研究泵內(nèi)流場尤其是混相流流場是改善潛水深井泵性能的關(guān)鍵。隨著PIV技術(shù)、LDV技術(shù)及超聲波技術(shù)的日趨成熟，人們已經(jīng)可以利用這些優(yōu)質(zhì)的流場測(cè)試技術(shù)在不干擾流場的情況下進(jìn)行高精度的測(cè)量。在加拿大已有人使用這些優(yōu)質(zhì)技術(shù)研究潛水深井泵流場，石油大學(xué)(北京)海洋力學(xué)試驗(yàn)室針對(duì)該問題應(yīng)用PIV(粒子成像測(cè)速技術(shù))進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其主要內(nèi)容是測(cè)定不同流量時(shí)泵內(nèi)流場的分布規(guī)律，并對(duì)比單相及混相流時(shí)深井泵內(nèi)流場的異同。
1粒子成像測(cè)速及圖像處理技術(shù)
粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)的基本原理①是利用撒在流體中的粒子對(duì)光的散射作用，用光學(xué)的方法記錄下粒子在不同時(shí)刻在流場中的位置，從而得到粒子的位移，基于粒子對(duì)流場的跟隨性，測(cè)出粒子所在位置上流體的速度及瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
運(yùn)用PIV技術(shù)，對(duì)流場中眾多的粒子情況可以按時(shí)間順序通過多次曝光記錄在同一圖像上，也可以通過高速攝影機(jī)記錄在不同的圖形上。利用有關(guān)的物理學(xué)及力學(xué)的假設(shè)和定律，并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過一系列數(shù)字運(yùn)算即可得出反映流場特性的參數(shù)(粒子位移、速度等)。通常，PIV系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、PIV圖像記錄存儲(chǔ)系統(tǒng)以及PIV處理系統(tǒng)組成。
2小型氣液兩相深井泵模擬試驗(yàn)裝置
潛水深井泵在井下工作，其工作介質(zhì)也不是單相的，故很難對(duì)現(xiàn)場工作的深井泵的流場進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。另外，由于各油田油井地層條件很復(fù)雜，難以找到一般性的規(guī)律，因此，在實(shí)驗(yàn)室里建立了一套小型氣液兩相深井泵模擬試驗(yàn)裝置，如圖1所示。
該模擬試驗(yàn)裝置主要由液壓控制系統(tǒng)及氣動(dòng)控制系統(tǒng)組成。為了進(jìn)行可視化研究，深井泵模型泵筒及柱塞均采用有機(jī)玻璃制造，其泵徑為57mm，柱塞長度為0.3m，可模擬沖程為0～0.6m,沖次為0～6次/s,內(nèi)壓為0.7MPa的工況條件。
3試驗(yàn)過程
采用與原油密度及粘度相近的工業(yè)白油作為試驗(yàn)介質(zhì)，用與白油密度接近的GDX501聚苯乙烯小球作為示蹤粒子。使用10W的氖激光發(fā)生器及相應(yīng)的光路系統(tǒng)造成的強(qiáng)片光源作為PIV攝像的照明光源，并采用錄像或照相的方法攝制PIV圖像。針對(duì)不同的工況，分別對(duì)單相和氣液兩相流介質(zhì)條件下深井泵泵筒、泵閥、柱塞等部位進(jìn)行了PIV圖像的錄制和照相，以備進(jìn)一步進(jìn)行分析處理。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
由于對(duì)深井泵固定閥部位流場的研究已有相應(yīng)的研究成果，而且氣液兩相流PIV圖像處理程序不完善，故這里側(cè)重于分析流動(dòng)介質(zhì)為單相流體時(shí)深井泵游動(dòng)閥及柱塞部位的流場。
4.1深井泵泵閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律
在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，深井泵泵閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和以住人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)不不會(huì)相同，它的運(yùn)動(dòng)除了有垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)，還伴隨有兩種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí)，閥球繞水平軸上下旋轉(zhuǎn)；當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，閥球繞豎直軸水平自轉(zhuǎn)并且沿閥座內(nèi)孔邊角即閥座孔圓心軸公轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)角速度與柱塞的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，柱塞運(yùn)動(dòng)速度越大，閥球旋轉(zhuǎn)角速度就越大。閥球的特殊運(yùn)動(dòng)形式主要與閥球、閥座結(jié)構(gòu)的特殊性及流體的沖擊有關(guān)。深井泵泵閥是一個(gè)球形閥件，當(dāng)流體繞過它流動(dòng)時(shí)，在其后部將發(fā)生附面層的脫離現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)橫向激動(dòng)力。由于閥球的對(duì)稱性，這種橫向激動(dòng)力將沿閥球的“赤道”周圍周而復(fù)始地移動(dòng)，使閥球不是始終位于閥座孔軸心線上，而是偏離一個(gè)距離且緊靠在閥座邊角上旋轉(zhuǎn)，這就是“公轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。
另外，由于流體流動(dòng)的不穩(wěn)定以及閥球的偏離造成流體相對(duì)閥球流動(dòng)的不對(duì)稱性，對(duì)閥球?qū)a(chǎn)生一定的撓動(dòng)，使這個(gè)橫向力不是作用于球心，而是在水平面上又有一定的偏心，使閥球在水平面上還有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，即“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。以上結(jié)論是在純液體情況下得到的。在氣液混相流時(shí)，由于氣泡的存在，流場擾動(dòng)更加劇烈，而且氣泡對(duì)閥球具有一定的沖擊作用，此時(shí)閥球運(yùn)動(dòng)就更加復(fù)雜，除了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以外，還有上下劇烈的跳動(dòng)。
4.2單相流游動(dòng)閥球的PIV圖像處理結(jié)果
從深井泵游動(dòng)閥部位的流場速度矢量可以看出，游動(dòng)閥球周圍的流場不是對(duì)稱分布的，其左邊閥隙的邊界層延續(xù)到近閥球頂部才脫落。這說明固定閥隙兩邊的流體對(duì)閥球的作用力是不平衡的，從而使得閥球產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著沖次的增加，流體流速的提高，閥球邊界層更早發(fā)生脫離，而且閥球周圍流場不對(duì)稱性依然存在，所以閥球的偏心更加強(qiáng)烈，這和試驗(yàn)過程中所觀察到的閥球運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一致的。
可以看出，由于流體對(duì)閥球的橫向沖擊力造成閥球偏離軸心，再加上其“自轉(zhuǎn)”的影響，使得閥球在開啟和關(guān)閉的時(shí)候都有一定的滯后時(shí)間，從而使泵的抽汲效率降低，造成泵沖程損失。另外，由于閥座形狀的非流線型，使得吸入阻力增大，也使閥球的滯后時(shí)間增加，并使閥球的擾動(dòng)加大。這種閥球的飄移與擾動(dòng)與閥球及閥座的外形有很大的關(guān)系，為使閥球盡量接近于理想狀態(tài)下的上下垂直運(yùn)動(dòng)，并且為了減少閥隙的過流阻力，可以改進(jìn)閥罩和閥座的設(shè)計(jì)，使閥罩限制閥球的跳動(dòng)高度。在保證最大過流面積的同時(shí)盡量使閥球只做上下垂直運(yùn)動(dòng)，并將閥罩及閥座外形設(shè)計(jì)成流線型，以此來減小過流阻力。這些改進(jìn)可以減小閥球的擾動(dòng)及縮短開啟和關(guān)閉的滯后時(shí)間，從而達(dá)到提高泵效的目的。
另外，由該部位流場旋度可以看出，在游動(dòng)閥吸入口柱塞底端與泵筒間有很明顯的兩個(gè)渦旋存在。這是因?yàn)橹M(jìn)行下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于柱塞底端有一定的面積，從而在向下運(yùn)動(dòng)過程中壓迫其底部的液體向下流動(dòng)。而此時(shí)游動(dòng)閥球處于開啟狀態(tài)，游動(dòng)閥球下端的液體被壓入游動(dòng)閥隙，并進(jìn)入柱塞內(nèi)腔，在柱塞底端部位造成液體回流，從而形成渦旋。這兩個(gè)渦旋大大增加了液體的過流阻力，同時(shí)也增加了游動(dòng)閥球的擾動(dòng)程度。為了消除渦旋并減小過流阻力，可將柱塞底部截面積盡量縮小，并使其外形呈喇叭口型，從而減小過流阻力。
4.3單相流柱塞出口處的PIV圖像處理結(jié)果
單相流作用下柱塞頂端出口處流場速度矢量圖。從圖中可以看出,柱塞頂端出口處呈現(xiàn)以下的流場特征：柱塞內(nèi)部管流呈對(duì)稱流動(dòng)狀態(tài)，而且流線分布較均勻。這說明柱塞內(nèi)部管流穩(wěn)定，大致呈層流流動(dòng)狀態(tài)，這一點(diǎn)從柱塞出口處流場旋度中可以更清楚地看到。但在柱塞出口處，由于過流截面減小以及截面形狀的變化，使得流體在柱塞出口處產(chǎn)生水平速度分量，尤其是在拐角處出現(xiàn)了渦旋,從而產(chǎn)生負(fù)壓，增大了過流阻力。隨著沖次的增加，柱塞出口拐角處的渦旋也不斷加強(qiáng)，出口處過流阻力也相應(yīng)加大。為了減少渦旋的產(chǎn)生，從該部位分析可知，若柱塞出口拐角處設(shè)計(jì)成流線型或在該部位制造倒角應(yīng)會(huì)最大限度地減小渦旋，從而降低該部位的過流阻力。
5建議
對(duì)潛水深井泵應(yīng)做以下改進(jìn)：
(1)閥球是深井泵中的一個(gè)主要部件，也是易損件，它決定著泵的效率及檢泵周期。建議對(duì)混相流深井泵采用偏心球形閥球，對(duì)于流道狹小的深井泵采用滴形閥球，對(duì)? 含砂的抽油井用深井泵則采用鑲有密封膠皮的錐形閥球。
(2)在保證最大過流面積的條件下，對(duì)于閥球罩的過流斷面形狀，應(yīng)該盡量采用流線型，以減小過流阻力。
(3)在設(shè)計(jì)柱塞的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該考慮將柱塞下端的吸入口設(shè)計(jì)成流線型或喇叭口型，以降低其吸入阻力。在保證柱塞出口有最大過流斷面的同時(shí)，將柱塞出口流道也設(shè)計(jì)成流線型，以降低柱塞出口處的過流阻力。