抽油机变周期运动泵内流场数值模拟

徐 畅, 闫雪柱, 褚慧娟, 仪记敏, 孟 珊

（1. 东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318；　2. 中原油田普光分公司采气厂， 四川 达州 636150）



抽油机变周期运动泵内流场数值模拟

徐 畅1, 闫雪柱2, 褚慧娟1, 仪记敏1, 孟 珊1

（1. 东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318；2. 中原油田普光分公司采气厂， 四川 达州 636150）

目前，油田现场已采用的变周期采油方式，具有提高泵效，降低能耗等优点，但变周期采油井底形态及抽汲参数、抽油泵结构和抽油泵沉没压力等因素对变周期采油影响规律尚不明确。针对上述问题，根据抽油泵变周期运动规律，应用FLUENT软件，利用动网格技术与UDF程序控制抽油泵内柱塞与球阀的运动，实现井下抽油泵变周期运动抽汲过程的仿真模拟。取得成果如下：在变周期上下冲程速比固定条件下，得到井下抽油泵泵内流场分布，以及不同冲程、冲次对抽油泵泵效的影响规律。取得的研究成果，可为现场变周期采油提供理论支持。

变周期；数值模拟；泵效；动网格

机械采油在石油工业一直占据重要地位［1］。机械采油一直采用对称循环式抽油即周期式抽油方式，但是一直以来存在抽油系统能耗大、效率低的问题［2］。现在可以通过地面控制使得抽油机采用变周期运动方式，在上下冲程过程中改变抽汲速度，使抽油机不采用对称循环的抽汲方式［3，4］。但是这种变周期抽汲方式缺少相关动态理论研究。

针对上述问题，根据抽油泵抽汲过程采用变周期运动方式［5］，应用FLUENT软件，以及动网格技术与 UDF程序，实现井下抽油泵变周期采油的数值模拟，得到变周期采用井下抽油泵的内部流场分布，研究了在变周期上下冲程速比固定条件下，不同冲程、冲次对抽油泵泵效的影响规律，明确了抽油泵泵效最佳的抽汲参数。

1 计算基础

实现抽油泵动态模拟过程主要包括多相流模型的确定和抽油泵各个部件之间的相对运动；通过Fluent中的多相流模型和动网格技术可以解决相关问题。

1.1多相流模型

多相流是指在流动的区域内有两种或两种以上的相存在，而抽油泵内部流体主要为油水两相混合。在FLUENT中的多相流VOF模型是一种在欧拉网格下求解及跟踪两种以上不相溶物质界面跟踪方法。根据泵内油水两相互不混溶的性质，采用VOF多相流模型。多相流是指在流动的区域内有两种或两种以上的相存在，而抽油泵内部流体主要为油水两相混合。在FLUENT中的多相流VOF模型是一种在欧拉网格下求解及跟踪两种以上不相溶物质界面跟踪方法。根据泵内油水两相互不混溶的性质，采用VOF多相流模型。

1.2动网格技术

抽油泵工作过程中阀球与泵筒、柱塞之间存在相对运动，因此可利用动网格技术和 UDF程序进行仿真模拟［5-9］。UDF程序中DEFINE_CG_MOTION宏可以控制各部件之间的相对运动。抽油泵内柱塞具有指定的运动规律，而游动阀球与固定阀球在泵筒内外压差作用下开启与关闭。因此编写程序时，柱塞的运动规律指定，阀球运动规律需编写受力运动程序。

2 物理模型与网格划分

本文采用的抽油泵的国家标准《抽油泵及其组件规范（GB/T 18607-2001）》，本文以杆式泵为研究对象，抽油泵的部分几何结构尺寸如表1所示：

表1　抽油泵的部分几何结构尺寸Table 1 The geometric size of the pump

抽油泵的特点是立体结构极为细长，管长与直径之间相差很大，而且抽油泵在地下工作时抽油泵内流体流动规律极其复杂。因此建立二维模型并进行合理简化。抽油泵结构较为复杂，而且为了动网格的实现，本文采用混合网格，网格划分模型如图1所示。

图1　抽油泵模型网格划分示意图Fig.1 The meshing diagram model of the pump

3 计算结果与分析

通过Fluent数值模拟，得到了在不同冲程、冲次条件下不同时刻的泵内流场的分布情况，以及不同冲程、冲次对泵效的影响规律。具体内容如下：

3.1泵内流场分布

抽油杆在上下冲程速比 2：1变周期运动冲程 3 m，冲次6/min条件下，抽油泵泵内压力场云图、速度场云图和油水体积分布图如下图2、3、4所示。冲次6/min，冲程时间为10 s，上下冲程速度比2：1，则上冲程时间为3.33 s，下冲程过程为6.66 s。

（1）变周期运动泵内压力场云图

上冲程初始时期，游动阀关闭，上冲程柱塞运动速度较快，泵筒内压力降低迅速，固定阀开启，泵筒内压力呈现上低下高趋势，直至柱塞在3.33 s时到达上死点。下冲程时间为6.66 s，是上冲程时间的二倍，泵内压力变化较为平缓，呈现下高上低趋势。

图2　泵内压力场云图Fig.2 Pressure field cloud within of the pump

（2）变周期运动规律下泵内速度场云图

抽油杆变周期运动规对泵内流体速度有较大影响。在上下冲程速比2：1条件下，上冲程时间较短，流体流速变化幅度大，柱塞在3.33 s是到达上死点，此时在固定阀球与球座之间空隙处流体速度仍然很大。在下冲程过程中，固定阀球关闭，游动阀球打开，泵筒内与游动阀球两侧处的流体流速不大，下冲程时间较短有利于流体进入柱塞上部。

图3　泵内速度场云图Fig.3 Velocity field cloud within the pump

（3）变周期运动规律下泵内油水两相分布云图

图 4为抽油泵泵内流场液相体积分数分布情况。随着柱塞向上加速运动，泵内压力迅速降低，泵外液体迅速流入泵筒。但是，由于泵内压力变化过于迅速，液体在上冲过程中并不能完全充满泵。柱塞向下运动时间是上冲程时间的2倍，向下运动速度缓慢，有利于液体进入柱塞上部。

图4　泵内油水两相分布云图Fig.4 Oil and water distribution cloud of the pump

3.2影响因素分析

抽油机变周期工作中，上下冲程速比为 2:1，仿真计算收敛时，边界上的质量流量也达到稳定状态，通过计算得到的柱塞入口的平均质量流量，得到一个周期内流入泵筒内液体体积，与通过冲程以及泵筒直径计算得到柱塞让出体积进行比较得到在此条件下的泵效。

（1）抽油杆变周期运动规律下冲程对泵效影响

通过计算上下冲程速比2：1变周期条件下，冲次为6/min，冲程分别为1、1.5、2、2.5、3m情况下的泵效，分析不同冲程对泵效影响，计算所得冲程与抽油泵泵效关系曲线如图5。

图5　冲程对泵效的影响Fig. 5 The influence of stroke on the pump efficiency

由计算结果可以看出在上下冲程速度比2：1变周期固定冲次6/min条件下，增大冲程泵效增大，泵效达到最大值之后，泵效随着冲程的增加泵效缓慢降低，计算结果中表明在冲次6/min条件下，长冲程情况泵效较高，其中冲程2.5 m具有最优泵效，泵效值为75.5%。

图6　冲次对泵效的影响Fig.6 The influence of speed on the pump efficiency

（2）抽油杆变周期运动规律下冲程对泵效影响

通过计算上次冲程速比2：1变周期条件下，冲程为3 m，冲次分别为2/min、4/min、6/min、8/min、10/min情况下的泵效，分析不同冲次对泵效影响，计算所得冲次与抽油泵泵效关系曲线如图6所示。

由计算结果可以看出在上下冲程速度比2：1变周期固定冲程3 m条件下，增大冲次提高泵效，但时泵效达到峰值后随着冲次增加而降低。计算结果中表明在冲程3 m、中低冲次条件下情况泵效较高，其中冲次 6/min情况具有最优泵效，泵效值为74.4%。

4　结 论

（1）通过FLUENT软件、动网格技术以及UDF程序控制泵内各部件之间的相对运动，仿真计算的得到泵内流体速度、压力分布的变化规律，以及冲程、冲次对泵效的影响规律

（2）在冲次 6/min条件下，泵效随着冲程的增加先增加后降低，泵效在一定区间内泵效相对较高，泵效最高值出现在冲程为2.5 m时，此时泵效可达到66.9%。

在冲程3 m条件下，泵效随着冲次的增加而增加，但是冲次不宜过高，超过一定范围泵效随之降低，中低冲次情况泵效较佳，其中冲次6/min具有最优泵效，泵效最高值可到达63.1%。

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Numerical Simulation on Flow Field in Pump During Varying Periodic Motion of the Pumping Unit

XV Chang1, YAN Xue-zhu2, CHU Hui-juan1, YI Ji-min1, MENG Shan12. Zhongyu?(a1n.NOoilrftiheelda sPt uPgeutraonlge uBmra Uncnhiv Gerassi tPy, r oHdeuiclotinognj iPalnagn tD, Saqicinhgua1n6 D33a1z8h,o Cu h6i3n6a1;50, China)

Recently, period-varying production mode has been put into use in field site. This mode has many advantages, such as high pump efficiency, low energy consumption and so on.But the influence of many factors such as bottom hole pattern, sucker parameter, pump structure and sinking pump pressure on the period-varying production mode is not clear. To solve the problems above, dynamic mesh technology and UDF program were used to control the movement of the ball valve and plunger in the oil-well pump with FLUENT software to realize the simulation of down hole pump period-varying movement swabbing process with FLUENT software. Results are as follows: Obtaining the flow field distribution in the down hole pump and the influence regularity to pump efficiency under different number of stroke and dash with the condition of same up and down stroke ratio. All those results can be used as the theoretical support of period-varying production in field sites.

period-varying motion; numerical simulation; pump efficiency; dynamic grid

徐畅（1990-），女，硕士研究生，研究方向：复杂流体流动与数值模拟。E-mail：xhdhl2010@163.com。

TE933.3

A

1671-0460（2016）05-1079-03

2016-01-12