Sop-PGP 气体处理器结构设计研究

2020-02-15付俊宏于继林

设备管理与维修 2020年11期

付俊宏，于继林，王宝

（1.长庆油田分公司物资供应处，陕西西安 710018；2.渤海装备钻采装备销售公司，天津 300280）

0 引言

潜油电泵的应用为快速开采石油提供了一个有效途径，但由于气体影响使潜油电泵的应用受到限制。石油是一种复杂的碳氢化合物的混合物，在井下高温、高压状态下，以油、气、水三相混合的状态存在。当受到其他因素影响使环境压力低于泡点压力时，气体就从原油中游离出来，以游离气体的方式存在。

为解决现有潜油电泵油气分离器分离效果差，使用范围小，气蚀和气锁泵严重，扬程和压力损失大的问题，需要研制具有高携气能力的潜油电泵气体处理器。避免发生气蚀和气锁，保证泵高效运行，延长泵的使用寿命，并尽可能利用气体，提高潜油电泵采油能力，扩大潜油电泵应用范围。

1 技术研究方法及原理

应用环境决定了Sop-PGP 系列气体处理器具有类似潜油泵的外形；它的处理对象性质决定了它的具体结构；与油气分离器完全相反的设计理念使它成为一种新的泵类产品。

井液中气体的逸出是因环境发生变化，当压力低于同温时的泡点压力，气体就会逸出。潜油泵运转时，井液压力沿着泵入口到叶轮入口而下降，在叶片入口井液压力最低。此后由于叶轮对液体做功，液体压力很快上升。当叶轮叶片入口附近的压力低于泡点压力时，溶解在井液中的气体逸出，形成许多气泡，气化的区域阻碍了液体流动，限制了泵的排量。当气泡随液体流到流道内压力较高处时，由于此时压力高于泡点压力，气泡急剧凝结消失。因气泡的消失产生局部真空，周围液体就以极高速度冲向气泡中心，瞬间产生极大的局部冲击力，局部温度骤升，造成叶轮气蚀，并且使泵产生振动，发出噪声。

潜油泵发生气蚀时，叶轮内井液的能量交换受到干扰、破坏，表现为流量—扬程曲线、流量—功率曲线、流量—效率曲线下降。潜油泵最易发生气蚀的部位:①第一级叶轮；②叶轮曲率最大的前盖板处，靠近叶片进口边缘的低压侧（从旋转方向看）；③导轮的靠近进口边缘低压侧。

解决潜油泵气蚀产生的关键是提高叶轮的携气能力，气体处理器的叶导轮采用轴流式设计，有较好的携气能力。当井液进入叶轮，没有离心力的作用，液体和气体不会分离，液体将气体包裹起来。因叶轮的轴向举升而向上运动，叶轮的轴面流线采用变径形式，由入口到出口逐渐收缩，流经的气液受到压缩，使部分游离出的气体重新溶入井液，通过导轮整流进入下一级叶轮。通过气体处理器多级叶导轮的递送，井液中的气体含量逐渐减少，进入潜油泵的井液含气量更少且压力高于泡点压力，避免了气蚀或气锁的发生。当井液通过潜油泵加压，进入油管时，在流动过程中，压力逐渐减小，当低于泡点压力时，大量气泡逸出，起到气举作用，加快井液举升。

2 解决的关键技术及创新点

2.1 叶导轮材料的选择

气体处理器安装在潜油电泵下面，井液经过气体处理器后进入潜油泵。井液成分复杂，通常具有腐蚀性，因此叶导轮的材料应当具有耐腐蚀性，这样才能保证气体处理器的水力性能及使用寿命。此外，井液中通常含有颗粒状物，不可避免会磨蚀叶导轮；在正常运转下，叶轮始终处于高速旋转状态，导轮与轴套之间也处于高速摩擦。叶轮、导轮及与之配合的各零件之间的结构参数必须保证变化极小，才能保证泵的正常运转，这对叶导轮的材料又提出了另一要求，即要有高的强度、硬度、冲击韧性及低的热鼓胀性。

通过比较发现，用高镍铸铁作为叶导轮的材料是最佳选择。高镍铸铁的主要成分是无磁性的奥氏体铁，不仅具有高的强度及硬度，而且其冲击韧性及热鼓胀性都很好。此外，高镍铸铁与普通铸铁相比，在相同的硬度、强度和组织时更易于加工。

2.2 设计反向旋转锁紧螺母

在气体处理器轴的上端设计反向旋转锁紧螺母，对叶轮及轴进行锁紧固定。采用反向旋转锁紧螺母，在叶轮旋转时，可以防止锁紧螺母松动。

2.3 设计环槽采用两半环结构承重

在设计气体处理器轴的下端设计承重环槽，采用两半环结构，用以承担叶轮轴向力及轴自重，保证多级叶轮在轴上的固定。

2.4 叶导轮设计

叶导轮的设计是气体处理器设计的关键。气体处理器叶导轮叶片的曲线形状，要保证叶轮中井液的流向是在以轴线为中心的柱面方向，径向分速度为零。为实现气体溶入液体，叶轮轮毂柱面采用曲线变径的形式。由入口到出口逐渐收缩，使气液混合的井液进入叶轮后，获得一定的速度沿轴向旋转的同时被压缩，使部分游离出的气体重新混入井液中。根据输出功率、流量及转速，应用计算流体动力学（CFD）软件研究叶片内特性——紊流流场对叶片水力性能的影响，定出叶片的参数并计算水力效率。

2.5 导轮压紧量的计算

气体处理器的叶导轮采用多级串连方式，以及整体压紧式结构，即通过对叶轮轮毂的挤压，使叶轮相对轴的位置固定。叶轮、轴及相应的配合部分成为一个整体——转动部，叶轮所受轴向力将通过轴传递出去，而不是通过叶轮与导轮的接触传递给导轮；导轮、壳体及接头等也通过挤压成为另一个整体——固定部；每一级叶轮与导轮之间的间隙保持相同，在气体处理器正常运转时，叶轮与导轮不接触。这种结构可以使叶导轮在井液冲击下不易存砂，减少叶轮、导轮间磨损。但由于挤压，叶导轮的结构参数将发生变化，合理设计叶导轮相关参数及压缩量成为实现气体处理器压紧式结构的关键。

通过结构参数设计，将转动部相对于固定部每级轴向尺寸减少0.08 mm，与单级导轮压缩量相同。这样转动部压紧和固定部压紧的轴向减少量相同，在保证压紧的同时，使每一级叶轮与导轮间隙相同。

2.6 气体处理器最大排量的计算

气体处理器的最大排量直接影响使用范围，最大排量取决于泵的转速、叶轮直径和轮毂直径。受潜油电泵和油井尺寸限制，泵的转速、叶轮的直径基本固定；缩小轮毂的尺寸，可以加大过流面积，减小水力摩擦损失；但是，轮毂过小会增加叶片的扭曲，容易造成叶轮进、出口处的二次回流，使泵效下降，高效区变窄。同时，轮毂过小直接降低叶轮强度。计算出系列气体处理器最大排量为1200 m3/d。

2.7 防砂气体处理器设计

当井液中的含砂量较大时，砂粒对处理器的性能将产生极大影响。砂粒的冲击会造成处理器的严重磨损，叶片磨损会直接改变处理器的水力性能；当轴套与导轮轮毂的配合处被磨损后，转动部（主要包括轴、叶轮、轴套等）的扶正被破坏，动平衡也被破坏，处理器的整体性能将直线下滑，处理器使用寿命会严重缩短。如果能够保证扶正不被破坏，气体处理器的运转就会很平稳，砂粒对气体处理器的影响就会下降。因此在普通气体处理器基础上，改变导轮轮毂的结构设计，增加硬质合金扶正，使气体处理器在含砂工况下也能正常运转。