滑片泵工作特性研究及举升系统优化设计

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:breeze001
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滑片泵是利用内部密封工作腔室容积的周期性变化来实现吸油、压油并输出高压流体的回转式液压泵。相比传统举升工艺,滑片泵可通过调节偏心距的方式控制排量、可根据现场生产的需要增减泵级数,有着耐高温、流量脉动小、结构简单等优势,但也存在着如径向液压作用力不平衡等不足。作为一种新兴的机械采油设备,目前对于滑片泵的研究仍处于探索阶段,关于泵工作特性的分析评价及相应举升系统的优化设计尚有待完善。基于滑片泵的机械结构及工作原理,对泵的各项关键性能指标进行数学建模,并运用计算流体动力学方法对泵的举升过程进行三维数值模拟。理论研究表明:泵的有效容积越大、驱动转速越高,理论排量越大;理论扭矩仅取决于泵的单周排量和举升压差,瞬时功率与瞬时扭矩之比为转子角速度;滑片两侧压差取决于该滑片及相邻滑片的位置关系,并通过分段计算的方式得出滑片转至任意位置处时其两侧的压力分布;所建间隙配合方式下的漏失模型、气体影响下的泵充满程度计算模型、泵内粘性摩擦及机械接触摩擦数学模型,为滑片泵工作效率的分析奠定了理论基础。流场模拟显示:滑片泵的排量、扭矩、液压功率均较为稳定,位于容积最小处与最大处的泵腔之间存在较大的压力差,反映出泵内不平衡的径向液压作用力;适当提高流体粘度可有效提升容积效率,但粘度越大径向不平衡液压作用力越大;低气液比条件下,泵对气体具有良好的耐受性;扭矩与举升压差成正比例关系,且举升压差越大,扭矩损耗越多;各模拟转速下的流量脉动率均较小,表明泵的输出性能平稳;多级滑片泵由下至上逐级增压,泵内各级含气相体积分数同样由下至上依次升高,故泵内级数越高,因压力或气体影响而导致损坏的风险越大;多级滑片泵内部相邻各级的径向液压作用力方向相反,据此建议在泵的总级数较少时,使用偶数级的多级泵;在泵的总级数较多时,使用奇数级的多级泵,以减小不平衡径向液压作用力对举升系统的影响。对滑片泵的机械结构参数进行了优化设计,认为定转子偏心距越大,泵的排量越大、径向液压作用力越不平衡;定转子同心的设计可消除不平衡的径向液压作用力,但同时失去了利用偏心距调节排量的功能,且同心时滑片的运动特性较偏心时差;相同气液比条件下,转子凹槽半径越大,容积效率越低,且高气液比时转子凹槽对容积效率的影响更为显著;滑片数量越多,泵的流量脉动越小,且滑片为奇数时的瞬时排量较相邻偶数时的更为均匀;通过改进吸入(排出)窗口在级间隔板上的位置,使泵腔一旦进入封闭状态便开始有效的预扩张(预压缩),充分利用了预设的封闭角,以最大程度上的避免无法有效吸入、高压回流现象。建立了滑片泵井抽油杆柱轴向载荷及周向扭矩的力学模型,并基于强度理论进行了抽油杆柱的组合设计;根据能量传递过程中的能耗关系,建立了滑片泵井举升系统效率模型;结合油井流入动态及井筒多相流,对常规油井和稠油井进行了滑片泵举升方案设计。旨在更深入分析评价滑片泵这一新型举升工艺,为该泵的推广及应用提供理论支撑与技术指导。
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