潜油电泵油气分离器性能测试系统研制

于洪英

潜油电泵油气分离器性能测试系统研制

于洪英

（大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江大庆163311）①

油气分离器是潜油电泵的四大部件之一，机械结构简单，而内部流场却十分复杂，结构与分离效率的关系尚不能从理论上分析，为此研制了潜油电泵油气分离器性能测试系统。潜油电泵油气分离器测试系统主要由主体测试装置、钢结构托架与支座、气液测试管路3部分组成，通过测量进入油气分离器中井液的气体量以及经过油气分离器分离出来的气体量，计算出油气分离器的分离效率。它的成功研制为现有油气分离器的优化以及新型油气分离器的开发提供了准确可靠的依据，是油气分离器产品质量检验必不可少的试验设备。

潜油电泵；分离器；性能测试；分离效率

油气分离器是潜油电泵的四大部件之一［1］，机械结构简单，但因其内部进行的是气液两相流分离，流体数学模型描述十分复杂，目前还没有专门针对潜油电泵油气分离器设计、试验、检验的标准，也就是其结构与分离效率的关系尚不能从理论上分析，因而建立一套潜油电泵油气分离器性能测试系统就尤为重要，油气分离器性能试验既能反应现有产品性能的优劣，又能指导新产品的设计方向。国内曾做过油气分离器实验装置的共有4家：大庆油田采油工艺研究院、哈尔滨工程大学、西南石油大学［2］、海默科技有限公司。前3家科研院所虽然曾经研制过此类装置，但因为各种原因荒废或损坏，海默科技公司的高性能油井测量装置是一种高效分离式、具有高测量准确度的油井测量装置，不适用于油气分离器这样一个低压小排量的室内性能测试。因此市场上没有正在使用或销售的成型试验设备可供选择。为了对气液两相流流体有更详尽的认识，更有效地开展油气分离器工作机理研究，大庆油田力神泵业有限公司开展了潜油电泵油气分离器性能测试系统研制项目。潜油电泵油气分离器性能测试系统的成功研制，为现有油气分离器的优化以及新型油气分离器的开发提供了准确可靠的科学依据，是油气分离器产品质量检测必不可少的试验设备。本文论述了潜油电泵油气分离器性能测试系统的工作原理、结构特点、测试工艺及试验效果等方面问题，通过这些论述为不同油气比和不同工况条件下改进和设计新型高效油气分离器提供依据和方法，并在此基础上设计出适合我国油田实际开发需要的新型油气分离器。

1　工作原理

潜油电泵油气分离器的主要作用就是将井液中含有的气体分离出来，检验其分离效果的参数即为油气分离器的分离效率，通过分别测量进入与流出油气分离器中井液的气体量，即可计算出所测量油气分离器的分离效率。

油气分离器性能测试系统的原理是通过测量进入油气分离器中井液的气体量以及经过油气分离器分离出来的气体量，计算出油气分离器的分离效率［3-4］。

1．1 液体单相流

测试参数包括：注水后运行前，入口压力pi0；出口压力po0。运行时，排量Q；入口压力pi；出口压力po。扬程H为

1．2 气液两相流

测试参数包括：室温t；注水后运行前，入口压力pi0及出口压力po0；运行时，分离器入口压力pi、出口压力po。

气体分离效率ηs

气体体积分数φ

式中：Qw为运行时水流量，m3／s；Qgi为注气流量，m3／s；Qgo为分离出气体流量，m3／s。

2　油气分离器性能测试系统结构设计

潜油电泵油气分离器测试系统［4］主要由主体测试装置、钢结构托架与支座、气液测试管路3部分组成。总体设计如图1所示。

图1　总体设计示意

2．1 主体测试装置

主体测试装置主要由电机、联轴器、传感器、止推室、混流接头总成、出气接头总成、出水接头总成等组成，如图2所示。电机提供相应的动力；导流防漏装置的设计目的在于阻止液体泄漏到电机，破坏电机的性能；混流接头总成用于分离器入口处的密封及导流；出气接头总成用于分离器气体出口处的密封及导流；出水接头总成用于收集未分离的气液混合物，即实际当中进入泵的混合流体；电机与转矩传感器、转矩传感器与止推室，止推室与导流防漏装置之间均有联轴器连接。止推室与导流防漏装置采用一体化设计。

图2　主体测试装置

2．2 钢结构托架与支座

钢结构托架与支座起固定主体测试装置的作用；支架由支撑板总成、传感器总成，支撑体总成等构成，钢架构支架三维总成如图3所示。

图3　钢架构支架三维总成

2．3 气液测试管路

气液测试管路采用单向设计，气源由空气压缩机提供，管路采用普通钢管。根据管内需要通过的最大流量，计算出管子内径和介质流速，根据介质和工艺条件确定管子的壁厚。为了同时满足压力和排量的要求，采用离心泵供液。

整个测试系统由储水罐供液，由空气压缩机供气，通过阀门调节接入流量。液、气通过各自的管路进入实验样机中，经过分离器的作用，在油气分离器的分离接头处气体和液体通过不同的流道分别流出，液体通过流量计返回储水罐循环利用，气体通过气体流量计排空，循环管路如图4所示。

图4　循环管路

试验过程中，气体由图示A管路进入试验管路，液体由图示B管路进入试验管路，两者在试验样机的入口端进入试验样机中，经过试验样机分离作用，分离出后的气体经二次分离，气体由C管路计量并排出，剩余的液体由D管路回到储水罐中。经分离器分离后的液体由出液口进入E管路，再进行二次分离，分离后的气体由F管路排出，液体由E管路回到储水罐中。在各个管路上装有对应的流体测量仪器，测量出进入试验样机前的气体、液体量，以及经过试验样机后分离出的气体量，即可得出此分离器试验样机的分离能力，即分离效率。

3　测试工艺

3．1 液体单相流

1） 将分离器安装在分离器测试装置上，将进水管线、出水管线、出气管护盖、测试仪器、水箱等进行连接，构成水循环管路。

2） 打开所有仪表供电，检查仪表是否正常。

3） 检查完毕后，打开供水阀门及回水阀门，让水进入分离器，并检查水循环管线的密封情况。

4） 连接分离器测试装置电机电源，按照转向要求调整电机转向，准备启动机组。

5） 启动机组，观察流量表，调整回水阀门确定运行排量后，让机组运行10～20min。

6） 按照排量范围，确定测量点，进行逐点测量，记录各测试数据。

7） 试验完成后，按需要对水循环管线进行整理，关闭试验用所有电源，并整理各仪表。

8） 将测试数据录入计算机，进行整理分析。

3．2 气液两相流

1） 将分离器安装在分离器测试装置上，连接水箱出水口、水泵、进水管线、分离器进水口、分离器出水口、出水管线、水箱进水口，构成水循环回路；连接进气管线、分离器出气孔、出气管线，构成气循环回路。

2） 打开所有仪表供电，检查仪表是否正常；打开供水阀门及回水阀门，检查水循环管线的密封情况；打开排气阀进行排气，无问题后，准备启动机组。

3） 启动水泵，观察各仪表显示是否稳定，各测试人员就位，准备测量。

4） 按照排量范围，确定测试点，准备注气。

5） 按照排量，确定初次注入气体量，打开截止阀逐渐增加注气量进行测量，并逐点测量。

6） 测验完成后，按需对水循环管线及注气管线进行整理，关闭试验用所有电源，并整理各仪表。

7） 将测试数据录入计算机，进行整理分析。

4　测试结果

2014年在太仓试验基地利用分离器性能测试系统进行涡旋分离器的性能测试，图5～7为试验曲线图，测试结果与现场应用效果基本一致，达到了设计要求。图5为涡旋分离器水介质条件下扬程排量曲线，图6为涡旋分离器气液两相条件下体积分数排量曲线，图7为涡旋分离器气液两相条件下分离效率排量曲线。

图5　涡旋分离器水介质测试曲线

图6　涡旋分离器气液分离气体体积分数曲线

图7　涡旋分离器气液分离效率曲线

5　结论

涡旋分离器的测试结果与应用效果一致，表明油气分离器性能测试系统的结构设计及测试工艺基本正确，可以用于油气分离器及其相关部件的性能检测。潜油电泵油气分离器性能测试系统的成功研制，有助于加深对分离器气液两相流理论的理解。通过对分离器分离效率测试，对其水力性能以及气体处理能力有了量化的了解，在分离器的设计及应用中起到重要的参考作用，将加快油气分离器研究的步伐，拓宽潜油电泵的应用范围。

［1］ 梅思杰，邵永实，刘军，等．潜油电泵技术（上册）［M］．北京：石油工业出版社，2004：113-143．

［2］ 莫丽，刘清友，杨建忠，等．井下油气分离器试验装置设计［J］．石油矿场机械，2005，34（2）：37-39．

［3］ 赵永武，董静宇，都凯．潜油电泵油气分离器应用条件试验研究［J］．石油矿场机械，2013，42（5）：73-75．

［4］ 韩洪升，王卓，司明林，等．聚并等流油气分离器优化试验［J］．石油矿场机械，2013，42（10）：48-51．

Property Test System Research of Oil-gas Separator in ESP System

YU Hongying
（Daqing Oilfield Powerlift Pump Industry Co．，Ltd．，D aqing163311，China）

Oil and gas separator is one of the four parts of ESP．Though itsmechanical structure is sim ple，the internal flow field is complex．The relationship between the structure and the separation efficiency can’t be solved theoretically．Therefore the project of property test system research of oilgas separator in ESP System had been carried out．Property test system of oilgas separator ismainly composed of three parts：body test device，steel bracket and pedestal，gasliquid testline．The separation efficiency of oilgas separatoris calculated bymeasuring the quantity ofliquid inlet and gas outlet．It provides accurate and reliable scientific data for the optimization of the existin goilgas separator and the development of new type of oilgas separator，and it is the basis equipment for property test of oilgas separator in ESP system．

ESP；oil gas separator；property test；separation efficiency

TE933．3

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．016

10013482（2015）03006804

①2014-08-24

于洪英（1977-），女，辽宁铁岭人，工程师，硕士，主要从事潜油电泵采油设备的设计，Email：yuhy1＠cnpc．com．cn。