Sop-PGP 氣體處理器結構設計研究

付俊宏，于繼林，王 寶

（1.長慶油田分公司物資供應處，陜西西安 710018；2.渤海裝備鉆采裝備銷售公司，天津 300280）

0 引言

潛油電泵的應用為快速開采石油提供了一個有效途徑，但由于氣體影響使潛油電泵的應用受到限制。石油是一種復雜的碳氫化合物的混合物，在井下高溫、高壓狀態下，以油、氣、水三相混合的狀態存在。當受到其他因素影響使環境壓力低于泡點壓力時，氣體就從原油中游離出來，以游離氣體的方式存在。

為解決現有潛油電泵油氣分離器分離效果差，使用范圍小，氣蝕和氣鎖泵嚴重，揚程和壓力損失大的問題，需要研制具有高攜氣能力的潛油電泵氣體處理器。避免發生氣蝕和氣鎖，保證泵高效運行，延長泵的使用壽命，并盡可能利用氣體，提高潛油電泵采油能力，擴大潛油電泵應用范圍。

1 技術研究方法及原理

應用環境決定了Sop-PGP 系列氣體處理器具有類似潛油泵的外形；它的處理對象性質決定了它的具體結構；與油氣分離器完全相反的設計理念使它成為一種新的泵類產品。

井液中氣體的逸出是因環境發生變化，當壓力低于同溫時的泡點壓力，氣體就會逸出。潛油泵運轉時，井液壓力沿著泵入口到葉輪入口而下降，在葉片入口井液壓力最低。此后由于葉輪對液體做功，液體壓力很快上升。當葉輪葉片入口附近的壓力低于泡點壓力時，溶解在井液中的氣體逸出，形成許多氣泡，氣化的區域阻礙了液體流動，限制了泵的排量。當氣泡隨液體流到流道內壓力較高處時，由于此時壓力高于泡點壓力，氣泡急劇凝結消失。因氣泡的消失產生局部真空，周圍液體就以極高速度沖向氣泡中心，瞬間產生極大的局部沖擊力，局部溫度驟升，造成葉輪氣蝕，并且使泵產生振動，發出噪聲。

潛油泵發生氣蝕時，葉輪內井液的能量交換受到干擾、破壞，表現為流量—揚程曲線、流量—功率曲線、流量—效率曲線下降。潛油泵最易發生氣蝕的部位:①第一級葉輪；②葉輪曲率最大的前蓋板處，靠近葉片進口邊緣的低壓側（從旋轉方向看）；③導輪的靠近進口邊緣低壓側。

解決潛油泵氣蝕產生的關鍵是提高葉輪的攜氣能力，氣體處理器的葉導輪采用軸流式設計，有較好的攜氣能力。當井液進入葉輪，沒有離心力的作用，液體和氣體不會分離，液體將氣體包裹起來。因葉輪的軸向舉升而向上運動，葉輪的軸面流線采用變徑形式，由入口到出口逐漸收縮，流經的氣液受到壓縮，使部分游離出的氣體重新溶入井液，通過導輪整流進入下一級葉輪。通過氣體處理器多級葉導輪的遞送，井液中的氣體含量逐漸減少，進入潛油泵的井液含氣量更少且壓力高于泡點壓力，避免了氣蝕或氣鎖的發生。當井液通過潛油泵加壓，進入油管時，在流動過程中，壓力逐漸減小，當低于泡點壓力時，大量氣泡逸出，起到氣舉作用，加快井液舉升。

2 解決的關鍵技術及創新點

2.1 葉導輪材料的選擇

氣體處理器安裝在潛油電泵下面，井液經過氣體處理器后進入潛油泵。井液成分復雜，通常具有腐蝕性，因此葉導輪的材料應當具有耐腐蝕性，這樣才能保證氣體處理器的水力性能及使用壽命。此外，井液中通常含有顆粒狀物，不可避免會磨蝕葉導輪；在正常運轉下，葉輪始終處于高速旋轉狀態，導輪與軸套之間也處于高速摩擦。葉輪、導輪及與之配合的各零件之間的結構參數必須保證變化極小，才能保證泵的正常運轉，這對葉導輪的材料又提出了另一要求，即要有高的強度、硬度、沖擊韌性及低的熱鼓脹性。

通過比較發現，用高鎳鑄鐵作為葉導輪的材料是最佳選擇。高鎳鑄鐵的主要成分是無磁性的奧氏體鐵，不僅具有高的強度及硬度，而且其沖擊韌性及熱鼓脹性都很好。此外，高鎳鑄鐵與普通鑄鐵相比，在相同的硬度、強度和組織時更易于加工。

2.2 設計反向旋轉鎖緊螺母

在氣體處理器軸的上端設計反向旋轉鎖緊螺母，對葉輪及軸進行鎖緊固定。采用反向旋轉鎖緊螺母，在葉輪旋轉時，可以防止鎖緊螺母松動。

2.3 設計環槽采用兩半環結構承重

在設計氣體處理器軸的下端設計承重環槽，采用兩半環結構，用以承擔葉輪軸向力及軸自重，保證多級葉輪在軸上的固定。

2.4 葉導輪設計

葉導輪的設計是氣體處理器設計的關鍵。氣體處理器葉導輪葉片的曲線形狀，要保證葉輪中井液的流向是在以軸線為中心的柱面方向，徑向分速度為零。為實現氣體溶入液體，葉輪輪轂柱面采用曲線變徑的形式。由入口到出口逐漸收縮，使氣液混合的井液進入葉輪后，獲得一定的速度沿軸向旋轉的同時被壓縮，使部分游離出的氣體重新混入井液中。根據輸出功率、流量及轉速，應用計算流體動力學（CFD）軟件研究葉片內特性——紊流流場對葉片水力性能的影響，定出葉片的參數并計算水力效率。

2.5 導輪壓緊量的計算

氣體處理器的葉導輪采用多級串連方式，以及整體壓緊式結構，即通過對葉輪輪轂的擠壓，使葉輪相對軸的位置固定。葉輪、軸及相應的配合部分成為一個整體——轉動部，葉輪所受軸向力將通過軸傳遞出去，而不是通過葉輪與導輪的接觸傳遞給導輪；導輪、殼體及接頭等也通過擠壓成為另一個整體——固定部；每一級葉輪與導輪之間的間隙保持相同，在氣體處理器正常運轉時，葉輪與導輪不接觸。這種結構可以使葉導輪在井液沖擊下不易存砂，減少葉輪、導輪間磨損。但由于擠壓，葉導輪的結構參數將發生變化，合理設計葉導輪相關參數及壓縮量成為實現氣體處理器壓緊式結構的關鍵。

通過結構參數設計，將轉動部相對于固定部每級軸向尺寸減少0.08 mm，與單級導輪壓縮量相同。這樣轉動部壓緊和固定部壓緊的軸向減少量相同，在保證壓緊的同時，使每一級葉輪與導輪間隙相同。

2.6 氣體處理器最大排量的計算

氣體處理器的最大排量直接影響使用范圍，最大排量取決于泵的轉速、葉輪直徑和輪轂直徑。受潛油電泵和油井尺寸限制，泵的轉速、葉輪的直徑基本固定；縮小輪轂的尺寸，可以加大過流面積，減小水力摩擦損失；但是，輪轂過小會增加葉片的扭曲，容易造成葉輪進、出口處的二次回流，使泵效下降，高效區變窄。同時，輪轂過小直接降低葉輪強度。計算出系列氣體處理器最大排量為1200 m3/d。

2.7 防砂氣體處理器設計

當井液中的含砂量較大時，砂粒對處理器的性能將產生極大影響。砂粒的沖擊會造成處理器的嚴重磨損，葉片磨損會直接改變處理器的水力性能；當軸套與導輪輪轂的配合處被磨損后，轉動部（主要包括軸、葉輪、軸套等）的扶正被破壞，動平衡也被破壞，處理器的整體性能將直線下滑，處理器使用壽命會嚴重縮短。如果能夠保證扶正不被破壞，氣體處理器的運轉就會很平穩，砂粒對氣體處理器的影響就會下降。因此在普通氣體處理器基礎上，改變導輪輪轂的結構設計，增加硬質合金扶正，使氣體處理器在含砂工況下也能正常運轉。

3 結論

Sop-PGP 氣體處理器的應用，可以減少氣體對泵性能的影響，保證泵高效運行，增加泵的壽命。通過增加壓力差提高油產量，使油井更經濟，也增加了油田區塊可開采儲量，延長了油田經濟壽命。

Sop-PGP 氣體處理器的應用必將擴大潛油電泵應用范圍，以往因含氣量高而無法采用潛油電泵進行開采的油井，應用高攜氣潛油電泵機組使電泵采油變為可能。擁有潛油電泵氣體處理器，將豐富產品種類，擴大產品應用范圍，提高公司市場競爭力。