电潜泵机组油气分离器的腐蚀研究.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O I F U M M A C H T N F R Y 2 0 l 4年 第 4 2卷 第 4期 油气 田开发 工程 电潜泵机组油气分 离器 的腐蚀研究 张冠林 张立军 韩锡鹏 晁明伟 谢文献 1 ．中国石 油大学 华东机 电工程 学院2 ．中石化胜利油 田分公 司胜利采油厂 摘要针对 电潜泵机组用油气分 离器壳体冲蚀情况 ，利用 S o l i d w o r k s和 F l u e n t 软件对其进行 数值模拟分析。分析结果表 明，在分离器叶轮处 ，含砂油气混合井液 的速度 明显高于其他部位 ， 最高可达 1 1 ． 4 5 0 0 m ／ s ，远高于国标规定的最大流速 2 ． 1 3 3 6 m ／ s ；在叶片出口处速度 矢量的方 向杂 乱不一，高速含砂油气混合井液会剧烈地冲击分离器内壁 ，离心力对分离器壳体内壁产生较大的剪 切力；在长期的冲蚀和剪切作用下，分离器壳体变薄，加之璃蚀作用 ，进而造成分离器壳体断裂落 井。为此，对油气分离器进行技术改进选择氧化锆作为耐磨衬套的材料以及在 叶轮下部加入 壳 体衬套 改进后的油气分离器在胜利油田共应用 6 1 1套，仅发生分离器筒断落井事故 1 5井次，而 2 0 0 8年就有 2 0井次。改进后的油气分离器有效防止了分离器筒断事故的发生，应用效果显蔷、 关键词 油气分离器 ；壳体；冲蚀；高速冲击；数值模拟；改进措施 中图分类号 T E 9 3 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 2 2 Re s e a r c h o n t he Co r r o s i o n o f Oi l - g a s Se p a r a t o r f o r El e c t r i c S u bme r s i bl e Pu m p Uni t Z h a n g G u a n l i n Z h a n g L i j u n H a n X i p e n g C h a o Mi n g w e i 。 X i e We n x i a n 1 ． C o l l e g e o f E l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m，Q i n g d a o 2 ． S h e n g l i O i l P r o d u c t i o n P l a n t ，S I N O P E C S h e n g l i O i lfi e l d C o m p a n y Ab s t r a c t I n l i g h t o f t h e s h e l l e r o s i o n o f o i l g a s s e p a r a t o r f o r e l e c t ric s u b me r s i b l e p u mp u ni t ，t h e S o l i d wo r k s a n d F l u e n t s o f t wa r e s we r e u s e d t o c o n d u c t a n u me ric a l s i mu l a t i o n a na l y s i s o f t h e s h e l 1 ． Th e a n a l y s i s s ho ws t h a t t h e v e l o c i t y o f s a n d y o i l g a s mi x e d flui d i s n o t i c e a b l y h i g he r a t t he s e p a r a t o r i mp e l l e r t h a n i n o t h e r p o s i t i o n s ． Th e ma x i mu m v e l o c i t y c a n r e a c h 1 1 ． 4 5 0 0 m／s ，muc h h i g he r t h a n t he ma x i mu m v e l o c i t y 2 ．1 3 3 6 m／s p r o v i d e d b y t he n a t i o n a l s t a n d a r d． T he d i r e c t i o n o f v e l o c i t y v e c t o r i s i n di s o r d e r a t t h e b l a d e o u t l e t wh e r e h i g h s p e e d s a n d y o i l g a s mi x e d fl ui d wi l l fi e r c e l y i mpa c t t h e i n n e r wa l l o f t h e s e p a r a t o r ，a n d t h e c e n t r i f u g a l f o r c e p r o d u c e s r e ma r k a b l e s he a r f o r c e t o wa r d t h e i n n e r wa l l o f t h e s e p a r a t o r s he l 1 ． Du e t o t h e e f f e c t o f l o n g t e r m e r o s i o n a nd s h e a r ，t h e s e p a r a t o r s he l l be c o me s t h i n n e r a nd t h i n ne r a n d t h e a d d i t i o n a l e f f e c t o f c o r r o s i o n ma k e s t h e s he l l br e a k a n d f a 1 1 i n t o t h e we l 1 ．T he r e f o r e，t h e t e c h n o l o g i c a l mo d i fic a t i o n o f t h e s e pa r a t o r wa s c o nd u c t e d ． Zi r c o n i a wa s s e l e c t e d a s t h e ma t e r i a l for we a r r e s i s t a n t b us hi ng ． Th e s h e l l bu s hi ng wa s a d d e d a t t h e l o we r p a r t o f i mp e l l e r ． A t o t a l o f 6 1 1 i mp r o v e d s e p a r a t o r s we r e a p p l i e d i n S he n g l i Oi l fie l d ．On l y 1 5 a c c i d e n t s o f s e p a r a t o r b r e a k i ng a n d f a l l i n g t o o k p l a c e ． Ho we v e r ，t h e n u mb e r o f a c c i d e n t s wi t h t h e o r i g i n a l s e p a r a t o r wa s 20 me r e l y i n 2 00 8． I t c a n b e s e e n t h a t t he s e p a r a t o r s he l l b r e a k i n g h a s b e e n r e du c e d o b v i o us l y a fte r mo d i fic a t i o n ． Ke y wo r d s o i l - g a s s e pa r a t o r； s h e l l ； e r o s i o n； hi g h s p e e d i mp a c t ； n ume r i c a l s i mu l a t i o n； mo d i fic a t i o n rT 1 a Sll rP 0 引 言 电潜泵机组是一种重要 的机械采油设备 ，主要 由潜油电机 、油气分离器 、保护器 、潜油离心泵 、 潜油电缆 、控制柜 以及变压器等部分组成。潜油离 心泵利用地面专用变压器通过电缆将电能传递给井 下潜油 电机 ，再通过 多级离心泵把井 液举 升到地 2 0 1 4年 第 4 2巷 第4期 张冠林等 电潜泵机组油气分 离器的扇蚀研 究 面 这种机械采{ I l 1 方式具有排皱大 、扬程高和运行 平稳等特点 ，是注水开发油田后期提液上产 、以水 换油 、减缓老油 u J n然递减和提高采收率的重要工 艺手段。特别是枉高含水油田开发阶段 ，电潜泵提 液 f 产仍是 目前 内外采油厂的主要手段 一 。 } f } { 气分离器作为电潜泵机组的重要组成部分 ， 其主要作川是分离升液中的游离气体。随着油井含 水蹙 的增加及高含砂井液的作刚 ，油气分离器壳体 部分常f } { 现被高速含砂腐蚀性井液 冲蚀而断裂落井 的事故 ，此时，整个油井就会处于瘫痪状态 。 根据胜 利 油 山分公 司某 采油 厂提 供 的数 据， 2 0 0 7 --2 0 0 8年分离器筒断造成机组落井事故 3 9井 次 ，通过分析，发现分离器断裂的油井均为大排量 机组 U ． 含砂普遍较高 ，断裂多发生在叶轮处壳体部 位。初步认 为是 井液在分离器内做高速旋转运动 时，m于离心力作川，井液对分离器壳体内壁产生较 大的剪切力，在长期的冲蚀、剪切作用下 ，分离器壳 体变溥 ，进而造成分离器壳体断裂落井。为了验证 上述结果 ，笔者采H J 数值模拟方法对其进行分析。 l 数值模 拟分析 1 ． 1 仿 真模 型 的建 立 油气分离器主 由上接头 、分离器壳体 、传动 轴 、诱导轮 、叶轮l币 I 】 下接头组成。考虑到主要进行 诱导轮和叶轮处的流场分析 ，将分离器的模型进行 简化 忽略上接 又及下接头的部分结构 。根据采 油厂提供 的油气分离器图纸 ，应用 S o l i d w o r k s软件 建模 ，得到油气分离器的实体模型如罔 1 所示。 图 1 分 离 器 买体 模 型 Fi g ．1 Ph y s i c a l mo de l o f s e pa r a t or 1 ． 2流体域确立以及网格划分 将 l 模型导入 F l u e n t 后 ，利川 F i l l 命令在分 离器内部填充流体 ，对流体域进行网格划分 ，共划 分 4 8 0 5 7 8个四面体 网格 见 2 。网格最大扭 曲率 ≤0 ． 8 ，绝大部分 网格 的最大扭 曲率在 0 ． 2～ 0 ． 5之间 ，能较好地 荫足 C F D计算要求。 图 2流 体 域 网格 划 分 F i g ． 2 Me s h g e ne r a t i o n o f flu i d do ma i n 1 ． 3 计算模型的选取 选用多重参考系模型，将离心泵流场简化成旋 转叶轮固定在某一位置时的瞬时流场 ，将非定常问 题转换 为定常方法 计算 ，其结果仅代表当前叶轮与 泵体所处相对位置时流动状况 一 。计算时诱 导轮 和叶轮计算 区域设 运动坐标 系，其余计算 域设 在 同定坐标系。 1 | 4边界条件 根据现场实际，将诱导轮和叶轮设置为运动参 考系，旋转轴法向为 轴方 向，旋转速度为 2 8 5 0 r ／ ra i n 。壳体和其他流动域设置为静参考 系。诱 导 轮和叶轮进 口边界条件采用质量流量进 【 _ i ，f 【 1 边 界条件为固定压 力 L _i 力为 1 0 0 k P a ；叶轮 表面设置为 Mo v i n g Wa l l ；壳 体和其他静止部件的 壁 面 没置 为 S t a t i o n m 3 , Wa l l 。 1 ． 5 计算结果分析 设运算次数为 1 0 0 0，运算后得到油气分离器 流场速度矢量陶 网 3 。由 叮知，红分离器 叶轮位置 ，含砂油气混合井液的速度明 高于其他 位置 ，最高可达 1 1 ． 4 5 0 0 m ／ s ，而国标规定的分离 器壳体冲蚀最大 流速 为 2 ． 1 3 3 6 n r ／ s ，计算得 出的 最大流速 明显 高 于闻标规 定f f [ 。同时在11 - f ‘ 片出 口 处 ，速度矢量的 向朵乱不一 ，南于分离{ * } F { 身结 构的限制，高速含砂 井液会剧烈地 冲击分离器 内 壁 ，离心力对分离器壳体 内壁产生较大的剪切 力。 在长期的冲蚀 、剪切作用下 ，分离器壳体变薄 ，加 之腐蚀作用 ，进而造成分离 壳体断裂落外。 ∥ ∥ 酒 ∥ ；酒 图 3分 离器流场速度 矢量 图 Fi g ． 3 Ve c t o r g r a ph o f s e p m’a t o r flo w fie l d v e h c i t y 2 改进措施与现场应用效果 2 ． 1 技术 改进 措施 通过前面分析可知，要防 I 卜 分离器壳体断裂， 石 油机械 2 0 1 4年 第4 2巷第4期 就要减少高速砂液对分离器壳体的直接冲蚀。在分 离器易冲蚀部位加入硬度较大的衬套 、提高分离器 内壁的耐磨性和抗腐蚀性是较为有效的解决办法。 2 ． 1 ． 1 耐磨衬 套 的材料 衬套材料的选择至关重要。氧化锆增韧陶瓷具 有强度高 ，硬度高 、韧度好 的特点 ，可使主裂纹尖 端的应力集 中分散 ，防止裂纹扩展 ，或是使裂纹扩 展的路径扭 曲，从 而大幅度提高 陶瓷的强度和韧 度。而且陶瓷材料的耐酸 、耐碱和抗腐蚀性 比金属 材料好 ，能较好地解决分离器壳体被冲蚀磨断的问 题 。 2 ． 1 ． 2 增加 壳体衬套结构 在分离器现有结构的基础上 ，在叶轮下部加入 壳体衬套 见图 4 。这样改进设计后的分离器不 仅可以利用现有分离器的部分零部件 ，而且还可以 很好地避免高速含砂井液直接作 用在分离器壳体 上 ，减小壳体冲蚀断裂落井的可能性。 图 4增 加 耐 磨 衬 套 后 分 离器 结构 示 意 图 F i g ． 4 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f s e p a r a t o r a f t e r a d di t i o n o f we a r b us hi n g 2 ． 2 现 场应 用效 果 2 0 0 9 --2 0 1 2年在胜利油 田应用改进分离器 6 1 1 套 ，共发 生分离 器筒 断落 井事 故 1 5井次 ，而仅 2 0 0 8年就有 2 0井次。因此改进后 的油气分离器有 效 防止 了分离器筒断事故的发生 ，应用效果显著。 3 结 论 1 通过对油气分离器壳体 断裂 的初 步分 析 可知 ，造成油气分离器冲蚀的主要原因是井下含砂 油气混合液体的高速冲击 。 2 数值分析结果表 明，在现有分离器 叶轮 位置，含砂油气混合井液的速度高达 1 1 ． 4 5 0 0 m ／ S ，明显高于 国标规定的最大流速 2 ． 1 3 3 6 m ／ s 。同 时由于 目前分离器 自身结构 的限制 ，高速含砂井液 会剧烈地冲击分离器 内壁 ，并在离心力作用下对分 离器壳体内壁产生较大的剪切力 ，致使分离器壳体 变薄。 3 在分离器原有结 构基础上 ，在 叶轮下部 加入壳体衬套 ，使叶轮与分离器壳体分隔开 ，从而 在理论上避免了高速含砂井液对壳体 的直接冲蚀 ， 减小分离器 壳体 断裂落井 的可能性 。2 0 0 9 --2 0 1 2 年在胜利油 田应用改进分离器 6 1 1套 ，共发生分离 器筒断落井事故 1 5井次，而仅 2 0 0 8年就有 2 0井 次。可见 ，改进后的油气分离器有效防止 了分离器 筒断事故的发生，应用效果显著。 参考文献 梅 思杰 ，邵永 实 ，刘军 ，等 ．电潜泵技 术 上册 [ M]．北京石油工业出版社，2 0 0 4 4 3 5 1 ． 高国良，宋衍，杨立昌，等 ．新型电动潜油泵砂垢 同防吸入 口的研究与应用 [ J ]．石油机械，2 0 0 6 ， 3 4 66 46 5 ． 钱钦 ，薛 晶 ，郑勇 ，等 ．提高 电潜 泵采油 系统 效率 的优化设 计 [ J ]．石油 天然气 学报 ，2 0 0 6 ，2 8 41 3 41 3 5 ． 尚键 ． 数据传输 系统在 电潜泵井 的应用[ J ]．化工 之友 ，2 0 0 6 2 5 6 5 7 ． 刘新岩，李飞明，张祖良．高含砂油井液对电潜泵 的破坏形式及改进措施 [ J ]．石 油机械 ，2 0 0 6，3 4 3 6 3 6 5 ． 李建忠，王海成 ，李宁 ．油气 田开发 中二氧化碳腐 蚀的危害与研究现状 [ J ]．广州化工 ，2 0 1 1 ，3 9 2 1 2 12 4 ． 范志刚，李翠楠，王燕 ，等 ．流速对天然气输气管 道腐蚀的影响规律研究 [ J ]． 钻采工艺 ，2 0 1 0 ，3 3 2 8 89 0 ． 付强 ，朱荣生 ，李维斌 ．扭 曲叶 片离心泵 叶轮 内 维湍流数值模拟 [ J ]．排灌机械，2 0 0 5 ，2 3 3 1 41 6 ． 沈海涛 ，郑水英 ，应光耀 ．圆柱形 叶片潜 油离心 泵 流场的三维数值分析 [ J ]．流体机械，2 0 0 5 ，3 3 1 21 21 5 ． 李 勇辉 ． 氧化锆 陶瓷 增韧 的研 究及 发展现状 [ J ]． 金 田 励 志 ，2 0 1 2 7 3 5 3 ． 第一作者简介 张冠林 ，生于 1 9 8 9年 ，中国石 油大学 华 东 在 读 硕士 研 究生 ，研 究方 向 为流 体 机械 。地 址 2 6 6 5 8 0山 东 省 青 岛市。Em a i l z h a n g g u a n l i n 8 8 8 8 1 2 6．e o m。 收稿 日期 2 0 1 31 l一1 6 本文编辑丁莉萍 1 j] J] J ] ]]J] J ] ] O I二 l寸 l卜l