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气液两相流液压抽油泵模拟试验装置设计 林 盛 Ξ 中国科学院力学研究所 罗延生 方华灿 石油大学 北京 摘要 研究泵内流场尤其是混相流流场,是改善抽油泵性能的关键所在。石油大学北京为 此研制了一套气液两相流液压抽油泵模拟试验装置。这种装置由单相流试验装置和混相流试验装 置构成,前者能比较真实地模拟井下的各种工况和抽油泵内液体的流动状态,后者可模拟不同的 油气比。为了在不干扰流场的条件下定量完成流场的瞬态测量,给出平面流场的速度矢量图和旋 度场等揭示流场瞬态流动结构的图像处理结果,采用了具有测量精度高、空间分辨率强和动态响 应快等特点的粒子成像测速PIV先进技术。 主题词 两相流 抽油泵 流场 模拟 试验装置 抽油泵是油田开发过程中的主要设备之一,改 善抽油泵的性能可有效地提高油田的原油产量,从 而提高油田开发的经济效益。目前对抽油泵的研制 工作大致可分为以下三个方面。 1基于力学分析,通过对运动条件和受力条 件的简化,对泵阀开启和下落过程进行力学描述; 2根据生产需要以功能设计为原则,在原抽 油泵结构基础上进行技术改造,如防砂卡泵和防气 抽稠油泵的开发; 3以研究抽油泵效率及其影响因素为目的进 行实验室内的有关测试和观察研究。 如大庆石油学院进行的抽油泵能耗测试研究, 采用压力传感器和位移传感器测量抽油泵进出口压 力历程曲线、阀球压差变化曲线以及示功图、漏失 量等。 目前,对改善泵性能的最根本的问题 泵内 流场还无人涉及。关于泵阀运动规律、泵内结构的 合理性论证及其改进等问题解决的关键因素是泵内 的流场状态,所以研究泵内流场尤其是混相流流场 是改善抽油泵性能的关键所在。随着 PIV 粒子成像 测速技术、LDV激光多普勒液流速度计技术及超 声波技术的日趋成熟,人们可以利用这些先进的流 场测试技术在不干扰流场的情况下达到测定的高精 度,在加拿大已有使用这些先进技术研究抽油泵流 场的实例,但未见有关成果的发表。因此,利用 PIV等先进技术对抽油泵内流场进行研究以改进抽 油泵的结构是今后发展的大方向。鉴于此,石油大 学北京海洋工程研究室开展了抽油泵内流场可视 化研究,由于这方面尚无先例可循,计划先从试验 着手,理论与实践并举。 抽油泵模拟试验装置设计思路 抽油泵在井下的工作介质不是单相的,故对现 场工作的抽油泵泵腔内流场的实际测试比较困难。 为了节省时间和资金,又能测试一般情况下抽油泵 泵腔内流场状况,必须使抽油泵模拟试验装置具有 气源和液源,以及可视化研究条件,而且流量可 调,还应能对单一液相和气液两相时泵内流场的特 点进行可视化观察和记录,因此整个泵腔应是透明 第27卷 第4期石 油 机 械 1999年 Ξ林 盛,生于1971年, 1996年毕业于石油大学北京 机电系海洋工程专业,获硕士学位,现在中国科学院力学研究所攻读断裂力 学专业博士学位。地址100080北京市海淀区。电话01062554158。 收稿日期 1998 - 05 - 12;修改稿收到日期 1998 - 10 - 22 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的。另外,由于流场变动特性较强,应有相应的数 据采集和处理系统。为观察泵冲次对流场的影响, 抽油杆动力驱动系统应可调。 模拟试验装置结构设计 为模拟现场抽油泵的柱塞及光杆的上下往复运 动,必须选择合适的动力系统。一种方案是缩小现 场抽油泵的地面动力系统,即采取电动机带动的驴 头驱动方式。这种方案的缺点是造价昂贵,占地面 积大,不适合于实验室用。另一种方案是直接用电 动机带动绳索通过滑轮使光杆及柱塞上下运动,但 为保证系统平衡需配置平衡重,另外换向微电动机 的选择也有困难。以上两种方案都无法模拟泵内进 出口压力,也不能调节泵流量。为解决以上问题, 笔者采用液压控制系统及气动控制系统来实现动力 系统的模拟。液压控制系统主要是实现柱塞的上下 往复运动和控制进出口压力,气动控制系统则控制 混相流时的进气。同时,液压控制系统又分为两大 部分第一大部分是动力油缸液压系统,它是主要 的动力源;第二大部分是抽油泵压力补偿系统,主 要是用来控制抽油泵进出口压力并为泵供油。下面 分别就这三个部分加以介绍。 1.动力油缸液压系统[1] 动力油缸液压系统主要由动力油缸、行程开 关、二位四通电磁换向阀、溢流阀、油泵和调速阀 构成,流程如图1所示。 图1 动力油缸液压系统流程图 1 动力油缸; 2 二位四通电磁换向阀; 3 调 速阀; 4 溢流阀; 5 油泵; 6、7 行程开关 工作原理当动力油泵向动力油缸上端供油 时,驱动活塞向下运动,从而带动光杆向下运动, 当光杆触动行程开关6时,二位四通电磁换向阀换 向,动力油泵开始向动力油缸下端供油,驱动活塞 向上运动,从而带动光杆向上运动;当光杆触动行 程开关7时,二位四通电磁换向阀再次换向,重新 开始下一个冲程。调速阀可以调节活塞运动速度, 从而来改变冲次,溢流阀则可调节动力油缸内的压 力,改变柱塞驱动力。 2.抽油泵压力补偿系统 抽油泵压力补偿系统主要由油箱、油泵、顺序 阀、蓄能器、抽油泵、压力表、压力油箱和溢流阀 组成,流程如图2所示。 图2 抽油泵压力补偿系统流程图 1 油箱; 2 油泵; 3 顺序阀; 4 蓄能器; 5 抽油 泵; 6 压力表; 7 压力油箱; 8 蓄能器; 9 溢流阀 工作原理油泵始终处于工作状态,溢流阀则 调节到一定压力,当抽油泵进出口压力超过调节压 力时,溢流阀溢流,进口压力降低;当进口压力过 低时,油泵向压力油箱注油,从而使进口压力上升 至调节压力。两个蓄能器的作用是避免抽油泵进出 口压力的剧烈波动,保证抽油泵的进出口压力达到 工况要求。 3.气动控制系统 气动控制系统由气泵、气体流量计、电磁开关、 单向阀和行程开关组成,流程如图3所示。 图3 气动控制系统流程图 1 气泵; 2 气体流量计; 3 电磁开关; 4 单向阀; 5 抽油泵; 6 行程开关 工作原理当抽油泵做上冲程运动时,电磁开关 打开,气体通过单向阀进入抽油泵,当光杆接触到上 行程开关时,电磁开关关闭,气路不通,这时抽油泵 9第27卷 第4期林 盛等气液两相流液压抽油泵模拟试验装置设计 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 做下冲程运动。当光杆再次接触下行程开关时,电磁 开关打开,气路开通,再次向抽油泵内供气。 模拟试验装置的特点 模拟试验装置分为两大部分第一大部分是单 相流试验装置,主要由动力油缸、有机玻璃泵筒及 柱塞、液压控制系统组成,是抽油泵模拟试验装置 的核心部分,其最突出的特点在于利用液压控制系 统带动柱塞做上下往复运动,具有行程稳定、换向 迅速、模拟井下工况完备等特点,能比较真实地模 拟井下的各种工况及抽油泵内液体的流动状态。第 二大部分是混相流试验装置,主要由气泵、气体流 量计、电磁开关及水箱组成。这套混相流装置的特 点在于简单易行,功能相对完善,可以模拟不同的 油气比,而且进气完全由行程开关带动的电磁开关 控制,能够比较真实地模拟井下的各种工况。另 外,为便于观察和测试,柱塞和泵筒用有机玻璃制 成,从而达到了利用本试验装置观察、测试泵内流 场的目的。试验装置是经过不同方案的优化论证最 终选定的,结构轻巧,功能完备,控制系统简单可 靠,操作方便,能够很好地模拟抽油泵的运行及泵 内的各种工况。这套试验装置是具有创新特点的模 拟抽油泵试验装置,与国内外同类模拟装置相比, 无论在造价上还是综合性能上都有其独特之处。 图象采集及处理系统 为了在不干扰流场的情况下,能定量完成流场 的瞬态测量,并能给出平面流场的速度矢量图、旋 度场等揭示流场瞬态流动结构的图象处理结果,采 用了粒子成像测速PIV技术。粒子成像测速技术 具有测量精度高、空间分辨率高和动态响应快等特 点,是目前测量复杂流场较先进的技术。它可以冻 结某一时刻的流场流动状态,从而揭示出隐藏的湍 流流动结构。测量结果具有足够的精度,可以从一 个矢量中减去大的平均速度,因而可以分别给出平 均速度、脉动速度、漩涡等全面反映流场状况的流 动参数,这是热线热膜法以及LDV等测试技术所 不具备的。 PIV图象采集及处理系统配置如图4所示。 图4 PIV系统的原件配置 从总体上看,一个完整的PIV系统可分为三大 部分一是照明系统,它的功能是产生光源;二是 记录系统,它的功能是产生粒子流动的双多曝光 图象;三是查询系统,它的功能是提取和显示图象 中的速度场等流动参数。 模拟试验装置中照明系统采用10W的氖激光 器,记录系统采用录像机,查询系统采用石油大学 北京开发的PIV图象处理软件。 参 考 文 献 1 华东石油学院矿机教研室.石油钻采机械.北京石油 工业出版社, 1980 282～284 本文编辑 赵连禄 01 石 油 机 械1999年 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ABSTRACTS Liu Z ongliang Huadong Prospecting and Design Research Institute , CNPC , Jiaozhou City , Shandong Province , Liu Nongji. Current status and task of China petrochemical industry the country’s petrochemical machinery in the period of century changingⅠ .CPM ,1999,274 1～4 Great progress has been made in production and technology in the petrochemical circle in China. However ,distances in productive scale ,product quality ,product varieties and technologies still exist in comparison with the world advanced level. The petrochemical enterprises in China have to face the challenge of overseas large enterprises occupying the mar2 ket. For the sake of the existence and development of the country’s petrochemical industry ,countermeasures for reducing the above2mentioned distances must be put into effect. In the coming 5 to 10 years ,technical re should be strength2 ened and heavy2duty equipment should be popularized as management and administration improved. Subject Concept Terms petrochemical industry equipment status developing strategy technical re Wang Y ouqiang University of Petroleum , Beijing ,Zhang Siwei. Determining the fatigue life distribution of coiled tubing by fuzzy Bayes .CPM ,1999,274 5～7 The model for determining the probability distribution of fatigue life of coiled tubing is established by using fuzzy Bayes theory and .According to the fatigue life data of 31.75mm OD coiled tubings ,the distribution parameters are estimated with fuzzy Bayes ,and it is indicated that the fatigue life of coiled tubing is subordinate to two2parameter Weibull distribution. The function of the fatigue life distribution pattern is obtained ,and the equation for calculating the reliability of31.75mm coiled tubing is derived. Subject Concept Terms coiled tubing fatigue life distribution fuzzy analysis reliability Lin ShengMechanics Research Institute of the Chinese Academy of Sciences , Bejing ,Luo Yansheng ,Fang Huacan. Simulation test device for hydraulic subsurface pump.CPM ,1999,274 8～10 The investigation in the flowfield particularly the miscible - phase flowfield in a subsurface pump is the key to im2 provement of the perance of the pump. The Universityof PetroleumBeijing thereby develops a simulation test device for hydraulic subsurface pump for gas and liquid two2phase flow. The device consists of a single2phase flow test device , which can make a real simulation of the downhole working conditions and the flow of the liquid in the subsurface pump , and a miscible2phase flow test device ,which can simulate various oil2gas ratios. T o accomplish the transient test of the flow field without interference ,the velocity vectogram and rotation field of the plane flow field are given by using the PIV technology. Subject Concept Terms two2phase flow subsurface pump flow field simulation test device Zhao LixinDaqing Petroleum Institute , Anda City , Heilongjiang Province ,Jiang Minghu ,Li Feng ,et al. Effect of structure and operating parameters of hydrocyclone on its axial velocity field study of liquid2liquid hydrocy2 clone’s velocity field partⅣ .CPM ,1999,274 11～13 Based on an analysis of distribution pattern of hydrocyclone’s axial velocity ,by changing the inlet flow rateQiand split ratio F and making an investigation in the effect ofQiandFon axial velocityfield ,the factors causing the ing of short2cut circuit and circulating flow are found. It is considered that the short2cut circuit and circulating flow are pro2 duced by the structure of the hydrocyclone ,and can’t be eliminated completely ,though they interfere the flowfield inside a hydrocyclone and affect the separation accuracy. Test results show that ,by increasingQiandFand controlling them in a certain range ,the separation efficiency of the hydrocyclone can be improved. Subject Concept Terms hydrocyclone velocity distribution structure parameter effect 1 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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