潜油电泵高效气体处理器技术研究

2022-09-27王建宝黄志敏倪小涛王春亮李光祥

设备管理与维修 2022年16期

王建宝，梅阳，黄志敏，倪小涛，王春亮，李光祥

（1.渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280；2.大港油田第四采油厂（滩海开发公司），天津 300280）

0 引言

潜油电泵在长期的使用中由于液体中大量气体的存在，泵体内部极易发生气蚀现象。当气蚀发生时电泵运转叶轮内能量场交替变化严重干扰和破坏正常运转，导致潜油电泵运转的流量曲线、功率曲线、效率曲线严重失常。潜油电泵极易发生气蚀的部位是首级叶轮、从旋转方向液体进口靠近叶片的低压侧及导论低压侧、曲率较大的前端盖。

为解决潜油电泵气蚀及正常有效工作，关键在于提高叶导轮输送的携气能力，本文研究改进型气体处理器，叶导轮延用原轴流式设计方案，根据叶片力学模型及多次调整试验测试，改进后的叶导轮有更高的携气能力。在设计中叶导轮通过进口角度调整，使液气混合物进入时基本不产生离心力，即不分离，而是将气液混合包裹，通过叶导轮轴向举升流动，将轴面设计为变径流线形式，由入口逐渐收缩到出口，使混合液在举升流动过程中不断压缩，析出气体重新溶入液体，然后进入下一级叶轮，通过多级压缩输送，使气液混合物进入潜油电泵时压力高于饱和析出压力，避免了潜油电泵运转气锁现象，也减少了气蚀的发生。

1 研究方向及目标

目前油田现场潜油电泵90%以上配套安装的为常规型式气体处理器，高效气体处理器技术研究的目标是将气体处理器处理的液气比工况从目前的50%左右提升至70%以上，并使气体处理器及所配套潜油电泵的使用寿命提升15%以上。高效气体处理器通过对轴流式扭曲叶片改进、叶导轮轮毂的变径结构产生压缩、反向锁紧螺母挤压设计、导轮的特殊材料选择、多级导轮间间隙优化、叶轮叶片的耐磨及强度硬化、提高潜油电泵及气体处理器模拟测试系统等方面进行优化，使新型的高效气体处理器可以应用到液气比更高的油井区块，也可以进一步提高潜油电泵的工作效率，降低百米能耗。

2 技术研究方法

通过特殊的结构设计，第一方面使叶导轮能够减少对气液的离心作用，防止叶导轮中的气液分离；第二方面也造成气体稀释于液体当中；第三方面由于气体处理器也采用叶导轮的多级串联结构，多级增压作用的存在，使得气体含量逐渐减少。通过以上三方面的作用，使得气液两相流的流动性如同单相流，使得气体处理器具备比普通潜油泵更高的携气能力。

潜油电泵工作原理是利用叶轮（图1）的高速旋转所产生的推力推动井液，叶片对水产生向上的升力。可把井液从叶轮的入口推到出口，叶轮具有携气能力，配合分离器、吸入口使用。气体处理器中的井液和气体沿叶轮的轴相吸入、轴相流出，导轮（图2）整流后继续轴向流动。井液和气体不受离心力的作用，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vr=0，因此气体处理器具有高的气体携带性能。气体处理器中轴面流线采用变径的形式，由入口到出口逐渐收缩，流经的气液受到一定的压缩，使部分游离出的气体重新混入井液中，彻底杜绝气蚀现象发生（图3）。

图1 气体处理器——叶轮

图2 气体处理器——导轮

图3 叶片力学模型

3 技术研究改进措施

（1）叶导轮曲线设计中叶导轮片的曲线性状必须保证气液混合体延轴线为中心的柱面方向流动，径向不产生离心力，实现气液充分溶合。将轴面设计为变径流线形式，由入口逐渐收缩到出口，使混合液在举升流动过程中不断压缩，析出气体重新溶入液体，然后进入下一级叶轮，通过多级压缩输送，使气液混合物进入潜油电泵时压力高于饱和析出压力。

（2）防止气体处理器上端锁紧螺母松动，在以往工况中时常发生，设计反向旋转锁紧螺母，对叶轮及轴进行锁紧固定。

（3）为保证多级叶导轮在轴上的有效固定。在气体处理器轴的轴下端设计采用两半环结构的承重环槽，既能有效承担叶轮轴向力及轴自重，安装维修也更加方便。

（4）通过以往气体处理器现场应用情况参数分析，结合计算机建模设计，在改进型高效气体处理器中将传动部分与固定部分每级的轴向尺寸压缩0.08 mm，与单级导轮间压缩量不变；保证每一级在压紧的同时，叶轮和导轮间隙不变。

（5）为了提高处理量会加大过流面积，通过减小轮毂尺寸及水力摩擦损失的方式，但同时会降低轮毂的强度，这样会增加叶片变形量，造成泵效下降、高效区变小，所以在优化设计时结合两方面因素进行考虑。

（6）为提高叶轮叶片耐磨性，设计上在修改导轮叶片结构的同时用高镍铸铁作为基材，不仅有高的表面硬度及机体强度，冲击韧性及热膨胀性也非常优良；轮毂增加硬质合金扶正，提高耐磨性及使用寿命。

（7）测试台改进，结合当前各种型号潜油电泵匹配气体处理器的结构及叶导轮参数将测试系统最大参数确定为：泵出口压力20 MPa，电机功率90 kW，泵长5 m。扭矩传感器选用高精度、高过载保护的1604-2k 型，特点在于转速范围大，轴承引起滞留小，抗干扰能力强，允许安装误差等优点。流量测量选择型号为Ds300 的Emerson 公司产品，可完成过程流体流量、密度高精度测量，并且可实现液体、气体及浆液的质量流量及密度测量。

4 气液混合试验效果

经过技术研究改进后的气体处理器在厂内的测试数据中得到验证。结合130 型高效气体处理器测试数据，技术升级后的潜油电泵水平测试系统试验结果如图4、图5 所示，测试过程中混合气体量按5%递增。

图4 水介质下性能曲线

图5 气体处理特性曲线

测试结果表明：由水介质下性能曲线可以得出改进后的气体处理器，其水力性能完全达到预期研究目标；由工作特性曲线可以表明，其处理能力也达到了预期研究目标。若结合现场实际应用时参数，高效气体处理器混合液入口压力要大于试验台流体压力，可以预期实际应用时高效气体处理器的使用效果会更好。

5 应用前景

2018 年，经过技术研究改进型的高效气体处理器在冀东油田现场广泛应用，性能得到充分认可。目前大量应用在高油气比海上油井生产中，也陆续对原有潜油电泵井配置的气体处理器进行了重新优化，更换了效果更好的高效处理器。对胜利油田（含海上）应用的近100 套改进型高效处理器的设计及应用情况进行分析得出如下结论：①潜油电泵的检修周期从原来的200多天提升至300 天以上；②提高了潜油电泵高含气井的适应性，基本解决气锁现象的发生；③由于高效气体处理器具有逐级压缩能力，提高了油井举升扬程，也提高了潜油电泵组对混合井液的举升能力；④高效气体处理器完全可以满足海上气液比较高的生产需要。