基于Simulink的抽油泵泵阀运动规律仿真.pdf

一 3 2 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 期 ． ． 设计计算 基于 S i m u l i n k的抽油泵泵 阀运动规律仿真 吴建 军 綦耀光 刘新福 王 霞 李延祥 1 ．中国石油大学 华东机电工程学院2 ．中石油煤层气有限公司 摘要 煤层气排采作业中，低沉没度对有杆抽油泵泵阀的正常打开提 出 了更高的要求。通过 对泵阀的开启压差进行精确计算，借鉴往复泵泵阀的理论研 究成果，建 立了泵阀运动数学模 型与 仿真模型。通过 S i mu l i n k对抽油泵泵阀进行仿真，得 到泵筒 内的液体压力变化规律 曲线、泵阀打 开高度 曲线及泵阀运动速度 曲线。分析仿真结果认为，阀球的打开与开启压差有着重要关系，并 不完全 由沉没压力决定；阀球的打开与有杆抽油系统 的 中 程、冲次及泵的结构有关，随着有杆 泵 抽油系统冲程或冲次的增大，泵阀的升程高度相应增大，反之减小。 关键词 煤层气 抽油泵 泵阀 S i m u l i n k 运动规律仿真 目前，煤层气排采的主要设备是有杆泵 ，而煤 层气的排采工艺与石油开采工艺是不完全相同的。 煤层气是在低沉没度下开采 ，沉没度一般几十米 ， 而油井的沉没度一般都为几百米 。低沉没度对有杆 抽油泵泵阀的正常打开提出了更高的要求。国内外 在抽油泵泵阀运动规律研究方面还不全面 ，相应的 研究结果较少。笔者通过对泵阀的开启压差进行精 确计算 ，借鉴往复泵泵阀的理论研究成果 ，即往复 泵 的 阀隙 过 流 面积 和 阀 的 工 作 表 面 的计 算 方 法u 』 ，建立了泵阀运动数学模型与仿真模型。通 过 S i m u l i n k对抽油泵泵阀进行仿真，得到抽油泵泵 筒内的液体压力变化规律曲线、泵阀的打开高度 曲 线及泵阀的运动速度曲线，为研究低沉没度下煤层 气有杆泵排采设备的选型和改进提供了依据。 1 抽油泵泵阀的开启压差计算 抽油泵泵阀的开启和关闭对泵正常工作有着重 要的影响 ，建立合理的泵 阀压差计算公式对泵阀仿 真模型的建立 至关重要。泵 阀根据 阀座 口 密封 部分 结构形式可分为 3类 带护锥式 、不完全 研合式和圆倒角式 。目前主要以不完全研合式阀口 结构为主。 对于不完全研合式 阀 口l 3 J ，阀球所受 的液体 作用力为 p d p下 2 竹 [p 下 r - 粤 ] rd 一 上 1 式中p 下 研 合密封弦以下 阀球所受的液体压 力 ，M P a ； P 研合密封弦 以上 阀球所受 的液体压 力 ，M P a ； d ． 阀球下端承压面直径 ，m m； d 阀球上端承压面直径 ，m m。 若不考虑阀球 的惯性力 ，阀球的开启压差为 △ p P 下 一 P 上 1 2 G ／ [ 盯 d ld ] 2 式中G 阀球 自重，N。 2 泵 阀运动数学模 型的建立 对球阀运动的仿真做以下假设①不考虑流体 在泵筒内的摩阻损失； ②假设泵内液体在各点处的 压力与密度相等；③不考虑阀的滞后性。 基金项 目国家科技重大专项“ 大型油气田及煤 层气 开发” 2 0 0 9 Z X 0 5 0 3 80 0 4 ；中央高 校基本 科研业 务费 专项资 金资助 项 目 0 9 C X 0 4 0 1 4 A ；山东省重点攻关项 目 2 0 0 9 G G 1 0 0 0 7 0 0 8 的部分研究 内容。 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 1 期 吴建 军等 基 于 S i m u l i n k的抽 油泵泵阀运 动规律 仿真 抽油泵固定阀结构如图 1 所示。 泵阀的平衡条件建立 阀的微分方程 ，即 警 p 7 d m 、 式中m 阀球质量 ，k g ； h ￡ 时刻 固定 阀的升程 ，I n ； 固定阀的工作面积 ，m 。 根据上 面建立 的泵筒 内连续方程 ，可建立 固定阀常微分方程组 图 1 抽 油 泵 足 网结 构 示 意 I奎 j 根据泵筒 内各点液体连续方程 J ，在 t 时刻 ， 泵筒内的液体质量为 I F p o 一 I p 3 式中F ， ， 泵筒内的圆面积 ，I n ； 。泵的防冲距容积转换成 的高度 ，m； 阀隙、阀球与阀座形成的体积 见 图 1 ，m。 。 在 t d t 时刻 ，抽油泵柱塞 的位移为 ， 泵筒压力变为 Pd p ，液体 的密度变 为 Pd p，空 间体积为 d ，此时泵筒内的液体质量增加为 式 中 d M 一 I o d x 一 d 】 p 一 [ F p 一 ] p I 一 I 一 p d L F p p d x 4 在 d 时间内经过阀隙流人泵筒的液体质量为 d ／ 2 I p - p l_p d 5 式中P s 经过阀的液体密度 ，k g ／ I n 。 ； 固定 阀隙的过流面积 ，i n ； 流量系数 ，通常取 0 ． 6～ 0 ． 8 ； 系数 ，当P 一 P10时 ，8 1 ，当 P 一 P 0时 ，占 一1 。 在 d 时间内泵筒 内的液体质量增量应等于通 过阀隙流人泵 内的液体 质量 ，即 d M d M 。由此 可得泵 内流体连续方程 。泵筒 内的液体压力 P与密 度 P之间具有一定 的函数关 系 ，即 P _厂 P ，则 上述方程可表示为 d dp ／ 2 1 P s - p l一 p d L 一 誓 I_ _ 6 [ 一 ] 一 假设 固定阀沿 阀座 的中心线做直线运动 。根据 鲁 乎 ， 一 鲁 J 1 I f l l f 0P 。 l 2 l o0 L 3 l 0 0 ．泵内液体的压力 ，P a ； 泵阀的升程 ，m； x 3 泵阀的运动速度 ，n r ／ s 。 的计算公式为 1仃 r W 2 R 一2 R r 一 8 1 0 式 8 中固定阀的工作面积 可由下式计算 竹 r { [ 2 惫 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 期 r 由于游动阀的常微分方程组与固定阀类似，而 且煤层气排采的抽油泵主要问题在于固定阀，所以 这 里不再 赘述 。 3 泵阀运 动仿真模 型的建立 以三交煤层气井 口 S J P O O l 一1为例 ，其井 口 压力 P 0 ． 5 MP a ，排量为 1 0 I n ／ d ，套 管尺寸为 0 1 3 9 ． 7 m m 5 英寸 ，油管尺寸为 6 3 ． 5 m m 2 英寸 ，套压 P ， 0 ． 5 M P a ，抽 油泵排 出 口的压 力P 6 ． 1 MP a ，抽 油 泵 的沉 没压 力 P 0 ． 7 9 4 M P a ，泵阀开启压 差 0 ． 0 0 3 MP a ，余 隙为 0 ． 2 i n ， 泵径 3 8 mm。 利用 S i m u l i n k中的 S o u r c e s常数模块 C o n s t a n t 输入泵筒 面积 、固定 阀的质量 ；在 U s e rD e fi n e F u n c t i o n s模 块 中 利 用 F c n输 入 关 系 函 数 ，在 C o u n t i n o u s 模块中的 I n t e g r a t o r 积分模块输人积分初 值 ，并结合 Ma t h O p e r a t i o n s中的数学运算处理等模 块建立仿真模型 ，通过 S c o p e观测仿真结果 J 。 4实例仿真结果及分析 1 在抽油机 的冲次为 5 ra i n 。 。 ，冲程为 1 ． 5 n ，柱塞的位移变化近似为余弦变化规律 ，即 “ 。 。 ． 7 5[ , - c o s 6 】 ， 仿 真 结 果 如 图 2 ～ 图 4 所 示 。 图 2 柱塞上冲程 泵筒 内液体压力的 变化曲线 图 3 柱塞上冲程 阀球 的升程 曲线 ● I ∞ g 型 缎 妊 兹 墨 图4柱塞上冲程 阀球 的速度 曲线 2 在抽油机的冲次为 5 rai n ‘ 。 ，冲程为 3 i n ， 柱塞的位移变化近似为余 弦变化规律 ，即 “ 。1 ． 5 [1 一 c。s詈 ] 。 仿 真 结 果 如 图 5 一 图 7 所 示 。 图 5 柱塞上冲程泵筒 内液体压力的变化 曲线 ， ∞ 暑 型 捌 镟 匿 图 6 柱塞上冲程 阀球 的升程 曲线 图 7柱塞上冲程 阀球 的速度 曲线 3 在抽油机 的冲次为 1 0 m i n ～，冲程为 1 ． 5 i n ，柱塞的位移变化近似为余弦变化规律 ，即 “ 。 。 ． 7 5【 1 - cos - 】 。 仿 真 结 果 如 图 8 一 图 1。 所 示 。 图 8 柱塞上冲程 泵筒 内液体 压力的变化 曲线 ∞ 如 ∞ 0 m 0 O O O 0 O 0 0 0 0 0 O 7 6 5 4 3 2 1 0 gg碹 碹 木 匿 2 0 1 1 年 第3 9卷第 1 期 吴建军等基于 S i m u l i n k的抽油泵泵阀运动规律仿真 一 3 5一 { ∞ ￡ 铺 一 厘 一 桂枣由 F 死点到 } 死点的时I ／ s 图 9 柱 塞上 冲程阀球 的升程 曲线 图 1 0柱 塞 上 冲程 阀球 的 速度 曲线 对 比图 2～图 4与图 5～图 7可 以看出 ，在抽 油机的冲次都为 5 mi n 时 ，随着 冲程 由 1 ． 5 m变 为 3 m时 ，泵阀升程 的最大高度从 6 ． 6 m m增加到 1 1 ． 8 m m，阀球 的初 始速 度变 大且加 速度 变化 较 大 ，泵筒内液体 的压力变化增大 。分析认为 ，当抽 油机冲程变大时，固定阀球的升程高度增加 ，这样 在低沉没度条件下 的煤层 气井有利 于液体进入泵 中，提高了泵的充满系数 ，也提高了泵效 。最为关 键的是可以提高液体 的人泵速度 ，防止煤粉颗粒在 泵筒中沉降。但这样会造成 阀球的初始速度与加速 度增大，缩短阀球和阀罩的使用寿命 ，泵筒 内压力 变化较大可能造成阀球 “ 抖动” ，对提高泵效不利 。 对比图2～图 4与图 8～图 1 0还可以看出 ，在 抽油机的冲程都为 1 ． 5 m时，随着抽油机的冲次 由 5 mi n 变为 1 0 mi n ～，泵阀升程 的最大高度从 6 ． 6 m m增加到 1 1 ． 7 mm，阀球 的初始速 度 明显 变大 ， 泵筒内压力变化不太明显。分析认为，抽油机的冲 次增加时 ，阀球 的升程高度增大 ，其意义与图 2～ 图 4和 图 5～图 7的对 比结论 一样。当冲次提 高 时，固定阀球的加速度变化较明显 ，这样会缩短阀 球和阀罩的使用寿命 。泵简 内压力变化不大 ，阀球 不会出现大的 “ 抖动” ，从而对泵效不会有较大的 影 响 。 5 结 论 1 阀球 的打开与开启压差有着重要关系 ，并 不完全由沉没压力决定 ，现场 出现的泵阀打不开可 能是 由于泵内混有气体造成泵阀的开启压差较大。 2 阀球 的打开与有杆抽 油系统 的冲程、冲 次及泵的结构 包括 阀球 的大小 、质量等有关。 随着有杆抽油系统冲程或 冲次 的增大 ，泵阀的升程 高度相应增大 ，反之减小 。 3 在煤层气排 采 中，煤 粉在泵 中的下沉导 致抽油泵的检泵周期变短 ，而且由于修井造成的不 连续采气会 降低煤层气 的渗透率。所以提高泵效即 可增大泵内流体的速度 ，即减小泵 内煤粉沉降。通 过该仿真可以合理地调整有杆抽油系统的参数 ，缩 短检泵周期 ，提高采气效率 。 参考文献 赵胜 ．往复泵泵阀的设计计算 [ J ]．化工与通用 机械 ，1 9 8 1 9 3 33 9 ． 宝鸡水泵厂 ．对往复泵 自动阀设计计算方法的分析 和探讨 [ J ]． 化工与通用机械，1 9 7 6 3 1 1 1 2 ． 李俊 杰 ，隋德生 ，蒋凤君 ，等 ．抽 油泵 阀开 启压差 的计算方法 [ J ]．石油机械，1 9 9 8 ，2 6 7 4 2 4 4． 董世民 ． 抽油机井动态参数计算机仿真与系统优化 [ M]．北京 石油工业出版社，2 0 0 3 ． 姚 俊 ，马 松 辉 ． S i m u l i n k建模 与 仿 真[ M]．西 安 西安 电子科技 大学 出版社 ，2 0 0 2 ． 第一作者简介 i吴建军 ，生于 1 9 8 5年 ，2 0 0 8年毕业于 中国石油大学 华东工业设计专业 ，现为该校在读硕士 研究生 ，主要从 事石油机 械和 煤层 气排采 的研 究工 作。地 址 2 5 7 0 6 1 山东省东营市。电话 0 5 4 6 8 3 9 1 2 7 1 。E ma i l w u j j 8 5 1 2 6 ． e o mo 收稿 日期 2 0 1 0 0 72 6 本文编辑王刚庆 ●信息广角 南 阳二机集 团低温钻 机项 目列入 国家火炬计划 国家科技部最近公布了2 0 1 0年度国家火炬计划立项项目，南阳二机石油装备 集团有限公司申报的项 目 “ 适用于 一 4 5℃ 高寒 地区的石油钻机 ”名列其 中。2 0 0 5年 ，该公 司就在国内率先开发 出了低 温钻机 ，先后研 制 出能 够满足 一 4 5℃ 高寒地区钻井作业要求的 1 0 0 0～ 7 0 0 0 m系列低温钻机，产品主要技术指标 已达到国际先进水平，并批量出口到俄罗斯、 加拿大等高寒钻采市场 ，从而带领我国石油钻采装备进人高端市场。在低温钻机研制开发过程中，南阳二机集团形成了一 批具有 自主知识产权 的低 温钻机设计制造核心技术 ，先后 申报专利 2 1 项 ，已授权专 利 1 3项 。 陈 芳芳 罗义丹 ] J] J 1 J] 』1 J 1 2 3 4 5