深井泵的實驗研究與未來改進方向

2014-01-02

隨著PIV技術、LDV技術及超聲波技術的日趨成熟，人們已經可以利用這些先進的流場測試技術在不干擾流場的情況下進行高精度的測量。

在加拿大已有人使用這些先進技術研究深井泵流場，我們可以對該問題應用PIV(粒子成像測速技術)進行了試驗研究，其主要內容是測定不同流量時泵內流場的分布規(guī)律，并對比單相及混相流時深井泵內流場的異同。

試驗過程：

采用與原油密度及粘度相近的工業(yè)白油作為試驗介質，用與白油密度接近的GDX501聚苯乙烯小球作為示蹤粒子。使用10W的氖激光發(fā)生器及相應的光路系統(tǒng)造成的強片光源作為PIV攝像的照明光源，并采用錄像或照相的方法攝制PIV圖像。針對不同的工況，分別對單相和氣液兩相流介質條件下深井泵泵筒、泵閥、柱塞等部位進行了PIV圖像的錄制和照相，以備進一步進行分析處理。

實驗結果及分析：

由于對深井泵固定閥部位流場的研究已有相應的研究成果，而且氣液兩相流PIV圖像處理程序不完善，故這里側重于分析流動介質為單相流體時深井泵游動閥及柱塞部位的流場。

深井泵運動規(guī)律

在試驗中發(fā)現，深井泵泵閥的運動規(guī)律和以住人們對它的認識不完全相同，它的運動除了有垂直方向的直線運動，還伴隨有兩種旋轉運動。當柱塞運動速度較小時，閥球繞水平軸上下旋轉;當柱塞運動速度較大時，閥球繞豎直軸水平自轉并且沿閥座內孔邊角即閥座孔圓心軸公轉。其旋轉角速度與柱塞的運動速度有關，柱塞運動速度越大，閥球旋轉角速度就越大。閥球的特殊運動形式主要與閥球、閥座結構的特殊性及流體的沖擊有關。深井泵泵閥是一個球形閥件，當流體繞過它流動時，在其后部將發(fā)生附面層的脫離現象，同時產生一個橫向激動力。由于閥球的對稱性，這種橫向激動力將沿閥球的“赤道”周圍周而復始地移動，使閥球不是始終位于閥座孔軸心線上，而是偏離一個距離且緊靠在閥座邊角上旋轉，這就是“公轉”現象。

另外，由于流體流動的不穩(wěn)定以及閥球的偏離造成流體相對閥球流動的不對稱性，對閥球將產生一定的撓動，使這個橫向力不是作用于球心，而是在水平面上又有一定的偏心，使閥球在水平面上還有一個轉動，即“自轉”現象。以上結論是在純液體情況下得到的。在氣液混相流時，由于氣泡的存在，流場擾動更加劇烈，而且氣泡對閥球具有一定的沖擊作用，此時閥球運動就更加復雜，除了旋轉運動以外，還有上下劇烈的跳動。

得出結論應對深井泵做以下改進：

(1)閥球是深井泵中的一個主要部件，也是易損件，它決定著泵的效率及檢泵周期。建議對混相流深井泵采用偏心球形閥球，對于流道狹小的深井泵采用滴形閥球，對含砂的抽油井用深井泵則采用鑲有密封膠皮的錐形閥球。

(2)在保證過流面積的條件下，對于閥球罩的過流斷面形狀，應該盡量采用流線型，以減小過流阻力。

(3)在設計柱塞的結構時，應該考慮將柱塞下端的吸入口設計成流線型或喇叭口型，以降低其吸入阻力。在保證柱塞出口大過流斷面的同時，將柱塞出口流道也設計成流線型，以降低柱塞出口處的過流阻力。