基于Flow Simulation的抽油杆扶正器对螺杆泵扬程影响规律数值模拟研究

2015-05-07富源

机械工程师 2015年5期

富源

（大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453）

0 引言

螺杆泵是一种渐进式容积泵，理论上它的排量和扬程与泵的转速有关，泵的转速越快，排量越大，扬程越高。在螺杆泵采油系统中，为防止抽油杆旋转对油管的偏磨，减少泵的功率损失，抽油杆上安装了抽油杆扶正器。目前抽油杆扶正器有很多结构形式，但对扶正器的研究仅限于其耐磨性能和延长使用寿命以及抽油杆数量的分布的研究，抽油杆扶正器对螺杆泵扬程的影响规律的研究目前还没有相应的资料和试验数据［1］。

抽油杆扶正器对螺杆泵扬程的影响规律的研究有重要的意义，一方面，通过试验的方法找出扶正器对泵扬程的影响程度并进行量化，可以提升我们以及用户对螺杆泵的性能规律和现场应用的认识水平；另外一方面，找出扶正器对泵扬程的影响规律后，我们可以对扶正器的结构进行优化设计，使扶正器对泵的排量和扬程的负面影响降至最低，从而提高螺杆泵在油田使用的效果［2］。

由于现场实验费用大，并且会耽误实际生产，并且对于测试工具的精度要求高，再加上井筒中的环境复杂，影响条件多，所以比较经济并且较准确的方法是使用有限元软件模拟［3］。本文使用DS公司所出品的SolidWorks 2013中的Flow Simulation流体分析插件对于抽油杆扶正器进行了三维建模，并进行了流体分析，对于抽油杆扶正器对于螺杆泵扬程的影响做出了初步的分析。

1 软件介绍

SolidWorks Flow Simulation软件是强大的CFD（计算流体力学）工具，可以快速而轻松地仿真流体流动、热传递和流体作用力。它可以检查和优化复杂的流动，降低设计中出现过热现象的风险，优化PCB和电子元件的热性能，预测和优化工作环境中的气流和舒适性参数，使用功能强大且直观的结果可视化工具获得极具价值的分析信息。

2 模型建立

在进行流体分析之前，首先对要油管、抽油杆和扶正器进行3D建模。建模时完全对应目前现场所使用的零件，采用1：1建模。其次还要确定工况，为了分析的准确性选择了4种工况进行模拟，4种工况分别为：1）278油管，3/4抽油杆，卡箍式扶正器；2）278油管，5/8抽油杆，卡箍式扶正器；3）278油管，7/8 抽油杆，柱状扶正器；4）312油管，118抽油杆，柱状扶正器。

使用三维CAD软件SolidWorks 2013分别对于各种工况进行建模，建模后的情况如图1～图4所示。

图1 工况1三维图

图2 工况2三维图

图3 工况3三维图

图4 工况4三维图

需要指出的是，由于模型的建立，只绘制出了会影响模拟结果的部分，所以对扶正器的建模中并未绘制出其螺纹等内部细节部分。

3 Flow Simulation数值模拟和结果

使用Flow Simulation流体有限元分析软件进行流体分析之前，必须先确定各工况下的各种边界条件。由于实际生产中井下工况十分复杂，边界条件没有办法做到完全相同，所以想模拟扶正器对于螺杆泵扬程的影响，需要确定主要的条件，要对于其它次要条件进行适当的忽略，所以各边界条件如下［4］：1）模拟所使用的液体为水；2）液体所接触的壁的粗糙度为0；3）入口压力为1.5×105Pa；4）出口流量为 200 mL/s；5）转速为 100 r/min。

在以上条件下将流体所流经的环空进行精细网格划分，然后进行流体模拟，并将流体的轨迹线同时绘制，最后得出的结果如图5～图8所示。