（油气田开发工程专业论文）深井泵气锚分气效率计算方法研究.pdf

s t u d yo ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c yc a l c u l a t i o nm e t h o do f d e e pw e l lp u m pg a sa n c h o r m i a oz h i g u o ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l im i n g z h o n g a b s t r a c t g a sa n c h o ri so n ek i n do fi m p o r t a n td o w n h o l ee q u i p m e n tf o rd e e pw e l lp u m pp r o d u c t i o n s y s t e m ，e s p e c i a l l yf o rh i 曲g a so i lr a t i oo i lw e l l s t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fa n c h o rw i l l e f f e c tp u m pe f f i c i e n c ya n dw e l ly i e l dd i r e c t l y g a sa n c h o rs e p a r a t i o nm e c h a n i s ma n d s e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya r es t u d i e df i r s ti n t h i sp a p e r t h es t r u c t u r a lp r o p e r t ya n do p e r a t i n g p r i n c i p l eo fd i f f e r e n tk i n d so fg a sa n c h o ra r et h e nr e s e a r c h e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ff l u i d v e l o c i t yf i e l da n ds t r e s sa c t i n go ng a sb u b b l e ，s i m p l i f i e db u b b l es e p a r a t i o nm a t h e m a t i c a l m o d e li sf e t c h e d ，a n dt h e o r e t i c a ls e p a r a t i o ne f f i c i e n c ye q u a t i o ni st r i a ld e v e l o p e d i no r d e rt o r e a l i z ef l o wf i e l dn u m e r i c a la n a l o g u ec a l c u l a t i o no fo i lg a ss e p a r a t o r , o nt h eb a s eo fg a s - f l u i d t w o - p h a s ef l o w , at h r e e d i m e n s i o n a lf l o wm o d e lf o rd i f f e r e n ta n c h o r si se s t a b l i s h e di nw h i c h l i q u i dp h a s ei sc o n t i n u o u sp h a s e ，a n dg a sp h a s ei sd i s p e r s e dp h a s e r e l e v a n tc o n t r o le q u a t i o n s e ta n de q u a t i o nd i s c r e t i z a t i o nm e t h o dw e r ea l s oc o n f i r m e d t h eg a s - l i q u i dt u r b u l e n tf l o wi n g r a v i t ya n c h o ra n dh e l i c a la n c h o ri ss i m u l a t e dw i t hc f d s o f t w a r ef l u e n t a f t e rf l u i df l o w f i e l dd i s t r i b u t i o ns i t u a t i o ni nt h et w ot y p e so fa n c h o ri so b t a i n e d ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i si sm a d e t od e s c r i b et h ee f f e c t so fa n c h o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e ra n do p e r a t i o np a r a m e t e ro ns e p a r a t i o n e f f i c i e n c y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u tf l o wf i e ：l dd i s t r i b u t i o nr e g u l a r i ng a sa n c h o ra r er e l a t i v e l yc l o s e d , w h i c hs h o w st h a tt h et h e o r e t i c a lm o d e lc o u l de s s e n t i a l l y d e s c r i b et h ec o u r s eo i lg a ss e p a r a t i o n t h i ss t u d yp r o v i d e sc e r t a i nf o u n d a t i o nf o rt h es t r u c t u r a l a n d o p e r a t i o np a r a m e t e r sd e s i g na n do p t i m i z i n g k e yw o r d s ：g a s l i q u i dt w op h a s ef l o w , o i lg a ss e p a r a t i o n , g a sa n c h o r , s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：垫圈日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：量兰亟 指导教师签名：墨坐 日期： 日期： 年月 日 年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研究的目的和意义 机械采油是我国主要的采油方式，随着我国石油工业的发展，机械采油工艺技术有 了长足的进步，技术设备的配套水平不断提高，其中有杆泵抽油在油田中的应用最为广 泛。我国大约有9 2 的油井采用有杆泵采油，全世界大约有8 0 的油井采用这种方式生 产。但在采用有杆泵抽油方式的油井中，其机械采油系统的效率一般较低，在国内抽油 机井的整个系统工作过程中，7 0 以上的能耗作了无用功，造成了大量的能源浪费，同 时加剧了机械损耗。抽油机载荷变化、泵效偏低、油井供液不足、抽油机机械性能变差 以及抽油机不平衡等都是影响系统效率的主要因素。 多数油田在深井泵开采期，都是在低于饱和压力下生产，即使在高于饱和压力下生 产，泵口的压力也低于饱和压力，因此，在抽汲时总是气液两相同时进泵，气体进入抽 油泵内必然会减少进入泵内的液体的量从而降低泵效。沉没度越低，这种现象越明显。 对于一般含气的抽油井，要提高泵的充满系数就必须降低进泵气油比，其措施之一就是 适当增加沉没度，以减少泵吸入口处的自由气量。但要增大沉没度，就必须增加下泵深 度，因此用增大沉没度来提高泵效的措施总是受到某些条件的限制【l 】。 减少高含气抽油井中气体对泵工作影响的有效措施是在泵的入1 2 1 处安装气锚( 井下 油气分离器) ，将油流中的自由气在进泵前分离出来，通过油套环形空间排到地面 2 1 。气 锚在现场得到了广泛的应用，同时各油田根据不同情况对常规气锚进行改进，设计了各 种不同结构的气锚，极大地提高了油气分离效率，减少了气体对抽油泵的影响，取得了 较好的经济效益。但是现场对气锚的改进主要是气锚结构的调整或者两种分离方式的组 合应用，只注重现场试验的情况，而缺少必要的理论支持。因此气锚的分气效果只能通 过来自现场的产液量、产气量、泵效等看出，没有一套完整的气锚分气效率的计算方法。 当有气体存在时，油井产量不够稳定，就会不利于有杆抽油系统的设计，不能确定适合 油井的泵型、泵径和抽汲参数，从而影响到抽油泵、抽油杆、抽油机的参数和油井生产 参数的匹配，也就无法充分发挥抽油设备的能力而导致抽油系统效率低下。 对气锚的结构进行系统的分析，找出气锚分气效率的影响因素，进一步开展分离器 机理研究，推导出气锚分气效率的计算方法，不仅可以为气锚结构的优化设计提供依据， 也有助于整个抽油系统装置的选择和设计。同时可以增强气锚的分气效果，提高抽油泵 泵效，进而提高系统效率和经济效益，具有较好的应用价值，因此有必要对该项技术进 第1 章前言 行深入的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 气锚的应用情况 国内外对气锚的研究主要是对气锚结构的研究，目前已经有的气锚可大致分为2 类： 一类是利用回流效应进行分离的重力分离型气锚，另一类是利用离心力进行分离的离心 分离型气锚。重力分离型气锚是利用油气密度的差异，小气泡向上运动聚积形成大气泡， 经气锚上部孔眼排出，原油向下运动，经内管进入抽油泵。离心力作用式气锚是利用油 气混合液在气锚内旋转流动，油气的密度不同，离心力也不同，气泡在内侧流动，液体 在外侧流动，从而将油气分离。 重力分离型气锚的典型代表就是利用滑脱效应的回转式气锚。国外早在1 9 世纪6 0 年代以前就已经广泛使用简单气锚( 美国的穷孩子气锚) 【3 1 ，以后相继出现多级简单气锚， 而前苏联就曾采用过4 级气锚【4 】。在此基础上推出了马氏气锚，即在气锚内采用了相当 于沉降管的一个隔板，提高了气锚体积利用系数。由于这类气锚是依靠增大回流面积来 提高分气能力的，因此受到套管直径的限制。以后又推出了各种封隔器式气锚，当时普 遍称作井下油气分离器，即利用套管代替气锚壳体，将气锚的尺寸放到最大，如带溢流 管式气锚。它的分气效果较好，但由于溢流管向上，气锚回收困难而未被推广。后又改 进为同心腔体气锚。其工作原理与带溢流管气锚类似，只是用同心腔体代替溢流管，解 决了回收问题。这类气锚虽然分气效率，直径大，但由于其成本，能解决低产井或气油 比不太高井分气问题，所以有一定数量在矿场应用。 离心分离型气锚的典型代表就是利用离心效应的螺旋式气锚。国外在上世纪6 0 年 代中末期矿场已开始应用螺旋式气锚，7 0 年代出现碗环式气锚，8 0 年代对螺旋式气锚 从理论上有所突破，直径不断减少，效率不断提高，螺旋式气锚在国内从8 0 年代开始 大量研制和矿场应用，以后又发展成为串联组合式。如前所述，这种气锚旋转速度愈高， 分气效率愈高，气锚外径愈小。目前国内外生产的最小外径仅有8 9 m m 的组合式气锚【3 】。 1 2 2 气液两相流模型的研究进展 气锚的油气分离过程实质上是气液两相流的运动过程，因此开展气锚油气分离的研 究必须以气液两相流的运动规律为基础。要通过数值计算的方法研究气锚内颗粒的运动 情况，预测气锚的分离性能，首先要解决的就是建立气液两相流计算模型。但是研究气 液两相流动要比单相复杂，其主要困难在于气相与液相之间的相互作用及两相间的传 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 热、传质和反应等。采用体积平均的概念和类似于单相湍流流动的雷诺时均方法，已经 建立起了关于湍流气液两相流动的时均方程组。由于方程组中含有未知关联项，不能构 成封闭系统。描述气液流动的主要问题在于模拟液滴相，解决封闭问题时或用模拟近似， 或用各种简化，从而形成了不同的颗粒相模型i s , 6 1 。随着数值计算技术的发展，两相流动 的模型从划分的尺度及属性上可以分为3 大类模型： ( 1 ) 连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) 。此类模型将颗粒相看成是拟流体，这是目前 在两相流动研究领域中使用最为广泛的一种方法。如果颗粒相只被处理成一相的话，常 常又被称为双流体模型( t w o f l u i dm o d e l ) t 7 1 ，这类模型对颗粒、流体皆采用欧拉坐标。 ( 2 ) 离散颗粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ) 。此类模型只将颗粒看成是离散相，而流 体仍然被视作连续相，它对每个颗粒与流体以及颗粒与颗粒间的作用都详细考虑。由于 此模型可以跟踪所有颗粒的运动轨迹，也常被称为颗粒轨道模型( p a r t i c l e t r a j e c t o r y m o d e l ) 。这类模型对颗粒相采用拉格朗日坐标，而对流体采用欧拉坐标。限于计算规模， 目前的颗粒轨道模型还不能模拟真实条件下的运动情况。为了降低运算量，m o n t ec a r l o 引入碰撞几率的概念，颗粒间的碰撞由碰撞几率而不是颗粒的运动轨迹决定。 ( 3 ) 流体拟颗粒模型( p s e u d op a r t i c l em o d e l ) 。该类模型从刻画单颗粒尺度上的运动行 为入手，不仅将宏观离散的颗粒当成离散相处理，还将宏观连续的流体也采用拟“颗粒” 性质的流体微团来处理，从而可以模拟远离平衡态的系统。这类模型对流体、颗粒的运 动都是采用拉格朗日坐标描述。 目前广泛使用的是连续介质模型，它假设两相物质的运动各自被一组连续介质力学 的偏微分方程组所描述。它们在各自所占的区域内满足：质量守恒，动量守恒；在交界 面上满足：质量跳跃条件，动量跳跃条件【g 】。但是一般并不需要知道流体运动的详细情 况，而仅需了解它的宏观运动状况。因而很多研究者为了不同的使用目的，在一定的假 设条件下提出了两相混合体的平均运动模型。1 9 7 2 年v a n 硼i n g g a a r d e 【9 】提出了著名的 气液混合体运动方程。c a f i s h c i o 】等在小气泡、小空穴比的假设条件下，经过对各物理量 的量级分析，采用极限方法得到了混合体的平均方程。p r o s p e r e t t 提出了一组精确描述 气泡内部动力学的非线性方程，并用数值方法求解内部压力。 目前专门研究气液两相流流场数值模拟的成果尚不多见。从建立流场计算数学模型 的角度考虑，气液两相流中可划分成两种流动形态：稀相流动( 气体相中含有少量液相) 和稠相流动( 液体相中含有少量气体) 。对于稀相流动的研究很少，气液两相的研究主要 集中在稠相流动的研究中，主要是对一些结构简单的容器或圆形管路中介质流场的模拟 3 第1 章前言 研究，求解压力降等性能参数，分析气液两相流界面的稳定性，曳力系数随流体运动的 周期性变化【l 。虽然大量学者试图使用各种方法对流场进行数值模拟研究，但由于模拟 中所使用的流体模型和传输边界与实际流体有很大的差别，因此计算困难，前期的研究 工作也只能局限于低雷诺数的情况，能够反映流体实际流动状态的研究资料很少，所以 模拟结果还只能作为工程应用的一个参考。气锚结构下的气液两相流动属于稠相流动， 但通过资料调研发现气锚分气效果的数值模拟方面所作的研究并不多见。 1 2 3 数值模拟研究进展 气锚内部的流体流动为三维旋转和高强度湍流的两相流动，流动规律比较复杂，因 此很难通过解析的方法预报内部流动状况。由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究 离心分离器的性能不仅周期长而且费用高。近年来，数值计算技术的迅速发展促进了分 离器性能的研究发展，人们已经可以利用计算机对分离器流场进行数值模拟。采用数值 模拟的研究方法来研究流体运动的基本物理特征有以下几个优点f 1 2 1 ： ( 1 ) 给出流体运动区域内的离散解，而不是解析解。这区别于一般理论分析方法： ( 2 ) 它的发展与计算机技术的发展直接相关。因为可能模拟的流体运动的复杂程度、 解决问题的广度和所能模拟的物理尺度以及给出解的精度，都与计算机速度、内存及输 出图形的能力有关； ( 3 ) 若物理问题的数学模型( 包括数学方程及其相应的边界条件) 是正确的，则可在 较广泛的流动参数( 如马赫数、雷诺数、模型尺度等) 范围内研究流体力学问题，而且能 给出流场参数的定量结果。 目前流动的数值模拟计算方法主要包括有限差分法、有限元法、有限体积法等【l 粥。 ( 1 ) 有限差分法( f d m ) 是数值计算中最经典也是应用最早的方法，目前已发展了多 种收敛性好、粘度高的离散格式，如通量校正传输、通量分裂、守恒律系单调上风格式 ( m u s c l ) 、总变差减小格式( t v d ) ，有全面的理论基础。它是在解析法的基础上进行近 似数值计算，首先由物理模型转化为数学模型，然后对微分方程进行离散化( 用差分代 替微分) ，变为代数方程，再通过计算机求解。 有限差分法是一个较成熟的方法，解的唯一性、收敛性、误差估计、稳定性等数学 基础比较严密，发展比较完善；依据不同的离散方法，有不同的精度，在处理高雷诺数 时，比有限元法、边界元法优越；程序较有限元法简单；缺点在于边界必须为规则边界， 不然就要用贴体坐标系进行变换，计算较复杂。 ( 2 ) 有限元法( f e m ) 是在力学模型的基础上进行近似计算。其数学基础是变分法或 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 加权余量法。其原理是将流场划分为许多子区域( 称单元体) ，在每个单元内选择若干合 适的点作为求解函数的插值点，方程所要求的近似解由各个单元中的近似函数逼近，而 单元中的近似函数可以由己知的单元函数的线性组合表示。线性组合表达式中的待定系 数正是近似解在终点上的函数值，它可以通过总体的有限元方法求解。 在有限元方法中，单元尺寸可依据需要划分，相邻单元的介质性质可以不同，单元 分析可以规范化、统一化，解题能力强，混合边界条件容易处理；但同差分法相比，其 统一性、收敛性、误差估计、稳定性等数学基础尚不严密，有待明确，计算结果受人为 的因素影响较大，需要计算机存储量大。 ( 3 ) 有限分析法( f a m ) 是由美籍华裔科学家陈景仁提出的一种数值方法，对于解对 流扩散方程有较好的效果。该方法有较高的精度，且有自动迎风效应，但单元系数计算 较复杂。它的基本思想是：方程在整个求解域内一般难以找到解析解，但在局部区域内， 当区域足够小，域内方程可由一个常系数方程逼近时，可以近似地找到精确解，由此可 以建立该解中心点的值和周围节点值的关系，即离散化方程。对于每一个小区域都建立 这样的关系，就得到一个大型代数方程组，求解后即得方程的数值解。 该方法可以较好地保持原有问题的物理特性，既能准确地模拟对流效应，也可以消 除在迎分差分格式和有限元中的伪数值扩散。但是单元系数较复杂，对非规则边晃要用 贴体坐标变换，计算较复杂。 ( 4 ) 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) 又称控制体积法，其基本思路是将计算区域 划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积：将待解的微分 方程对每一个控制体积积分，便可得出一组离散方程，其中的未知数是网格点上的因变 量的数值疋为了求出控制体积的积分，必须假定厂值在网格点之间的变化规律；然后 对各项按照选型线作出积分，并组成一组关于节点上未知量的离散方程。 从积分区域的选取方法来看，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法：从未知解 的近似方法来看，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简言之，子区域法加离散， 就是有限体积法的基本思路。 有限体积法在于得出离散方程，利用因变量厂在有限大小的控制体积中的守恒原理， 如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。使得因变量的积分守 恒对任意一组控制体积都得到满足，那么在整个计算区域，自然也得到满足。 目前f l u e n t 、s 1 ：a r c d 、c f x 等很多流行的c f d 软件都采用有限体积法，该方 法适用于复杂边界条件及不稳定流动情况，因此本文数值模拟所用方法为有限体积法。 5 第l 章前言 1 2 4 存在的问题 ( 1 ) 国内对气锚的研究较少，尚无成熟的气锚设计理论和方法，相关资料主要是对 现场采用的不同类型气锚简单介绍，不能用于指导气锚的开发： ( 2 ) 各油田设计的气锚多是模仿国外相关产品，在原有气锚的基础上对其结构作相 应的改进或者是对两种或多种不同气锚的组合，更加注重现场应用后的效果，而缺少必 要的理论依据； ( 3 ) 目前对气锚分气机理的研究不够深入，仅仅停留在对分气原理的宏观描述上， 而缺少对气锚流场变化规律的研究； ( 4 ) 针对气锚的实验主要揭示了结构参数和流体参数对气锚分气效率的影响，而没 有进一步分析油气分离性能随各个参数的变化规律，也没有形成一套系统的计算气锚分 气效率的方法。 总之，根据已查阅的文献，过去对气锚的研究主要集中在对其结构的改进，而没有 从理论上阐明气锚的分气效率及其影响因素，也没有一套完整的气锚分气效率的计算方 法，因此在这一领域尚有一定的工作要去完成。 1 3 本文的研究内容 针对以上存在的问题，论文期间主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 通过查阅、检索国内外文献资料，深入调研了气锚在现场的应用情况及存在的 主要问题，掌握了不同类型气锚的结构、分气原理及设计现状； ( 2 ) 开展了气锚结构和流体性质对气锚的影响机理，定性描述气锚结构和流体性质 的各参数与分气效率的规律，通过对其内流速度场的分析，推导出简化的气泡分离数学 模型和理论分离效率的计算公式； ( 3 ) 针对井下气锚气液分离的工作特点，选取合适的湍流模型和多相流模型，在此 基础上建立气锚内流体分离的数学模型； ( 4 ) 利用f l u e n t 软件完成气锚内流场的数值模拟，通过对模拟结果的分析，得出 了分离单元的结构参数、操作参数等对流场结构及分离性能的影响规律，为气锚结构的 优化设计提供依据。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章气锚分离机理研究 气锚是井下气液分离的主要工具，其分离性能对井下气液分离技术的应用效果起着 举足轻重的作用，因此首先对井下气锚的分离原理、分离性能的影响因素等进行理论研 究，为井下气液分离技术提供必要的基础准备。 2 1 气锚分气原理概述 在高气油比抽油井的有杆泵下安装气锚是减少气体影响、提高泵效的有效措施。气 锚作为井下油气分离装置，其基本分气原理是建立在油气密度差的基础上，为了更有效 地利用气油比重差，使油气分离得更加完善，曾设计了各种不同结构的气锚。但就其分 离作用而言可归纳为四个方面【1 4 】： ( 1 ) 利用滑脱效应 这种气锚以国内最早使用的简单气锚和美国的穷孩子气锚为代表，其分气原理如图 2 1 所示。 卜排气阀；2 _ 排气孔；3 气帽；4 一进液孔；5 一外壳：6 一吸入管 图2 - 1 利用滑脱效应的分气原理图 f i 9 2 1 s e p a r a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo fs l i p p a g ee f f e c t 上冲程时( 泵吸入阶段) ，分气过程可分为四个步骤【1 5 1 。 第一步骤：气泡在套管内随液流上升时，由于油气密度差，使油气产生滑脱，气泡 上升速度等于液体上升速度加气泡在静止液体中上升速度。因此气泡上升速度较液体上 升速度快，进行气泡首次分离。 第二步骤：气泡在气锚进液孔附近进行二次分离。当气泡到达气锚进液孔附近时， 液流要流向气锚进液孔，流动方向发生改变，气泡上升速度及方向也将改变，分为垂直 7 1 2 3 4 5 6 第2 章气锚分离机理研究 速度和水平速度。液体比气泡更容易进入气锚，而且液体中气泡能否进入气锚将取决于 垂直分速与水平分速的比值。垂直分速愈大，水平分速愈小，则气泡越不容易进入气锚。 因此越靠近气锚的气泡，水平分速愈大，越容易被液流带入气锚。气泡直径愈小，垂直 分速愈小，越容易被液流带入气锚。 第三步骤：进入进液孔的气泡，在进液孔附近进行三次分离。当油气刚进入气锚时， 液体流向是近似水平的，而气泡有向上的上浮速度，因此在液流速度低的域内有一部分 气泡将上浮到气锚顶部，从气锚上孔眼进入到套管环形空间，其余气泡便被液体带至气 锚环形空间下部。 第四步骤：气泡在气锚环形空间进行四次分离。这时气泡速度是液流下行速度减去 气泡上浮速度，所以气泡并不是都以与液流相同的速度向下流动并进入中心管，而有一 部分直径较大的气泡滞留在气锚环形空间。 下冲程时( 泵排出阶段) ，不吸入流体，此时在泵的固定阀以下液体流速为零。所进 行的以上四个步骤的气泡都在静止条件下上浮至气锚的气帽中( 或油套环形空间) ，这是 分气效率最高阶段。 ( 2 ) 利用离心效应 由于滑脱效应分离效率低，对于大产量、高气油比及高粘度油井，往往设计气锚外 径过大，大于套管允许的直径。为了解决这个矛盾，近年来发明了利用离心效应来分气 的气锚。以螺旋式气锚为代表，即含气油流在气锚内旋转流动，利用不同密度的流体离 心力不同，使被聚集的大气泡沿螺旋内侧流动，带有未被分离的小气泡的液体则沿着外 侧流动。被聚集的大气泡不断聚集，沿内侧上升至螺旋顶部聚集成气帽，经过排气孔排 到油套环形空间。下冲程时，泵停止吸油，油套环空和气锚内的流体中含的小气泡滑脱 上浮，部分上升到油套环空，一部分上浮进入气帽、排入油套环空，液流沿外侧经过 液道进泵，其原理如图2 2 所示。 这种气锚分离效率高，产量愈高，气油比愈大，气泡直径愈大，增加螺旋圈数、减 少螺旋外径都可以提高分气效率。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 个9 卜液体进泵；2 一分流腔；3 一排气孔：4 - 排气阀；5 一气帽；6 一螺片；7 一中心管；8 _ 外壳：9 一进液 图2 - 2 利用离心效应得分气原理图 f i 9 2 - 2s e p a r a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo fc e n t r i f u g a le f f e c t ( 3 ) 利用捕集原理 如前所述，气泡直径愈大，分气效率愈高。因此使小气泡聚集成大气泡便会大大改 善分气效果。上世纪6 0 7 0 年代，苏联推出盘式气锚就是典型代表，其分气原理是以 集气盘作为气泡捕集器，将气泡聚集后利用液流的9 0 。转向时的离心效应，使油气分离。 气体在盘内聚集溢出时形成大气泡，沿气锚外壳的内壁上浮至气帽，经排气孔排到套管 环形空间，而液体从吸入孔进入吸入管进泵。这种气锚效率比简单气锚好，但低于封隔 器井下分离器。 ( 4 ) 利用气帽排气效应 为了有效地将进液孔与排气孔分开，设计气锚时往往采用气帽和排气阀的结构( 见 图2 1 ) ，确保排气孔不进液，只排气。其原理是，气锚内分出的气体上浮进入气帽，使 其充满气体。设进入液孔处压力为p ，则排气孔外的压力等于p 减去液柱压力印f ，而 排气孔内的压力等于p 减去气柱压力却。因为勿r 印。，排气孔内压力大于排气孔外 压力，当这两个压力差值大于克服排气阀重量时，则阀自动打开放气。 2 2 常见气锚及其工作原理 目前，各油田使用的气锚种类很多，从分离原理上主要可分为重力作用式和离心力 9 第2 章气锚分离机理研究 作用式。具体来说包括沉降式气锚、螺旋式气锚、旋流式气锚、偏心式气锚等类型。 2 2 1 重力分离型气锚 重力式气锚是利用油气密度的差异，小气泡向上运动聚积形成大气泡，经气锚上部 孔眼排出，原油向下运动，经内管进入抽油泵，这种气锚适合在产量低、气油比较低的 井中使用。对于高产井，液流速度大，携带气泡能力强，分气效果差【1 6 】。 ( 1 ) 自然式气锚 这是一种最简单的气锚，即利用套管射孔段以下的“口袋”当作锚筒，将泵下部的 尾管插入“1 3 袋”，由于锚简直径较大，故气液分离效果相对较好( 如图2 3 ) 。 ( 2 ) 普通沉降式气锚 其结构如图2 4 所示，气液混和物在套管与锚筒之间，由下向上，流速逐渐增大， 并产生扰动，有利于溶解气的分离。当气液通过锚筒上部孔眼进入锚筒时，由于流向的 改变诱发二次扰动，使小气泡合并成较大的气泡，气液在锚筒与中心管之间靠重力差而 分离，气泡上浮并经锚筒上部孔眼排至油套环空，而初步脱气后的液体通过中心管下部 孔眼被吸入泵内。锚筒用钢管或其它材料制成，其下部加长后，可用于沉砂，所以又叫 气砂锚。该气锚用于流体粘度和产量都不太高的油井。 ( 3 ) 二级沉降式气锚 二级沉降式气锚原理和普通沉降式气锚基本相同，区别在于它有二级，实际上它将 气泡在进气锚前向气锚孔眼流动的水平分速度降低了近一半，并把锚筒环形空间总的回 流断面增加了一倍，所以每一级气锚进油孔的进液量比普通气锚少一半，液量越少，分 气效果越好。除了二级气锚外，前面也已提到前苏联还采用过四级气锚。 ( 4 ) 封隔器式气锚 其结构如图2 5 所示，用封隔器造成人工“口袋 ，气液通过封隔器下部的进入口， 经溢流管进入封隔器以上的油套环空，而初步脱气的原油由泵下端的吸入管进入泵内。 此种气锚的分离效果接近于自然式气锚，适用于气油比高、产量大的井，但不适用于套 管变形而不能下封隔器的井以及出砂和套管严重结蜡的井。该气锚的最大优点是可以与 不压井管柱配套使用，实现有杆泵井的不压井起下作业。为了适应较高产量和提高封隔 器式气锚的分离能力，还曾用过二级封隔器式气锚，但这种气锚需下入二级封隔器，施 工比较麻烦。 前苏联曾在专门的装置上对各类气锚的分离效果进行对比试验，分气效果依次为封 隔器式气锚、四级气锚和简单气锚；随着液体流量的增加，分气效果变差【4 】。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 t 气 t 奎i ，、 i ： - 、， 夕： 辄j 区 卜套管；2 一油管； 3 一外筒；4 一死堵 图2 - 3 自然式气锚 f i 簖- 3n a t u r a lg a sa n c h o r 2 2 2 离心分离型气锚 卜外筒；2 一吸入管；3 一套管 图2 - 4 普通沉降式气锚 f i 9 2 - 4d e c a n t i n gg a sa n c h o r 卜套管；2 一中心管； 3 一筛管；4 一封隔器 图2 5 封隔器式气锚 f i 9 2 - 5p a c k e rg a sa n c h o r 离心力作用式气锚是利用油气混合液在气锚内旋转流动，油气的密度不同，离心力 也不同，气泡在内侧流动，液体在外侧流动，这种气锚以螺旋式气锚为代表，分离效率 较高，适合在产量高，气油比较低的井中使用。但当该种气锚用于低产井时，由于液流 速度小，产生的离心力小，分气效果差。 ( 1 ) 螺旋式气锚 目前正在研制的或现场使用的螺旋式气锚大体分为单一式和组合式两大类【1 7 1 。其工 作原理如图2 6 所示。 ，图2 6 a 是一种单一式螺旋气锚结构示意图。气液混合物直接进入螺旋流道实现螺旋 分离，经分离后的气体和液体在气罩处分开。气体进入气罩形成“气帽 ，待压力达到 一定值时，推开单流阀进入油套环形空间；液体则沿气罩外缘和锚壳内壁进入抽油泵内。 图2 6 b 是一种组合式螺旋气锚结构示意图。气液混合物从锚壳侧孔进入气锚，然 后下沉并折流入中心管，由于“回流效应”，气液混合物被第一次分离。经第一次分离 后的液体从中心管进入螺旋流道实现螺旋分离。经螺旋分离后的气体和液体的流动方向 如图2 - 4 a 。 第2 章气锚分离机理研究 i 叫l l 雀 爨 苻 l 1 1 lf： a i 图l 1 上_ j 刘 至 ( 丁 二l 眄 研 七 工： e f d 卜抽油泵；2 一排气孔；3 一单流阀；4 气罩；5 锚壳：6 一螺杆；7 一套管；8 一中心管： 9 一封隔器；1 0 - 密封圈；1 1 - 泄油窗；1 2 - 上中心管；1 3 - 下中心管；1 4 - 吸入口 图2 _ 6 螺旋式气锚结构图 f i 9 2 - 6 s t r u c t u r es k e t c ho fs p i r a lg a sa n c h o r 图2 6 c 是一种带封隔器的组合式螺旋气锚结构示意图。气液混合物从封隔器中心管 进入气锚后，从锚壳侧孔进入锚套环形空间，利用“回流效应 进行分离。经第一次分 离后的液体从中心管进入螺旋流道实现螺旋分离。经螺旋分离后的气体和液体的流动方 向如图2 6 a 。 图2 6 d 是另一种带封隔器的组合式螺旋气锚示意图。气液混合物从封隔器中心管 经气锚内的环形空间进入螺旋流道实现螺旋分离。经螺旋分离后的气体螺旋上升，并在 气罩内形成“气帽”，然后以连续气流形式进入到油套环形空间；而带有少量气体的液 体从泄油窗甩入锚套环形空间实现重力分离，经重力分离后的液体从锚壳入口经中心管 进入抽油泵。 上述四种结构的螺旋式气锚中，前三种的气罩上均装有单流阀，其目的是为了阻止 液、气回流，提高分气效果。抽油泵在上冲程时，气罩内的气体压力往往低于单流阀上 方的压力，气体不能推开单流阀进入油套环形空间。抽油泵在上冲程结束的瞬间，由于 螺旋流道内液体的惯性，使气罩内的气体压力突然升高推开单流阀，一部分气体进入油 套环形空间，由于这样，气体不能顺利排入油套环形空间，气锚的分气效果差。若没有 单流阀，气体则更容易以连续气流形式排入油套环形空间，提高气锚分气能力。 螺旋式气锚不仅利用了紊流化使气泡聚合和离心分离的原理，而且最大限度地利用 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 套管截面积来降低油气进泵前的回流速度，增强“回流效应”分气作用。另外排气孔开 在上接头顶部，在气量较大时便在上部形成“气帽 ，有利于气体以连续的气流顺利地 排向回流速度更小的油套环形空间。所以这种分离器从结构上就提供了油气进分离器 后，在整个流动过程中，以尽可能多的方式创造油气分离的条件，从而使它即使在不利 的条件( 高粘度、高产量或高气油比) 下仍能有较好效果。虽然未作专门的对比试验，但 根据其分气作用，其效果将会高于封隔器式气锚。 螺旋式气锚与封隔器式气锚一样，都不适用于不能下封隔器及出砂的井内。它们对 泵到油层中部的距离较大( 我国有相当一部分抽油井属这种情况) 的高气油比井具有特殊 的意义。在其封隔器的下部加长尾管至油层中部，则有利于在油气进泵前充分利用气体 能量将油气举升到一定高度，可减少油气从井底流到泵口处的油气滑脱损失，从而可降 低井底流压。对于中低含水且原油比重低的井，适当选择尾管直径将会因减少油水滑脱 而防止井筒积水。即使在不加深泵挂的条件下，也会明显降低井底流压，而有利于提高 产量【1 8 1 。 ( 劲旋流式井下气液分离器 旋流式气液分离器也是现在使用较多的气液分离装置【1 9 】，这主要是因为它具有分离 效率高、机械结构简单且体积较小的优点。 常见的旋流分离器可分为静态旋流分离器、动态旋流分离器和复合式旋流分离器三 类。 静态旋流分离器 所谓静态旋流分离器是指旋流器内无运动部件，气液混合物仅依靠切向入口段形成 旋流，并以之作为气液分离的动力。此类分离器按其形状的不同又可分为外形近似锥形 的锥形旋流分离器和和外形为圆柱的管柱式气液旋流分离器( g a s - l i q u i dc y l i n d r i c a l c y c l o n e ，g l c c ) 。 锥形旋流气液分离器有单锥型、双锥型等多种结构。图2 7 所示为常见的双锥型旋 流气液分离器的基本结构，它主要由以下四个部分构成：短圆柱形入口段、收缩段、分 离段和尾管段。其工作原理是：气液混合流沿切线方向进入旋流腔中，密度较大的液 滴在离心力的作用下被甩到外壁，而气体则留在中心。被甩到外壁的液滴沿锥体外壁向 下运动，由底流口排出；气流则回转向上由溢流口排出，实现气液的分离。该类气液分 离器是直接由油水分离器转化而来的，对其流场的研究也相对较为清楚。 1 3 第2 章气锚分离机理研究 23 4 卜溢流口：2 一圆柱形入口段；3 一收缩段；4 一分离段；5 一尾管段；6 一底流口 图2 - 7 双锥水力旋流器示意图 f i 9 2 - 7 s k e t c hm a po fb i p y r a m i d a lh y d r a u l i cc y c l o n e 管柱式气液旋流分离器【2 0 2 1 1 ( 图2 - g ) i 作原理是：气液混合流沿切线方向或螺旋线方 向进入分离器中，由于气液的密度差异，密度较大的液滴在离心力的作用下被甩到外壁， 而密度较小的气体则留在内圈。被甩到外壁的液滴在其自身重力和气流的带动下向下运 动，到达旋流器底部时积聚、排出：而气流则回转向上由出口排出，由此实现气液的分 离。 勇 图2 8 管柱式气液旋流分离器示意图 f i 9 2 8 s k e t c hm a po f s t r i n gc y c l o n es e p a r a t o r 管柱式气液旋流分离器作为一种新型的旋流分离工具正越来越多的受到人们的关 注，它具有体积小、结构简单、内部无运动件、制造及操作成本低等诸多优点，在石油、 化工行业有着良好的应用前景，同时也很适宜在井下气液分离技术中应用。 动态旋流分离器 动态旋流分离器是在静态旋流器的基础上增加了马达来带动旋流器外壳转动，液体 进入旋流器内腔后，在摩擦力带动下形成涡流，这样器壁附近液体的切向速度就不会逐 渐递减，两相介质的分离区域加长，从而提高了分离效率，同时也降低了压力损失。当 然其缺点是结构较为复杂，除了增加了动力设备还需要密封、润滑设备，分流比较大。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 复合式旋流分离器 复合式旋流分离器是将动态和静态水力旋流技术结合在一起，从而扩大了应用范 围。在这类分离器中液流的转动由电动机驱动旋转栅实现，流体被加速后形成高转速涡 流，然后进入静态锥体分离段，分离出的轻质组分沿中心反向运移，经溢流嘴到溢流腔 排出，而水则沿旋转单体底部排出。 ( 3 ) 电潜泵旋转分离器 电潜泵旋转分离器的结构f 塌见图2 - 9 ，螺旋叶片由潜油电动机带动，中心轴下端连 接潜油电动机保护器的输出轴，上端连接离心泵叶轮，并以高速( 如2 8 2 0 r m i n 等) 旋转。 井内气液混合物经分离器下接头吸入孔进入腔体后，被螺旋状的诱导轮举升到低压吸入 叶轮，使气液混合物产生一个稳定的压头，再经过导向轮，使气液混合物由径向流动改 变为轴向流动后，进入分离腔，分离腔内高速旋转的转子将气液混合物中的液体甩到圆 周外缘，进入分流壳的流道，供泵抽汲，同时将气体和较轻的气液乳化物聚集在中心部 位，通过分流壳孔道和上接头的小孔，进入油套环形空间。这种气锚可以分离出约8 0 的自由气，在泵吸入口处气体占总气液体积3 0 的情况下可以正常工作。 1 一运输帽；2 一离心分离单元；3 一基体总成；4 一轴；5 一螺旋叶片；6 一螺旋轴流叶片； 7 一径向破碎器；8 一壳体总成；9 一排气孔；1 0 - 离心分离单元；1 l 一头部总成；1 2 一花键套 图2 - 9 电潜泵旋转分离器示意图 v i g z - 9 s k e t c hm a po fe s p r o t a r yg a ss e p a r a t o r 2 2 3 其它类型气锚 对于一些复杂地质条件下的油气藏，其油层深、物性差、层间差异大、原始气油比 较高，以往采用气液分离工具效果都不理想，主要原因是液流流道短，分离方法单一， 对于含气高的油井气体很容易充满工具，油气不易充分分离，起不到防气的作用四j 。因 此各油田根据油藏的实际情况，将重力分离和离心分离有机地结合在一起，在实际应用 中对气锚加以改进和创新。 ( 1 ) 偏心式气锚【2 4 】是以偏心环流理论及缝隙流相关理论为基础，通过改变进泵流体 的循环路线，利用偏心流道压降及速度分布差异的特点，进行气液分离。偏心气锚是指 在弓形弹簧的作用下，将气锚的吸入口置于套管内壁附近的一种油气分离装置。它主要 1 5 第2 章气锚分离机理研究 由心管、外管、弓形簧及上、下进液孔口等组成，其结构如图2 1 0 所示，其工作过程 和工作原理( 见图2 11 ) 如下： 12 34 5 6 8 7 卜偏心接头；2 一进液口；3 一心管；4 一外管；5 一弓形簧座；6 - 堵头：7 一弓形簧；8 一排气孔 图2 1 0 偏心式气锚的结构 f i 9 2 1 0 s t r u c t u r es k e t c ho fe c c e n t r i cg a sa n c h o r 气液混合物进入偏心流道，在大小不同的两个流道之间流体产生速度差。宽边 流道内，流体流动速度远大于窄边流体流动