（机械工程专业论文）井下螺旋轴流式混抽泵特性试验研究.pdf

i q f i i e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f d o w n - - h o l e h e l i c o - - a x i a lm u l t i p h a s ep u m p at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a ol u l u s u p e r v i s o r ：p r o f l iz e n g l i a n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) q q 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：盘。邃鏖日期：动年争月专p 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：蕉己逮! 蕴 指导教师签名：募扭 日期：驯年岁月岁d 日 日期：硼f j 年月7 日 q 摘要 井下螺旋轴流式混抽泵是一种用于井下油气混抽开采的新技术装置，为了满足边际 油田、海上油田等高气油比油藏开发的需要，本研究室自行开发了十级试验样机，为测 试样机工况性能，对其进行了特性试验研究。 通过分析混抽泵输送气液两相介质理论，得出了该种泵样机结构设计参数，并试制 了试验样机。为验证其设计合理性，安装并调试了混抽泵试验台架，并制订了试验方案， 在此基础上，分别以纯水和纯水与空气混合物作为试验介质进行了试验样机外特性测 试。 试验台设计过程中，为了减少人工操作的复杂性，设计了试验台的电气控制系统， 包括电机变频调速系统与试验数据自动采集分析系统的设计，分析了变频调速原理，并 进行了变频器选型；通过传感器与采集模块的选择布置实现了数据自动采集分析，并开 发了电气控制系统程序晃面，实现了试验台架的操作简单、快速，并提高了试验台设计 的自动化程度和测试准确性。 为解决混抽泵运行过程中轴向力对试验测试的影响，从混抽泵轴向力产生机理出 发，分析了气液混抽工况下轴向力的计算方法，并得出了其计算公式，在此基础上，结 合泵传统的轴向力平衡方法，针对样机测试实际试验条件，选取了止推轴承法进行轴向 力平衡，并设计相应软件进行了轴承选型。 通过试验测试得出了混抽泵在不同工况下的外特性曲线，并针对测试结果对样机性 能进行了分析，同时考虑了粘度对特性曲线的影响，通过试验结果验证了混抽泵理论设 计方法的正确性，符合设计要求。 关键词：螺旋轴流式混抽泵，试验研究，电气控制系统，轴向力，外特性 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd o w n h o l e h e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m p z h a ol u l u ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz e n g l i a n g a b s t r a c t d o w n - h o l eh e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m pi san e wt e c h n o l o g yf o rp u m p i n gu n d e r g r o u n d o i la n dg a sm i x t u r e i no r d e rt om e e tt h en e e d so ft h eh i g hg a sw e l l s ，o f f s h o r em a r g i n a lo i l w e l l sa n dc o a lb e dm e t h a n ew e l l sd e v e l o p m e n t , o u rl a b o r a t o r yd e s i g n e dt h ed o w n - h o l e h e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m p ，a n dd o n et h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fm i x e dg a s - l i q u i dt w o - p h a s em e d i u mt h e o r yt r a n s m i s s i o n , w eg o t t h ep u m pd e s i g np a r a m e t e r s ，a n dm a d et h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e i no r d e rt ov e r i f yt h e r a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n ，i n s t a l l a t i o na n dc o m m i s s i o n i n go ft h em i x e dp u m p i n gt e s tb e n c h , a n dd e v e l o p e dt h ep i l o tp r o g r a m o nt h i sb a s i s ，u s e dp u r ew a t e ra n dg a s l i q u i dm i x t u r ea st h e t e s tm e d i u ma n dd ot h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o t o t y p et e s t i nt h et e s t - b e dd e s i g np r o c e s s ，i no r d e rt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo fm a n u a lo p e r a t i o n , d e s i g n e dt h e t e s tr i gc o n t r o ls y s t e m s ，i n c l u d i n gm o t o rf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e ma n da u t o m a t i c t e s td a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m a n a l y z e dt h ef r e q u e n c yp r i n c i p l e ，a n dc a r r i e do u t t h ed r i v es e l e c t i o n ；t h r o u g ht h es e l e c t i o no fs e n s o r sa n da c q u i s i t i o nm o d u l el a y o u tt oa c h i e v e t h ea u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s ，a n dd e v e l o p e dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m p r o g r a mi n t e r f a c e ，a l lt h i sm a d et h et e s t - b e ds i m p l e ，r a p i da n di m p r o v et h et e s t - b e dd e s i g n a u t o m a t i o na n dt e s ta c c u r a c y i no r d e rt os o l v et h ea x i a lf o r c eo fm u l t i p h a s ep u m pd u r i n go p e r a t i o no ft h ep i l o tt e s t , b a s e do nt h ea x i a lf o r c eg e n e r a t i o n ，a n a l y s i st h ec a l c u l a t i o no ft h ea x i a lf o r c e ，a n dr e a c h e di t s c a l c u l a t i o nf o r m u l a , o nt h eb a s e ，c o m b i n e d 、) ，i mt h et r a d i t i o n a lp u m pa x i a lf o r c eb a l a n c e m e t h o d ，a n dt h ea c t u a lt e s tc o n d i t i o n sf o rt h ep r o t o t y p et e s t i n g ，s e l e c t e dt h et h r u s tb e a r i n g a x i a lf o r c eb a l a n c em e t h o da n dd e s i g n e dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r et os e l e c tb e a r i n g t h r o u g ht h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h em u l f i p h a s ep u m pu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sa n da n a l y z e dt h et e s t sr e s u l t sf o rt h ep r o t o t y p ep e r f o r m a n c e ，t a k i n gi n t oa c c o u n t n 白 t h ei m p a c to fv i s c o s i t yo i lt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e s ，a l lt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h e o r yo f m u l t i p h a s ep u m pd e s i g n i n gi sc o r r e c ta n dm e e tt h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：d o w n - h o l eh e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m p ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , e l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e m ，a x i a lf o r c e ，e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c 1 1 2 4 4 1 3 2 混抽泵研究存在的问题5 1 4 研究的主要内容6 1 5 课题研究成果7 第二章混抽泵试验方案设计8 2 1 井下螺旋轴流式混抽泵工作原理8 2 2 井下螺旋轴流式混抽泵试验台架设计特点9 2 3 混抽泵试验测试原理1 l 2 4 混抽泵试验台架结构1 3 2 4 1 混抽泵试验台结构组成1 4 2 4 2 气液混合装置1 5 2 4 3 混抽泵轴端密封的设计1 6 2 5 混抽泵试验台架测试步骤1 8 2 6 混抽泵试验台的维护2 0 第三章混抽泵试验台电气控制系统设计2 2 3 1 试验台电气控制的功能要求2 2 3 2 试验台变频调速系统2 2 3 2 1 变频调速原理2 2 3 2 2 变频器的选取2 3 3 3 试验数据自动采集设计2 4 3 3 1 流量传感器的选择2 5 3 3 2 扭矩传感器的选择2 5 3 3 3 压力传感器的选择2 6 i v 第四章螺旋轴流式混抽泵试验台轴向力分析3 7 4 1 螺旋轴流式混抽泵轴向力理论分析3 7 4 1 1 混抽泵叶轮两侧压力差产生轴向力3 7 4 1 2 混抽泵输送流体的动反力产生的轴向力3 9 4 1 3 混抽泵叶轮自身重力产生的轴向力4 1 4 1 4 混抽泵产生的总轴向力4 l 4 2 螺旋轴流式混抽泵轴向力测量4 1 4 2 1 混抽泵轴向力测量方法选择4 2 4 2 2 通过应变片测量轴向力设计4 2 4 3 混抽泵试验台轴向力平衡设计4 4 4 3 1 泵常用的轴向力平衡方法4 4 4 3 2 混抽泵试验台止推轴承选型4 7 第五章混抽泵试验样机外特性分析5 0 5 1 纯水试验外特性曲线5 0 5 2 混抽工况外特性曲线5 1 5 3 混抽泵试验样机的寿命分析5 5 5 4 泵效影响原因分析5 7 5 5 粘度对混抽泵特性曲线的影响5 8 结论6 2 参考文献6 4 7 8 o o 0 2 4 4 5 2 2 3 3 3 3 3 3 3 附录6 7 螺旋轴流式混抽泵样机寿命试验记录表6 7 攻读硕士期间取得的学术成果7 l 致谢7 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着石油工业的发展，开采石油的范围逐渐向深海区域和偏远地区发展，高气油比 油藏的开采已成为现有石油开采趋势，基于上述现状分析，目前传统的采油方式已不能 适合该类油井开采的条件需求。同时此类油田油藏产储量都相对较小，且具有比较高的 含气率，在目前严峻的油藏开采形势下，如何高效地解决高气油比油井的开发输送问题 或者直接对高气油比油井进行混抽开采成为目前石油行业研究的热点。目前在我国现有 的油气资源中，高气油比油藏占有很高的比重，加强对此类油气资源的投入研究，研制 开发适用于该种油气资源的新的油气开采装置，解决好这类油气田的开发技术，将对我 国石油工业的发展乃至整个世界石油行业都具有重大的意义。 在目前的石油开采中，为了提高经济效益、降低高气油比油藏的开采费用，减少配 套设备投入，一般都采用气液混合输送的方式进行开采，即直接将油井采出物进行增压， 将混合采出物输送到附近的油田或平台进行综合处理，这样以来用多相混抽泵增压成了 此类油田开采的首选方式。多相混抽泵也成为了现有的油气集输工艺中的一种理想增压 设备，近年来发展速度比较快，各国也投入越来越多的精力进行混抽泵研究，多相混抽 泵已逐渐从样机试验阶段进入到商业化发展阶段，采用多相泵混抽技术的优势体现在： 可以明显减少石油开采人员使用数和降低总费用，系统的投资回收期较短，一般为几个 月，并且采用混抽技术只用建设一条管道，从而节约了气、液两条集油管线的费用，特 别对于那些已经采用常规生产技术开采过的老油田而言，油气输送管线因为腐蚀老化使 用寿命较短，需要进行更换，此时可改用多相混抽泵进行可采，直接利用原集油管线实 现采出物混相输送，这是多相混抽泵技术的另一个优势n 1 。 井下螺旋轴流式混抽泵是一种能够用于井下油气多相介质混合采抽的新型流体机 械，该类型泵具备压缩机和叶片泵的双重特性。其结构设计特点是叶片叶型采用螺旋式 结构，叶轮、导轮的流道设计均采用锥形结构，混抽泵由多级叶导轮增压单元串联工作， 每级增压单元由一个叶轮和一个导轮组成，在叶轮和导轮之间安装有摩擦环。叶轮通过 键固定在混抽泵泵轴上，随泵轴进行旋转，导轮固定不动。该种泵能够在油藏高含气率 ( o 9 3 ，短时可达1 0 0 ) 情况下进行气液混合介质抽送，并且能够保持较高的混抽 泵效率。相比较而言，同样能够实现混抽开采的双螺杆泵虽然能在很高的含气率下，保 第一章绪论 持泵扬程并不显著降低，仍然能取得良好的增压效果，但在含气率较大工况下，气相含 量明显高于液相，导致双螺杆泵转子螺杆啮合时摩擦过程产生的热量，不能够及时被输 送液体带走，导致螺杆啮合表面的温度逐渐上升，从而造成整个双螺杆泵腔室温度的显 著升高，由于双螺杆泵中金属材料的热胀特性，使得泵内各连接配合处产生过盈，导致摩 擦加剧，进一步降低了泵的机械效率，如果泵内热量长时间聚集，还会造成泵的使用寿 命大大降低，零部件产生损坏。由此对比可以得知，双螺杆泵虽然能够输送气液混合介 质，但不能在含气率较高或者纯气相介质条件下较长时间工作，并且双螺杆泵在输送超 过一定含气率的混合介质时，泵效会显著降低瞻1 ，双螺杆泵的效率一般为2 0 5 0 。同 时双螺杆泵混合抽送压力还存在随气油比的增大而减小的缺点，实际运行气油比范围较 小，泵螺杆易折断，在含砂环境下工作困难，泵自身发热大，同时在泵的加工过程中， 需要应用加工精度高的专用机床，导致泵自身价格较高等问题曙3 。 新开发研制的此种井下螺旋轴流式混抽泵的主要优点包括： 考虑抽送的气液两相流体的可压缩性，该种泵采用锥形轮毂，并采用开式结构， 能够适应气塞和液体段塞的影响，可以输送含砂介质，对固体颗粒不敏感h 1 ； 该种泵具有较大的流道曲率半径，在一定程度上可避免或延迟发生泵流道内气 液两相介质之间相态分离的现象，有利于油气混合介质的输送； 该种泵内部只有沿泵轴方向的一列旋转部件，加工制造方便，结构简单紧凑， 适于深水区油气层推广使用，并且易于井下安装，适用范围广，特别适用于中大流量和 中低等增压工况的油气层。 该种泵驱动方式灵活，其动力驱动系统可以借鉴电动潜油离心泵采用电动机驱 动，也可借鉴涡轮钻具采用水力透平机驱动，具有很强的具有自适应( 自调节) 特性。 该种泵能够适应较高含气率介质，当混抽介质体积含气率较高时，仍具有良好 的抽送效果，保持比较高的工作运行效率，并能短时在纯气工况下运行，并且在运行过 程中不需要外部冷却畸，。 1 2 国内外研究现状 随着石油工业的发展，以混抽泵这一新型增压设备为核心的多相混抽技术成为各国 石油开发研究的热点。发达国家对这项新技术的开发研制十分重视，早在8 0 年代初， 就利用石油公司、科研机构、设备公司3 方合作的方式，着手从事与油气混抽泵相关的 研究工作，目前陆上及浅海多相混抽系统已经过验收鉴定，水下多相混抽技术也已进入 2- 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 现场试验阶段1 。据报道，目前国外已经进行了大约有2 0 多项混抽技术研究项目，其 核心内容主要都是油气多相泵的试制与应用盯1 。 目前多个国家已研制出多种不同类型的多相混抽泵，1 9 8 4 年1 月法国道达尔、法 国石油研究总院( i f p ) 和挪威国家石油公司( s t a t o i l ) 三方合作，投巨资研发“海神 系列螺旋轴流式多相混输泵，到目前为止，海神式多相泵已发展到p 3 0 0 、p 3 0 1 、p 3 0 2 三种型号并进行了多次陆上和水下混抽试验，1 9 9 4 年，挪威国家石油公司使用p 3 0 1 型 地面螺旋轴流式多相混输泵在其所属的北海g u l l f a k s 平台安装使用，标志着“海神”多 相混输泵的研制由试验阶段进入工业化阶段。目前已有新研制的数台海神泵在俄罗斯、 北海、印度尼西亚、几内亚海湾油田的陆上、水下应用。此后，螺旋轴流式多相混输泵 被广泛应用于多项海底增压油气混输装置中，如由n o r k es h e l l 和s h e l li n t e r n a t i o n a l 提 供技术和经济援助，电力驱动的e l s m u b s ，和m o b i l e 和f r a m oe n g i n e e r i n gf r a m o e n g i n e e r i n g 制造的液力驱动的海底增压站s m u b s 合作开发的m e p s 工程，法国石油 研究院研制的n o m a d 采油系统等，与此同时，美国的w e i r s 有限公司和a b b 集团、意 大利的a g i p 、n u o v op i g e o n 和s n a m p r og e t - u i 公司、英国的b h r a 、德国的 b o m e m a r m 、挪威的f r a m o 等公司也纷纷加入到螺旋轴流式混输泵的试验研制开发和现 场实际应用的行列中来h 。1 。 我国的石油工作者很早就开始关注油气多相混输技术，自2 0 世纪9 0 年代以来，我国 的石油公司、各大油田、科研院所日益认识到多相混合输送的重要性和紧迫性，我国的 油田现场环境对多相输送的要求也日益强烈，有关多相混输技术的应用研究、特别是多 相混抽泵的引进与开发研制成为人们关注的焦点3 。而对于螺旋轴流式混抽泵，国内还 未见有引进和现场试验的报道，国外目前对我国还处于技术封锁中，中国石油大学从 1 9 9 6 年开始研究螺旋轴流式混抽泵，从气液两相输送机理及叶导轮结构设计、试验样机 性能预测和内部输送流体能量交换、室内及现场试验研究3 方面着手，开展油气多相混 抽泵的研究工作。经过几年的试验探索，目前在混抽泵的叶片选型、扬程估算、性能预 测模型的建立以及内部混合介质流动规律研究方面都建立了一定研究基础，对混抽理论 研究与泵的设计方法的探讨都取得了阶段性成果2 删。 由于气液两相流在混抽泵内的运动特性十分复杂，至今对于混抽泵在不同工况下的 运动特性很难用精确的解析方法进行描述，因此对于多相混抽泵进行试验研究有着很重 要的意义。现在对于多相混抽泵主要做了三方面的试验研究工作：通过试验研究现在已 有泵型，了解其气液两相介质输送性能；对泵内稀疏流场中气泡轨迹的试验研究；对新 3 第一章绪论 开发研制的气液多相混抽泵样机进行模拟试验和油田现场试验。由于试验条件和测试技 术的局限性，目前还不能通过试验准确地研究混抽泵内混合介质流体的流动规律，但通 过研究混抽泵在不同工况下对于气液两相流的输送特性，可以得出混抽泵的设计可行性 以及为混抽泵优化设计提供理论依据，这方面研究国内外都已经进行了不少工作。 中国石油大学对自行开发研制的三代螺旋轴流式多相混抽泵样机进行了特性试验 研究，研究情况如下抬引：第一代多相混抽泵证明了螺旋轴流式多相混输泵可以用来输送 油气两相混合介质，并能够对所输送介质进行了增压，这其中建立了研究气液混输的试 验研究方法，设计了一套能够用于混抽泵试验测试的装置台架；第二代多相混抽泵研究 了螺旋轴流式多相混抽泵输送介质过流部分结构的水力设计方法；第三代多相混抽泵是 在前两代混抽泵研究的基础上，通过样机的室内试验研究并结合油田油井现场的工况条 件，确定了混抽泵叶导轮增压单元结构设计参数，从而研制出了新一代多相混抽泵。 1 3 多相混抽泵试验研究现状 1 3 1 试验研究现状 对多相混抽泵的研究目前有试验法、换算法、流动分析法三种方法，其中最直接、 最有效、最可靠的泵研究方法但心铂是试验法，试验法就是利用混抽泵的测试装置对混抽 泵在输送不同介质时和不同运行工况下的性能特征进行直接测试的一种方法。鉴于输 送气液两相流介质的该种泵的特殊性，各国石油工作研究者很早就开始进行这方面的研 究工作，到现在为止，多相混抽泵试验研究的工作可以从以下三方面进行分类n 们： ( 1 ) 利用已经研制的混抽泵通过输送气液两相介质对其进行试验性能研究 二十世纪六十年代初，研究工作者开始进行当泵内混入气体后的试验特性研究，七 十年代之后，又针对泵内吸入空气时引起的气蚀现象从而导致泵的性能变化作了研究； 同时对气体吸入方式与泵的运行工况条件的关系作了研究；f l o r j o n c i e 还研究了不同性 质的气体吸入对多级泵的性能影响；进一步推导了泵的叶片数、进出口轮毂比、叶型结 构、叶端间隙等结构参数与离心泵性能的对应关系；八十年代初，o l s o n 为了研究泵内 流体运动状态，设计了专门的泵测试试验装置瞳刨，通过试验测试了解了泵输送气液两相 流体的性能。 ( 2 ) 对泵运行时，内部流场中的气体运动轨迹做出研究分析 泵在运行时，为了研究其内部流场运动规律，需要对其输送介质进行轨迹运行研究， 由于其输送介质油水气多相混合流体的特殊性，试验用的常规的测试方法，如热线、探 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 针已不能符合本试验的测试要求，而就非接触测量技术而言，高速摄影虽然在液体固体 两相流中获得了一些应用，但当涉及有气体相态测量时却很少应用，m m u r a k a m i 就曾 采用高速摄影技术研究离心泵与轴流泵叶轮间旋转稀疏泡状流场中气泡的运动轨迹。从 目前试验研究而言，针对含气率较高的气液两相流混合流场内部轨迹进行测试，并针对 其轨迹做出内部流场运动规律仍是一种非常困难的技术。 ( 3 ) 对新开发研制的多相混抽泵进行室内模拟试验和针对油田现场的试验研究 二十世纪八十年代以来，随着国际油价的提升，越来越多的石油公司将目光投向了 边际油田和海上油田的开采，这就要求研制一种针对此类高含气油田应用的一种新型、 高效的开采装置，以降低这些油田的开采成本，从而导致以混输泵为核心的多相混输技 术倍受关注。从而导致开展了众多有关多相混输泵的试验研究：o k i t s u g uf u r u y a 等对多 相混输泵的结构设计参数对气液两相流泵性能影响通过试验进行了研究与总结， v i l a g i n e sr 等对法国石油研究总院设计的螺旋轴流式多级多相混输泵的叶壁静压不稳定 性进行了试验研究，进入九十年代后，新近开发成功研制设计了容积式多相泵如双螺杆 泵和叶片式多相泵如地面螺旋轴流泵，并成功加工了对应类型的试验样机，此类多相泵 原理机先后通过了室内模拟样机试验，部分已通过陆上油田现场试验。 以上研究都是针对井上即海底和陆上多相混合物的输送，而应用于直接采油用的井 下螺旋轴流式多相混抽泵的研制，目前中国石油大学( 华东) 以国家和省部级多个研究 课题为依托，对该种直接用于油气混合开采的混抽泵开创性的进行了多方面工作，研究 了螺旋轴流式混抽泵的结构参数与特性参数，并试制了试验样机，目前已进行了初期的 样机室内试验测试。 1 3 2 混抽泵研究存在的问题 在进行油气两相混合开采时，人们越来越重视到新研制的螺旋轴流式混抽泵的独特 优点，相对应的石油工作人员也把越来越多的研究精力投入到该种类型混抽泵的设计与 试验中，但直到现在为止，螺旋轴流式混抽泵在油田现场应用中并没有达到人们的期望 高度，国外虽然已经有现场应用记录，但与其他石油开采与混输用泵型相比较，螺旋轴 流式混抽泵的应用率还相当低，而在国内则还没有相关泵型的现场应用报告，究其原因 主要是螺旋轴流式混抽泵的设计理论尚不够完善，而且在前期的试验样机测试中也出现 了许多不利于现场应用的问题，螺旋轴流式混抽泵研究过程中存在的问题主要有以下几 点： 5 第一章绪论 ( 1 ) 螺旋轴流式混抽泵的理论设计方面，目前对于该种泵叶导轮增压单元的结构参 数与特性参数的推导，大部分是借鉴现有泵型的经验公式进行的，而对于这种具有油气 混抽性能的新型泵而言，此种设计方法显然是初步的，目前尚未形成精确的理论推导公 式与设计方法，因此在该种泵的结构设计方面导致该种泵不一定能够具有理想的泵效。 ( 2 ) 对该种混抽泵试验样机进行试验测试时，由于现实室内条件的限制，很难准确 的模拟现场工作环境，从而导致对测试样机进行调试时不能够准确的结合实际工作环 境，由于初期设计的混抽泵试验台架是纯手工操作，并且数据的采集是靠人力读取，这 就导致试验过程中由于人为因素的影响也会试验结果的确定产生消极因素，试验台的不 够理想设计一定程度上妨碍了螺旋轴流式混抽泵结构设计的改进，同时这也要求建立一 种自动化程度更高的试验台架进行测试。 ( 3 ) 通过初期的试验研究发现，螺旋轴流式混抽泵的轴向力问题仍然表现的非常突 出，由于其轴向力产生机理不同，该种泵产生的轴向力比较大，而这也成为限制现场应 用的一个重要因素，如何合理有效地平衡轴向力成为井下螺旋轴流式混抽泵推广使用的 关键。 ( 4 ) 螺旋轴流式混抽泵目前在国内的研究中仅仅到室内试验研究，还未进行现场测 试与应用，主要是由于油田现场缺少与该新型泵配套的机组装置，针对该种泵，目前在 选井原则、下泵深度、驱动方式选取与相关机组配套装置的选取，现场还没有具体标准， 这一定程度上也制约了该种泵的发展。 1 4 研究的主要内容 本课题是在国家8 6 3 计划项目“浅水区井下油气混抽装置技术研究 支持下完成的， 具体研究内容如下： ( 1 ) 根据现有的井下螺旋轴流式混抽泵试验台设计基础，完成试验台架流程及整体 试验方案设计，使得新设计的混抽泵试验台架具有便于操作的电气控制系统； ( 2 ) 为新建立的混抽试验台架建立数据自动采集与分析系统，提高试验数据测试的 精确性； ( 3 ) 分析螺旋轴流式混抽泵试验过程中轴向力产生原因，并提出混抽泵轴向力平衡 措施； ( 4 ) 混抽泵试验样机的轴向力与泵效分析，通过试验样机外特性曲线对该种混抽泵 进行性能分析。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 5 课题研究成果 ( 1 ) 完成井下螺旋轴流式混抽泵试验方案的设计，进行混抽泵试验台的总部布局设 计； ( 2 ) 完成混抽泵试验台的建立，并利用此试验台进行试验样机的轴向力和外特性试 验测试； ( 3 ) 开发了混抽泵试验台电气控制系统，实现了电机变频调速与试验数据自动采集 与分析处理；提出了试验样机轴向力平衡措施，并进行了止推轴承选型分析，开发了混 抽泵试验用止推轴承选型软件； ( 4 ) 根据混抽泵试验结果，得出了混抽泵样机不同工况下的外特性曲线并对样机工 况性能进行了分析。 7 第二章混抽泵试验方案设计 第二章混抽泵试验方案设计 对于这种用于油气混抽的螺旋轴流式混抽泵的研究，从混抽泵的工作原理入手，分 析其输送气液两相混合介质的工作机理，并得出其叶导轮增压单元结构设计参数，同时 为了验证其设计合理性，进行了l o 级混抽泵试验样机试制，为了观察该混抽泵试验样 机输送混抽介质流场规律与对其进行外特性测试，建立了一套螺旋轴流式混抽泵试验台 架，分别以纯水、空气与纯水的混合流体作为试验介质进行了试验操作，并制订了相对 应的试验设计方案与试验台维护措施。 2 1 井下螺旋轴流式混抽泵工作原理 井下螺旋轴流式多相混抽泵属于叶片式泵，同时由于叶、导轮叶型和轮毂的锥形结 构特点，因此该种混抽具有泵与压缩机的双重特性。该泵的过流部分主要由吸入导管， 叶轮，导轮和出水管等组成。该种泵输送介质压力的增加是依靠能量的传递和转化实现 的，而容积式泵则是依靠单元级体积的变化引起的，这是两种泵的本质区别。螺旋轴流 式多相混抽泵属于中、低扬程，中、大流量泵，一般的性能范围为：扬程：1 1 6 m ；流 量：0 3 6 5 m v h ；比转数：2 0 0 1 6 0 0 。 螺旋轴流式混抽泵设计的关键技术参数是其叶轮和导轮的结构参数的设计，主要包 括叶片选型，轮缘直径，叶轮轴向长度，轮毂进、出口直径，叶片进、出口安装角，进 口轮毂，比轮毂半锥角和扬程系数等。上述参数的选取对叶轮的流动性能够起到决定性 作用。 中国石油大学( 华东) 流体机械研究室在对气液混合介质运动规律及现有混抽泵研 究基础上，提出了新型的螺旋轴流式混抽泵增压单元设计结构，结构设计图如图2 1 所 示，每级增压单元由一级导轮和一级叶轮构成，混合介质进入叶轮后，由高速旋转的叶 轮对其产生增压，使得混合多相介质产生动能，然后进入导轮，由导轮的扩压作用将上 述动能转化为输送介质的静压能，同时由于导轮的旋转剪切过程使叶轮出口的大气团产 生破碎，从而在一定程度上调整了输送介质的流态，进而为流体进入下一级叶导轮增压 单元产生了保障，其基本原理就是通过叶轮对油气混合介质进行加压，然后特殊的叶型 结构保证输送介质沿轴向流动，并通过导轮使混合介质的动能转化为压力能，每经过一 级叶导轮增压单元，混合介质能量便获得进一步增加，增压单元级数越高，介质获得的 增压值越大嘲。 8 图2 - 1 混抽泵增压单元 f i 9 2 - 1 p r e s s u r eu n i to fm u i t i p h a s ep u m p 在对螺旋轴流式混抽泵工作原理和增压单元结构设计的基础上，中国石油大学( 华 东) 流体机械研究室为了验证混抽泵设计思想的正确性以及增压单元设计的合理性，需 要通过试验进行该种泵外特性的测试，为此该研究室自行开发试制了井下螺旋轴流式混 抽泵试验样机，试验样机结构图如图2 2 所示，主要由泵进口均化器、叶导轮增压单元、 扶正套以及泵轴、泵壳、键、摩擦环以及密封装置等混抽泵配套装置构成。 图2 - 2 螺旋轴流式混抽泵结构示意图 f 蟾2 - 2 t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fh e l i c o - a x i a lm u l t i p h a s ep u m p 2 2 井下螺旋轴流式混抽泵试验台架设计特点 为了对新开发的井下螺旋轴流式混抽泵进行性能测试，并通过试验测试结果改进该 种泵性能，要对新研制的该种泵样机进行室内试验研究，通过试验得出螺旋轴流式混抽 泵外特性以及其内部流场运动规律，由于该种多相混抽泵尚处于开发阶段，在验证过程 中需要对其进行多次试验，以及进行改进设计再试验的循环阶段，这就提出了建立一套 专门的井下螺旋轴流式混抽泵试验台的必要性，该试验台要求能够进行纯液体与气液混 合介质的外特性性能测试，在样机试制阶段，通过该试验台完成对试验样机进行验证与 9 第二章混抽泵试验方案设计 检测，同时在泵的产品化生产过程中，也能够将本试验台用于进行该种泵系列产品的技 术指标、性能的校核。具体的试验台技术参数如表2 1 所示。 表2 - 1 试验台技术参数 t a b l e 2 - 1 t e c h n o l o g yd a t a o ft h et e s t - b e d 驱动电动机的额定功率 7 5 k w 泵轴转速 o - 4 5 0 0 r m i n 进出口处液相的体积流量 0 - 2 0 m 3 h 进口处气相的体积流量 0 - 1 2 5 m 3 h 泵进口压力 0 0 1 - 0 5 p a 泵出口压力 0 0 1 - 2 0 m p a 在纯液工况下的试验介质 试验用介质是纯水；在进行气两相混合输送 时的介质是空气和纯水。 由于井下螺旋轴流式混抽泵在工作过程中，输送介质既可能是全液流体，也可能是 含气率变化的气液混合介质，同时要求在气液比变化时，该种混抽泵仍具有较高的增压 能力，为了达到室内试验的真实性验证，这就要求该混抽泵试验台架能够提供供给流量 可调节的气体源与液体源，并能够实时进行两相介质流量的测量，同时为了能够对混抽 泵内部混合介质流动状态以及流体经过叶导轮增压单元的变化状态进行观测，这就要求 在试验台架设立专门的观察短节。因此，螺旋轴流式混抽泵试验台在设计过程中要具有 自身的特点，具体如下啪3 ： ( 1 ) 混抽泵实际工作时输送的混合介质要求该试验台能够提供含气率可调节的气 液混合介质，为此该试验台中单独设立混抽泵的进气通道与进液通道，其中气体介质由 空气压缩机提供，液体介质选用纯水，并为每条管路安装独立的流量测试仪器； ( 2 ) 为了模拟真实的油气储层流体混合状态，在气体管路与液体管路进入混抽泵之 前应当连接气液混合装置，该试验台设计中采用多点混合的方式，使气液两相均匀混合 后进入混抽泵； ( 3 ) 为了研究轴向力对该种混抽泵运行时的影响，本试验台设计了轴向力测量装 置，通过试验发现，混抽泵运行时会产生较大轴向力，为了对其进行平衡，试验设计中 采取了止推轴承轴向力平衡方法。 1 0 图2 - 3 试验台结构不慈图 f i 9 2 - 3 t h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft e s t - b e d ( 4 ) 为了实现混抽泵试验台架对混抽泵能够提供不同转速的测试条件，本试验台 动力部分须采用无级变频调速系统，通过变频器的调控，满足混抽泵不同工况下相对应 的不同转速要求m 3 ； ( 5 ) 为了减少试验操作人员的工作量，本混抽泵试验台架采用数据自动采集与处理 模块，实现试验台架的操作简单、快速、自动化程度高墙引；通过a d 数据采集卡将现 场试验数据的工作参数连接至计算机，然后根据测试得到的物理量参数计算出螺旋轴流 式混抽泵的特性参数，从而完成该种泵外特性曲线的绘制3 。 2 3 混抽泵试验测试原理 螺旋轴流式混抽泵试验台架的建立是为了对先研制的该种泵输送气液两相流体时 的外特性性能进行测试，螺旋轴流式混抽泵的主要特性参数有：压头日，流量q ，功 率坛，效率r 和转速，? ，通过这几个参数确立混抽泵的外特性曲线：包括在一定转速 下的压头一流量( 日一q ) 曲线、功率一流量( 一q ) 曲线和效率一流量( ，7 一q ) 曲线， 不同的转速下对应着不同的外特性曲线。 ( 1 ) 日一q 特性曲线 该特性曲线是在选取和使用泵时参考的主要依据，该曲线有三种形式：平坦式、陡 降式和驼峰式。其中平坦式曲线的泵适用于调节排出阀门改变流量以及流量自动调节的 11 第二章混抽泵试验方案设计 场合；陡降式曲线的泵适用于压力波动而流量基本保持不变的场合；而驼峰式的泵应避 免使用。在现场应用时，应当根据不同的使用场合特点选取不同特性曲线的泵型。 根据泵的能量平衡方程，可以根据式( 2 1 ) 得出混抽泵的压头日： ：堡一垒+ z ( 2 1 ) p gl o g 式中：p 为气液混合介质密度；尸吸为泵吸入口压力；尸捧为泵排出口压力；z 为吸 入口与排出口的高度差，在本次试验中，试验台固定后，z 保持不变。气液混合介质密 度p 计算如下： p = 暇+ ( 1 一口) 岛 ( 2 - 2 ) 拈鲁= 南( 2 - 3 t , 2 - 3 ， 口= 二= 巳一 j q 鲰+ 绕 式中：口为混合介质容积含气率，为气相体积流量，岛为液相体积流量。 ( 2 ) 池一q 特性曲线 该特性曲线是合理选择混抽泵的驱动电机功率和操作启动泵的依据，从该曲线上， 可以得出轴功率最小的工况，选择在此工况下进行泵的启动，以保护驱动电机，防止产 生过载。混抽泵的轴功率可以通过式( 2 4 ) 进行计算： 姚= ( c o ) 1 0 0 0 = ( t , , * , , ) 9 5 5 0 ( 2 - 4 ) 式中：l 为混抽泵泵轴输入扭矩；c o 为泵轴角速度；以为泵轴转速。 ( 3 ) r l - q 特性曲线 该特性曲线是检查混抽泵工作经济性的一种依据，根据此特性曲线可以看出，混 抽泵工作效率最高的工况，泵效率最高的曲线点称为额定工况点或者最优工况点，一般 认为最高效率以下7 范围对应的工况点称为高效工作区，在此区间内泵的工作便是合 理的。 混抽泵的效率可以通过式( 2 5 ) 进行计算： ，7 = 瓦n ( 2 - 5 ) 式中：n 为混抽泵的有效功率，其计算公式如下： n = p g h q m x l 0 3 ( 2 - 6 ) 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中，气液混合介质流量：q 混= +