4］可知，在球座上部、單向閥螺紋處隨著截面面積的變小，而入口的流量不變的情況下，流體的速度將變大；在單向閥螺紋處出現(xiàn)紊流。層流時，在沿管道截面有一種穩(wěn)態(tài)的速度分布，由于流體黏性的存在，流速在管中心處最大，其近壁處最小。紊流時，破壞了這種穩(wěn)態(tài)速度分布，這不僅加速了腐蝕劑的供應(yīng)和腐蝕產(chǎn)物的遷移，而且在流體與金屬之間產(chǎn)生切應(yīng)力，使得單向閥螺紋處的保護膜被剝落，露出活性金屬表面，使得該處內(nèi)外構(gòu)成原電池，進一步加速腐蝕。砂粒的沖擊也會使裸露的新鮮金屬表面發(fā)生塑性變形或者產(chǎn)生微裂紋，使之處于高能區(qū)，在原電池中成為陽極區(qū)；H2S、C O2等腐蝕性物質(zhì)使金屬不斷以離子的形式融入流體，進一步加劇了腐蝕。隨著流體流動速度增加，腐蝕速率也隨之增加。在力學(xué)、化學(xué)、電化學(xué)的聯(lián)合作用下，加速了沖蝕過程，最終導(dǎo)致單流閥刺漏。

單流閥刺漏后，原油開采效率降低。停泵時，油管內(nèi)的液體回流，會引起機組反轉(zhuǎn)，同時增加了電泵的啟動負荷，啟動時易損壞機組。停機后管柱內(nèi)的砂和雜質(zhì)就會沉入到泵的葉輪中，在下次開機時發(fā)生失效。離心泵含砂量過大會導(dǎo)致砂卡，使機組過載停機、斷軸、機組落井。最終導(dǎo)致整個油井癱瘓，對生產(chǎn)造成巨大損失。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 仿真模型建立

勝利油田某采油廠所用單流閥主要由球、球座擋板及殼體組成，對單流閥結(jié)構(gòu)簡化后，在Solid-W orks中直接建模，分析模型如圖2所示。

圖2 單流閥結(jié)構(gòu)及實體模型

2.2 網(wǎng)格劃分

將上述模型導(dǎo)入W orkbench Fluent后，在單流閥內(nèi)部填充流體，對流體域進行網(wǎng)格劃分［5］，單流閥流場網(wǎng)格劃分如圖3所示，共劃分171 818個網(wǎng)格，網(wǎng)格最大扭曲率≤0.8，絕大部分網(wǎng)格的最大扭曲率在0.2～0.5，能較好地滿足C F D計算要求。

圖3 單流閥流場網(wǎng)格劃分

2.3 控制方程和邊界條件

考慮到單流閥內(nèi)液體流動的特點，選用多相流模型中的歐拉模型，控制方程用雷諾數(shù)時均N-S方程，采用標準k-ε模型［6-7］。流體介質(zhì)為原油，油田原油密度為908.2 kg／m3，動力黏度為1.057×10-3Pa·s。計算中單流閥內(nèi)部無熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。邊界區(qū)域采用標準壁面函數(shù)來計算近壁面網(wǎng)格上的各物理量。非金屬顆粒取為砂粒，并假設(shè)：砂粒成分為SiO2，密度為2 000 kg／m3，粒子形狀為球形，取其半徑為100μm；砂粒具有很好的跟隨流動特性；電泵始終處于同一工作狀態(tài)；砂粒沖蝕在涂層不同位置所形成的損傷相互獨立。單流閥進口邊界采用velocity-inlet條件，出口采用pressure-outlet條件。采用sim ple算法迭代求解。

2.4 求解結(jié)果及分析

首先對常見液量為250 m3／d，含沙量為0.3‰時的狀況進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 單流閥流場速度矢量

由圖4可以看出，單流閥下部倒角處存在渦流現(xiàn)象，該處易刺壞。而在螺紋位置處形成渦流，砂粒沖擊速度約為2.924 m／s，高于沖蝕臨界速度［8］（2.133 6 m／s），井液在高流速下，在砂粒與金屬之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，將金屬表面防腐蝕層破壞，最終導(dǎo)致單流閥刺漏。

為了進一步分析含沙量和液量對單流閥速度的影響，又對液量250、270、300 m3／d，含砂量為0‰、0.1‰、0.2‰、0.3‰時的狀況進行數(shù)值模擬分析，計算結(jié)果如表2所示。

表2 單流閥在不同流量和不同含砂量時的最大速度比較

由表2可知，在相同含砂量的情況下，隨著液量的增大，流體流速增大；在相同液量下，隨含砂量的增大，流體流速逐漸增大，說明液量越大、含砂量越大，沖蝕程度越大。

3 結(jié)構(gòu)改進

3.1 方案

通過前面分析可知，要減少單流閥的刺漏，可以從2個方面對單流閥進行改進。①提高單流閥本身材質(zhì)的強度、硬度，將單流閥材質(zhì)由45#鋼改為35Cr M o或40Cr材質(zhì)合金鋼［9］，增加耐磨性，降低沖蝕程度；②將單流閥加長，避免流體對螺紋的直接沖蝕，提高使用壽命，如圖5所示，這種改進方法所需成本較低。

圖5 改進前、后的單流閥結(jié)構(gòu)示意

3.2 改進后單流閥沖蝕的數(shù)值模擬

對加長后的單流閥進行建模，按照同樣的方法在W orkbench Fluent中進行流體流場分析。單流閥改進后的模型如圖6所示，流場速度分布如圖7所示。

由圖7可知，單流閥改進之后在螺紋位置處砂粒沖擊速度明顯降低，約為1.022 m／s，低于沖蝕臨界速度，一定程度上減小了沖蝕的程度。同時由于加長了單流閥的長度，改變了沖蝕位置（由原來的對螺紋的沖蝕變成了對殼體的沖刷）。因此，避免了螺紋處的渦流現(xiàn)象，提高了單流閥的使用壽命。

改進后的單流閥在勝利油田某井進行了現(xiàn)場應(yīng)用。現(xiàn)場使用1 000 d之后，未出現(xiàn)單流閥刺壞的油井，通過現(xiàn)場拆檢未發(fā)現(xiàn)螺紋處出現(xiàn)刺壞，單流閥內(nèi)部無明顯的沖蝕現(xiàn)象。說明改進后的新型單流閥具有很好的防沖蝕效果，滿足現(xiàn)場使用要求。

圖6 改進后單流閥模型

圖7 改進后單流閥流場速度矢量

4 結(jié)論

1） 簡述了單流閥的沖蝕與腐蝕現(xiàn)狀及單流閥的刺漏形態(tài)，并指出高流速和高含砂量的液體沖刷是導(dǎo)致單流閥沖蝕刺壞的重要原因。

2） 通過對單流閥內(nèi)部流體域進行Fluent分析可知，在單流閥螺紋位置處，含砂油氣混合井液的速度可高達2.924 m／s，高于沖蝕臨界速度（2.133 6 m／s），同時渦流的影響加速了該處的刺漏。

3） 對單流閥的結(jié)構(gòu)進行改進后，單流閥螺紋位置處流速明顯降低（約為1.022 m／s），已低于沖蝕臨界速度，避免了螺紋處的渦流現(xiàn)象，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著。

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Erosion Research on Single Flow Valve of Electrical Sub mersible Pum p Unit

H A N Xi-peng1，Z A H N G Li-jun1，W A N G Jin-cheng2，XIE W en-xian2
（1．College of Electromechanical Engineering，China University of Petroleu m，Qingdao266580，China；2．Shengli Oil Production Plant，Shengli Oilfield Com pany，SI N O P E C，Dongying257051，China）

Aiming at the erosion problems of single flow valve in electrical sub mersible pu m p units，the single valve sim ulation m odel was established by means of Solid W orks 3D m odeling software，and the flow field of single valve is analyzed by means of W orkbench Fluent software.T he research results show that the speed of turbulent flow with sand reaches 2.924 m／s at the place of changed diameter，co m bined with the corrosion effect，and the single flow valve leakage.T herefore，im proved structure single valve is proposed，and anti-erosion effect is im proved greatly.

single flow valve；erosion；nu merical sim ulation；structure

T E933.307

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.019

1001-3482（2014）08-0085-03

2014-02-09

韓錫鵬（1989-），男，山東青島人，碩士研究生，主要從事潛油電機技術(shù)研究，E-mail：jackiehan89＠163.co m。