深井泵的實(shí)驗(yàn)研究與未來改進(jìn)方向

2014-01-02

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)可以利用這些先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)在不干擾流場(chǎng)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先進(jìn)技術(shù)研究深井泵流場(chǎng)，我們可以對(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(chǎng)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(chǎng)的異同。

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。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：

由于對(duì)深井泵固定閥部位流場(chǎng)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(chǎng)。

深井泵運(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)不完全相同，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(chǎng)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)。

得出結(jié)論應(yīng)對(duì)深井泵做以下改進(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。