潛油電泵高效氣體處理器技術(shù)研究

王建寶，梅 陽，黃志敏，倪小濤，王春亮，李光祥

（1.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280；2.大港油田第四采油廠（灘海開發(fā)公司），天津 300280）

0 引言

潛油電泵在長期的使用中由于液體中大量氣體的存在，泵體內(nèi)部極易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。當(dāng)氣蝕發(fā)生時(shí)電泵運(yùn)轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)能量場交替變化嚴(yán)重干擾和破壞正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致潛油電泵運(yùn)轉(zhuǎn)的流量曲線、功率曲線、效率曲線嚴(yán)重失常。潛油電泵極易發(fā)生氣蝕的部位是首級葉輪、從旋轉(zhuǎn)方向液體進(jìn)口靠近葉片的低壓側(cè)及導(dǎo)論低壓側(cè)、曲率較大的前端蓋。

為解決潛油電泵氣蝕及正常有效工作，關(guān)鍵在于提高葉導(dǎo)輪輸送的攜氣能力，本文研究改進(jìn)型氣體處理器，葉導(dǎo)輪延用原軸流式設(shè)計(jì)方案，根據(jù)葉片力學(xué)模型及多次調(diào)整試驗(yàn)測試，改進(jìn)后的葉導(dǎo)輪有更高的攜氣能力。在設(shè)計(jì)中葉導(dǎo)輪通過進(jìn)口角度調(diào)整，使液氣混合物進(jìn)入時(shí)基本不產(chǎn)生離心力，即不分離，而是將氣液混合包裹，通過葉導(dǎo)輪軸向舉升流動，將軸面設(shè)計(jì)為變徑流線形式，由入口逐漸收縮到出口，使混合液在舉升流動過程中不斷壓縮，析出氣體重新溶入液體，然后進(jìn)入下一級葉輪，通過多級壓縮輸送，使氣液混合物進(jìn)入潛油電泵時(shí)壓力高于飽和析出壓力，避免了潛油電泵運(yùn)轉(zhuǎn)氣鎖現(xiàn)象，也減少了氣蝕的發(fā)生。

1 研究方向及目標(biāo)

目前油田現(xiàn)場潛油電泵90%以上配套安裝的為常規(guī)型式氣體處理器，高效氣體處理器技術(shù)研究的目標(biāo)是將氣體處理器處理的液氣比工況從目前的50%左右提升至70%以上，并使氣體處理器及所配套潛油電泵的使用壽命提升15%以上。高效氣體處理器通過對軸流式扭曲葉片改進(jìn)、葉導(dǎo)輪輪轂的變徑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓縮、反向鎖緊螺母擠壓設(shè)計(jì)、導(dǎo)輪的特殊材料選擇、多級導(dǎo)輪間間隙優(yōu)化、葉輪葉片的耐磨及強(qiáng)度硬化、提高潛油電泵及氣體處理器模擬測試系統(tǒng)等方面進(jìn)行優(yōu)化，使新型的高效氣體處理器可以應(yīng)用到液氣比更高的油井區(qū)塊，也可以進(jìn)一步提高潛油電泵的工作效率，降低百米能耗。

2 技術(shù)研究方法

通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第一方面使葉導(dǎo)輪能夠減少對氣液的離心作用，防止葉導(dǎo)輪中的氣液分離；第二方面也造成氣體稀釋于液體當(dāng)中；第三方面由于氣體處理器也采用葉導(dǎo)輪的多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，多級增壓作用的存在，使得氣體含量逐漸減少。通過以上三方面的作用，使得氣液兩相流的流動性如同單相流，使得氣體處理器具備比普通潛油泵更高的攜氣能力。

潛油電泵工作原理是利用葉輪（圖1）的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的推力推動井液，葉片對水產(chǎn)生向上的升力。可把井液從葉輪的入口推到出口，葉輪具有攜氣能力，配合分離器、吸入口使用。氣體處理器中的井液和氣體沿葉輪的軸相吸入、軸相流出，導(dǎo)輪（圖2）整流后繼續(xù)軸向流動。井液和氣體不受離心力的作用，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vr=0，因此氣體處理器具有高的氣體攜帶性能。氣體處理器中軸面流線采用變徑的形式，由入口到出口逐漸收縮，流經(jīng)的氣液受到一定的壓縮，使部分游離出的氣體重新混入井液中，徹底杜絕氣蝕現(xiàn)象發(fā)生（圖3）。

圖1 氣體處理器——葉輪

圖2 氣體處理器——導(dǎo)輪

圖3 葉片力學(xué)模型

3 技術(shù)研究改進(jìn)措施

（1）葉導(dǎo)輪曲線設(shè)計(jì)中葉導(dǎo)輪片的曲線性狀必須保證氣液混合體延軸線為中心的柱面方向流動，徑向不產(chǎn)生離心力，實(shí)現(xiàn)氣液充分溶合。將軸面設(shè)計(jì)為變徑流線形式，由入口逐漸收縮到出口，使混合液在舉升流動過程中不斷壓縮，析出氣體重新溶入液體，然后進(jìn)入下一級葉輪，通過多級壓縮輸送，使氣液混合物進(jìn)入潛油電泵時(shí)壓力高于飽和析出壓力。

（2）防止氣體處理器上端鎖緊螺母松動，在以往工況中時(shí)常發(fā)生，設(shè)計(jì)反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母，對葉輪及軸進(jìn)行鎖緊固定。

（3）為保證多級葉導(dǎo)輪在軸上的有效固定。在氣體處理器軸的軸下端設(shè)計(jì)采用兩半環(huán)結(jié)構(gòu)的承重環(huán)槽，既能有效承擔(dān)葉輪軸向力及軸自重，安裝維修也更加方便。

（4）通過以往氣體處理器現(xiàn)場應(yīng)用情況參數(shù)分析，結(jié)合計(jì)算機(jī)建模設(shè)計(jì)，在改進(jìn)型高效氣體處理器中將傳動部分與固定部分每級的軸向尺寸壓縮0.08 mm，與單級導(dǎo)輪間壓縮量不變；保證每一級在壓緊的同時(shí)，葉輪和導(dǎo)輪間隙不變。

（5）為了提高處理量會加大過流面積，通過減小輪轂尺寸及水力摩擦損失的方式，但同時(shí)會降低輪轂的強(qiáng)度，這樣會增加葉片變形量，造成泵效下降、高效區(qū)變小，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合兩方面因素進(jìn)行考慮。

（6）為提高葉輪葉片耐磨性，設(shè)計(jì)上在修改導(dǎo)輪葉片結(jié)構(gòu)的同時(shí)用高鎳鑄鐵作為基材，不僅有高的表面硬度及機(jī)體強(qiáng)度，沖擊韌性及熱膨脹性也非常優(yōu)良；輪轂增加硬質(zhì)合金扶正，提高耐磨性及使用壽命。

（7）測試臺改進(jìn)，結(jié)合當(dāng)前各種型號潛油電泵匹配氣體處理器的結(jié)構(gòu)及葉導(dǎo)輪參數(shù)將測試系統(tǒng)最大參數(shù)確定為：泵出口壓力20 MPa，電機(jī)功率90 kW，泵長5 m。扭矩傳感器選用高精度、高過載保護(hù)的1604-2k 型，特點(diǎn)在于轉(zhuǎn)速范圍大，軸承引起滯留小，抗干擾能力強(qiáng)，允許安裝誤差等優(yōu)點(diǎn)。流量測量選擇型號為Ds300 的Emerson 公司產(chǎn)品，可完成過程流體流量、密度高精度測量，并且可實(shí)現(xiàn)液體、氣體及漿液的質(zhì)量流量及密度測量。

4 氣液混合試驗(yàn)效果

經(jīng)過技術(shù)研究改進(jìn)后的氣體處理器在廠內(nèi)的測試數(shù)據(jù)中得到驗(yàn)證。結(jié)合130 型高效氣體處理器測試數(shù)據(jù)，技術(shù)升級后的潛油電泵水平測試系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5 所示，測試過程中混合氣體量按5%遞增。

圖4 水介質(zhì)下性能曲線

圖5 氣體處理特性曲線

測試結(jié)果表明：由水介質(zhì)下性能曲線可以得出改進(jìn)后的氣體處理器，其水力性能完全達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)；由工作特性曲線可以表明，其處理能力也達(dá)到了預(yù)期研究目標(biāo)。若結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時(shí)參數(shù)，高效氣體處理器混合液入口壓力要大于試驗(yàn)臺流體壓力，可以預(yù)期實(shí)際應(yīng)用時(shí)高效氣體處理器的使用效果會更好。

5 應(yīng)用前景

2018 年，經(jīng)過技術(shù)研究改進(jìn)型的高效氣體處理器在冀東油田現(xiàn)場廣泛應(yīng)用，性能得到充分認(rèn)可。目前大量應(yīng)用在高油氣比海上油井生產(chǎn)中，也陸續(xù)對原有潛油電泵井配置的氣體處理器進(jìn)行了重新優(yōu)化，更換了效果更好的高效處理器。對勝利油田（含海上）應(yīng)用的近100 套改進(jìn)型高效處理器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況進(jìn)行分析得出如下結(jié)論：①潛油電泵的檢修周期從原來的200多天提升至300 天以上；②提高了潛油電泵高含氣井的適應(yīng)性，基本解決氣鎖現(xiàn)象的發(fā)生；③由于高效氣體處理器具有逐級壓縮能力，提高了油井舉升揚(yáng)程，也提高了潛油電泵組對混合井液的舉升能力；④高效氣體處理器完全可以滿足海上氣液比較高的生產(chǎn)需要。

6 結(jié)語

高效氣體處理器的應(yīng)用可以進(jìn)一步提高潛油電泵的高效使用區(qū)間，降低潛油泵百米能耗，也使得更高攜氣量的油田區(qū)塊采用潛油電泵采油成為可能，后期還會繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化產(chǎn)品規(guī)格，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提高產(chǎn)品市場價(jià)值。