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公司新聞

氣液兩相流液壓抽油泵模擬試驗裝置設(shè)計
    研究泵內(nèi)流場尤其是混相流流場，是改善抽油泵性能的關(guān)鍵所在。石油大學(xué)(北京)為此研制了一套氣液兩相流液壓抽油泵模擬試驗裝置。這種裝置由單相流試驗裝置和混相流試驗裝置構(gòu)成，前者能比較真實地模擬井下的各種工況和抽油泵內(nèi)液體的流動狀態(tài)，后者可模擬不同的油氣比。為了在不干擾流場的條件下定量完成流場的瞬態(tài)測量，給出平面流場的速度矢量圖和旋度場等揭示流場瞬態(tài)流動結(jié)構(gòu)的圖像處理結(jié)果，采用了具有測量精度高、空間分辨率強和動態(tài)響應(yīng)快等特點的粒子成像測速(PIV)先進技術(shù)。
    抽油泵是油田開發(fā)過程中的主要設(shè)備之一，改善抽油泵的性能可有效地提高油田的原油產(chǎn)量，從而提高油田開發(fā)的經(jīng)濟效益。目前對抽油泵的研制工作大致可分為以下三個方面。
    (1)基于力學(xué)分析，通過對運動條件和受力條件的簡化，對泵閥開啟和下落過程進行力學(xué)描述；
    (2)根據(jù)生產(chǎn)需要以功能設(shè)計為原則，在原抽油泵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行技術(shù)改造，如防砂卡泵和防氣抽稠油泵的開發(fā)；
    (3)以研究抽油泵效率及其影響因素為目的進行實驗室內(nèi)的有關(guān)測試和觀察研究。

    如大慶石油學(xué)院進行的抽油泵能耗測試研究，采用壓力傳感器和位移傳感器測量抽油泵進出口壓力歷程曲線、閥球壓差變化曲線以及示功圖、漏失量等。
    目前，對改善泵性能的*根本的問題——泵內(nèi)流場還無人涉及。關(guān)于泵閥運動規(guī)律、泵內(nèi)結(jié)構(gòu)的合理性論證及其改進等問題解決的關(guān)鍵因素是泵內(nèi)的流場狀態(tài)，所以研究泵內(nèi)流場尤其是混相流流場是改善抽油泵性能的關(guān)鍵所在。隨著PIV(粒子成像測速)技術(shù)、LDV(激光多普勒液流速度計)技術(shù)及超聲波技術(shù)的日趨成熟，人們可以利用這些先進的流場測試技術(shù)在不干擾流場的情況下達到測定的高精度，在加拿大已有使用這些先進技術(shù)研究抽油泵流場的實例，但未見有關(guān)成果的發(fā)表。因此，利用PIV等先進技術(shù)對抽油泵內(nèi)流場進行研究以改進抽油泵的結(jié)構(gòu)是今后發(fā)展的大方向。鑒于此，石油大學(xué)(北京)海洋工程研究室開展了抽油泵內(nèi)流場可視化研究，由于這方面尚無先例可循，計劃先從試驗著手，理論與實踐并舉。

    抽油泵模擬試驗裝置設(shè)計思路
    抽油泵在井下的工作介質(zhì)不是單相的，故對現(xiàn)場工作的抽油泵泵腔內(nèi)流場的實際測試比較困難。為了節(jié)省時間和資金，又能測試一般情況下抽油泵泵腔內(nèi)流場狀況，必須使抽油泵模擬試驗裝置具有氣源和液源，以及可視化研究條件，而且流量可調(diào)，還應(yīng)能對單一液相和氣液兩相時泵內(nèi)流場的特點進行可視化觀察和記錄，因此整個泵腔應(yīng)是透明的。另外，由于流場變動特性較強，應(yīng)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。為觀察泵沖次對流場的影響，抽油桿動力驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)可調(diào)。

    模擬試驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計
    為模擬現(xiàn)場抽油泵的柱塞及光桿的上下往復(fù)運動，必須選擇合適的動力系統(tǒng)。一種方案是縮小現(xiàn)場抽油泵的地面動力系統(tǒng)，即采取電動機帶動的驢頭驅(qū)動方式。這種方案的缺點是造價昂貴，占地面積大，不適合于實驗室用。另一種方案是直接用電動機帶動繩索通過滑輪使光桿及柱塞上下運動，但為保證系統(tǒng)平衡需配置平衡重，另外換向微電動機的選擇也有困難。以上兩種方案都無法模擬泵內(nèi)進出口壓力，也不能調(diào)節(jié)泵流量。為解決以上問題，筆者采用液壓控制系統(tǒng)及氣動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)動力系統(tǒng)的模擬。液壓控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)柱塞的上下往復(fù)運動和控制進出口壓力，氣動控制系統(tǒng)則控制混相流時的進氣。同時，液壓控制系統(tǒng)又分為兩大部分：**大部分是動力油缸液壓系統(tǒng)，它是主要的動力源；**大部分是抽油泵壓力補償系統(tǒng)，主要是用來控制抽油泵進出口壓力并為泵供油。下面分別就這三個部分加以介紹。

    1.動力油缸液壓系統(tǒng)
    動力油缸液壓系統(tǒng)主要由動力油缸、行程開關(guān)、二位四通電磁換向閥、溢流閥、油泵和調(diào)速閥構(gòu)成。
    1—動力油缸；2—二位四通電磁換向閥；3—調(diào)速閥；4—溢流閥；5—油泵；6、7—行程開關(guān)
    工作原理：當(dāng)動力油泵向動力油缸上端供油時，驅(qū)動活塞向下運動，從而帶動光桿向下運動，當(dāng)光桿觸動行程開關(guān)6時，二位四通電磁換向閥換向，動力油泵開始向動力油缸下端供油，驅(qū)動活塞向上運動，從而帶動光桿向上運動；當(dāng)光桿觸動行程開關(guān)7時，二位四通電磁換向閥再次換向，重新開始下一個沖程。調(diào)速閥可以調(diào)節(jié)活塞運動速度，從而來改變沖次，溢流閥則可調(diào)節(jié)動力油缸內(nèi)的壓力，改變柱塞驅(qū)動力。

    2.抽油泵壓力補償系統(tǒng)
    抽油泵壓力補償系統(tǒng)主要由油箱、油泵??順序閥、蓄能器、抽油泵、壓力表、壓力油箱和溢流閥組成。
    1—油箱；2—油泵；3—順序閥；4—蓄能器；5—抽油泵；6—壓力表；7—壓力油箱；8—蓄能器；9—溢流閥
    工作原理：油泵始終處于工作狀態(tài)，溢流閥則調(diào)節(jié)到一定壓力，當(dāng)抽油泵進出口壓力超過調(diào)節(jié)壓力時，溢流閥溢流，進口壓力降低；當(dāng)進口壓力過低時，油泵向壓力油箱注油，從而使進口壓力上升至調(diào)節(jié)壓力。兩個蓄能器的作用是避免抽油泵進出口壓力的劇烈波動，保證抽油泵的進出口壓力達到工況要求。

    3.氣動控制系統(tǒng)
    氣動控制系統(tǒng)由氣泵、氣體流量計、電磁開關(guān)、單向閥和行程開關(guān)組成。
    1—氣泵；2—氣體流量計；3—電磁開關(guān)；4—單向閥；5—抽油泵；6—行程開關(guān)
    工作原理：當(dāng)抽油泵做上沖程運動時，電磁開關(guān)打開，氣體通過單向閥進入抽油泵，當(dāng)光桿接觸到上行程開關(guān)時，電磁開關(guān)關(guān)閉，氣路不通，這時抽油泵做下沖程運動。當(dāng)光桿再次接觸下行程開關(guān)時，電磁開關(guān)打開，氣路開通，再次向抽油泵內(nèi)供氣。

    模擬試驗裝置的特點
    模擬試驗裝置分為兩大部分：**大部分是單相流試驗裝置，主要由動力油缸、有機玻璃泵筒及柱塞、液壓控制系統(tǒng)組成，是抽油泵模擬試驗裝置的核心部分，其*突出的特點在于利用液壓控制系統(tǒng)帶動柱塞做上下往復(fù)運動，具有行程穩(wěn)定、換向迅速、模擬井下工況完備等特點，能比較真實地模擬井下的各種工況及抽油泵內(nèi)液體的流動狀態(tài)。**大部分是混相流試驗裝置，主要由氣泵、氣體流量計、電磁開關(guān)及水箱組成。這套混相流裝置的特點在于簡單易行，功能相對完善，可以模擬不同的油氣比，而且進氣完全由行程開關(guān)帶動的電磁開關(guān)控制，能夠比較真實地模擬井下的各種工況。另外，為便于觀察和測試，柱塞和泵筒用有機玻璃制成，從而達到了利用本試驗裝置觀察、測試泵內(nèi)流場的目的。試驗裝置是經(jīng)過不同方案的優(yōu)化論證*終選定的，結(jié)構(gòu)輕巧，功能完備，控制系統(tǒng)簡單可靠，操作方便，能夠很好地模擬抽油泵的運行及泵內(nèi)的各種工況。這套試驗裝置是具有**特點的模擬抽油泵試驗裝置，與國內(nèi)外同類模擬裝置相比，無論在造價上還是綜合性能上都有其獨特之處。

    圖象采集及處理系統(tǒng)
    為了在不干擾流場的情況下，能定量完成流場的瞬態(tài)測量，并能給出平面流場的速度矢量圖、旋度場等揭示流場瞬態(tài)流動結(jié)構(gòu)的圖象處理結(jié)果，采用了粒子成像測速(PIV)技術(shù)。粒子成像測速技術(shù)具有測量精度高、空間分辨率高和動態(tài)響應(yīng)快等特點，是目前測量復(fù)雜流場較先進的技術(shù)。它可以凍結(jié)某一時刻的流場流動狀態(tài)，從而揭示出隱藏的湍流流動結(jié)構(gòu)。測量結(jié)果具有足夠的精度，可以從一個矢量中減去大的平均速度，因而可以分別給出平均速度、脈動速度、漩渦等**反映流場狀況的流動參數(shù)，這是專線熱膜法以及LDV等測試技術(shù)所不具備的。
    從總體上看，一個完整的PIV系統(tǒng)可分為三大部分：一是照明系統(tǒng)，它的功能是產(chǎn)生光源；二是記錄系統(tǒng)，它的功能是產(chǎn)生粒子流動的雙(多)曝光圖象；三是查詢系統(tǒng)，它的功能是提取和顯示圖象中的速度場等流動參數(shù)。
    模擬試驗裝置中照明系統(tǒng)采用10W的氖激光器，記錄系統(tǒng)采用錄像機，查詢系統(tǒng)采用石油大學(xué)(北京)開發(fā)的PIV圖象處理軟件。

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