研究泵內(nèi)流場尤其是混相流流場是改善潛水深井泵性能的關(guān)鍵。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)可以利用這些優(yōu)質(zhì)的流場測試技術(shù)在不干擾流場的情況下進(jìn)行高精度的測量。在加拿大已有人使用這些優(yōu)質(zhì)技術(shù)研究潛水深井泵流場，石油大學(xué)(北京)海洋力學(xué)試驗(yàn)室針對該問題應(yīng)用PIV(粒子成像測速技術(shù))進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其主要內(nèi)容是測定不同流量時泵內(nèi)流場的分布規(guī)律，并對比單相及混相流時深井泵內(nèi)流場的異同。
1粒子成像測速及圖像處理技術(shù)
粒子成像測速(PIV)技術(shù)的基本原理①是利用撒在流體中的粒子對光的散射作用，用光學(xué)的方法記錄下粒子在不同時刻在流場中的位置，從而得到粒子的位移，基于粒子對流場的跟隨性，測出粒子所在位置上流體的速度及瞬時運(yùn)動參數(shù)。
運(yùn)用PIV技術(shù)，對流場中眾多的粒子情況可以按時間順序通過多次曝光記錄在同一圖像上，也可以通過高速攝影機(jī)記錄在不同的圖形上。利用有關(guān)的物理學(xué)及力學(xué)的假設(shè)和定律，并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過一系列數(shù)字運(yùn)算即可得出反映流場特性的參數(shù)(粒子位移、速度等)。通常，PIV系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、PIV圖像記錄存儲系統(tǒng)以及PIV處理系統(tǒng)組成。
2小型氣液兩相深井泵模擬試驗(yàn)裝置
潛水深井泵在井下工作，其工作介質(zhì)也不是單相的，故很難對現(xiàn)場工作的深井泵的流場進(jìn)行實(shí)際測試。另外，由于各油田油井地層條件很復(fù)雜，難以找到一般性的規(guī)律，因此，在實(shí)驗(yàn)室里建立了一套小型氣液兩相深井泵模擬試驗(yàn)裝置，如圖1所示。
該模擬試驗(yàn)裝置主要由液壓控制系統(tǒng)及氣動控制系統(tǒng)組成。為了進(jìn)行可視化研究，深井泵模型泵筒及柱塞均采用有機(jī)玻璃制造，其泵徑為57mm，柱塞長度為0.3m，可模擬沖程為0～0.6m,沖次為0～6次/s,內(nèi)壓為0.7MPa的工況條件。
3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。針對不同的工況，分別對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。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
由于對深井泵固定閥部位流場的研究已有相應(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)重于分析流動介質(zhì)為單相流體時深井泵游動閥及柱塞部位的流場。
4.1深井泵泵閥運(yùn)動規(guī)律
在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，深井泵泵閥的運(yùn)動規(guī)律和以住人們對它的認(rèn)識不不會相同，它的運(yùn)動除了有垂直方向的直線運(yùn)動，還伴隨有兩種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)柱塞運(yùn)動速度較小時，閥球繞水平軸上下旋轉(zhuǎn)；當(dāng)柱塞運(yùn)動速度較大時，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)動速度有關(guān)，柱塞運(yùn)動速度越大，閥球旋轉(zhuǎn)角速度就越大。閥球的特殊運(yùn)動形式主要與閥球、閥座結(jié)構(gòu)的特殊性及流體的沖擊有關(guān)。深井泵泵閥是一個球形閥件，當(dāng)流體繞過它流動時，在其后部將發(fā)生附面層的脫離現(xiàn)象，同時產(chǎn)生一個橫向激動力。由于閥球的對稱性，這種橫向激動力將沿閥球的“赤道”周圍周而復(fù)始地移動，使閥球不是始終位于閥座孔軸心線上，而是偏離一個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，由于流體流動的不穩(wěn)定以及閥球的偏離造成流體相對閥球流動的不對稱性，對閥球?qū)a(chǎn)生一定的撓動，使這個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轉(zhuǎn)動，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，由于氣泡的存在，流場擾動更加劇烈，而且氣泡對閥球具有一定的沖擊作用，此時閥球運(yùn)動就更加復(fù)雜，除了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以外，還有上下劇烈的跳動。
4.2單相流游動閥球的PIV圖像處理結(jié)果
從深井泵游動閥部位的流場速度矢量可以看出，游動閥球周圍的流場不是對稱分布的，其左邊閥隙的邊界層延續(xù)到近閥球頂部才脫落。這說明固定閥隙兩邊的流體對閥球的作用力是不平衡的，從而使得閥球產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。隨著沖次的增加，流體流速的提高，閥球邊界層更早發(fā)生脫離，而且閥球周圍流場不對稱性依然存在，所以閥球的偏心更加強(qiáng)烈，這和試驗(yàn)過程中所觀察到的閥球運(yùn)動規(guī)律是一致的。
可以看出，由于流體對閥球的橫向沖擊力造成閥球偏離軸心，再加上其“自轉(zhuǎn)”的影響，使得閥球在開啟和關(guān)閉的時候都有一定的滯后時間，從而使泵的抽汲效率降低，造成泵沖程損失。另外，由于閥座形狀的非流線型，使得吸入阻力增大，也使閥球的滯后時間增加，并使閥球的擾動加大。這種閥球的飄移與擾動與閥球及閥座的外形有很大的關(guān)系，為使閥球盡量接近于理想狀態(tài)下的上下垂直運(yùn)動，并且為了減少閥隙的過流阻力，可以改進(jìn)閥罩和閥座的設(shè)計(jì)，使閥罩限制閥球的跳動高度。在保證最大過流面積的同時盡量使閥球只做上下垂直運(yùn)動，并將閥罩及閥座外形設(shè)計(jì)成流線型，以此來減小過流阻力。這些改進(jìn)可以減小閥球的擾動及縮短開啟和關(guān)閉的滯后時間，從而達(dá)到提高泵效的目的。
另外，由該部位流場旋度可以看出，在游動閥吸入口柱塞底端與泵筒間有很明顯的兩個渦旋存在。這是因?yàn)橹M(jìn)行下沖程運(yùn)動時，由于柱塞底端有一定的面積，從而在向下運(yùn)動過程中壓迫其底部的液體向下流動。而此時游動閥球處于開啟狀態(tài)，游動閥球下端的液體被壓入游動閥隙，并進(jìn)入柱塞內(nèi)腔，在柱塞底端部位造成液體回流，從而形成渦旋。這兩個渦旋大大增加了液體的過流阻力，同時也增加了游動閥球的擾動程度。為了消除渦旋并減小過流阻力，可將柱塞底部截面積盡量縮小，并使其外形呈喇叭口型，從而減小過流阻力。
4.3單相流柱塞出口處的PIV圖像處理結(jié)果
單相流作用下柱塞頂端出口處流場速度矢量圖。從圖中可以看出,柱塞頂端出口處呈現(xiàn)以下的流場特征：柱塞內(nèi)部管流呈對稱流動狀態(tài)，而且流線分布較均勻。這說明柱塞內(nèi)部管流穩(wěn)定，大致呈層流流動狀態(tài)，這一點(diǎn)從柱塞出口處流場旋度中可以更清楚地看到。但在柱塞出口處，由于過流截面減小以及截面形狀的變化，使得流體在柱塞出口處產(chǎn)生水平速度分量，尤其是在拐角處出現(xiàn)了渦旋,從而產(chǎn)生負(fù)壓，增大了過流阻力。隨著沖次的增加，柱塞出口拐角處的渦旋也不斷加強(qiáng)，出口處過流阻力也相應(yīng)加大。為了減少渦旋的產(chǎn)生，從該部位分析可知，若柱塞出口拐角處設(shè)計(jì)成流線型或在該部位制造倒角應(yīng)會最大限度地減小渦旋，從而降低該部位的過流阻力。
5建議
對潛水深井泵應(yīng)做以下改進(jìn)：
(1)閥球是深井泵中的一個主要部件，也是易損件，它決定著泵的效率及檢泵周期。建議對混相流深井泵采用偏心球形閥球，對于流道狹小的深井泵采用滴形閥球，對? 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)在保證最大過流面積的條件下，對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，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。在保證柱塞出口有最大過流斷面的同時，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。