潜油电泵井气体处理器数值模拟与实验

陈德春， 张 琛， 周 童， 黄新春， 罗会刚， 任敏华

(1中国石油大学(华东)石油工程学院 2中石化胜利油田分公司石油开发中心有限公司 3中海油能源发展工程技术公司机械采油分公司 4中石化胜利油田分公司纯梁采油厂)

潜油电泵井应用气体处理器有利于提高含气井中潜油电泵机组的工作性能，并被生产实践证实[1-2]，但其工作机理的研究还较缺乏，应用优化理论和方法尚不完善。前人运用数值模拟方法对油气分离器工作机理的研究已相对成熟[3-5]，为此，笔者运用Fluent数值模拟软件进行气液两相流体通过气体处理器的动态流场模拟，并研制气体处理器性能测试装置进行实验检验，以研究其工作机理和气体处理效果，指导气体处理器的优选和高效应用[6-7]。

一、数值模拟模型

1. 物理模型

气体处理器由转动部分和固定部分组成[8]，其中对气体处理起关键作用的是叶轮和导轮。基于实际叶轮和导轮的尺寸，按照几何相似，在Solidworks软件中对其分别进行物理建模，如图1和图2所示，然后按照叶轮-导轮的顺序进行三级装配，形成气体处理器的物理模型，如图3所示。

图1 叶轮模型

图2 导轮模型

图3 气体处理器物理模型

2. 网格划分

由于气体处理器中对气体处理起作用的是叶轮和导轮部分，对其进行网格划分，如图4所示。为了保证网格的质量和计算结果的精度，选用精细化网格标准，平滑迭代等级选择中级，过渡选项选择慢速过渡，在保证计算精度的前提下，提高运算速度。

图4 网格划分示意图

3. 数学模型

3.1 控制方程

根据气体处理器内流体流动的质量守恒和动量守恒，建立连续性方程和动量方程[9]。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

3.2 气液两相流动模型

基于气体处理器的气体处理原理，选择欧拉模型作为气液两相流动模型[10]。

3.3 湍流模型

由脉动方程推导而得的雷诺方程[11]为：

(3)

经过模型化之后，湍动能方程和湍动能耗散方程就变成如下形式：

边界方程：

(4)

其它流域方程：

(5)

雷诺模型在精度上较高，而且考虑了各相异性等条件，因此选用其作为湍流模型。

二、数值模拟分析

通过Fluent软件进行动态流场模拟，结果如下：

(1)从模型入口至出口，压力逐渐变大，说明通过叶轮与导轮的多级递送，气相和液相都获得了能量的增加，如图5所示。

图5 压力分布云图

(2)模型入口处气液是分离的两相，液相主要集中于中心区域，气相则围绕于液相周围分布；通过叶轮和导轮的处理，液相体积分数逐渐变大，气相体积分数逐渐变小；出口处气相在液相中均匀分散，气液两相分离流转化为分散流，液相为连续相和主控相，如图6～图9所示。

图6 入口及出口的液相分布云图

图7 入口及出口的气相分布云图

图8 动态流场区域的液相分布云图

图9 动态流场区域的气相分布云图

三、实验研究与分析

1. 实验原理

潜油电泵的性能参数包括泵的排量、扬程、转速、功率和效率[12]，气体处理器必须在含自由气的条件下改善潜油电泵的工作性能。气体处理器性能测试装置是将配套机组下入模拟井，通过对比安装气体处理器前后潜油电泵的特性曲线及数据，分析其性能好坏；同时可以测试气体处理器的处理能力，计算高含气液体通过气体处理器后的气体含量降低率(气体含量降低率=入口与出口体积含气率的差值/入口体积含气率×100%)。

2. 实验装置组成

实验装置由井筒、控制、悬架、起吊、泵送、管路、计量和数据采集处理等子系统组成。海上潜油电泵井多为多分支井且分支与海底处于30°左右，因此为了贴近现场生产状况，将井筒子系统设计为与地面呈30°安装。

3. 实验内容

(1)将电机、潜油电泵依次装入罐系统，调配进罐气液含量，使气体含量分别为0%、10%、20%、30%进行4组实验；通过调节泵出口压力，记录出口流量、压力及电机运行参数，形成4份特性曲线，如图10所示。

(2)将电机、气体处理器、潜油电泵依次装入罐系统，调配进罐气液含量，使气体含量分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%进行6组实验；通过调节泵出口压力，记录出口流量、压力及电机运行参数，形成6份特性曲线，如图11所示。

4. 实验结果与分析

结合实验和数值模拟结果(见表1)可以看出：

图10 安装气体处理器前不同含气率下的潜油电泵特性曲线

(1)安装气体处理器后，高含气液体被处理为低含气液体，平均气体含量降低率为80.0%，有利于改善潜油电泵的工作性能。

(2)安装气体处理器前，随着气体含量的增加，特性曲线逐渐下移，说明潜油电泵的工作性能受到了影响。根据国标规定的潜油电泵验收极限[13]，当气体含量为10%时，特性曲线达到了极限范围，说明该潜油电泵的耐气能力为10%。

图11 安装气体处理器后不同含气率下的潜油电泵特性曲线

(3)根据图11，安装气体处理器后，随着气体含量的增加特性曲线下移幅度明显变小。在实验中当气体含量为50%时，出口处的体积含气率为9.9%，接近于潜油电泵的耐气能力值，说明安装后气体含量为50%才使特性曲线达到了极限范围，气体处理器使潜油电泵的耐气能力提升到了50%。

(4)数值模拟与实验结果显示了相同规律，见表1。出口含气率的平均相对误差为5.06%，气体含量降低率的平均相对误差为1.3%，证明该数值模拟方法应用于气体处理器的动态流场研究是可行的。

表1 实验值与数模值的对比

四、结论

(1)气体处理器可将高含气、分离型的气液两相流体处理为低含气、气相在液相中均匀分散的流体，平均气体含量降低率为80.0%。

(2)实验中潜油电泵的耐气能力由10%提升到了50%，表明气体处理器使潜油电泵的工作性能得到了提升。

(3)在不同的入口气体含量下，出口体积含气率实验值和数值模拟值的平均相对误差为5.06%，气体含量降低率的平均相对误差为1.3%，表明应用数值模拟研究气体处理器的动态流场是可行的。

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[13]GB/T 16750—2008, 潜油电泵机组[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.