基于AMESim的某型压裂泵建模与仿真研究

2014-12-28郭志奇肖晓华李蓉

重庆科技学院学报（自然科学版） 2014年5期

郭志奇肖晓华李蓉

(1.西南石油大学机电工程学院，成都 610500;2.中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北荆州 434022)

压裂泵是石油开采进行压裂施工的关键设备，其性能的好坏直接影响压裂施工的成败，因此对压裂泵的研究具有重要的现实意义。某型压裂泵是由中石化石油工程机械有限公司第四机械厂主研的最新产品。AMESim软件是比利时LMS公司推出的一种多学科领域复杂系统建模与仿真的软件平台［1］，它采用基于物理模型的图形化建模方式［2］，可使用户专注于系统本身的设计，达到快速建模仿真的目的，而且可以对系统进行优化设计，降低开发成本，缩短产品研发周期。

1 建立某型压裂泵仿真模型

启动AMEsim，新建一个后缀为.ame的文件，系统默认进入草图模式。不论是创建新系统还是修改、完善已有系统，均是在草图模式下进行的。在草图模式下建立某型压裂泵的仿真模型，该压裂泵是一个三柱塞卧式泵，由曲轴、连杆、柱塞、吸入排出阀等组成［3］。在该模式下建立的某型压裂泵系统仿真模型如图1所示。

2 模型参数的设置

草图模式下建立完成模型后，进入子模型(submodel)模式。每个子模型均选取系统自定义的模型［4］，然后进入参数(parameter)模式下，给每一个子模型设置相应的参数。在模型参数设置中，吸入、排出阀参数的设置很关键，对仿真结果影响很大。详细参数设置见表1。

3 运行仿真及结果分析

参数设置好后，进入运行模式，这里将仿真时间设置为1 s，将通信间隔时间设置为0.001 s。运行后即可得到系统的仿真结果。现选出如下几种情况进行分析。

(1)压裂泵运行时，柱塞与吸入阀运动规律曲线如图2所示，柱塞与排出阀的运动规律曲线如图3所示。

图2 柱塞与吸入阀运动规律曲线

图3 柱塞与排出阀运动规律曲线

由图2可得到柱塞与吸入阀的运动规律、任一时间点柱塞位移与吸入阀升程的对应关系及数值大小。吸入阀的启闭有一定的滞后，开启滞后的时间为0.038 s，关闭滞后的时间为0.020 s。同样可由图3得到排出阀开启滞后的时间为0.034 s，关闭滞后的时间为0.021 s。

吸入、排出阀开启和关闭滞后角的产生是由压裂液体的可压缩性造成的。开启和关闭滞后角是压裂泵流量损失的主要原因［5］。因压裂泵柱塞在吸液结束和排液开始的瞬间，吸入阀由于滞后不能及时关闭，必将导致一部分压裂液回流汇入吸入管，造成流量损失。同样，在柱塞排液结束吸液开始的瞬间，由于排出阀的滞后，导致部分压裂液回流到泵腔内，也造成流量的损失。

(2)压裂泵工作时，吸入、排出阀的运动规律如图4所示。压裂泵腔内压力曲线如图5所示。

由图4可知，吸入和排出阀的开启和关闭并不是同步的，而是存在一定的时间间隔。由图4、图5可知，当t=0.127 s时，由于吸入阀没有关闭，腔内压力基本不变，维持在0.1 MPa左右;当t=0.127～0.133 s时，由于吸入阀关闭，压力迅速上升;在t=0.133 s时，排出阀打开，腔内压力达到61.8 MPa;当t=0.233 s时，排出阀关闭;当t=0.233～0.241 s时，排出阀关闭，吸入阀开启，压力又很快下降到0.1 MPa左右，随后进入下一个循环。