潛油電泵油氣分離器性能測試系統(tǒng)研制

于洪英

潛油電泵油氣分離器性能測試系統(tǒng)研制

于洪英

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江大慶163311）①

油氣分離器是潛油電泵的四大部件之一，機械結(jié)構(gòu)簡單，而內(nèi)部流場卻十分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)與分離效率的關(guān)系尚不能從理論上分析，為此研制了潛油電泵油氣分離器性能測試系統(tǒng)。潛油電泵油氣分離器測試系統(tǒng)主要由主體測試裝置、鋼結(jié)構(gòu)托架與支座、氣液測試管路3部分組成，通過測量進入油氣分離器中井液的氣體量以及經(jīng)過油氣分離器分離出來的氣體量，計算出油氣分離器的分離效率。它的成功研制為現(xiàn)有油氣分離器的優(yōu)化以及新型油氣分離器的開發(fā)提供了準確可靠的依據(jù)，是油氣分離器產(chǎn)品質(zhì)量檢驗必不可少的試驗設(shè)備。

潛油電泵；分離器；性能測試；分離效率

油氣分離器是潛油電泵的四大部件之一［1］，機械結(jié)構(gòu)簡單，但因其內(nèi)部進行的是氣液兩相流分離，流體數(shù)學(xué)模型描述十分復(fù)雜，目前還沒有專門針對潛油電泵油氣分離器設(shè)計、試驗、檢驗的標準，也就是其結(jié)構(gòu)與分離效率的關(guān)系尚不能從理論上分析，因而建立一套潛油電泵油氣分離器性能測試系統(tǒng)就尤為重要，油氣分離器性能試驗既能反應(yīng)現(xiàn)有產(chǎn)品性能的優(yōu)劣，又能指導(dǎo)新產(chǎn)品的設(shè)計方向。國內(nèi)曾做過油氣分離器實驗裝置的共有4家：大慶油田采油工藝研究院、哈爾濱工程大學(xué)、西南石油大學(xué)［2］、海默科技有限公司。前3家科研院所雖然曾經(jīng)研制過此類裝置，但因為各種原因荒廢或損壞，海默科技公司的高性能油井測量裝置是一種高效分離式、具有高測量準確度的油井測量裝置，不適用于油氣分離器這樣一個低壓小排量的室內(nèi)性能測試。因此市場上沒有正在使用或銷售的成型試驗設(shè)備可供選擇。為了對氣液兩相流流體有更詳盡的認識，更有效地開展油氣分離器工作機理研究，大慶油田力神泵業(yè)有限公司開展了潛油電泵油氣分離器性能測試系統(tǒng)研制項目。潛油電泵油氣分離器性能測試系統(tǒng)的成功研制，為現(xiàn)有油氣分離器的優(yōu)化以及新型油氣分離器的開發(fā)提供了準確可靠的科學(xué)依據(jù)，是油氣分離器產(chǎn)品質(zhì)量檢測必不可少的試驗設(shè)備。本文論述了潛油電泵油氣分離器性能測試系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、測試工藝及試驗效果等方面問題，通過這些論述為不同油氣比和不同工況條件下改進和設(shè)計新型高效油氣分離器提供依據(jù)和方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出適合我國油田實際開發(fā)需要的新型油氣分離器。

1　工作原理

潛油電泵油氣分離器的主要作用就是將井液中含有的氣體分離出來，檢驗其分離效果的參數(shù)即為油氣分離器的分離效率，通過分別測量進入與流出油氣分離器中井液的氣體量，即可計算出所測量油氣分離器的分離效率。

油氣分離器性能測試系統(tǒng)的原理是通過測量進入油氣分離器中井液的氣體量以及經(jīng)過油氣分離器分離出來的氣體量，計算出油氣分離器的分離效率［3-4］。

1．1 液體單相流

測試參數(shù)包括：注水后運行前，入口壓力pi0；出口壓力po0。運行時，排量Q；入口壓力pi；出口壓力po。揚程H為

1．2 氣液兩相流

測試參數(shù)包括：室溫t；注水后運行前，入口壓力pi0及出口壓力po0；運行時，分離器入口壓力pi、出口壓力po。

氣體分離效率ηs

氣體體積分數(shù)φ

式中：Qw為運行時水流量，m3／s；Qgi為注氣流量，m3／s；Qgo為分離出氣體流量，m3／s。

2　油氣分離器性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

潛油電泵油氣分離器測試系統(tǒng)［4］主要由主體測試裝置、鋼結(jié)構(gòu)托架與支座、氣液測試管路3部分組成。總體設(shè)計如圖1所示。

圖1　總體設(shè)計示意

2．1 主體測試裝置

主體測試裝置主要由電機、聯(lián)軸器、傳感器、止推室、混流接頭總成、出氣接頭總成、出水接頭總成等組成，如圖2所示。電機提供相應(yīng)的動力；導(dǎo)流防漏裝置的設(shè)計目的在于阻止液體泄漏到電機，破壞電機的性能；混流接頭總成用于分離器入口處的密封及導(dǎo)流；出氣接頭總成用于分離器氣體出口處的密封及導(dǎo)流；出水接頭總成用于收集未分離的氣液混合物，即實際當中進入泵的混合流體；電機與轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器與止推室，止推室與導(dǎo)流防漏裝置之間均有聯(lián)軸器連接。止推室與導(dǎo)流防漏裝置采用一體化設(shè)計。

圖2　主體測試裝置

2．2 鋼結(jié)構(gòu)托架與支座

鋼結(jié)構(gòu)托架與支座起固定主體測試裝置的作用；支架由支撐板總成、傳感器總成，支撐體總成等構(gòu)成，鋼架構(gòu)支架三維總成如圖3所示。

圖3　鋼架構(gòu)支架三維總成

2．3 氣液測試管路

氣液測試管路采用單向設(shè)計，氣源由空氣壓縮機提供，管路采用普通鋼管。根據(jù)管內(nèi)需要通過的最大流量，計算出管子內(nèi)徑和介質(zhì)流速，根據(jù)介質(zhì)和工藝條件確定管子的壁厚。為了同時滿足壓力和排量的要求，采用離心泵供液。

整個測試系統(tǒng)由儲水罐供液，由空氣壓縮機供氣，通過閥門調(diào)節(jié)接入流量。液、氣通過各自的管路進入實驗樣機中，經(jīng)過分離器的作用，在油氣分離器的分離接頭處氣體和液體通過不同的流道分別流出，液體通過流量計返回儲水罐循環(huán)利用，氣體通過氣體流量計排空，循環(huán)管路如圖4所示。

圖4　循環(huán)管路

試驗過程中，氣體由圖示A管路進入試驗管路，液體由圖示B管路進入試驗管路，兩者在試驗樣機的入口端進入試驗樣機中，經(jīng)過試驗樣機分離作用，分離出后的氣體經(jīng)二次分離，氣體由C管路計量并排出，剩余的液體由D管路回到儲水罐中。經(jīng)分離器分離后的液體由出液口進入E管路，再進行二次分離，分離后的氣體由F管路排出，液體由E管路回到儲水罐中。在各個管路上裝有對應(yīng)的流體測量儀器，測量出進入試驗樣機前的氣體、液體量，以及經(jīng)過試驗樣機后分離出的氣體量，即可得出此分離器試驗樣機的分離能力，即分離效率。

3　測試工藝

3．1 液體單相流

1） 將分離器安裝在分離器測試裝置上，將進水管線、出水管線、出氣管護蓋、測試儀器、水箱等進行連接，構(gòu)成水循環(huán)管路。

2） 打開所有儀表供電，檢查儀表是否正常。

3） 檢查完畢后，打開供水閥門及回水閥門，讓水進入分離器，并檢查水循環(huán)管線的密封情況。

4） 連接分離器測試裝置電機電源，按照轉(zhuǎn)向要求調(diào)整電機轉(zhuǎn)向，準備啟動機組。

5） 啟動機組，觀察流量表，調(diào)整回水閥門確定運行排量后，讓機組運行10～20min。

6） 按照排量范圍，確定測量點，進行逐點測量，記錄各測試數(shù)據(jù)。

7） 試驗完成后，按需要對水循環(huán)管線進行整理，關(guān)閉試驗用所有電源，并整理各儀表。

8） 將測試數(shù)據(jù)錄入計算機，進行整理分析。

3．2 氣液兩相流

1） 將分離器安裝在分離器測試裝置上，連接水箱出水口、水泵、進水管線、分離器進水口、分離器出水口、出水管線、水箱進水口，構(gòu)成水循環(huán)回路；連接進氣管線、分離器出氣孔、出氣管線，構(gòu)成氣循環(huán)回路。

2） 打開所有儀表供電，檢查儀表是否正常；打開供水閥門及回水閥門，檢查水循環(huán)管線的密封情況；打開排氣閥進行排氣，無問題后，準備啟動機組。

3） 啟動水泵，觀察各儀表顯示是否穩(wěn)定，各測試人員就位，準備測量。

4） 按照排量范圍，確定測試點，準備注氣。

5） 按照排量，確定初次注入氣體量，打開截止閥逐漸增加注氣量進行測量，并逐點測量。

6） 測驗完成后，按需對水循環(huán)管線及注氣管線進行整理，關(guān)閉試驗用所有電源，并整理各儀表。

7） 將測試數(shù)據(jù)錄入計算機，進行整理分析。

4　測試結(jié)果

2014年在太倉試驗基地利用分離器性能測試系統(tǒng)進行渦旋分離器的性能測試，圖5～7為試驗曲線圖，測試結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用效果基本一致，達到了設(shè)計要求。圖5為渦旋分離器水介質(zhì)條件下?lián)P程排量曲線，圖6為渦旋分離器氣液兩相條件下體積分數(shù)排量曲線，圖7為渦旋分離器氣液兩相條件下分離效率排量曲線。

圖5　渦旋分離器水介質(zhì)測試曲線

圖6　渦旋分離器氣液分離氣體體積分數(shù)曲線

圖7　渦旋分離器氣液分離效率曲線

5　結(jié)論

渦旋分離器的測試結(jié)果與應(yīng)用效果一致，表明油氣分離器性能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及測試工藝基本正確，可以用于油氣分離器及其相關(guān)部件的性能檢測。潛油電泵油氣分離器性能測試系統(tǒng)的成功研制，有助于加深對分離器氣液兩相流理論的理解。通過對分離器分離效率測試，對其水力性能以及氣體處理能力有了量化的了解，在分離器的設(shè)計及應(yīng)用中起到重要的參考作用，將加快油氣分離器研究的步伐，拓寬潛油電泵的應(yīng)用范圍。

［1］ 梅思杰，邵永實，劉軍，等．潛油電泵技術(shù)（上冊）［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2004：113-143．

［2］ 莫麗，劉清友，楊建忠，等．井下油氣分離器試驗裝置設(shè)計［J］．石油礦場機械，2005，34（2）：37-39．

［3］ 趙永武，董靜宇，都凱．潛油電泵油氣分離器應(yīng)用條件試驗研究［J］．石油礦場機械，2013，42（5）：73-75．

［4］ 韓洪升，王卓，司明林，等．聚并等流油氣分離器優(yōu)化試驗［J］．石油礦場機械，2013，42（10）：48-51．

Property Test System Research of Oil-gas Separator in ESP System

YU Hongying
（Daqing Oilfield Powerlift Pump Industry Co．，Ltd．，D aqing163311，China）

Oil and gas separator is one of the four parts of ESP．Though itsmechanical structure is sim ple，the internal flow field is complex．The relationship between the structure and the separation efficiency can’t be solved theoretically．Therefore the project of property test system research of oilgas separator in ESP System had been carried out．Property test system of oilgas separator ismainly composed of three parts：body test device，steel bracket and pedestal，gasliquid testline．The separation efficiency of oilgas separatoris calculated bymeasuring the quantity ofliquid inlet and gas outlet．It provides accurate and reliable scientific data for the optimization of the existin goilgas separator and the development of new type of oilgas separator，and it is the basis equipment for property test of oilgas separator in ESP system．

ESP；oil gas separator；property test；separation efficiency

TE933．3

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．016

10013482（2015）03006804

①2014-08-24

于洪英（1977-），女，遼寧鐵嶺人，工程師，碩士，主要從事潛油電泵采油設(shè)備的設(shè)計，Email：yuhy1＠cnpc．com．cn。