井下自力式强制涡流排水采气装置设计

2019-05-16席鹏超

云南化工 2019年2期

席鹏超，秦亮，王卓

（西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065）

涡流排水采气是迎合低压低产气井复产增产需求的工艺技术。该项技术2011年引入国内，在各大气田投用，取得一定的效果，但并不是很理想，主要原因在于:流体流经井下涡流工具时，流动参数受工具结构参数与特征的影响；流过该工具后，流动参数受管段摩阻和流体自重等因素影响。

常规涡流工具的研究热点主要体现在排液机理[1-2]、性能与结构优化[3-6]、技术界限[7-8]等方面，随着涡流理论在排水采气领域的应用逐渐深入，射流涡流[9]、旋流雾化[10]、满眼涡流[11]等新型排水采气方案相继问世，进一步为气井复产增产带来借鉴意义。然而，此类工具旋流体运动行为对排水采气效果具有何种影响。目前，此方面的研究报道相对缺乏。

从排水采气工具设计角度入手，基于气井工况、涡流理论以及机械工程学科相关知识，笔者采用NX 8.0软件设计了一种井下自力式强制涡流排水采气装置，简要阐述其设计思路与要点，重点阐述其结构组成、工艺原理和创新点等。

1 设计思路

在常规涡流工具中，旋流体是实现流体气液分离与运移的静止部件，在整个工具中占据极为重要的作用。笔者转变思路，为研究旋流体转动时对排水采气效果的影响，基于气井工况，设计此装置。

气井工况参数见表1所示。

2 设计要点

基于前人的设计经验和当下设计思路，此装置应满足以下设计要点:1）体现井内流体自力式运动行为[12]；2）工作条件易满足；3）减小流过此装置的压降损失[13]。

3 结构组成

此装置结构组成见图1所示。

由图1可知:此装置包括弹簧、销钉、定子、弹性体、转子、行星齿轮、橡胶环、中心管、外机架、转臂、推力球轴承、旋流体等组成。弹簧与弹性体通过销钉连接。装置工作前，销钉孔a和销钉孔b同心，且被插装入销钉，限制弹性体沿中心管外壁移动。弹簧约束弹性体的两臂，使其向转子轴线弯曲靠拢。定子和中心管均处于弹性体内部，二者通过螺纹连接。定子具有中心孔和叶片特征，内部插装具有叶片、内环槽和内齿轮特征的转子。行星轮下端插入转子内环槽，与转子内齿轮啮合，上端插装入转臂下端盲孔。弹性体与橡胶环均被套装于中心管外壁，橡胶环位于弹性体之上，外机架之下。外机架具有台阶孔和中心孔特征，可过盈装配推力球轴承和插装旋流体，旋流体螺纹连接转臂，可获得来自转臂的动力。图2所示为此装置部件实体模型，图3是此装置实体装配模型。

1-弹簧；2-销钉；3-定子；4-弹性体；5-转子；6-行星轮；7-中心管；8-橡胶环；9-外机架；10-转臂；11-推力球轴承；12-旋流体；a-销钉孔；b-销钉孔。

图2 部件实体模型

4 工艺原理

此装置的工艺原理主要包括投送过程、工作原理以及打捞过程等，图4是其投捞工艺简图，图5是投捞工具串连接及装置坐落关系简图。

图3井下自力式强制涡流排水采气装置实体模型

图4 投捞工艺简图

图5 投捞工具串连接及装置坐落关系简图

1）投送过程。钢丝绞车、地滑轮、天滑轮以及井下投送工具串投送其接近预定位置，突然上提钢丝绳，与弹性体连接的弹簧松脱，弹性体贴住油管内壁。工具串的震击器对装置产生轴向激振力，导致工具串与装置共同沿油管轴线下行，直至弹性体到达接箍继续恢复变形，阻止整体下行趋势。接箍给予弹性体的反力促使约束弹性体移动的销钉被剪断，弹性体和橡胶环沿中心管外壁上行。当橡胶环上行至外机架下端锥面时，受到轴向压缩力，产生径向变形，进而封堵装置与油管之间的环形间隙，至此，投送过程结束。此过程中，装置部件运动行为示意图见图6所示。

2）工作原理。井内流体流入此装置，对转子叶片产生力的作用，当流过定子与转子叶片之间的压差满足转子工作条件时，转子开始转动，转子内齿轮向行星齿轮传递传动比为0.4的运动，转臂和旋流体获得比转子更高的转速。

图6 部件运动行为示意图（投送过程）

3）打捞过程。当此装置无法满足气井增产要求且有必要取出井筒时，投捞工具串下部的捕捉器抓紧装置旋流体上的打捞头，绞车上提钢丝绳，橡胶环首先恢复变形，且滑动至初始位置，装置与油管环形间隙被打开，其次，弹性体沿油管轴线滑动至初始位置，销钉孔a与销钉孔b再一次同心，装置坐卡状态被解除。至此，装置解封解卡过程结束，绞车持续上提钢丝绳，装置被上提出井口，打捞过程完成。此过程中，装置部件运动行为示意图见图7所示。