氣井柱塞氣舉結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究.pdf

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1、InternalCombustionEngine&Parts·9·氣井柱塞氣舉結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究NumericalSimlllationStudyofPlungerLiftStructureinGasWeⅡ趙晨曦①；翟道理①；李森①；歐昊達②；徐德奎③；曹夢雨①(①東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶163318；②東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，大慶163318③中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院，大慶163453)摘要：為了提高柱塞氣舉的生產(chǎn)效率，在進行新型柱塞氣舉結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，開展了氣井

2、柱塞氣舉結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究，并確定了柱塞結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)?？蔀闅饩Y(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：氣舉柱塞；數(shù)值模擬；阻力系數(shù)；優(yōu)化設(shè)計Keywords：gas1iftplunger；numericalsimulation；resistancecoemcient；optimaldes遠n0引言氣井柱塞氣舉結(jié)構(gòu)是一個與油管相匹配的可以在油管里面自由游動的實體活塞，傳統(tǒng)柱塞排水采氣技術(shù)所采用的是實心柱塞，它在開井時依賴井下壓力上升，在活塞上下形成一定壓差，舉升活塞及以上的氣體和液體，實現(xiàn)排水同時采油管

3、螺栓固定圖上柱塞體異形彈簧氣的目的。在閉井時活塞上下表面壓力達到平衡，靠自身重力作用落到井底。通過交替開井和關(guān)井，柱塞氣舉完成一個生產(chǎn)周期運轉(zhuǎn)。但是，目前所使用實心氣舉柱塞由于結(jié)構(gòu)的自身原因，存在下落阻力大，工作周期較長，舉升效率下降等缺點[1】。為了解決上述問題，需要對傳統(tǒng)柱塞的結(jié)構(gòu)進行改進，在滿足柱塞密封性能的同時達到減小柱塞下行阻力，增加下行速度，提高舉升效率的目的。在此基礎(chǔ)上研究設(shè)計出新型氣舉柱塞結(jié)構(gòu)，并能實現(xiàn)無需關(guān)井就可以完成自動舉升周期。在完成對柱塞結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對其關(guān)鍵參數(shù)進行數(shù)

4、值模擬，通過比對阻力系數(shù)等參數(shù)來優(yōu)選出最佳結(jié)構(gòu)。1新型柱塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計新型柱塞結(jié)構(gòu)主要由上下柱塞體組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。下柱塞體和上柱塞體由細螺紋連接，鋼球封裝在柱塞體內(nèi)，鋼球固定件被固定圈和螺栓固定在上柱塞體內(nèi)。彈簧膠套套在異形彈簧外側(cè)作為彈簧與油管接觸的介質(zhì)，彈簧固定件通過螺紋連接在上柱塞體空心軸端，并將異形彈簧限定在上柱塞體的空心軸段內(nèi)，并可以在一定程度內(nèi)拉基金項目：中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會科技指導(dǎo)計劃項目(2016一01—02)：東北石油大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項目(YJSCX2016—021

5、NEPU)。作者簡介：趙晨曦(1996一)，男，黑龍江大慶人，東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生，主要從事油氣田流體工程設(shè)備設(shè)計及力學(xué)分析；翟道理(通訊作者)(1989一)，男，安徽阜陽人，東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士，主要從事流體機械工作理論及技術(shù)領(lǐng)域的研究工作。鋼球固定件固定件彈簧螺釘異形彈簧膠套異形彈簧慣性塊圖1新型柱塞結(jié)構(gòu)不意圖伸變形。新型柱塞具體工作過程為：當柱塞位于油井底部，在柱塞上方會形成液段，由于柱塞上下壓差的存在，鋼球會被位于下柱塞體的中央孔洞的氣流沖起，封堵上柱塞體的

6、中空孔洞，并觸動上半柱塞體的鋼球固定裝置卡住鋼球，封堵住柱塞中心通道。隨著氣流的聚集導(dǎo)致底層壓力增大，柱塞向上移動，此時異形彈簧上的膠套由于上下壓差的作用開始變形，可以有效封閉油管的空間，防止漏失；而遇到油管變徑或者其他意外情況時，異形彈簧會在外力的作用下產(chǎn)生形變，或彎曲，或變徑，可以有效地排除一些卡住柱塞的因素。當柱塞運動到井口，鋼球被位于井口的接收裝置頂落，柱塞中心孔通道打通，柱塞下落。在下落過程中，流體可以通過柱塞的中通空間，有效增加過流面積，從而增加柱塞下落的速度。而位于下柱塞體的中央孔洞

7、旁邊還有四個支流孔洞，若鋼球由于重力封堵了中央的孔洞，流體就可以通過支流孔洞過流，且根據(jù)等效設(shè)計的支流孔洞在這種情況下并不會影響過流速度。2數(shù)值模擬方法2．1控制方程柱塞內(nèi)外流體的運動控制方程包括連續(xù)性方程、N—S方程以及能量方程【2]。假設(shè)柱塞在下落時其周圍流體無熱傳導(dǎo)發(fā)生，所以在計算過程中不需要求解能量方程。由于新型柱塞的結(jié)構(gòu)為軸對稱，所以采用二維進行描述。其中，連續(xù)性方程的微分表達式為：警+掣+等=。㈩&缸卻(1)式中：p是流體密度，單位為k∥m3；t是時間，單位為·10·內(nèi)燃機與配件s；u

8、，v是速度矢量在x、Y方向上的分量，單位為m／s。N—S方程的微分表達式為：掣+咖。蹦咖如蛔幽)一警+E(2)dr∥冀IZJ掣側(cè)緲)=礎(chǔ)鼬)一霧+巧(3)∥手GyI-)／式中：p是微元體上的壓力，單位為N／m2；阻是動力黏度，單位為Pa·s；其中F。是微元體上沿x方向上的體力，這里微元體只受到Y(jié)方向的重力，故F，=0，F(xiàn)，=-pg。采用Standardk—epsilon(2eqn)湍流模型進行模擬，基于有限體積法，將控制方程轉(zhuǎn)換為可以用數(shù)值方法求解的代數(shù)方程，求解采用分離求解器，隱