基于Flow Simulation的抽油桿扶正器對螺桿泵揚程影響規律數值模擬研究

富源

（大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）

0 引言

螺桿泵是一種漸進式容積泵，理論上它的排量和揚程與泵的轉速有關，泵的轉速越快，排量越大，揚程越高。在螺桿泵采油系統中，為防止抽油桿旋轉對油管的偏磨，減少泵的功率損失，抽油桿上安裝了抽油桿扶正器。目前抽油桿扶正器有很多結構形式，但對扶正器的研究僅限于其耐磨性能和延長使用壽命以及抽油桿數量的分布的研究，抽油桿扶正器對螺桿泵揚程的影響規律的研究目前還沒有相應的資料和試驗數據［1］。

抽油桿扶正器對螺桿泵揚程的影響規律的研究有重要的意義，一方面，通過試驗的方法找出扶正器對泵揚程的影響程度并進行量化，可以提升我們以及用戶對螺桿泵的性能規律和現場應用的認識水平；另外一方面，找出扶正器對泵揚程的影響規律后，我們可以對扶正器的結構進行優化設計，使扶正器對泵的排量和揚程的負面影響降至最低，從而提高螺桿泵在油田使用的效果［2］。

由于現場實驗費用大，并且會耽誤實際生產，并且對于測試工具的精度要求高，再加上井筒中的環境復雜，影響條件多，所以比較經濟并且較準確的方法是使用有限元軟件模擬［3］。本文使用DS公司所出品的SolidWorks 2013中的Flow Simulation流體分析插件對于抽油桿扶正器進行了三維建模，并進行了流體分析，對于抽油桿扶正器對于螺桿泵揚程的影響做出了初步的分析。

1 軟件介紹

SolidWorks Flow Simulation軟件是強大的CFD（計算流體力學）工具，可以快速而輕松地仿真流體流動、熱傳遞和流體作用力。它可以檢查和優化復雜的流動，降低設計中出現過熱現象的風險，優化PCB和電子元件的熱性能，預測和優化工作環境中的氣流和舒適性參數，使用功能強大且直觀的結果可視化工具獲得極具價值的分析信息。

2 模型建立

在進行流體分析之前，首先對要油管、抽油桿和扶正器進行3D建模。建模時完全對應目前現場所使用的零件，采用1：1建模。其次還要確定工況，為了分析的準確性選擇了4種工況進行模擬，4種工況分別為：1）278油管，3/4抽油桿，卡箍式扶正器；2）278油管，5/8抽油桿，卡箍式扶正器；3）278油管，7/8 抽油桿，柱狀扶正器；4）312油管，118抽油桿，柱狀扶正器。

使用三維CAD軟件SolidWorks 2013分別對于各種工況進行建模，建模后的情況如圖1～圖4所示。

圖1 工況1三維圖

圖2 工況2三維圖

圖3 工況3三維圖

圖4 工況4三維圖

需要指出的是，由于模型的建立，只繪制出了會影響模擬結果的部分，所以對扶正器的建模中并未繪制出其螺紋等內部細節部分。

3 Flow Simulation數值模擬和結果

使用Flow Simulation流體有限元分析軟件進行流體分析之前，必須先確定各工況下的各種邊界條件。由于實際生產中井下工況十分復雜，邊界條件沒有辦法做到完全相同，所以想模擬扶正器對于螺桿泵揚程的影響，需要確定主要的條件，要對于其它次要條件進行適當的忽略，所以各邊界條件如下［4］：1）模擬所使用的液體為水；2）液體所接觸的壁的粗糙度為0；3）入口壓力為1.5×105Pa；4）出口流量為 200 mL/s；5）轉速為 100 r/min。

在以上條件下將流體所流經的環空進行精細網格劃分，然后進行流體模擬，并將流體的軌跡線同時繪制，最后得出的結果如圖5～圖8所示。

圖5 工況1的壓力和流跡變化

圖6 工況2的壓力和流跡變化

對于各種工況的模擬情況可以很直觀地從上面的壓力和液體流跡變化圖中看出來。從最終的模擬數據上可以看出，由于柱狀扶正器的外形設計多采為流線型，所以實際上跟卡箍式扶正器相比并沒有太大的區別［5］。各種工況下揚程的損失如表1所示。

圖7 工況3的壓力和流跡變化

圖8 工況4的壓力和流跡變化

假如深為1 000 m的油井，每根都裝上扶正器，揚程最大下降為

通過計算結果可以看，單個抽油桿扶正器對于螺桿泵揚程的影響還是很小的。

表1 各工況下壓力降低表

4 結論

1）單個抽油桿扶正器對于揚程的降低的效果，通過有限元模擬計算一般不超過40 Pa。

2）卡箍式扶正器和柱狀扶正器對于揚程的影響差不多。

3）抽油桿和油管之間環空面積越大，扶正器對于揚程的影響越小。

［1］ 湯珂，段夢蘭，張新虎，等.基于CFD的管匯非慣性水動力系數計算［J］.石油礦場機械，2014，43（3)：34-37.

［2］ 賀禮清.工程流體力學［M］.北京：石油大學工業出版社，2003：130-133.

［3］ 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004：64-68.

［4］ 曹廣勝，孫海歐，劉銀慶，等.聚合物驅抽油機井扶正器對懸點載荷的影響［J］.大慶石油學院學報，2005，32（3）：53-58.

［5］ 李兆敏，王淵，張琪.賓漢流體在環空中流動時的速度分布規律［J］.石油學報，2002，23（2）：87-91.