气体对射流泵效率的影响_窦宏恩

1、第26卷第1期窦宏恩：气体对射液泵效率的影响33气体对射流泵效率的影响窦宏恩（石汕勘探开发科学研究院）摘要 射流泵采油一玄被人们认为效率低而在应用中受到限制，除影响射流泵效率的几何因素 外，人们对气体和动力液介质的密度影响射流泵的抽油效率的认识不尽一致c针对这个问题.综合 分析了国内外有关文献，进一步研究了气体对射流泵效率的影响，给出了液/液气两相射流泵设计效 率和实际计算效率的计算模型。根据现场使用射疣泵的实践，提出用射流泵抽油时，在有液/液气两 相流态的情况下，气体在举升过程中作功有助于液体举升到地面，即有效地产生了“气举效应”，使射 流泵效率得到提高。© 1994-2013 C

2、hina Acadcrnic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved, http:/www.ctiki.nc第26卷第1期窦宏恩：气体对射液泵效率的影响33© 1994-2013 China Acadcrnic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved, http:/www.ctiki.nc第26卷第1期窦宏恩：气体对射液泵效率的影响33实宏恩工程师，生于1962年.1995年获工学硕上学位现在石汕助探开发科学研充院攻读博霍学位。本刊竝讯员

3、。«：（ 100083）北京 市学院賂。油网电话：（901 ）62）98512。（收楼II期：1996-O9- 1U;修改槁收到出肌1997-01-31）主题词射流泵效率设计计算模型自70年代射流泵较广泛地应用于深井石油开 采以来，国外的研究者都相继发表过研究论文，有人 利用水/水空气两相射流泵试验模拟抽汲气液两相, 修正了文献1的模型，得出了气体量越大，射流泵 效率越低的结论。国内有人认为“游离气会降低射 流泵举升液体的能力”【23）。笔者在文献|4中曾指 出，射流泵采油时，由于产岀液中存在气体，降低了 排出液压力梯度，射流泵的效率是塔加的。这个结 论与文献2、3、5的结论相异。笔

4、者再次阅读 文献3、5,发现两文献中除在给出的计算模型中 忽略f较多的宏观影响泵效的因素外，还都出现了 公式导出系数错误，使其结论与实际不符。笔者根 据现场应用射流泵的实践，并结合国内外射流泵使 用者的理论与经验，再次试图研究射流泵抽汲油气 两相混合物时通常效率是增高的问题。文献3,5中的问题分析文献3采用了气液两相射流泵新模型进 行理论计算，在没有任何室内试验和现场应用的前 提下，指出射流泵抽油时，“由于气体的出现增加应用了喉管-扩散管阻力，使泵送液体的效率降低”。 显然，作为一种科学研究结论不够充分。我们首先 讨论一下文献5,看其是怎样研究气体影响射流 泵效率的。文献L5I在试验室研究射流

5、泵受气体影响时, 模拟汕井液采用了空气和水的混合液，动力液采用 纯水。但文章标题中采用了天然气（GAS）-词, 而文中都是以空气（AIR）作研究对象。众所周 知，空气与天然气是两种有较大差异的气体。该文 中给出厂不同气液比（空气和水）情况下射流泵效 率，得出的结论和导出的喉管-扩散管损失系数 K”的表达式，对于原汕和天然气而言，显然就不 一定适用了C文献5给出了喉管-扩散管损失系数心的 表达式（下面为讨论问题方便，使用原文中的英制 单位）,即 = 0.1 + a（Rp）b（AWRy（Ryl （I） 式中 瓦排出压力与动力液压力之比，无量纲； AWR空气与水的体枳比，Scf'/STB;R

6、喷嘴孔口面积与喉管孔口面积之比， 无晁纲；a、b、c、d 为回归系数° a = 3.67 x 1()3； b =-2.33； c =0.63； d = 0.33o当气体介质是天然气，液体介质为原汕时， a、b、c、d回归系数毫无疑问要发生改变,并非 恒值。文献5?没有指出利刖该式进行工程计算 时，如何消除由于介质不同所造成人d的误差"文献5在主控制模型中考虑以水和空气混 合物作油井液，水作动力液时密度变化是影响效率 的重要因素。实质上，混合液密度的大小与混介物 中含气量多少有关，若考虑密度变化，射流泉效率 表达式应是”=：州V仅=M.N(2)Pf式中M质童流虽比，无量纲；N

7、压力比，无量纲；pp动力液密度，g/cm3;Pf油井液密度，g/cm3;Mv体积流量比，无就纲。在式(2)中，采用文献5中的试验介质, 水作动力液，密度必= 1.09g/cm3;油井液为空气 和水，密度 pf = 0.75g/cn?;这时 “p/pf = 1.33。这 种条件下射流泵效率是等密度条件下的1.33倍。 因此，动力液和油井液密度影响射流泵的效率是不 可忽视的。让我们进一步分析文献3中采用的水和空 气的当量式0皿=0.2178(；(3)式中 Q,a在标准状况下通过泵的空气流屋, Mscf/d (千标准立方英尺/天)；Q皿由a“转化而成的水的体积流竝的 当量，bbl/d (桶/天)。文

8、献3没有进行单位换算就将式(3)两端 的单位Mscf/d与bbl/d视为相同，统统换成了 “品/d”公制单位，这显然是不成立的，M”d7d与 bbl/d的换算系数为1 Mscf/d 二 178.1 bbl/d将式(3)两端的单位统一为bbl/d,则有Qs = 0.2178 x 178.1匕=38.8匕 (4) 由式(4)可见，空气转化为水当蛍的体积比 大约是38.8,通过统一单位，笔者发现Qz/Qg的 比值大于1,也就是说水与空气在质量相同的询提 卜休枳比大于1,这显然是不正确的。实际上解决 气休与液体的当葩问题，采用质蜀守恒定律推导要 确切一些。即定义水的质徴流駅等于空气的质量流 虽，则Qi

9、utt' Pw 二 Qia Pia由式(5 )求得(心=卩滾也/兀(6)式中Pw水的密度，g/cm3;Pia空气旳密度，f/cm%由理想气体状态方程pV = A/R77/Z彳!M/y =()/( RT)令Pia = A/V故临*“/ (RT)(7)式中“空气平均分子扯，28.89x10", kg；PAPI标准状态下的压力，1.0333 x 1(恥；R普朗克常量，/? = 8.3096Pa-m3/K-mol;TAPI标准状态下的绝对温度，T = 2«8.7Ky把上述数值代人式(7)得f)ia = 1.245kg/n?,取仏，=10(X)kg/m3,代入式 得QUttt

10、 = 0.001245 仇，(8)把式(8)中两端“品/d"的单位换算成式 (3)中两端单位，有Qw = 6.99匕(9)由上述推导结果可知，0.2178确实是一个错误 数值。文献3将解释为“气体在API标准状态 卜的体枳流量”，并给岀下式计算0命，即a“ = 3.578 X： 1" x (273.15 + t)Qe/pi (10) 式中t油层温度，覽；pi井底压力，M Pa;4口产气量，if/d。将式(3)和式(10)中对0“的解释相比较就 可以发现两者不相致。所谓API标准状况(压力 为1.0333x103,温度为15.55%：)下气体体积流 晁。实际就是地面条件下测得

11、的气体流量，而公式 (10)描述的0施是在吸入压力p：(文献3解释 为井底压力，不确切)和吸人口油井液温度/下通 过泵的气体量，文献3、5对0也的物理意义 的描述均欠妥当。© 1994-2013 China Acadcrnic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved, http:/www.ctiki.nc第26卷第1期突去恩：气依对射流泵欣率的影响35笔者根据理想气体状态方程推导了吸入状态吸 入气量0皿的表达式，发现式（10）中的系数是错 误的，系数应该是3.578x 10-%实际上，进入射流泵的溶解气体量的多

12、少与吸 入口压力Pl和吸入口温度心原油密度p°以及大然 气密度他有关,其溶解油气比R。用卜式求得，即心=0.18（8,059 xX (1()1 675/匕0000506-1.6257)pj I.2OW (门)用戒（11）计算文献3给出的算例中的井 下代油比Ku = 9.41m3/m3o由此可见,进泵时的气 体量远远小于地面测定的气体量。文献3不但没有对文献5中的不合理内 容进行修正，而fL公式导出系数都出现了错误，自 然计算结果和结论是不可靠的。液-液气射流泵效率笔者经过研究后认为，射流泵的效率叫分为设 计效率和实际计算效率，设计效率主要由射流泵的 结构参数来确定，而实乐计算效率堆由

13、射流泉在工 作时的实际生产参数来呦定的，卜-而分别给出这两 种模型"1.设计效率模型B Q/d % = 1 + K“一呢 l+03(詈(1 - “01)+ Hzo(12)8山+ （|2的（住鸯（I +心）（1 + M）2炉仪pd 式中r）d设计效率,;Pa设计时使用的吸入口压力值，MPa；Kn喷嘴损失系数，无皿纲，K厂（）.03;GOHi设定气油比，m3/m3;Rz01设计时给定的含水率.% ；Q”油井液目标值（配产值），HiVd； Q泌喷嘴处设计动力液fi, n?/d;Pd排出混合液密度，g/m3o2.实际计算效率模型0.009枷-p诚一险+尸2 沪加-(儿 +>2)+0?0

14、(i98H()1xx 1+0.0（）58（詈'（l - %） + % （13） 式中 实际计算效率，;Qf射流泵实际生产时的实际产油量, m3/d；0射流泵实际用动力液量，m3/d; G（）R2实际生产肘的气油比，mW;p.2实际生产时的吸入口压力值，MPa; Pp地面泉工作压力，MPa;P诚井口回压，MPa;H射流泵下井深，in;斤一动力液在油管里的縻擦压力损失, MPa;混合液在油套环空里的摩擦压力损 失，MPh。文献3采用了与泵结构参数无关的无量纲 压力N =（i）d - Pi）/（PP - Pd） 来设计射流泵的参数是不可靠的。因为兀（排出 压力）、Pp （喷嘴处压力）和刃（泵

15、吸入口压力） 值通常在实际生产中才可能取得较准确的值。在射 流泵参数设计时，加、艸和仇都是参考值（估计 值）或期望值，把/V作为设计射流泵有关参数和 效率唯-确定值，试凑其它参数，使其均满足无量 纲质蛀流応比M等参数，同样给射流泵结构参数 设计和泵效率设计带来较大谋差。关于液-液气射 流泵参数的设计步骤及计算模型笔者已在文献7 中给出了详尽的阐述，可供使用者参考。射流泵在离气油比井中的应用前苏联学者指岀，在气油比178 445m3/in3的 井中成功地便用了射流泵，靠髙油气比产生r较明 显的气举作用，获得了较髙的条件效率，聂高达 40%以上 18>9,0 美国学者 Petrie、Wils

16、on 和 Smart 在 文献1中指出，在射流泵的使用中已经发现, 油井液中有气体存在时，可得到一个较小的地面操 作功率。这也从另一个角度说明了有气体存在时射 流泵效率是增高的。文献9给出的射流泵工作实例令人感兴趣。 在气油比为223m3/m油井含水98%和泵挂深度 2135m的情况下，当射流泵排量为318n?/d、出口 压力为11.7MPa时，工作液排鼠和压力分别为 429m3/d和22.8MPa,计算得到Af =0.74,条件效 率为36%o近年来，辽河油田某油区试验了气体作动力液抽 汲液体的射流泵，某井井深1470m,日产液壇 112.7n?/d,日产气量 13384nP/d,供气ft

17、1629Jii?/d, 地面供气工作压力6MPd,含水90%,气液比119m3/ n?,这种采油方式经区块对比试验，比气举、抽油 泵抽油产液量都岛，井卜运行周期长。这项试验表 明，气体作动力与液体一样实现了射流泵抽油的能 量转换，使射流泵强抽与气举效应结合使用，达到 了较隹的抽油效果。若文献3的观点止确的话, 上面几例中都有大量气体进入喉管、扩散管，使其 阻力增加，泵送液体於能力降低，而这些试验就不 可能达到如此好的效果。可是，现场应用结果正好 与文献3的解释相反。结 论从上述分析可知，在较高含油气比的井中，气 体进泵以后，虽然占据了泵的部分空间，但返出液 中气体膨胀作功，液体密度减小，泵的排

18、出压力相 应得到降低，因此在气体的“气举效应”下产液量 比纯液体的产液拉要商，射流泵的效率增高。参考文献1 Petrie II L, Wilson P M, Smart E E Jet Piunping Oil Well Parti. World Oil, Noy. 1983： 51-562周继德.略论机采方式的选择.油田地而工程，1989, 8 (4)： 163李发印.气体对肘流泵效率的彬响.石油矿场机械, 1992 , 21 (1)： 16-184窦宏恩.与略论机采方式的选样一文作者商権.油 田地而工程，1990, 9 (1)： 71-725 Jiao B, Schmidt Z9 Blai

19、s R N Efficiency and pressure rcco veiy in hydraulic jet piunping of hvojibase gas/liqiiid mixtures SPE 181906 Dresser Giiiberaon. Hydraulic Iimping System Teclinical Manu- aL Hydraulic Jcl Puir.ps .19897窦宏恩.SPB2>4in (62mm)型喷射泵在沈阳高凝油田 的应用.石油矿场机械，1993 , 22 (2)： 31-358张瑞年，广 田译.油气藏高油气比井的开采.油气田 开发工程译

20、丛，1988, 2： 2-119吴上华译.芙国的深井射流泵采油.油气田开发工程译 丛,1987, 2： 25-27(本文编种郑亚)© 1994-2013 China Acadcrnic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved, http:/www.ctiki.nc第26卷第1期突去恩：气依对射流泵欣率的影响35© 1994-2013 China Acadcrnic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved, http:/www.c

21、tiki.nc第26卷第1期突去恩：气依对射流泵欣率的影响35(上接第19页)重，而在靠近外壁处木发现裂纹；沿品裂纹周围有 轻微脱碳现象，这些都是氢腐蚀的特征。一般情况下,当水的pH值在911之间时, 金属表面形成一层致密的氣化膜保护金屈不彼进一 步腐蚀，但该辐射蒸发管爆裂了的湿蒸汽发生器给 水的pH值偏低，形成的氧化膜比较疏松，使腐蚀 产物下面的金皿表面层腐蚀加剧。另外，该湿蒸发 生器给水中的氯离子较高，使腐蚀坑底部发生了以 下反应：FeCl2 + 2H2O >Fe (OH)2 + 2HC13Fe (OH)2 + ()2 Fc3O4 + 3H20从反应式可看岀腐蚀坑底部形成的酸性环境，

22、促使 腐蚀加剧，并为氢腐蚀创造了条件。St 45.8徊是碳钢。碳钢在300*以上，当氢分压达到一定值时，就会发生氢腐蚀。在腐蚀产物覆盖的腐蚀坑底部，积累的氢渗入管壁就引起脱碳反应Fe3C + 2H2 一 3Ee + CH4生成的甲烷聚集在晶界，造成局部高压，引起应力 集中，半压力达到一定值时，就形成沿晶微裂纹, 授终导致管子爆裂C综上所述，可得结论：给水中氧含员过高首先 造成管内壁局部氧腐蚀，给水的pH值偏低和氯离 子含量较高加剧了腐蚀，并逐渐发展为氢腐蚀，最 终导致了管子氢腐蚀沿晶开裂。(本文编笹和翎山)© 1994-2013 China Acadcrnic Journal Ele

23、ctronic Publishing House, All rights reserved, http:/www.ctiki.nc第26卷第1期突去恩：气依对射流泵欣率的影响35© 1994-2013 China Acadcrnic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved, http:/www.ctiki.ncSubject Concept TermsAshdped derrick str ure fuzzy ndiabilily evaluationBai Liming( Oil Production Coi

24、npan) of' Henan Petroleum Explonilion liiueau , Tanhe ComUy, Henan Province), Lii Ruidian, Zhou Xirong, et al. Failure analysis of plungers on hydraulic feedback subsurface pump. CPM, 1998 , 26(1)： 23-25The hydraulic feedback subsurface pump wilh double plungers, which is developed on the basis

25、of conventional subsurface pumps, is a special pump for viscous oil fbcovory 'Iho pump plunger used Io l)e dmnagtd severely in opcniliun, dial influenced greatly the nonrud oil paxluctioru Mclalkigraphie analysis and surface apx!nrm)cc analysis of the (kutiagcd plunger are conducted, and the fai

26、lure mechanism of the plungers 2 investigated 11 is pointed out that the main causes of (he plunger failure lie in the improper stnicture of the pump, utint；ison(d)lc clcaninccr belween the plunger and kirnd, offset abrasion of plunger in operalion and chromium plating layer being apt lo fall ouly a

27、nd (he niain reason of the service life of the plunger being low is unreasonable processing of chniiniutn plating lay<T Suggest ions ft)r improving the service life of the plunger arc put fonvaid, including nefonning the stiucturc of die |)ujiipv impiuving the manufacturing technology and selecti

28、ng rational coaling materials.Subject Concept Terms sul/suiface)uinp plunger laiiure analysisLiu Mcng( Vruvcrsily Petroleum. Dongyiu City y Sluuulvng Province)» Wan Banglie, (>hcn Kuhcng Stroke of plunger on subsurlaec pump system with compound r<xi siring. CPM, 1998 , 26(1)： 26 2Xllicorc

29、tically any sucker rod string inay work with excessive Iroke llie exisl of excessive slmkr will cause the increase of the eflcctive stroke of the pump plunger, and this incivas<ul stnjke is ev(*n larger (han that of (he polished rkJ. The concepts of relative eKcessive stroke and al)solu(c cxcesiv

30、c si n>kc of suFisuilace pump plunger arc put fbnvard for the first time, and they will be helpful to beder undeintanding of the n)ie of litxMlass reinforced plastic sucker ix)d and to I he popularization of the rod. rVhe sucker rod string isas a spring-nms liicchiMiical model, thereby the partia

31、l differential equation and boundary condition of lhe longitudinal vibiution of* the rod siring arc established, then the equation is solved by using the inherent function melliod, and the inGnilc* series unalyticuil lonnuki (or calculating lhe excessive stroke of the subsurface pump plunger is obta

32、ined.Subject Concept Terms nomnetallic mucker iudhi讨i嗒山 buckc-i iud iud (jump pluiiguiZIkju Zhiyong( Ihuversity of Petroleum, Beijing)、Zhang Hong, Fan Qiyun. Investigation in failure mechanism and service life of brake disc. CPM, 1998, 26( I): 29 31Frequent running of a disc brake inay cause plastic

33、 dcfonnation of lhe disc. Based on an analysis of the characteris tics of themial stress and lemperature field of lhe brake, it is declared that the main cause of the failure of the brake disc is the interaction of thenral fatigue and creep delbniiation lhe equations for calculating the thermal fati

34、gue damage and creep deformation damage of the brake disc under th<! action of viuiable slwss at variable Um upend during a well servic - ing operation are worked out based on die thennal fatigue theor);ui(l creep defoniuition lheons and the equation for eal(-u- lating the service life of the bra

35、ke disc is derived according to Um latigue-cieep linear sujX3qx)sition principle of damage And it is indicated that the disc fails while the total (kuiKige 0 is more than 1 Subject Concept Terms workover rig disc brake Gtilure analysis service lilel)ou Hongen( Research bxstilute of Petroleu/n Explor

36、cUion and DcvelopHicM , CNPC、Beijing) Effect of gas on jet pumping efficiency. CEW, 1998. 26(1)： 32-35Jet pumping was not put to good use for its low ellkiciicy IJolli the gas and |x)wer fluid density has eflect on lhe jet 3 © 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All ri

37、ghts reserved, pumping eRiciency besides the gcomclric factors A further investigation in the cfKxt of gas on lhe jet pumping efficiency is conducted Models for calculating tlic design efliciency and actual efficiency of two-phasc gas/Iiquid jet pumping sys tem are given It is indicated that, in the

38、 course of jet pumping of hvo-pliase fluid» the work done by the gas is helpful to lifting the fluid to die surface, i.e. a ugas lift effectn is pixxlucal, tlicreby the efficiency of the jet pumping system is improved Subject Concept Terms jet pump efficiency design calculating model applicatio

39、nChen Yuxiang( Oil Production Technology histUiite of Slietigli Petroleum Adnuntralin , I)ong)ing City Shandong Province), Xu Zhiming Functions of hydraulic accelerator in jarring releasing operation. CPM. 1998, 26(1)： 36 39Mounting an accelerator on the janing pipe string is an oflcclivc approach t

40、o improving the success rate of jarring re leasing The design feature and working principle of the hydraulic accelerator and llw fishing jar are introduced llie mo tion pattern and dynamic performance of the jar pipe siring are analyzer】 rJherealtei the concept of the effective energy in the jan-ing

41、 pipe string is expounded T and the shock absorbing action of lhe hydraulic accelerator is analyzed. Calculation and field statistical data show that, by using the fishing jar (dong with ihtr hydraulic accelemlor, the success rate of releasing stuck is improved by over 15%, the service life of the f

42、ishing jar is extended by over 30%, and the vibration of the drillstring is absorbed, thereby the quality of well servicing(*an be improvedSubject Concept Terms hydraulic accelerator fishing jar janing pipe stnng workover opemtion stuck releasingGuo Gongjd ( Maclunery Works of Sliengli Pctrolcuin Ad

43、ministration , Doiigying City, Shandong Province ), Xu Shangfu Necessity and feasibility of developing alternating-current variable-frequency electric drilling rig. CPM, 1998, 26(1)： 40-42In the development of dolling rigs in China, nK«r work has lxx-n done on die nxMlification of the mechanical trans mission patterns, and no eflort was made on lhe ilcvclopiiKtnl of cbvtnc drive drillir rigs. Il is necessary to develop die altemaling-cuiTent Vein able- frequency electric drive drilling rig which is nfcgaid(d as lhe most advanced rig in the