射流排砂泵动态特性分析

金 博

（长庆油田分公司第五采油厂，西安710201） ＊

射流排砂泵动态特性分析

金 博

（长庆油田分公司第五采油厂，西安710201）＊

介绍了射流排砂泵的结构及工作原理，定义了射流排砂泵洗井冲砂的技术参数。建立了射流排砂泵的无因次动态方程，分析了其能量损失和喷嘴、吸人腔室、扩散管的压力损失，并通过分析气体对射流排砂泵的影响，计算得到最小气蚀面积，为射流泵的设计应用提供依据。

射流泵；动态特性；数值模拟

随着石油工业的发展，将射流泵应用于原油开采已经成为一种重要手段。射流排砂泵是利用射流原理将注入井内的高压动力液的能量传递给井下产液的无杆泵采油装置，其在井下无运动部件，对于高温深井、高产井和含砂、含腐蚀性介质、稠油以及高气液比井具有较强的适应性［1－7］。射流泵的动态特性与电磁泵的特性相似（压力和排量的关系［8］）。射流泵的生产厂家较多，有许多系列的射流泵，每个喷嘴又有5个以上的喉管与之组合，使射流泵的结构、流体性质、工作条件不同，其动态特性也就不同。因此，射流泵动态特性曲线数目也就很多。本文采用无因次化的统一数学模型来模拟射流泵的动态特性。

1 结构组成及特点

射流排砂泵主要由喷嘴、喉管和扩散管3部分组成，其结构如图1所示。射流排砂泵通过2种流体之间的动量交换实现能量传递：由喷嘴将动力液高压势能转变为高速动能；在喉管内，高速动力液与低速产液混合，进行动量交换；通过扩散管将动能转变为静压，将混合物采到地面。

图1 射流排砂泵结构

1） 优点 没有运动部件，适合于处理腐蚀和含砂流体；结构紧凑，适用于倾斜、水平井；自由投捞作业，维护费用低；产量范围大，控制灵活方便；适用于稠油开采，容易对动力液加热；适用于含气流体；适用于高温深井；对非自喷井，可用于产能测试和钻杆测试。

2） 缺点 为避免气蚀，必须有较高的吸人压力，使射流泵的应用受到限制；另外，射流泵泵效较低，所需要的输入功率比水力活塞泵高；射流泵的设计计算非常复杂，需要迭代，采用计算机完成。

2 射流泵能量损失

射流泵的能量损失包括摩阻损失和混合损失2种，其能量损失与流体性质、流量、压力等操作参数及泵的结构参数有关。泵的结构参数主要有喷嘴形状、吸入腔室形状、喷嘴与喉管距离、喉管长度、喉管张角、扩散管长度、扩散管张角、表面光洁度等。

在喷嘴、吸入腔室、喉管、扩散管中存在摩阻损失，目前设计制造的吸入腔室形状可以使摩阻损失为零。混合损失主要在喉管内存在，在喷嘴到喉管距离内及扩散管中存在很少一部分混合损失。射流泵喉管内的混合流动属于伴随流动的非自由空间紊流射流，如图2所示。当产液和动力液密度相等时还属于淹没射流，其中的压力、速度、浓度分布相当复杂。

图2 喉管中的混合流动

3 射流泵无因次动态方程

通过考虑喷嘴、吸入腔室、喉管和扩散管的能量和动量守恒，可推导出射流泵的动态特性方程。

3.1 条件假设

1） 动力液与井液不可压缩，有相同的密度。

2） 一维稳定等温流动。

3） 泵入口和出口动能忽略不计。

4） 流体在喉管出口完全混合。

5） 在横截面上压力相同。

6） 在应用守恒定律的截面上速度服从标准分布。

7） 在喷嘴出口和喉管入口射流速度相同。

3.2 无因次参数的定义

1） 无因次面积比 即喷嘴面积与喉管面积之比为

式中，An、At分别为喷嘴和喉管面积，mm2。

2） 无因次压力比 即井液获得的压力与动力液在泵内损失的压力之比为

式中，pd、ps、pn分别为排出压力、吸人压力、动力液压力，MPa。

3） 无因次质量流量比 即井液质量流量与动力液质量流量之比。由于假设动力液和井液密度相同，可表示为

式中，QL、Qn分别为井液流量和动力液流量，m3／d。

3.3 压力损失

无因次压力比可表示为

式中，pt、pe分别为喉管出、入口压力，MPa。

喷嘴、吸人腔室和扩散管应用伯努利方程，喉管应用动量方程，可分别获得式（4）括号中的各项，各个部分的摩阻损失采用摩阻系数描述。

3.3.1 喷嘴压力损失

喷嘴除摩阻损失外，还包括喷嘴到喉管这一段的压力损失，相当于流体的摩阻能量损失。为推导方便，式（5）～（9）中压力单位用Pa，则

式中，Kn为喷嘴损失系数；ρ为流体密度，kg／m3；vn为喷嘴出口速度，m／s。

3.3.2 吸入腔室压力损失

只要吸入腔室设计得当，其摩阻损失为零，则

式中，vs为喉管入口吸入流体速度，m／s。

3.3.3 扩散管压力损失

式中，Kd为扩散管损失系数；vt为喉管出口速度，m／s。

式中，Kt为喉管损失系数。

将式（5）～（9）代入式（4），令Ktd＝Kt＋Kd整理得

式中，Ktd为喉管和扩散管的综合损失系数。

式（10）即为射流泵无因次动态方程，摩阻损失系数和流动雷诺数与泵的结构有关。Cunningham试验证明：喷嘴雷诺数＞20 000、喉管雷诺数＞3 800时，喷嘴、喉管和扩散管的综合损失系数为常数，与流体黏度无关。

3.4 无因次特性曲线

射流泵的无因次特性曲线是指无因次压力比、无因次质量流量比及无因次面积、功率、效率之间的关系曲线，代表射流泵无因次动态特性方程，如图3所示。由图3可知：质量流量比一定，都有一个效率最高的面积比相对应，即存在一个最高效率的泵；在喷嘴和喉管面积比为0.25和0.30时，泵的峰值效率最高；较高的面积比产生的压头高，但动力液流量明显大于吸入流量，这种泵适用于举升深井；较小的面积比产生较小的压头，但动力液流量明显小于吸入流量，这种泵适用于举升浅井。

图3 射流泵无因次特性曲线

4 气体的影响

4.1 气蚀和最小气蚀面积

气蚀对射流泵正常工作的影响很大。在喉管入口处，吸人流体是通过喷嘴和喉管之间的环形面积进人喉管的，环形面积越小，吸人流体的速度越高，喉管入口处的压力越低。当吸入压力降到流体蒸汽压时，流体中会出现小气泡，气泡进入喉管的高压区就会冷凝和破碎，对泵产生冲蚀，这种现象称为气蚀。

气蚀对进入喉管的吸入流体还起节流作用，当气蚀发生时，即使增加动力液流量，也不会使产量提高。对一定的产量和吸入压力，存在一个刚好能避免气蚀的环形面积，该面积称为最小气蚀面积。另一方面，为了避免气蚀，射流泵需要较高的吸入压力，射流泵在最高效率点工作时，一般要求泵的沉没度在20%以上，而且随采出流体的摩阻和地面回压增大，需要的沉没度也将随之增大。为了获得较低的吸入压力和沉没度，同时又不出现气蚀，就必须降低泵效，这使射流泵可以用于更多的低压深井。

根据式（6），可得最小气蚀面积为

式中，Acm为最小气蚀而积，mm2；gs为吸入流体压力梯度，MPa／m。

4.2 气体对射流泵的影响［9］

1） 气体要占据一定的体积，使泵的液体体积排量下降。

2） 气体对泵内压力损失产生影响，吸入腔室的压力下降会脱出溶解气，喉管两相混合过程的速度、浓度分布极不均匀。同时气、液相间要产生滑脱，扩散管的压力回升会使游离气体重新溶解在液体中，泵的结构不同，其影响程度差别较大，一般气体会使泵效下降。

3） 气体影响排出管柱的压力损失，对于合理的排出管尺寸，气体的举升作用有利于降低排出管压力损失，如果气液比较大，排出管柱的压力损失应采用多相流理论计算。

由于两相射流泵的理论较复杂，本文介绍一种简单实用的近似计算方法：如果把游离气的体积看作液体并加到液体体积上，泵的特性与吸入单相不可压缩液体的特性十分吻合，在吸入两相流体时需进行如下修正。

无因次质量流量比修正为

式中，Bt为油、气、水三相地层体积系数，m3／m3。

由式（11）得最小气蚀面积为

对气体的近似处理使模型的适用范围受到限制，当吸入条件下气液比＞5（气体体积分数＞0.83）时，模型的预侧精度开始变差。当游离气量超过模型适当范围时，建议采用有排气系统的装置。

5 结语

本文采用无因次化的统一数学模型模拟分析了射流泵的动态特性，给出了射流泵动态特性曲线，得到了一些有助于射流排砂泵结构设计的结论，为射流泵的设计应用提供了依据，但仍有一些问题有待进一步研究。

［1］ 肖亚儒.水力射流泵排液技术在辽河油田的应用［J］.油气井测试，2007（4）：56－58.

［2］ 高传昌，王玉川.液气射流泵研究应用进展［J］.石油机械，2008（2）：67－70.

［3］ 王常斌，林建忠，石 兴.射流泵最佳参数的确定方法［J］.流体机械，2004（9）：21－25.

［4］ 胡述明.喷射泵在低压天然气采输中的应用［J］.石油矿场机械，2011，40（8）：62－64.

［5］ 管恩东.双级同心整体冲砂管柱工艺研制［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：63－65.

［6］ 陈东升，许云春，魏建军，等.底水油藏电泵与喷射泵油水分采技术研究与应用［J］.石油矿场机械，2010，39（9）：68－71.

［7］ 王德伟.水力喷射泵负压冲砂技术在锦州油田的应用［J］.石油矿场机械，2010，39（9）：68－71.

［8］ 姜民政，朱 君，杜永军.JP－66型小直径射流泵特性试验研究［J］.石油矿场机械，2002，31（2）：14－16.

［9］ 李发印，刘 声.气体对射流泵效率的影响［J］.石油矿场机械，2000，29（3）：33－34.

Dynamic Characteristic Analysis for Jet Sand Pump

JIN Bo
（No.5 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Xi’an710201，China）

The structure and working principle are introduced.And the technical parameters are defined to set up dimensionless dynamic equation and the energy loss is analyzed and the pressure loss at nozzle，suction chamber and diffusion pipe as well，through which the cavitations’area is calculated for basis of design.

jet pump；dynamic character；data simulation

1001－3482（2012）07－0055－04

TE933.3

A

2012－01－12

金 博（1973－），男，陕西三原人，工程师，主要从事设备管理工作。