潜油电泵高效气体处理器结构设计

吴 频，王建宝，梅 阳，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

随着油田油井的持续开采，井下饱和压力不断降低，当井底原油流动压力低于饱和压力时，地层井液中游离气体体积比将增大，大量的自有气体进入潜油电泵中，占据了一部分甚至全部进入液体的空间（图1）：当气液比较小时，只是影响潜油电泵的工作效率，但当气液比大于40%时，如果不进行气体处理，潜油电泵采油将有可能失效甚至产生气锁现象，严重影响潜油电泵使用（图2）。

图1 气泡聚集

图2 气锁现象

根据以往现场使用数据总结，潜油电泵随着采油区块气液比变化，必须采取气体处理措施（表1）。

表1 气液比相对应气体处理措施

潜油电泵工作原理：电泵的工作转速为2800～3200 r/min（高速旋转），当携气井液进入电泵中受离心力的作用将混合液分离，气体被释放到油井套管中，液体通过潜油电泵被输送至地面。当气液比较大时，如果不采取相应的措施，潜油电泵将无法正常工作。以往采用的气体处理器工况使用极限为气液比小于70%的油井，如下介绍的新型结构高效气体处理器，经多次改进液气轴向流动具有高的携气性能，可用在气液比70%及以上的潜油电泵采油中。

1 工作原理及结构设计

由于油井空间环境的限制，气体处理器的外形同潜油电泵类似，其具体结构则由液气分离原理所决定，采用高速旋转离心分离（与原油气分离器的设计理念完全不同），是一种新型结构的液气处理器产品。

工作原理：利用叶轮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，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，保证叶轮中的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较好的气体携带性能。气体处理器中轴面流线采用变径形式，由入口到出口逐渐收缩，流经的气液受到一定压缩，使部分游离出的气体重新混入井液中，杜绝气蚀现象。

由于液体中含有大量的气体，在长期使用过程中潜油电泵泵体内部极易发生气蚀现象，这使得电泵运转叶轮内能量场交替变化，将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轮低压侧、曲率较大的前端盖。

为了解决潜油电泵气蚀，确保电泵正常有效工作，关键在于提高叶导轮输送的携气能力。新改进型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，即气液不分离，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，这样既避免了潜油电泵运转时的气锁现象，又减少了气蚀现象（图3）。

图3 气体处理器内部结构

2 高效气体处理器结构

2.1 叶导轮设计

叶导轮作为气体处理器中使气液混合体能否有效充分溶合、输送的最关键部件，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。根据输出的流量、转速、功率，采用计算软件建模流体结构设计研究叶片内特性，可得出紊流流场对叶片水力性能影响，设计叶片结构参数，计算叶导轮水力效率。

2.2 轴上端反向旋转锁紧螺母设计

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，可以杜绝由于螺母松动造成的设备事故（图4）。

图4 轴上端反向旋转锁紧螺母

2.3 轴下端环槽设计

为保证多级叶导轮在轴上的有效固定，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，也使安装和维修更加方便。

2.4 导轮压紧量设计

气体处理器多级叶轮采用串联方式安装在轴上，通过端部的锁紧螺母压紧，叶轮轮毂、叶轮相对轴的位置是固定的，这样轴、多级叶导轮及其他配合部件形成一个整体结构（传动部分），叶轮所受的所有轴向力施加在轴上，而不会通过叶轮传递给导轮。

另一部分壳体、导轮及接头，通过法兰也形成一个整体结构（固定部分），多级叶轮与导轮正常运转过程中，每一级叶轮与导轮的间隙是不会发生改变的，并且不相互接触，减少叶导轮在井液冲击，且不易夹砂存砂、减少磨损。但是由于压紧螺母的挤压会使叶导轮结构参数发生变化，所以压紧结构形式及压紧量参数将非常关键。

对以往气体处理器现场应用情况参数进行分析，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。这样在保证每一级在压紧的同时，叶轮和导轮间隙不变。

2.5 最大排量确定

在现场使用过程中，根据油井采油量设计选定潜油电泵规格并匹配相应处理量规格的气体处理器。气体处理器的最大处理量由泵转速、叶轮直径、轮毂直径等参数来确定，在实际工况中同时也受到潜油电泵及油井尺寸参数的限制。一般型号匹配后，泵速及叶轮直径基本确定，在设计中为了提高处理量，会通过减小轮毂尺寸及水力摩擦损失的方式加大过流面积，但同时也会降低轮毂的强度，增加叶片变形量，造成泵效下降、高效区变小，所以在优化设计时应考虑这两方面的因素。

2.6 防砂设计

气体处理器在工作中过程中，当井液中含砂量较大时，随着液体气体高速流动，产生的冲击、冲刷会加快叶轮叶片磨损的速度，短时间内会造成处理量下降，严重的还会影响设备使用效果及寿命。因此，结构设计上叶导轮采用严紧式结构，井液冲击下不易存砂。另外，为提高叶轮叶片耐磨性，分别进行径向和轴向防砂设计，并以高镍铸铁作为基材，不仅有较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，也能够提高产品的耐磨性及使用寿命。

3 结束语

2018 年，经过精细化设计的高效气体处理器在冀东及胜利采油厂开始推广使用。通过对近年来现场使用数据的总结分析，并与以往常规气体处理器进行比较，发现该产品不仅可以保证潜油电泵高效运转，同时还可延长潜油电泵使用寿命15%以上，叶轮叶片的气蚀现象较原来明显改善，基本上杜绝了现场由于气液比不合理而造成的潜油电泵气锁现象。

高效气体处理器还可以进一步拓宽潜油电泵的高效使用区间，为降低潜油泵百米能耗提供有力的保障，使更高携气量的油田区块采用潜油电泵采油成为可能。未来还会继续改进优化产品规格，进一步扩大产品应用范围，提高其市场价值。