水力射流泵

关键词：

水力射流泵（精选三篇）

水力射流泵 篇1

（一）南70井简介

南70井是2000年6月完钻的一口预探井，垂直井深为1711.88m;最大井斜深度：1539.82 m;斜度为67。30`;井底位移1095.30 m;造斜点是720 m。2001年4月投产，设计泵深为1267 m，电潜泵生产;至2002.5月以前由于能量充足，电潜泵运行正常，但是从2002年7月至2004.11月，由于地层能量下降迅速，而且注水补充薄弱，多次发生欠载烧泵现象，为此作业检电泵8次，由于每次作业时要都更换电潜泵，因此仅作业费用就高达160多万元。2004年11月改水力射流泵后生产正常。

（二）水力射流泵在南70井的应用

1. 水力射流泵工作原理

水力射流泵系统是以注水为动力，以喷射泵作为抽油泵构成的抽油系统。它主要是依据射流原理将注入井内的高压动力液的能量传递给井下油层出液的无杆水力采油设备，既高压流体(动力液)通过一小尺寸缩径端面时，其速度能显著增加，导致压能显著降低，从而在端面周围形成相对“负压”区，产生一定的抽吸作用，吸入流体与动力液经喉管混合，再经扩散管扩散，逐步恢复一定的压能，该压能完成混合液的输送或举升。

高压水动力液，经过流量控制和计量后，从井口沿油管下行，到达井下水力泵机组，驱动喷射泵工作;地层液在沉没压力作用下进入喷射泵内“负压区”，在喉管、扩散管内，地层液从高压动力液中获得能量，将速度能转换为压力能，其压力值将混合液沿油套环形空间举升到地面。

2. 水力射流泵的工作管柱

南70井使用的射流泵由泵体、井下固定装置、工作筒和密闭盘根组成。采用的生活方式为反循环式，即动力液由油套环行空间进入射流泵，与地层液混合后从油管返回地面生产流程。

射流泵工作筒为滑套结构，连通油套管和射流泵，是射流泵动力液从油套环行空间进入射流泵的通道，射流泵靠井下固定装置安装在工作筒内，通过反冲和专用的工具可以把射流泵从井内取出，操作简单，换泵不需要作业。

3. 射流泵的动力液

N70井所用的射流泵的动力液是注水。由于距离注水井V138井井距较近，引用的是V138的注水。

4. 射流泵的生产管理

射流泵的生产管理主要包括泵型和生产参数设计、调参和生产故障处理等方面。

其中，泵型和生产参数设计主要依据油井的配产、井底压力，用软件来完成，主要考虑压力、斜度、深度等的影响，对地面动力液的压力、排量和泵的喷嘴喉管尺寸进行优化。

射流泵的参数优化主要是通过控制地面动力液的压力、排量和改变泵的喷嘴喉管尺寸来完成。常见的故障主要是动力液中杂质含量高堵塞喉管，可以通过反冲起泵来处理。

5. 射流泵在南70井的应用效果

从南70井使用水力射流泵近一年来的情况看，效果十分明显：

(1）使用寿命长，检泵周期延长

从作业统计表中也可以看出，作业周期由换射流泵前的平均63天到目前的876天，仍正常生产。

(2）生产管柱结构有利于解除井底污染，维持油井产能

该泵的生产管柱结构在生产过程中是一个全封闭系统，且泵体离油层很近，由喷嘴产生的负压能直接作用于油层及其流体，相当于进行负压采油;同时动力液经喷嘴时产生了脉冲压力，因此能够很好地将近井地层中可移动的固体颗粒排出地层，并防止有机和无机垢沉淀，有利于解除井底污染，维持油井产能。

6. 尚需完善的射流泵系统

尽管应用效果明显，但是射流泵在南70井的应用上还依然存在一些不足之处：

(1)射流泵要求独立的动力液来源，目前和魏138井共用一条来水管线，鉴于两口井的注入差异(压力)，南70井的压力难以保证稳定。单独连接效果会更好。

(2)考虑到南70井的原油含蜡高，如果能在动力液中也即是注水中加入适当比例的降粘剂，效果会更佳。

（三）结论和建议

1. 南70井采用水力射流泵生产取得了很好的效果。射流泵运行周期长，作业量小，有利于降低采油成本。

2. 动力液的通道，也即来水管线需单独铺架。

3. 动力液中加入适当的化学处理剂，效果会更好。

4. 射流泵可以在低能、大斜度的油井上使用。

参考文献

用于水力振荡解堵器的射流元件设计 篇2

油井水力振荡解堵法使用水力振荡器对水进行加载, 使水形成低频高压水射流冲击波, 以及近井地带液体产生压力脉冲波, 对炮眼进行多次的正反向冲洗, 以解除岩石碎屑、无机沉淀、有机淤积及复项堵塞物引起的近井地带堵塞, 提高油井产量[1]。应用射流元件附壁换向原理设计的水力振荡器可以满足解堵对压力振荡幅度和频率的要求, 且工具结构简单, 操作方便, 无需人工调节, 但其关键是要设计出结构合理的射流元件。我国自上世纪60年代初期开始射流元件的相关研究, 引入了国外大量资料, 进行了总结分析, 并设计制造了多种元件, 获得了很多成果。目前, 射流元件主要用于特殊工况下的温度控制, 液压系统中的机械控制和流体控制, 航空和军事方面的飞行体控制, 石油机械方面的液动锤和脉冲器等[2]。本文主要介绍附壁式双稳射流元件的原理和用于水力振荡解堵器的射流元件的主要结构设计原则, 对于射流元件在其他方面的应用也有一定的参考价值。

1振荡器的工作原理

1.1 射流的附壁

根据有限空间内射流理论, 当向流体中喷出流体时, 射流与周围流体交换动量, 产生卷吸现象。有限空间的固壁限制了射流卷吸的流场, 因而引起壁面与射流的干涉。射流附壁原理见图1, 其中P1、P2分别为壁面S1、S2的压力。图1中射流左侧比右侧狭窄, 为了补充因卷吸而带走的流体, 流体通过狭窄的流路而流进左侧, 根据Bernoulli公式, 左侧的压力降低, 于是射流更加偏向左侧, 最终使得射流完全依附于左侧壁面流动。当射流两侧的壁面对称时, 射流也会产生向一边附着的现象, 原因在于射流自身的紊乱。因而, 要形成稳定的附壁射流, 一般要求流态为紊流。附壁现象最初由H.Coanda发现, 命名为柯安达效应, 或者更广泛的意义上称为附壁效应。

1.2 射流的切换

所谓射流的切换, 是指射流从附壁一侧在外力作用下被推向另一侧壁的过程。在射流时, 通过某种方式使低压涡流区域压力增高, 则射流的曲率半径增大, 涡流区域也扩大, 结果是使射流靠近倾斜的对称壁, 这一现象就是射流的附壁切换。射流向任一侧附壁都是稳定的状态, 称为附壁式双稳射流[3]。

1.3 振荡解堵器的工作原理

将水力振荡解堵器连接在油管下端, 对准水井注水层位或油井生产层位, 并通过水力锚或封隔器将振荡解堵器固定在套管内壁上。工作时通过油管注入大排量高压流体, 经射流元件换向后分别通过两个喷嘴间歇性地向环空内喷射, 产生强大的水力振荡。该水力振荡产生的压力波还通过炮孔及套管传向注水层位或生产层, 使油藏产生空化作用, 改变微粒的运移, 剥落孔隙壁上的盐、垢、蜡等, 打通渗流通道, 起到大面积的解堵作用。

2射流元件的结构设计

2.1 射流元件基本结构

射流元件是不依靠机械运动部件而控制流体流动状况的元件的总称。射流元件基本结构由盖板、中板和底板组成。其中, 中板上设有流体的主流道, 形成主射流进行切换动作的工作腔;盖板上开设排空孔;底板上开设控制道。射流元件中板包括了喷嘴、控制道、位差、张角、劈尖、排空道和输出道的尺寸、方位等[4], 其主流道结构如图2所示。其中:W为主喷嘴宽度;D为位差;b1为控制道宽度;b2为排空道宽度;b3为输出道宽度;α为侧壁倾角;β为排空道和侧壁夹角;γ为控制道倾角;H为劈距。

2.2 主要结构参数设计

2.2.1 主喷嘴

主喷嘴是元件的入口, 主要起两方面作用:一是输送流体, 形成二维射流并尽可能减少能量损失;二是保持射流的稳定。根据附壁射流基础理论, 喷嘴做成方形截面, 且深度和宽度符合一定比例。综合多方面因素, 一般将喷嘴深宽比定为3.0～4.0[5]。

接下来需要确定喷嘴宽度W。根据实验排量和流速确定喷嘴截面积, 结合深宽比即可确定喷嘴宽度。对射流元件而言, 这是一个基准参数, 其他的各个结构参数几乎都与此相关。通常, W越大, 则元件整体越大;W越小, 则元件整体越小。确定喷嘴截面积后, 还需要使喷嘴具有一定的平行长度来保证射流由喷嘴射出时的正确方位。这段长度L称为喷嘴的导流段, 导流段过长, 将增加摩擦阻力;过短, 将干扰射流的出口方向。经验选取L=2W～3W。另外为了尽可能减少水力能量的损失, 导流段之前设置类似喇叭口的收缩段, 收缩段与喷嘴连接处尽量做成流线型[6]。

2.2.2 控制道

控制道是输送具有一定能量的控制流使射流进行切换的通道。对于较窄的控制道需要的切换压力较高, 反之, 控制道较宽, 切换压力较低, 但由于控制道直接与工作室相通, 太宽会使射流的附壁作用减弱, 降低元件的稳定性。控制道宽度一般取0.3W～0.5W。

2.2.3 位差、侧壁倾角和分流劈

位差、张角和分流劈的形状和尺寸是促使射流元件成为“双稳”元件的重要因素。对这3个结构参数分析研究的主要任务是:首先必须保证“双稳”元件有正确的“双稳”动作, 然后在此基础上, 再提高元件的各项性能指标, 所以对位差、张角、劈尖应该进行综合研究。

位差D是主喷嘴侧壁与下部倾斜侧壁之间的最小距离。位差越大, 漩涡也会越大。大的漩涡造成射流两侧较大的压力差, 这可以提高附壁射流的稳定性;另一方面, 较大的漩涡会使射流附壁侧产生较大的能量损耗, 使得压力恢复系数减小, 所以, 位差不宜过大。同时, 过小的位差会造成射流两侧压力差不足, 使得射流附壁稳定性降低, 稍受干扰就会发生切换, 所以位差也不宜过小。研究表明, D的取值介于0.3W～0.6W时效果较好。

侧壁倾角α是倾斜侧壁与工作腔对称轴之间的夹角。倾角过大会使射流扩散趋势增强, 主射流可能与壁面发生脱离。参考前人设计经验, 一般选取α为12o, 这个角度是从自由射流扩散情况得出的。这样可以使元件工作腔布局比较统一, 且能较好地保持附壁射流稳定性。

分流劈的外形象一块三角板, 它位于附壁射流工作腔的底端, 主要作用是把工作腔划分为两个通道, 同时也需适应元件的附壁稳定性和切换灵敏性的需要。分流劈的主要结构形式有尖劈和凹劈两种, 研究表明, 圆弧型凹劈能够将主射流卷吸的流体在凹部形成较大漩涡, 这个漩涡能够很好地稳定两侧流道的流体, 从而增加了主射流附壁的稳定性, 所以一般采用圆弧型凹劈。一般的气动射流元件分流劈位置取H/b3为11左右。对于液动射流元件, 由于液体具有更大的惯性, 其附壁点比气体更低, 采用的H/b3最小为10[7]。

2.2.4 排空道

对于输出道开放的射流元件, 可以没有排空道, 但对于驱动活塞运动的射流元件, 当活塞到达死点时其输出道是封闭的, 这就必须要有排空道。排空道将射流元件工作腔与元件外部连通, 具有两方面的重要作用:一方面是在输出道中形成较高压力, 以推动下方活塞工作;另一方面是迅速排出活塞缸中的低压流体, 保证工作腔中的高压流体畅通地流动。要达到这两个目的, 需要重点考虑排空道的尺寸和位置, 主要考虑以下3个方面:

(1) 排空道和侧壁夹角β。β角的重要作用就是提高输出道压力。冲击器活塞到达死点位置后, 相当于射流元件的输出道是关闭的。射流要进入排空道, 受固壁限制, 不得不急剧转弯, 转弯时, 输出道流体将受到一个急速增加的作用力R, 从而推动活塞运动;然后, 主射流会返回输出道, 冲击器开始工作。为了使输出道压力迅速增大, 采用较小的β角是比较有效的;考虑到材料的强度和耐磨性以及高速泥浆射流的冲蚀性等因素, β角不宜过小。参考经验值取β为45o～75o。

(2) 排空道宽度b2。排空道的宽度会直接影响排出流体的速度。研究表明, 排空道的流体速度总是达不到主喷嘴射流的速度。但冲击器工作过程中, 主射流进入活塞高压缸的时候同时要求低压缸流体等速流出, 这就要求排空道流量与主喷嘴流量一致。而排空道流体流速较小, 相对地其宽度必须增大。一般取经验值b2=1.3W～2W。

(3) 排空道入口位置。由于排空道宽度较大, 对工作腔侧壁形状造成较大影响, 所以不可随意确定其入口位置。比较理想的位置是将尖角放置在凹劈尖端切线与两尖端连线之间。

2.2.5 输出道

假如主喷嘴形成的射流不发生扩散, 那么当射流到达输出道时仍然会保持原有宽度。这种情况下, 输出道尺寸应当和主喷嘴尺寸一致, 这样就可以保证输出射流获得最大的动量。输出道过宽或过窄都会引起不必要的能量损失, 使压力恢复系数降低, 经验值取为b3=1.1W～1.5W。输出道两侧壁可以平行, 使入口与出口尺寸一致;也可稍有倾斜, 使出口稍稍增大, 目的在于适应射流自身的扩散, 尽量减少能量损失。

3结论

(1) 通过理论分析, 说明了射流元件的附壁和切换原理。

(2) 分析水力振荡解堵器的工作原理, 将射流元件用于水力振荡器可以满足油井解堵对压力振荡幅度和频率的要求。

(3) 详细阐述了射流元件的主要结构, 以及喷嘴、控制道、位差、张角、劈尖、排空道和输出道的尺寸、方位等参数的设计原则, 对射流元件的设计具有指导意义。

参考文献

[1]李伟翰, 颜红侠, 王世英, 等.近井地带解堵技术研究进展[J].油田化学, 2005, 22 (4) :381-384.

[2]汪志明, 薛亮.射流元件附壁与切换流动规律研究[J].水动力学研究与进展A辑, 2007, 22 (3) :9-11.

[3]石坚.射流元件结构设计及性能测试方法的研究[D].长春:吉林大学, 2003:24-25.

[4]原田正一.射流工程学[M].陆润林, 译.北京:科学出版社, 1977.

[5]熊青山.深宽比、控制道对射流切换性能影响的试验研究[J].凿岩机械气动工具, 2005 (4) :18-21.

[6]陆宏.喷射技术理论及应用[M].武汉:武汉大学出版社, 2004.

水力射流泵 篇3

射流泵技术在核电站中已有大量应用, 但恒定射流泵有一个明显的缺点, 就是其传能与传质效率较低, 20世纪70年代以来, 国内外学者在相同的射流泵装置上, 采用脉冲射流来提高射流泵的效率并对此进行了大量研究, 脉冲射流泵已成为目前最有发展前途的免维修设备[1,2]。但由于射流泵内部流体流动属于高雷诺数的强剪切湍流射流, 对该流动特性认识的不充分性, 导致射流泵的设计理论具有很大的局限性和经验性, 实际运用中仍有许多问题需要解决, 如最优工作参数、喉管进口函数 、无因次时均惯性力与惯性水头等参数对脉冲液体射流泵性能影响的规律尚不清楚, 有些参数仍采用恒定射流泵的参数, 有些参数仅靠试验尚无法获得, 这对进一步分析脉冲液体射流泵性能不利。针对这些问题, 本文采用数值计算方法, 对恒定和脉冲液体射流泵基本性能分别进行了数值计算, 为进一步研究其内部流动机理提供了理论参考作用。

1脉冲液体射流泵的计算模型

脉冲液体射流泵基本性能时均值方程式为[2]:

式中:$\overline{\text{α}}$t为喉管进口函数。

其中:

式 (1) 对应的计算数学模型为:

式中:$\overline{\gamma }$s, m, $\overline{q}$, ω为参变量, 其中ω为脉冲圆频率;$x{}_i=x{}_i(\overline{\gamma }{}_s,m,\overline{q},\omega )$为动量修正系数k1、k2、喉管进口函数$\overline{\alpha }$t等变量。

其他参数含义见文献[3]。

当频率ω项取消时, 式 (6) 就变为恒定液体射流泵性能基本方程计算式。计算流程如图1所示。

2计算结果及分析

根据上述计算数学模型, 计算了面积比为m=2.78, 4.34, 6.25, 9.77的脉冲和恒定射流泵性能参数。图2为脉冲与恒定液体射流泵的喉管进口函数的计算结果。$\overline{\alpha }$t是由喉管入口局部收缩引起的, 反映了射流泵喷嘴出口处的附加压力降$(\overline{\alpha }{}_t>1)$。由图可看出 (图例说明中mcjs代表脉冲计算, hdjs代表恒定计算) :

(1) 在各面积比下, 脉冲与恒定射流的喉管进口函数值$\overline{\alpha }$t均随着流量比的增大而增大, 为凹形单调上升曲线, 说明二者在喷嘴出口处的附加压力降均随着流量比的增大而增大。但随着流量比的增大, 脉冲与恒定射流的$\overline{\alpha }$t的差别增大, 说明流量比的增加使脉冲射流$\overline{\alpha }$t的增加相对较慢一些。

(2) 在各面积比下, 脉冲射流曲线均在恒定射流曲线之下, 脉冲射流比恒定射流的喉管进口函数$\overline{\alpha }$t的值要小, 说明脉冲射流在喷嘴出口处的附加压力降比恒定射流的要小, 也即脉冲射流因喉管局部收缩引起的相对水力损失较恒定射流的要小。

(3) 在同一流量比下, 随着面积比的减小, 脉冲与恒定射流的喉管进口函数值均增大, 说明二者在喷嘴出口处的附加压力降均随着面积比的减小而增大。对此分析如下:

①对于恒定射流, 式 (2) 可变换为

式 (7) 的函数变化曲线如图3所示。计算得五个面积比下的k<1并逐渐减小 (由0.271 7减小至0.007 9) , 图2中曲线变化规律与图3相一致。

②对于脉冲射流, 式 (2) 可变换为:

比较式 (7) 、 (8) 知, 二者均为单调上升的凹函数, 且式 (8) 较式 (7) 变化趋势平缓。从图3可看出在q→0时, $\overline{\alpha }$t→1, 所以$\overline{\alpha {}_t^{´}}$的值较小。随着k的减小、q的增大, $\overline{\alpha {}_t^{´}}$降低了$\overline{\alpha }$t曲线的陡度, 这就是为什么脉冲比恒定射流的$\overline{\alpha }$t值小的原因。

③对同种流体有$\overline{\gamma }{}_s=1$, 令式 (1) 中有关项系数为:

则式 (1) 可变换为:

讨论:a.当A2-A1>0时, 则式 (10) 存在极大值, 函数曲线为凸函数。设A2-A1>0, 则可推得

即

与

将式 (5) 代入式 (13) 得

前面的计算结果表明, 对于几何尺寸一定的射流泵, 其流速系数φ1、φ3、φ4与动量修正系数δ为常数, 所以式 (14) 右边为一常数。文献[3]给出当流量比增加时有:q↑ →φ5↓, φ2↓, k2↓, 则式 (14) 左边项减小。因此, 上述结论成立。

b.当面积比m增大, φ1、φ3、φ4、δ变化不大, 近似为常数, 由图2知, 当q一定时, m↑→$\overline{\alpha }$t↓;由式 (9) 知A2↓。但因各参数均是面积比的函数, 致使A1、A3变化规律复杂, 从式 (10) 分析不出面积比m对压力比的影响具体有多大。但数值计算结果表明[3], 面积比m是影响脉冲与恒定射流性能的一个重要参数, 随着面积比m的增大, 压力比曲线呈下降趋势, 且曲线近似为直线。

因此, 根据式 (10) 知:一方面, 脉冲射流$\overline{\alpha }$t值的减小, 将使脉冲射流的压力比$\overline{h(t)}$减小;而另一方面, 由$\frac{\Delta \overline{p{}_1}}{\Delta \overline{p{}_0}}=\overline{\alpha }{}_t-1$知, 脉冲射流$\overline{\alpha }$t值的减小, 将使喉管进口处$\Delta \overline{p{}_1}$降低, 可以吸卷更多的被吸流体;此外, 式 (10) 中的参数A1、A2、A3都与q有关。由此可见, 脉冲射流之所以能够提高射流泵的性能, 主要是提高了卷吸率。$\overline{\alpha }$t的变化规律从另一个方面揭示了脉冲射流为何可以提高射流泵性能的本质。

3结语

通过数值计算及结果分析, 可得如下结论:

脉冲射流使喉管进口函数$\overline{\alpha }$t较恒定射流泵的小, 但可以吸卷更多的被吸流体, $\overline{\alpha }$t的变化规律从另一个方面揭示了脉冲射流之所以能够提高射流泵的性能, 主要是提高了卷吸率。

摘要：对脉冲液体射流泵时均值基本性能方程中的性能参数进行了数值研究, 定量分析了喉管进口函数的变化规律及其对性能的影响, 得出了脉冲射流可以使流体在喉管出口处得到更充分的混合、可以改善射流泵的最优工作参数的结论, 并从喉管进口函数的变化规律方面揭示了脉冲射流之所以能够提高射流泵的性能, 主要是提高了卷吸率。

关键词：脉冲液体射流泵,时均性能,喉管,喉管进口函数

参考文献

[1]Mark D Morgan.Technology Deployments for D&D Applications[J].AEA Technology, October 2001:1-10.

[2]陆宏圻.喷射技术理论及应用[M].武汉:武汉大学出版社, 2004.