气井柱塞气举结构数值模拟研究.pdf

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1、InternalCombustionEngine&Parts·9·气井柱塞气举结构数值模拟研究NumericalSimlllationStudyofPlungerLiftStructureinGasWeⅡ赵晨曦①；翟道理①；李森①；欧昊达②；徐德奎③；曹梦雨①(①东北石油大学机械科学与工程学院，大庆163318；②东北石油大学石油工程学院，大庆163318③中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院，大庆163453)摘要：为了提高柱塞气举的生产效率，在进行新型柱塞气举结构设计的基础上，开展了气井

2、柱塞气举结构数值模拟研究，并确定了柱塞结构主要结构参数。可为气井柱塞结构设计提供理论指导。关键词：气举柱塞；数值模拟；阻力系数；优化设计Keywords：gas1iftplunger；numericalsimulation；resistancecoemcient；optimaldes远n0引言气井柱塞气举结构是一个与油管相匹配的可以在油管里面自由游动的实体活塞，传统柱塞排水采气技术所采用的是实心柱塞，它在开井时依赖井下压力上升，在活塞上下形成一定压差，举升活塞及以上的气体和液体，实现排水同时采油管

3、螺栓固定图上柱塞体异形弹簧气的目的。在闭井时活塞上下表面压力达到平衡，靠自身重力作用落到井底。通过交替开井和关井，柱塞气举完成一个生产周期运转。但是，目前所使用实心气举柱塞由于结构的自身原因，存在下落阻力大，工作周期较长，举升效率下降等缺点[1】。为了解决上述问题，需要对传统柱塞的结构进行改进，在满足柱塞密封性能的同时达到减小柱塞下行阻力，增加下行速度，提高举升效率的目的。在此基础上研究设计出新型气举柱塞结构，并能实现无需关井就可以完成自动举升周期。在完成对柱塞结构设计的基础上，对其关键参数进行数

4、值模拟，通过比对阻力系数等参数来优选出最佳结构。1新型柱塞结构优化设计新型柱塞结构主要由上下柱塞体组成，其结构如图1所示。下柱塞体和上柱塞体由细螺纹连接，钢球封装在柱塞体内，钢球固定件被固定圈和螺栓固定在上柱塞体内。弹簧胶套套在异形弹簧外侧作为弹簧与油管接触的介质，弹簧固定件通过螺纹连接在上柱塞体空心轴端，并将异形弹簧限定在上柱塞体的空心轴段内，并可以在一定程度内拉基金项目：中国石油和化学工业联合会科技指导计划项目(2016一01—02)：东北石油大学研究生创新科研项目(YJSCX2016—021

5、NEPU)。作者简介：赵晨曦(1996一)，男，黑龙江大庆人，东北石油大学机械科学与工程学院学生，主要从事油气田流体工程设备设计及力学分析；翟道理(通讯作者)(1989一)，男，安徽阜阳人，东北石油大学机械科学与工程学院在读硕士，主要从事流体机械工作理论及技术领域的研究工作。钢球固定件固定件弹簧螺钉异形弹簧胶套异形弹簧惯性块图1新型柱塞结构不意图伸变形。新型柱塞具体工作过程为：当柱塞位于油井底部，在柱塞上方会形成液段，由于柱塞上下压差的存在，钢球会被位于下柱塞体的中央孔洞的气流冲起，封堵上柱塞体的

6、中空孔洞，并触动上半柱塞体的钢球固定装置卡住钢球，封堵住柱塞中心通道。随着气流的聚集导致底层压力增大，柱塞向上移动，此时异形弹簧上的胶套由于上下压差的作用开始变形，可以有效封闭油管的空间，防止漏失；而遇到油管变径或者其他意外情况时，异形弹簧会在外力的作用下产生形变，或弯曲，或变径，可以有效地排除一些卡住柱塞的因素。当柱塞运动到井口，钢球被位于井口的接收装置顶落，柱塞中心孔通道打通，柱塞下落。在下落过程中，流体可以通过柱塞的中通空间，有效增加过流面积，从而增加柱塞下落的速度。而位于下柱塞体的中央孔洞

7、旁边还有四个支流孔洞，若钢球由于重力封堵了中央的孔洞，流体就可以通过支流孔洞过流，且根据等效设计的支流孔洞在这种情况下并不会影响过流速度。2数值模拟方法2．1控制方程柱塞内外流体的运动控制方程包括连续性方程、N—S方程以及能量方程【2]。假设柱塞在下落时其周围流体无热传导发生，所以在计算过程中不需要求解能量方程。由于新型柱塞的结构为轴对称，所以采用二维进行描述。其中，连续性方程的微分表达式为：警+掣+等=。㈩&缸却(1)式中：p是流体密度，单位为k∥m3；t是时间，单位为·10·内燃机与配件s；u

8、，v是速度矢量在x、Y方向上的分量，单位为m／s。N—S方程的微分表达式为：掣+咖。蹦咖如蛔幽)一警+E(2)dr∥冀IZJ掣侧缈)=础鼬)一雾+巧(3)∥手GyI-)／式中：p是微元体上的压力，单位为N／m2；阻是动力黏度，单位为Pa·s；其中F。是微元体上沿x方向上的体力，这里微元体只受到Y方向的重力，故F，=0，F，=-pg。采用Standardk—epsilon(2eqn)湍流模型进行模拟，基于有限体积法，将控制方程转换为可以用数值方法求解的代数方程，求解采用分离求解器，隐