王小兵 屈平亮 苏宏益

1常州大学石油工程学院

2中国石油新疆油田分公司重油开发公司

射流泵是利用高速射流的动力液带动引流管中液体流动的机械设备[1].近年来,随着对射流泵技术研究的不断深入,射流泵技术已逐渐发展成熟,广泛地应用到各行各业中,例如石油和天然气开采与勘探、鱼类的输送、河道与海港疏浚施工、建筑施工等.在水驱井开采过程中,由于地层容易出砂,会造成设备严重磨损,增加了采油成本,影响油井产液量[2].因此,提出用射流泵来进行排砂,但液固射流泵的效率很低,制约了液固射流泵的发展[3].喉嘴距是影响液固射流泵效率的关键因素之一,为满足石油工程发展的需要,分析喉嘴距对液固射流泵效率的影响,来确定最优喉嘴距,以提高射流泵的效率.

葛研军等认为液气射流泵的最佳喉嘴距为1.5倍喷嘴直径[4];龙新平、程茜等认为喉嘴距最佳范围为0.5~1.5倍喷嘴直径[5];胡湘韩认为喉嘴距最佳范围为0~2倍喷嘴直径之间.上述研究喉嘴距的最佳范围,都是关于液液或液气方面的,没有考虑液固两相流时喉嘴距对射流泵性能的影响.本文通过对液固射流泵进行三维数值模拟,以效率最优为目标,研究喉嘴距对液固射流泵性能的影响,分析不同喉嘴距、不同固相初始体积分数下的液固射流泵的性能曲线和效率曲线,确定最优喉嘴距,以提高液固射流泵的效率.

1 数值计算方法

1.1 控制方程

采用混合模型模拟液固射流泵内部流场流动,需要满足流体动力学方程,主要包括连续性方程和动量守恒方程.

连续性方程

式中:ρm为混合液密度,kg/m3;t为时间,s;∇为哈密尔顿算子;vˉm为质量平均速度矩阵,m/s;n为相数;ak为第k相的体积分数;vk为第k相的平均速度,m/s;ρk为第k相的密度,kg/m3.

动量守恒方程

式中:p为混合液压力,Pa;F为体积力,N/m3;g为重力加速度,m/s2;um为混合液黏度,kg/(m.s);uk为第k相黏度,Pa.s;vdr,k为第k相的漂移速度,m/s.

1.2 计算模型

液固射流泵内部流场流动考虑为定常不可压缩流动,首先在SolidWorks中建立三维射流泵模型,如图1所示.将模型导入ANSYS中进行网格划分和计算,根据油井射流排砂泵液固两相流数值分析[6],建立液固射流泵模型.射流泵的主要结构参数如图2所示,其中喷嘴直径为6.4 mm,喉管距为18 mm,面积比为8,喉管长度为60 mm,射流管直径为24 mm,吸入管直径为16 mm,扩散管长度为30 mm,扩散管出口直径为24 mm,喉嘴距不定.ANSYS软件中流场分析选择混合模型,数值计算采用的湍流模型为标准的k-ε模型[7],采用有限体积法对射流泵的计算域进行离散[8],离散化格式采用二阶迎风格式,采用Simple算法对液固射流泵内部流场进行计算[9].

图1 射流泵三维模型Fig.1 3D model of jet pump

图2 射流泵结构示意图Fig.2 Schematic diagram of jet pump structure

1.3 流体的物性

采用材料包括水、原油和砂子,水为工作流体,吸入液为采出液.采出液包括油水混合物和砂子,油水混合物中含水率为95%,固相体积分数分别为10%、20%和30%,砂子的密度为2 500 kg/m3,水驱井采出液的黏度为3.0~5.0 mPa.s[10].本文选取采出液的黏度为4.0 mPa.s.

1.4 基本假设

流体是在整个泵内的连续流动,固相为尺寸均匀的砂子,砂子粒径为0.1 mm,固相均匀分布于吸入口;液相为不可压缩流体.固相与液相之间无相变,各相的物理特性为常数,不考虑射流泵内部流场的空化现象对液固射流泵的影响[11],在理想状态下对液固射流泵进行数值计算.

1.5 网格划分

在ICEM中对液固射流泵进行网格划分.因射流泵内部流动属于高雷诺数的强剪切湍射流流动,采用非结构化网格中适应性比较强的Tgrid混合网格来进行网格划分,并且保证网格数满足计算需要[12],网格划分结果如图3所示.

图3 网格划分示意图Fig.3 Schematic diagram of meshing

1.6 初始条件

液固射流泵由动力液入口、吸入液入口和混合液出口三部分组成,数值计算中选用的动力液为水,水为不可压缩流体,固体介质选用砂子,吸入液为采出液.将工作流体入口和吸入液入口均定义为速度入口,速度方向与入口叠面相垂直.射流泵出口定义为压力出口,压力大小根据泵深来确定[13].固壁上满足无滑移条件.

2 喉嘴距对射流泵性能和流场的影响

2.1 液固射流泵性能方程

液固射流泵基本方程的表达式为h=f(q,m,ρ),其反映了液固射流泵边界条件设置和主要部件对液固射流泵效率的影响,是设计、制造和使用液固射流泵的理论基础[14].因此,液固射流泵的性能通常用一组无因次参数来表示[15],其定义如下:无量纲压力比p为吸入液压力增量与工作液减少压力之比;无量纲质量流量比q为吸入液质量流量与工作液质量流量之比;液固射流泵基本特性方程反映吸入端增加压力与工作液减少压力之比;射流泵的效率η为被吸混合液所得到的能量E2与工作液所提供的能量E1之比.

2.2 不同流量比下喉嘴距对液固射流泵性能影响

喉嘴距是喷嘴出口到喉管入口之间的距离,一般采用与喷嘴直径d的倍数关系表示.为了研究不同喉嘴距、不同固相初始体积分数对液固射流泵性能的影响,固定射流泵其他尺寸不变,只改变射流泵喉嘴距为0.5d、1d、1.5d、2d和初始固相体积分数为10%、20%、30%,对液固射流泵进行数值计算.

2.2.1 液固射流泵压力云图

图4为固相体积分数为30%时射流泵压力云图.

图4 固相体积分数为30%时射流泵压力云图Fig.4 Jet pump pressure cloud map with a solid phase volume fraction of 30%

通过图4进行数值计算,可以得到射流泵吸入口与次入口的压力大小和质量流量,分别比较在不同质量流量比时液固射流泵的性能和效率,进而得出射流泵最优喉嘴距.

2.2.2 固相初始体积分数为10%结果分析

在固相初始体积分数为10%时,通过不同喉嘴距的性能曲线(图5)和效率曲线(图6)可以看出:随着质量流量比的增大,射流泵的效率先增大后减少.0.5d喉嘴距在流量比为1.2时,液固射流泵的效率最高;1d喉嘴距在流量比为1.3时,射流泵的效率最高;1.5d喉嘴距在流量比为1.1时,射流泵的效率最高;2d喉嘴距在流量比为1.3时,射流泵的效率最高.并且当固相初始体积分数为10%,1倍喉嘴距的液固射流泵的效率值最大.

2.2.3 固相初始体积分数为20%结果分析

由图7和图8可知:当固相初始体积分数为20%时,不同喉嘴距的射流泵性能曲线随流量比呈线性变化.0.5d喉嘴距在流量比为1.2时,液固射流泵的效率最高;1d喉嘴距在流量比为1.4时,液固射流泵的效率最高;1.5d喉嘴距在流量比为1.4时,射流泵的效率最高;2d喉嘴距在流量比为1.3时,射流泵的效果最高;并且在固相初始体积分数为20%时,1d喉嘴距的射流泵效率最高.

图5 固相体积分数为10%的不同喉嘴距下射流泵的性能曲线Fig.5 Performance curve of jet pump with different throat volume of 10%solid phase volume fraction

图6 固相体积分数为10%的不同喉嘴距下射流泵的效率曲线Fig.6 Efficiency curve of jet pump with different throat volume of 10%solid phase volume fraction

图7 固相体积分数为20%的不同喉嘴距下射流泵的性能曲线Fig.7 Performance curve of jet pump with different throat volume of 20%solid phase volume fraction

图8 固相体积分数为20%的不同喉嘴距下射流泵的效率曲线Fig.8 Efficiency curve of jet pump with different throat volume of 20%solid phase volume fraction

2.2.4 固相初始体积分数为30%结果分析

图9 固相体积分数为30%的不同喉嘴距下射流泵的性能曲线Fig.9 Performance curve of jet pump with different throat volume of 30%solid phase volume fraction

图10 固相体积分数为30%的不同喉嘴距下射流泵的效率曲线Fig.10 Efficiency curve of jet pump with different throat volume of 30%solid phase volume fraction

由图9和图10可知:当固相初始体积分数为30%时,不同喉嘴距的射流泵性能曲线差异明显.0.5d喉嘴距在流量比为1.1时,射流泵的效率最高;1d喉嘴距在流量比为1.6时,射流泵的效率最高;1.5d喉嘴距在流量比为1.5时,射流泵的效率最高;2d喉嘴距在流量比为1.4时,射流泵的效率最高;并且在固相初始体积分数为30%时,1d喉嘴距的效率最高.

3 结果分析

通过上述分析可知,在不同固相初始体积分数时,液固射流泵的性能曲线和效率曲线各不相同,固相初始体积分数的变化对液固射流泵效率的影响比较显著.随着固相初始体积分数的增加,液固射流泵的压力比逐渐减小,射流泵的性能曲线下降.说明随着固相初始体积分数的增大,在一定流量比时,射流泵吸入端所需的压力逐渐增大.通过比较不同喉嘴距下液固射流泵的效率曲线图发现,当固相初始体积分数不变时,在液固射流泵质量流量比较小时,喉嘴距对射流泵效率的影响不明显,随着质量流量比的增大,喉嘴距对液固射流泵效率的影响逐渐增强,说明在较大质量流量比时,喉嘴距的变化对液固射流泵效率的影响比较显著.

由液固射流泵的性能曲线图可以看出,当喉嘴距不变时,随着流量比的增大,液固射流泵的压力比逐渐减少.通过液固射流泵的效率曲线图可以看出,当流量比不变时,随着喉嘴距的增大,液固射流泵的效率先增大后减小,液固射流泵效率最高时存在最佳喉嘴距.在不同喉嘴距的条件下,射流泵最佳流量比以及所对应的最高效率也各不相同,比较不同喉嘴距、不同固相初始体积分数下射流泵的效率曲线图可以看出,1d喉嘴距的液固射流泵效率都最高,液固射流泵的最优喉嘴距为(1d喷嘴直径).

4 结论

通过对液固射流泵在不同喉嘴距、不同初始体积分数下的性能模拟和计算,分析比较不同流量下的性能曲线和效率曲线,得出如下结论:

(1)当喉嘴距不变时,随着质量流量比的增大,液固射流泵压力比逐渐减少;当质量流量比不变时,随着喉嘴距的增大,液固射流泵的效率先增大后减小.

(2)当固相初始体积不变时,在质量流量比较小时,喉嘴距的变化对液固射流泵效率影响不明显,随着质量流量比的增大,喉嘴距对液固射流泵效率的影响增强.

(3)随着固相初始体积分数的增加,液固射流泵的性能曲线下降.

(4)在液固射流泵面积比为8,不同固相初始体积分数时,喉嘴距为1倍喷嘴直径时,液固射流泵的效率最高,最优喉嘴距为1倍喷嘴直径.