變速率驅動特征下的抽油泵球閥運動行為分析

劉洪斌 王遼 段志剛 李偉 李傳杰 朱天際

1.西南石油大學機電工程學院；2.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院

游梁式抽油系統由于結構簡單、適應能力強、易于維修、經濟耐用等優點，是機械采油方式的主要設備，在國內外眾多油田中仍是首選。但其幾何固有特性與常規驅動方式(即曲柄做勻速圓周轉動)會使游梁式抽油系統在工作過程中存在系統效率偏低等多種問題。因此在驅動方法上提出抽油機柔性控制運轉技術。該技術是一種合理變速驅動技術，主要特征是通過電動機的合理變速來改善整個抽油系統的運動過程，從而延長其使用壽命，減少損耗，提高抽油效率，因此被國內各大油田廣泛使用［1-5］。目前分析變速驅動技術的方向主要集中在電機扭矩、減速箱扭矩和懸點載荷上。筆者分析了變速驅動下固定閥閥球的運動受力規律，評價變速驅動的合理性，從而得到柔性控制運轉技術的特點。

1 固定閥開啟壓力分析

抽油泵泵閥的開啟是泵正常工作的重要前提之一。上下沖程開始后，隨著柱塞的上下行運動，泵內壓力會隨之降低或增加，在泵閥閥球上下截面的壓差克服閥球的重力后，抽油泵泵閥便能夠開啟。泵閥閥座根據結構形式可分為3類：不完全研合式結構、帶護錐式結構和圓倒角式結構（圖1）、帶護錐式結構和圓倒角式結構。

圖1 不完全研合式閥座結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of incompletely ground valve seat structure

泵閥閥球所受向上的井底液體作用力［6-7］為

式中，P為井底液體的作用力，N；d1為研合弧下端橫截面的直徑，mm；p1為研合密封弦以下閥球受到的液體壓力，MPa；d2為研合弧上端橫截面的直徑，mm；p2為研合密封弦以上閥球受到的液體壓力，MPa。

若不考慮閥球慣性力造成的影響，泵閥開啟壓差的計算公式為

式中，Δp為泵閥開啟壓差，Pa；G為閥球重力，N。

對于固定閥，根據泵閥閥球的靜力平衡條件可得固定閥開啟時泵內流體壓力為

式中，pos為泵閥開啟時泵筒內流體壓力，Pa；ps為泵吸入口壓力，Pa；Δpos為固定閥開啟壓差，Pa。

2 流速對固定閥球受力的影響特性

固定閥開啟后，井底流體開始被吸入泵筒內。假設固定閥閥球沿閥座中心線做直線運動，根據其受力平衡條件建立的閥球運動微分方程［8-9］

式中，mb為固定閥閥球質量，kg；hs為固定閥閥球升程，m；FB為固定閥閥球所受浮力，N；FD為流體對固定閥閥球的繞球作用力，N；g為重力加速度，N/kg；Ab為固定閥閥球投影截面積，m2；p為泵筒內流體壓力，Pa；CD為繞球流動因數；ρv為經過固定閥閥隙的流體密度，kg/m3；vin為泵筒內流體速度，m/s。

由式(4)知，為固定閥閥球提供加速度的力有3個：重力、浮力和繞球作用力。繞球作用力與流體速度呈平方關系，影響極大；浮力受閥球上下壓差影響。因此需探尋上沖程中固定閥閥球上下壓差的變化，從而得到固定閥閥球運動時的受力變化。

利用ANSYS建立流體經過固定閥的二維仿真模型，其中固定閥采用SY/T 5059—2009《組合泵筒管式抽油泵》中標稱泵徑為44 mm的結構，選取流體區域為研究對象，流體流動模型為湍流模型；固定閥下端為流體入口，設為速度入口邊界，閥罩上端油管為流體出口，設為壓力出口邊界，其余設為壁面邊界；流域各處溫度相等且恒定。

仿真分析時流體密度取860 kg/m3，黏度取0.035 63 Pa · s，流體出口壓力取2 MPa，入口流速取0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s，固定閥閥球升程取1 mm、4 mm、9 mm、和16 mm。模擬分析所得部分壓力云圖如圖2~圖4。

圖2 升程為1 mm時不同入口流速下的壓力云圖Fig.2 Pressure cloud diagram at different inlet flow rates when the lift is 1 mm

圖3 升程為4 mm時不同入口流速下的壓力云圖Fig.3 Pressure cloud diagram at different inlet flow rates when the lift is 4 mm

圖4 升程為9 mm時不同入口流速下的壓力云圖Fig.4 Pressure cloud diagram at different inlet flow rates when the lift is 9 mm

對比圖2、圖3和圖4可看出，閥球升程相同時，流域最大壓差會隨入口流速的加快而升高；對比入口流速為0.5 m/s和2.0 m/s下流域最大壓差，其增加量在閥球升程為1 mm、4 mm和9 mm時分別為426 kPa、86 kPa和18 kPa；入口流速相同時，流域最大壓差會隨固定閥閥球升程的增大而降低，固定閥閥球下部分流域的高壓力面積也會隨之減少。

為更加直觀地觀測固定閥閥球周邊的壓力變化，取固定閥閥球周邊壓力數據進行分析。以仿真模型中圓形的圓心為定點，x軸正方向為0°，順時針方向為正方向建立平面極坐標系，如圖5所示。

按平面極坐標系仿真分析結果，將16種工況下固定閥閥球周邊壓力值繪制為曲線圖(0~180°為固定閥閥球下截面壓力值，180°~360°為固定閥閥球上截面壓力值)，如圖6所示。可以看出，閥球升程相同時，固定閥閥球上下截面的壓差會隨入口流速的加快而升高，且該升高量也會隨之增加。但隨閥球升程增大，壓差升高量會大幅度降低，且固定閥閥球下截面的高壓力所占角度也會隨之減少。

圖5 平面極坐標系Fig.5 Plane polar coordinate system

結合仿真分析與式(4)可知，固定閥閥球向上的力在升程低時由其所受浮力和繞球作用力共同提供，升程高時主要由繞球作用力提供。入口流速越高，固定閥閥球所受向上的力越大，閥球向上的加速度則越大；入口流速低于某值后，固定閥閥球所受向上的力不能克服其重力，閥球加速度向下而下落。

圖6 不同閥球升程時閥球受力隨入口流速的變化曲線Fig.6 The change curve of the force of the valve ball with the inlet flow rate when the valve ball is lifted

3 固定閥閥球運動初始條件與邊界條件

3.1 初始條件

上沖程，柱塞開始運動時刻到固定閥開啟時刻的過程被稱為固定閥的滯后開啟，閥球在該過程內一直位于閥座，這便是固定閥運動的初始狀態。

以單相原油作為流體介質，根據質量守恒定律可知固定閥開啟時柱塞位移為［10］

式中，xos為固定閥開啟時柱塞位移，m；L為防沖距，m；Δxcd為游動閥關閉時，柱塞由下死點往上運動的距離，m；ρpd、ρos分別為當泵內壓力為排出壓力、開啟壓力時的流體密度，kg/m3。

由式(5)所得固定閥開啟時的柱塞位移xos，從柱塞運動規律中可知固定閥的滯后開啟時間tos，在此時間內，閥球相對于閥座的位移與速度均為0。

3.2 邊界條件

固定閥閥罩與閥座限制固定閥的上下運動，則兩者便是固定閥運動的邊界。在上升到閥罩限制高度時，固定閥閥球會與閥罩發生碰撞而向下運動，則固定閥閥球運動的邊界條件為

式中，hs為固定閥升程，m；hsm為閥罩限制的最大上升高度，m；CR為閥球與閥罩頂部碰撞的彈性恢復系數；vm為在最大上升高度時閥球的速度，m/s。

4 變速驅動及其固定閥運動規律

變速驅動會改變柱塞的運動規律，而不同的柱塞速度會引起不同的泵內流體速度，從而改變泵閥閥球的運動規律，因此可從閥球的運動規律分析評價變速驅動的優劣性。以江蘇油田某井為例，各項參數為：游梁式抽油機型號CYJT8-3-26HY，井液密度860 kg/m3，沖程3 m，沖次3次/min，抽油泵防沖距0.5 m，泵吸入口壓力3 MPa，泵排出口壓力15 MPa，泵閥采用SY/T 5059—2009《組合泵筒管式抽油泵》中標稱泵徑為44 mm的結構，閥球密度7 750 kg/m3。

4.1 變速驅動特征

6種變速驅動方式的代號與在極坐標系中的特征如圖7所示。

圖7 變速驅動代號及特征Fig.7 Variable speed drive code and characteristics

從圖7中可以看出，工況1中驅動速率中心在圓心；工況2中驅動速率中心在橢圓中心，0°起始位置在短軸；工況3~工況6為工況2的變形形式，“長短軸”表示工況2中驅動速率中心在橢圓的長軸或短軸上偏移，“長短邊”表示工況3~工況6中驅動速率的0°起始位置。

4.2 變速驅動下固定閥運動規律

利用三維軟件建立CYJT8-3-26HY型號的游梁式抽油機模型，對其運動仿真時以下死點為起始位置，在曲柄處加載6種驅動速率，可得6種工況下抽油機的懸點運動規律。6種工況下懸點的位移和速度曲線如圖8和圖9所示。

圖8 6種工況下懸點的位移曲線Fig.8 Displacement curve of suspension point under six working conditions

圖9 6種工況下懸點的速度曲線Fig.9 The speed curve of the suspension point under six working conditions

假設柱塞的運動規律與懸點一致，且柱塞速度為50 mm/s時固定閥閥球開始落座。根據工作參數和圖8，由3.1小節的分析計算可得6種工況下固定閥的滯后開啟時間；從圖9可得泵閥開啟時的柱塞速度、最大速度及其時刻、開始落座時刻（表1）。可以看出，工況3的固定閥滯后開啟時間為最短0.24 s，開啟時柱塞速度最快為354.65 mm/s；工況6為最長1.58 s，最慢為50.79 mm/s，因此柱塞初始速度大有利于泵閥開啟；固定閥開啟后，井底流體開始入泵，柱塞到達最大速度時刻在工況3時最快0.8 s，在工況4時最慢9.0 s；固定閥閥球開始落座時刻在工況5時最快7.20 s，在工況4時最慢9.85 s。依據圖9與3.2小節分析可知，閥球上升過程中工況3的固定閥閥球最快接觸閥罩、與閥罩碰撞時速度最大、碰撞次數最多，工況6則相反；閥球落座過程中工況4的柱塞速度變化最大，則固定閥閥球向下的加速度快速增大，最終閥球與閥座發生強烈碰撞，工況5則相反。

表1 6種工況下固定閥3個關鍵點的時間與柱塞速度Table 1 The time and plunger speed of the three key points of the fixed valve under six working conditions

從上述分析可得，柔性驅動在上沖程時應具備以下特點：(1)保證固定閥閥球與閥罩的碰撞損失小的時候，上沖程初始速度大，從而減少泵閥滯后開啟時間，減少漏失；(2)上沖程末期緩慢抵達上死點位置，使固定閥球平穩落座，從而能夠長時間保證泵閥密封性能；(3)保證當一定的閥球升程和流體入泵速度時，上沖程中驅動速度快，從而提升日產量。由于游動閥的運動過程與固定閥類似，柔性驅動在上下沖程具備相同的特點。因此泵閥需要長時間具有良好的工作性能時，最佳驅動為工況2，最差驅動為工況6。

5 測試試驗及數據分析

結合選定工作參數，利用1∶4的臺架試驗裝置模擬6種驅動方式下抽油系統的工作過程，臺架試驗裝置如圖10所示。

圖10 臺架試驗裝置Fig.10 Bench test device

臺架試驗采用單相流體(清水)，井斜角14°、32°和50°。在抽油系統工作時，通過攝像機記錄固定閥閥球的運動過程，如圖11所示。

圖11 固定閥閥球運動狀態Fig.11 Fixed valve ball movement state

以柱塞從下死點開始運動的時間為起始，通過處理固定閥閥球運動過程的錄像，可得到固定閥閥球的啟閉時間，結果如表2所示。

表 2 6種工況下不同井斜時固定閥閥球的啟閉時間Table 2 The opening and closing time of the fixed valve ball at different well inclination under six working conditions

從表2可以看出在不同井斜角時，固定閥閥球的最快開啟時間均在工況3時，最慢均在工況6；固定閥閥球的最快落座時間均在工況5，最慢均在工況4。由此可知，臺架試驗所得6種工況下固定閥的啟閉規律與理論分析一致。

6 結論

(1)流速對固定閥球的受力具有很大影響，抽油系統上沖程時，固定閥閥球所受向上的力在開啟時由浮力提供，在閥球升程低時由浮力和繞球作用力共同提供，在閥球升程高時主要由繞球作用力提供；入口流速越快，固定閥閥球向上運動的加速度越大，入口流速低于某值后，固定閥閥球所受向上的力不能克服其重力，閥球加速度向下而下落。

(2)6種驅動工況中，工況3的初始速度最快，使得泵閥滯后開啟時間最短、閥球接觸閥罩最快，這有利于泵閥開啟但最為損傷閥球與閥罩，工況6的初始速度最慢，利弊則與工況3相反；工況4在抵達死點位置時速度變化最快，使得閥球向上的力減小最快、向下的加速度最大，最終閥球與閥座發生強烈碰撞，這不利于閥球與閥座的壽命。

(3)為提高系統效率、泵閥壽命和油井產量，柔性驅動應該具備以下特點：保證小的泵閥閥球與閥罩的碰撞損失時，具有快的初始速度；沖程末期緩慢抵達死點位置，使得閥球平穩落座，減小碰撞損失；保證一定的閥球升程和流體入泵速度時，上下沖程中具有快的驅動速度。綜合分析6種驅動工況，最佳驅動為工況2，最差驅動為工況6。

(4)臺架試驗所得六種工況下固定閥的啟閉規律與理論分析一致，驗證了理論分析結果的正確性。

(5)抽油泵工作時閥球的運動十分復雜，本研究能夠分析閥球運動規律，卻不足以得到閥球加速度曲線。從文獻［9］可知還需要一些公式才能對閥球運動進行數值仿真分析，因此論文對閥球的加速度和閥球與閥座碰撞的力只進行了定性分析。