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旋转气锚的理论研究与设计_毕业设计(论文).doc

上传人:无敌 文档编号:650822 上传时间:2018-04-16 格式:DOC 页数:40 大小:630.50KB
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1、哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)摘 要本论文通过对资料进行研究,分析了气锚油气分离器分气机理和分气效率的影响因素;介绍简单气锚和旋转气锚的计算方法;设计出了新型旋转气锚。该型旋转气锚利用螺旋片对油气混合物产生的离心力进行分离,一般采用闭式结构,所有流体均需经过旋转气锚,适合在产量高,油气比较低的井中使用。本文对所设计的气锚进行了理论计算和强度校核,该气锚具有结构简单,分离效率高的优点。深入开展井下油气分离器分气效率的研究和井下油气分离器设计,对提高抽油系统的管理水平、提高抽油井泵效、改进油气分离器的结构设计等方面具有重要意义。关键词:井下油气分离器;气锚;工作机理;分气效率哈尔滨石油学院本

2、科生毕业设计(论文)哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)AbstractThe thesis analyzed of the gas anchor oil-gas separator mechanism and the separation efficiency of the gas; It introduced simple gas anchor and rotary gas anchor method of calculation and designed a new type of rotating gas anchor; This type of rotary screw gas an

3、chor unit of the oil and gas mixtures were separated by centrifugal force, generally used the closed structure, after all the required rotary fluid gas anchor; This rotary gas anchor suitabled for the high yield and relatively low oil and gas wells.In this paper, a theoretical calculation of the des

4、ign of gas anchor and strength check was done. The gas anchor was simple in structure and had high separation efficiency. So an in-depth study of oil-gas separation efficiency of downhole oil-gas separators had important meaning for improving control level of oil pumping system, increasing pumping e

5、fficiency of production wells and improving structure design of oil-gas separator.Key words: downhole oil-gas separator; gas anchor; operate principle; gas separator efficiency哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)目 录第 1 章 前 言 .11.1 问题的提出和研究意义 .1第 2 章 气锚油气分 离机理研究 .22.1 分气原理 .22.2 常用气锚综合对比 .52.3 螺旋式井下油气分离器结构及工作原理 .102.4

6、 螺旋式油气分离器的优缺点及适用范围 .12第 3 章 气锚的设计计算方法 .143.1 简单气锚设计计算 .143.2 螺旋式井下油气分离器参数设计计算 .15第 4 章 影响气锚分气效率的结构和参数分析 .184.1 简单气锚分气效率因素影响 .184.2 螺旋结构参数及操作参数敏感性分析 .21第 5 章 新型旋转气锚设计 .245.1 新型旋转气锚设计方案 .245.2 新型旋转气锚结构设计 .255.3 理论计算及强度校核 .28结 论 .32参考文献 .33致 谢 .34哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)0第 1 章 前 言1.1 问题的提出和研究意义深井泵采油是国内外油田生产的

7、主要方式。无论是有杆泵采油,或是无杆泵采油,在一个良好的汽油较高,气体进入泵的最主要原因是泵效率较低,影响生产,提高泵的效率,通常在泵,安装油气分离器(也称为气锚),石油和天然气分离在泵。根据结构不同的油气分离器可以分为传统的油气分离器,螺旋分离器的石油和天然气,磁盘类型油气分离器等。各种各样的油气分离器在理论上可以使石油和气体分离,但实际效果的油气分离效果是不同的。分气效率的油气分离器是需要设计安装井下油气分离器是一种重要的属性参数,但严重缺乏基本的研究在这方面,这个问题严重影响了好效果的石油和天然气分离器安装。分气效率的油气分离器是需要设计安装井下油气分离器是一种重要的属性参数,但严重缺乏

8、基本的研究在这方面,这个问题严重影响了好效果的石油和天然气分离器安装。石油和天然气分离器是一种常见的井下工具,广泛应用在国内和国外。目前国外偏心气锚和连续流气体分离器、现场应用情况良好。但无论国内或国外石油和天然气分离器没有报道的新基本特征研究。 1在高气油比的油井,提高泵的效率就必须缩减到泵气油比。泵的入口处安装井下油气分离器,游离气在石油流进泵之前,可以有效降低气体泵工作的影响,从而提高泵的效率。因此,设计更高的泵效率的油气分离器具有十分重要的现实意义。理论研究油气分离器,提高水平的油井生产管理和提高水平的抽油井生产系统设计和抽油井系统效率具有重要意义。本文基于当前油气分离器应用缺乏理论的

9、指导,该条件的油气分离器点不能准确的计算效率,采用相结合的方法,实验和理论研究中,一组特征关系的计算方法,石油和天然气分离器适应油井生产设计和管理的需要。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)1第 2 章 气锚油气分离机理研究2.1 分气原理气锚和井下分离器基本分气原理是有效地利用油气密度差,使油流中的自由气在进泵前分离出来,通过油套环形空间排到地面。当气液混合物由进液孔进入锚筒时,液流方向为水平方向,在气液密度差的作用下,气泡产生向上的垂直分速度,加上气液混合物在进入气锚孔眼时产生撞击和扰动,使部分气体从液体中分离出来,实现了油气的初步分离,分离出的气体浮到锚筒顶部,经排气孔排到油套环形空间。

10、 2(1)利用滑脱效应又称克林肯伯格效应(Klinken-berg effect)。气体在岩石孔隙介质中的低速渗流特性不同于液体,气体在岩石孔道壁处不产生吸附薄层,气体分子的流速在孔道中心和孔道壁处无明显差别,这种特性称为滑脱效应。其次,当压力极低时,气体分子的平均自由路程达到孔道尺寸,气体分子扩散可以不受碰撞而自由飞动,由于这一原因导致视渗透率增加。实验证明:岩石渗透率越低,滑脱效应越大;压力越低,滑脱效应也越大。 3这种气锚以国内最早使用的简单气锚和美国的穷孩子气锚(Poorboyanchor)为代表。见图 2-1。图中 vd 为静止液体中气泡上升速度;v f 为液体上升速度;v g 为流

11、动液体中气泡上升速度;V fv 液体垂直分速;V fh 为液体水平分速;L 1 为气帽高度;L 2 为分离室长度。其分气过程可为泵吸入阶段和泵排出阶段。上冲程时(泵吸入阶段) ,分气过程可分为四个步骤。第一步骤:气泡在上行时的速度 Vg 等于液体在上升时速度 Vf 加上气泡在静止液体中上升的速度 Vd。因此,气泡的上升速度较液体上升的速度快一个 Vd,进行气泡首次分离。根据斯托克公式(2-1)2dog=(-)1.8式中 气泡在静止液体中的上浮时的速度, cm/s;dV气泡直径,cm,一般取 0.10.2cm;原油密度,g/cm 3;oP气密度,g/cm 3;g油的动力粘度,Pas; o重力加速

12、度,cm/s 2。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)2因此,气泡上浮的速度与气泡的直径的平方成正比,与液体的粘度成反比。降低泵吸入中压力使气泡的直径变大,这样就会大大提高分气能力,而在高粘原油中气泡不易分离。图 2-1 简单气锚第二步骤:气泡在气锚时进液孔附近进行二次分离。当气泡到达气锚进液孔附近时,液流要流向气锚进液孔,流动方向发生改变,气泡上升速度及方向也将改变,气泡垂直分速为 Vd+Vfv,水平分速为液流水平分速 Vfh,如图 2-2 所示。图 2-2 二步骤气泡矢量图哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)3由图可见,液体相比于气泡更容易进入气锚,而且液体中气泡能否进入气锚将取决于垂直分

13、速与水平分速的比值。垂直分速越大,水平分速越小,则气泡越不容易进入气锚。因此,越靠近气锚的气泡,水平分速越大,越容易被液流带入气锚。气泡直径越小,垂直分速就越小,越容易被液流带入气锚。 4第三步骤:进入进液孔中的气泡,在进液孔附近进行三次分离。当油气刚进入气锚时,液体流向是近似水平的,而气泡有向上的上浮速度,这时有部分气泡上浮到气帽中,从排气孔排出。第四步骤:气泡在气锚的环形空间内进行四次分离。这时气泡的速度是液流下行的速度减去气泡上浮的速度,气锚的环形空间有一部分能分游离的最小气泡被滞留在环形空间。当进入下冲程时(泵排出阶段),不吸入,此时在泵的固定阀以下的液体流速为零。所进行的以上的四个步

14、骤的气泡都在静止条件下上浮至气锚的气帽中(或套管环形空间) ,此时达到分气效率最高阶段。(2)利用离心效应由于滑脱效应的分离效率较低。对于大产量,高气油比及高粘度油井来说,往往设计气锚外径过大,大于套管允许的直径。为了解决这个矛盾,近年来发明了利用离心效应来分气的气锚。以螺旋式气锚为代表,螺旋式气锚包括气锚外管,上接头,下接头,一次分离装置,所述一次分离装置包括下部进液外管、下部进液内管、接箍,二次分离装置,所述二次分离装置包括筒体、离心造旋体、进液偏心通道、出液偏心通道、挡环、半环进液口、半环管壁、中心管、单向阀。本实用新型采用了滑脱分离、旋流分离和沉降分离的原理,多级分离,使其防气效果更好

15、,且结构简单、安全可靠,且成本低、易维护,具有较高的经济价值,适合在广泛的领域应用。 5当含气油流在气锚内旋转流动时,利用不同密度的流体离心力的不同,使被聚集的大气泡沿螺旋内侧流动,带有未被分离的小气泡的液体则沿外侧流动。被聚集的大气泡不断被聚集,沿内侧上升至螺旋顶部聚集成的气帽,经过排气孔排到油套环形空间,下冲程时,泵停止吸油,油套环形空间和气锚内的液流中含的小气泡滑脱上浮,一部分上升到油套环形空间,一部分则上浮进入气帽,排入油套环形空间,液流沿外侧经过液道进泵。这种气锚分离效率高,产量越高,气油比越大,气泡直径越大,增加螺旋圈数,减小螺旋外径都可以提高分气效率。(3)利用捕集效应如前所述,

16、气泡直径越大,分气效率越高。因此,使气泡聚集成大气泡便会大大地改善分气效率。6070 年代,苏联推出的盘式气锚就是典型代表。其分气原理大概是以集气盘作为气泡的捕集器,将气泡所聚集后,再利用液流的 90 度转向时的离心效应,从而使油气分离。气体在盘内聚集在溢出时形成大气泡,会沿气锚外壳的内壁上浮到气帽位置,经排气孔排到套管环形空间内,而液体经吸入孔进入吸入管进泵。这种气锚的分气效率比简单气锚分气率要好,哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)4但低于封隔器井下分离器。(4)利用气帽排气效应为了有效地将进液孔与排气孔分开,设计气锚时往往在结构上采用气帽和排气阀,确保排气孔不进液,只排气。其原理是,气锚

17、内分出的气体上浮后进入气帽,使气帽内充满气体。设进液孔处的压力为 P,则排气孔外的压力等于 P 减去液柱的压力 Pf,而排气孔内的压力等于 P 减去气柱的压力 Pg。因为 PfPg,所以排气孔内压力大于排气孔外压力,当这两个压力差值大于克服排气阀自重时,则阀自动放气。 62.2 常用气锚综合对比通过对现场的一些常用气锚进行综合对比,发现几种新型气锚的分气效率比较高,如:偏式心气锚、双级高效气锚、新型迷宫式气锚等。它们有各自的工作原理和不同的特点。2.2.1 偏心气锚偏心式气锚采用了偏心几何结构,并充分考虑了流动界面与动力学流动模式,因而可使进入泵内的液体量和气体量分别达到最大值和最小值。偏心气

18、锚工作时,抽油泵从气锚下部抽出液体。在液体和气体同时进入气锚的过程中,大的气泡在穿过入口处就从液体中分离了出来,液流向下流,而气体则在其中向上运动到气锚上部开的小孔处,进入油管环形空间中截面积较大的一侧。液流在其下降过程中会释放出一些气泡,通过对透明气锚的观察研究发现,小气泡实际上是不可能从液流中分离出来的,因此这种气锚的结构应该能为液流提供更宽敞和更平滑的流道,以将其中产生的小气泡的数量降至最低。 6气锚的处理量是指在不减少抽油泵供液量的前提下,气锚所能处理的环形空间中液体和气体流量的总和。环空中的气速决定环空中液体的浓度,当气速较高时,液体气夹带液滴绕过气锚的入口,使得在环空流道狭窄处的液

19、体的回落量也有所下降,从而降低了进入气锚和抽油泵液体的量。因而需要根据气体的流量和抽油泵处理量( 或液流量) 来确定气锚内径。 72.2.2 双级高效气锚我们知道,利用“回流效应”的重力分离型气锚,当油井高产时,由于液流的速度大,携带气泡的能力强,分气效果差;利用离心力的离心分离型气锚,当用于低产油井时,由于液流速度较小,产生的离心力小,分气效果差。如下图所示的 S31-2 型和 S31-3 型双级高效气锚,将重力分离型与离心分离型有机地结合在了一起,克服了现有气锚功能单一的弊病。 8(1) 结构分气效率的油气分离器是需要设计安装井下油气分离器是一种重要的属性参数,哈尔滨石油学院本科生毕业设计

20、(论文)5但严重缺乏基本的研究在这方面,这个问题严重影响了好效果的石油和天然气分离器安装。1-上接头;2-钢球;3-球座;4-气罩;5-上外管;6-中接头;7-螺旋总成;8-中外管;9-锥筒;10-内中心管;11-下接头图 2-3 S31-2 型气锚S312 型气锚和 S313 型气锚的结构图如图 2-3,2-4 所示1-上接头;2-钢球;3-球座;4-气罩;5-上外管;6-中接头;7-螺旋总成;8-中外管;9-锥筒;10-内中心管;11-下接头图 2-4 S31-3 型气锚S31-2 型气锚有上、下两级。上级则为螺旋气锚,由上接头、钢球、球座、气罩、上外管、螺旋总成等组成;下级则为沉降气锚,

21、由锚筒、内中心管、下接头等组成。该型气锚适用于泵的下面不带封隔器或带封隔器进行封下采上的生产管柱。S31-3 型气锚的结构与 S31-2 型气锚基本相同,也分为上、下两级。不同的是使用场合不同,下级气锚的结构则有所改变。该型气锚适用于泵下面带封隔器封上采下的生产管柱。如需封中间采上、下层段,在 S31-2 型气锚下接头与第一级封隔器之间接一个油套连通器即可。(2) 分气原理S31-2 型气锚的分气原理如图 2-5 所示。该型气锚的分气过程分为四个阶段:气泡在套管和第一阶段是单独的气锚的环形空间。当泡沫原油流动气锚,因为液体流动方向变化的作用下石油和天然气的密度差异,一些泡沫直接产生油套管环空。泡沫在套管和第一阶段是单独的气锚的环形空间。当泡沫原油流动气锚,因为液体流动方向变化的作用下石油和天然气的密度差异,一些泡沫直接产生油套管环空。第三阶段是锚在汽缸低于穿孔引起的泡沫流在锚管环形空间分离。在锚管环形空间泡沫,部分的直径较大的泡沫,为浮动利率在一定程度上,是不一样的流速的流进了中心管,不可避免的被困在锚管环形空间。活塞下冲程,因液体

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