旋转气锚的理论研究与设计_毕业设计(论文).doc

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 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） abstract the 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 anchor 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 design 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 efficiency 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 第第 1 1 章章 前前 言言 1 1 1.1 问题的提出和研究意义1 第第 2 2 章章 气锚油气分气锚油气分离离机理研究机理研究 2 2 2.1 分气原理2 2.2 常用气锚综合对比5 2.3 螺旋式井下油气分离器结构及工作原理.10 2.4 螺旋式油气分离器的优缺点及适用范围.12 第第 3 3 章章 气锚的设计计算方法气锚的设计计算方法 1414 3.1 简单气锚设计计算.14 3.2 螺旋式井下油气分离器参数设计计算.15 第第 4 4 章章 影响气锚分气效率的结构和参数分析影响气锚分气效率的结构和参数分析 1818 4.1 简单气锚分气效率因素影响.18 4.2 螺旋结构参数及操作参数敏感性分析.21 第第 5 5 章章 新型旋转气锚设计新型旋转气锚设计 2424 5.1 新型旋转气锚设计方案.24 5.2 新型旋转气锚结构设计.25 5.3 理论计算及强度校核.28 结结 论论 3232 参考文献参考文献 3333 致致 谢谢 3434 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。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；vf为 液体上升速度；vg为流动液体中气泡上升速度；vfv液体垂直分速；vfh为液体水 平分速；l1为气帽高度；l2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) 2 dog o =(-) 1.8 d g v 式中 气泡在静止液体中的上浮时的速度， cm/s； d v 气泡直径，cm,一般取 0.10.2cm； d 原油密度，g/cm3； o p 气密度，g/cm3； g p 油的动力粘度，pas； o 重力加速度，cm/s2。 g 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，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，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。6 2.2 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。7 2.2.2 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（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，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 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 6 的速度为零，这部分空气泡沫将上升到锚管环形空间顶部的孔进入油套管环空。 第四阶段是流入中心管携带小气泡在螺旋气锚分离。进入螺旋气锚的气液混合物 和的旋转流动通过螺丝固定装置，由于石油和天然气的密度是不同的，离心力使 流动的原油在螺旋的外侧和流动气泡在里面的螺丝，并形成一个大的气泡上升到 柯蒂氏器官上盖，然后通过单向阀进入油套管环空。 s31-3 型气锚的分气原理如图 2-6 所示，该型气锚的分气过程与 s31-2 型基本 相同，也分为四个阶段，只是次序有所改变：第一阶段是单独的石油和天然气在 锚管环；第二个阶段是单独的石油和天然气在锚管孔部分；第三阶段是分离的石 油和天然气在油套管环空；第四阶段是石油和天然气分离在优越的螺旋气锚。 1-泵吸入口；2-套管；3-排气阀；4-气罩；5-螺旋轴；6-螺旋；7-外管；8-孔眼；9-锥 筒；10-内中心管；1-封隔器 图 2-5 s31-2 型气锚分气原理图 图 2-6 s31-3 型气锚分气原理图 s31-2 型和 s31-3 型双级高效气锚通过现场 24 口井的使用，有效井 21 口， 占 87.5%。其余的 3 口井因油气比小于 80m3/t 和供液不足，效果不明显，共增产 23127.3t 平均泵效由原来的 30.1%提高到 41.7%。对气锚前后示功图对比，功图 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 7 明显改善，说明这两种类型的气锚来减少气体对泵效率有重大的影响,取得了明显 的经济效益和社会效益。9 综上所述，可以得出如下结论： 这两种类型的气锚将重力式气锚和离心式气锚有机的结合在一起,既吸收 了很长时间,要克服的缺点都单独使用； 设计合理，性能可靠，加工容易，使用安全，分离油气效果比较好，具有 推广使用的价值； 可以满足油田的需求点的生产技术，适应性强。 2.2.3 新型迷宫气锚 将新的迷宫气锚是重力分离原理和原则的离心分离的有机的结合在一起，基 本气锚主要由上、下两层。优于离心螺旋气锚,降低综合气锚为重力分离和离心分 离，会使石油和天然气流经长度相同的锚管与双其分离效果。根据大小的石油天 然气(气液比)的任何系列、高效分离的石油和天然气是实现。也可以为低产井、 下沉负面分离石油和天然气井，维持油井生产时间。28 井的现场应用表明，新的 迷宫气锚、油气分离效果理想，有效提高泵效率,平均泵效率从 28.9%提高到 28.9%。 (1)结构 新的迷宫气锚(基本)主要由上、下两层。优于离心气锚；下属综合气锚的重 力和离心分离。基本型气锚结构如图 2-7 所示： 1-上级外管；2-排气管；3-阀球；4-气罩；5-上级螺旋总成；6-心轴；7-排气变径接头； 8-锁母；9-下级外管； 10-中心管；11-下级螺旋总成；12-下级外套 图 2-7 新型迷宫式气锚(基本型)简图 这种气锚具有以下几个显著的特征： 低气锚采用螺旋结构,将重力分离原理的“回流效应”和“离心效应”原 理的离心力的有机结合成为一个整体,等于锚管长度在同一区域在两个油气分离 过程在同一时间； 更高的气锚排气阀可以防止由于石油套管气压过高使燃气流回气锚的现象； 降低排气阀气锚结构的飞机，也可以作为一个止回阀； 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 8 如果井气液比太高或原油粘度较大，基本两级气锚脱气效果仍不理想气锚， 可以在前面的上部气锚安装的一个或多个气锚，以形成任何系列的气锚，以实现 高效分离的石油和天然气； 较低的外套可以设计生产井下沉负面程度,通过控制尾管和套管压力,保持良好的 生产。 (2)分气原理 这种新型的迷宫式气锚的分气原理如图 2-8 所示： 1-上级外管；2-气罩；3-上级外管；4-心轴；5-上级螺旋总成；6-下级螺旋总成；7-中心 管；8-下级外管；9-下级外套 图 2-8 新型迷宫式气锚（基本型）分气原理图 这种气锚的分气过程分为三个阶段： 第一阶段，通过液位洞洞的气锚的气液混合物分离在第一个地方。当气液 混合物刚刚进入了锚管,流体在水平方向,在影响下的气体和液体之间的密度差, 气泡垂直向上的速度,再加上一个气液混合物倒入气锚孔时产生的影响和干扰,更 加速了气液分离,因此,在这个过程中,首先对气液分离,分离出气泡上升到顶部的 锚管,通过通风系统的油套管环形空间； 第二阶段，到锚管和液体流到下面的洞内的泡沫分离锚管环形空间。新的 迷宫气锚在第二阶段是：事实上，以下两个点和合成气过程，其一为重力分气过 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 9 程：气液混合物经气锚孔旁边的液体流动，逐步在一起成大气泡，小气泡之间的 密度差异由于气体和液体和液体螺旋流，一部分大气泡分离并上升到锚管顶部的 环形空间，第二个离心气过程：进入第二阶段的混合物在重力分离，有一些大的 泡沫分离浮力，但大多数的小气泡仍然是液体。因为新的迷宫气锚在降低采用螺 旋结构,离心力的作用下，气泡由于低密度沿螺旋线内侧提升，浮到顶部锚管环形 空间通过排气线油套环形空间，和液体相比，因为密度大，沿横向向下旋转。 第三阶段，携带流体流向中心管的小气泡在上级是螺旋气锚分离。通过 中心的低气锚管到上级螺旋气锚是气液混合物通过螺旋叶片旋转流生成，由于气 体和液体之间的密度差,离心力使液流沿螺旋的外侧,气泡沿内的螺旋上升。当气 泡上升到上面的螺丝装配在顶部,到空气中，通过阀的油套管环空。 (3)安装新型迷宫式气锚时，有几点需要注意： 新的迷宫气锚应该支持地面空气溢流阀使用,否则效果不理想。但是地面 溢流阀来控制压力不宜过高,最好在 1 mpa 以内 (负值沉没度油井除外)； 超过 30 t 是诱导日产液量的油井,气液比大于 150 应该选择基本的多级气 锚； 螺旋距是影响分气效果好或坏的重要参数之一。根据不同的生产井应选择 不同的螺距(在锚筒外径一定的条件下)在一定条件下，合合理的螺距应是气液混 合物进入锚筒内的流速大于液流流经泵阀孔径时流速的 20%为宜； 对于油井腐蚀气体含量较高，螺钉装配螺旋叶片厚度不宜过小，应该在 2.5 毫米以上； 较低的外套是针对储层深、低容量、快速下降,生产是负当下潜的油井设计。 对于这种类型的好，可以在较低的外套加入小尾管直径、排气尾管的长度可以确 定基于预期的动态液面深度。好一旦出现负面的下沉，但通过控制套压按油成小 尾管在保持石油上升高度，最终使油井产量仍能维持一定的时间。如果油井生产 能力稳定,不会出现负下沉,可以拆卸夹克在一个较低的水平。 这种新的迷宫气锚，大港和冀东油田采用了 28 口井(气液比超过 150 的 18 口， 气液比在 150 的 10 口)，有效井 26(其余 2 井由于容量过低,生产几天然后关井)， 有效率为 92.8%。平均泵效率从 28.9%提高到 43.8%，油井示功图，基本消除泵 效应的影响的气体。例如端口 22 38 和 828 - 10 井，在使用新的迷宫气锚，泵效 率分别为 21%和 21%，同比增长 68%和 51%，取得了明显的经济效益。 通过以上分析可以看到，偏心气锚，两级高效气锚，新的迷宫气锚各有特点， 在设计原则的三种气锚分气体也各不相同,三种气锚是更有效的。我们需要通过实 验,研究了不同结构尺寸对流体流速、流体粘度、气液比的适应性，并建立相应的 计算模型，设计了计算油气分离器。 2.3 螺旋式井下油气分离器结构及工作原理 在锚管环形空间形成气泡，部分的直径较大的气泡，为浮动利率在一定程度 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 10 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，因液体的速度为零，这部分空气泡沫将上升到锚管环形空间顶部的孔进入 油套管环空。 目前的螺旋式气锚大体分为单一式和组合式两大类。 1 抽油泵；2 排气孔；3 单流阀；4 气罩；5 锚壳；6 螺杆；7 套管；8 中心管；9 封隔器； 10 密封窗；11 泄油窗；12 上中心管；13 下中心管；14 吸入口。 图 2-9 螺旋式井下油气分离器结构 图 a 是一种单一式螺旋气锚结构示意图。直接进入螺旋流道实现螺旋气液混 合物分离，分离后的气体和液体在防毒面具纪律处分。气体在防毒面具，形成 “气顶” ，当压力达到一定值，打开单阀进入油套管环形空间；液体是沿着防毒 面具和锚定到外壳壁进入泵。 图 b 是一种组合式螺旋气锚结构示意图。气液混合物从锚壳侧孔进入气锚， 然后下沉和折叠成中央管，因为“回流效应” ，气液混合物分离是第一次。第一 次分离后的液体从中心螺旋管进入螺旋流道分离。经螺旋分离后的气体和液体的 流动方向如同图 a 所示。 图 c 是一种带封隔器的组合式气锚结构示意图。气液混合物的中心从封隔器 管进入气锚，锚壳侧孔进入环形空间，使用“回流效应” 。第一次分离后的液体 从中心到螺旋管进入螺旋流动分离。经螺旋分离后的气体和液体流动方向如图 a 所示。 图 d 是另一种带封隔器的组合式气锚结构示意图。气液混合物从封隔器中心 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 11 管经气锚入螺旋流环形空间内的螺旋分离。分离后的螺旋气体螺旋上升，形成一 个“气顶”围绕一个防毒面具，然后在形式的一个连续的空气流入油套管环形空 间，并含有少量的气液把锚从排水窗口设置，以实现环形空间重力分离后的液体， 重力分离从锚壳进口通过中心管进入泵。 上述四种结构的螺旋气锚，前三种气罩是单阀,其目的是防止液体、气体回流， digaofen 气体效应。当泵冲程，气体压力在空气陷阱通常低于单阀顶部的压力, 气体不能打开阀的油套管环空。泵冲程随着时间的推移,由于惯性的液体在螺旋通 道，突然打开了气体压力的壳单阀，部分套环形空间气体进入油。因此，气体不 能顺利进入油套管环形空间，气锚分气效果差。如果没有单阀，气体更容易套环 形空间的形式，连续空气流入油、提高能力的气体气锚点。10 其工作原理是：在泵冲程的密度,原油和天然气有很大的差异，在进入油气分 离器孔、大直径部分原油泡沫分离原油在套管环形空间，和不断上升的移动高于 液位、油套环形空间(正常螺旋井下油气分离器没有这个过程)。当混合物的石油 和天然气的分离器液孔切向进入螺旋通道，在螺旋通道和生产两种分离方法，一 个是沿重力方向的，重力分离是沿着轴的离心分离。 重力分离方式是：当混合物的石油和天然气液分离器的进洞里，是径向流动 的液体，气体向上垂直速度、直径为一个低流量区大气泡上升到顶部的石油和天 然气分离器，再从上发泄到外管和套管环形空间，小直径的气泡流区螺旋通道， 当液体泵在下冲程停止，因为流速为零，所以留在分离器是泡沫的一部分通过外 管和螺旋叶片，螺旋叶片与通道的半圆圈中心管之间上升到顶部的分离器，通过 外管的顶部向外发泄和套管环形空间。 离心分离只发生在泵冲程，即当混合物的石油和天然气的液体进洞后切向进 入螺旋通道、液体和气泡沿螺旋分离器轴做运动同时，密度小的气泡接近轴，向 上运动，通过螺旋叶片与通道的半圆圈中心管上升到顶部的分离器，然后排放到 外管和套管的环形空间。密集的液体离轴和外管，然后向下移动到工作筒内，再 到泵吸水室。流的过程中螺旋运动,溶解气体分子在液体也会在离心力的作用下， 轴方向，收集，形成气泡，然后分离。 2.4 螺旋式油气分离器的优缺点及适用范围 螺旋井下油气分离器使用聚合湍流使泡沫和离心分离的原则,最大限度地利用 套管横截面积来降低流速的石油和天然气进入泵前，提高“回流效应”的气体。 此外,通风开放联合在顶部，在大体积上形成“气顶” ，当它有利于气体连续流动 顺利返回率较小的油套管环空。在进入分离器的石油和天然气的整个流动过程中， 螺旋分离器可以增加尽可能多的从结构的油气分离效率。可以说，这个分离器实 现了二次油气分离，即使在不利条件下(高粘度、高产量、高气油比)还有一个更 好的效果。 在分离器封隔器的下部加长尾管至油层中(或顶)部，有利于在油气进泵前充 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 12 分利用气体能量将油举升至一定高度，减少油气从井底到泵口处的滑脱损失，从 而降低井底流压。对于中低含水、原油密度低的井，适当选择尾管直径尺寸参数 可以减小油水滑脱而防止井筒积水。即使在不加深泵挂的条件下，也会明显降低 井底流压，有利于提高产量。螺旋式井下油气分离器与封隔器式气锚一样，都不 适用于不能下封隔器及出砂的油井内，对泵到油层中部的距离较大(我国有相当多 这种油井)、产量较高的高油气比油井具有特殊的意义。11 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 13 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 14 第 3 章 气锚的设计计算方法 3.1 简单气锚设计计算 一般简单气锚设计需要计算以下主要参数： (1)计算气锚外壳内径 d1和吸入管外径 d2 如前所述，欲使气锚分气效率高，一般是取气锚环形空间液流速度 vf等于需 要分离的最小气泡的上浮速度 vd，也就是 vg=0。如果忽略气体密度，取 g=0，则 公式(2-1)可改写为 (3-1) 2 d0 /1.8vd gv 式中 原油的运动粘度，cm3/s。 0 v 气锚环形空间液流速度为 (3-2) 22 f 2222 120120 /4 ()60/4()60 pp d snd sn v dddd 式中 气锚环形空间液流速度，cm3/s； f v 抽油泵活塞直径：cm； p d 光杆冲程：cm；s 冲数：min-1；n 泵效； 气锚外壳内径：cm； 1 d 吸入管外径：cm； 2 d 气锚体积利用系数。 0 根据实验结果一般取 0.6，如果也取 0.6，则公式(3-2)可简化为 0 (3-3) 2 p f 22 12 60() d sn v dd 由设计原则 (3-4) df vv 将式(3-1)，( 3-3)代入式(3-4)得 (3-5) 2 op2 12 2 0.03v d sn dd d g 而考虑结蜡和摩阻压降不能过大，一般选用直径 32mm,或考虑摩阻压降 2 d 小于 0.01mpa。 (2) 计算气锚分离室长度 为了保证在上冲程泵吸入过程中使分离室内气泡不带入吸入管，分离室体积 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 15 至少要等于泵一个冲程吸入体积，所以 (3-6) 2 p 2min 22 o12 () d s l dd 式中 气锚分离室最小长度，cm。 min2 l 气锚分离室最大长度，应保证泵在每个冲程排油时间内，将需要分离的最小 气泡上浮到气帽内，所以由公式(3-1)可知 (3-7) 2maxod 30/lk vn 式中 气锚分离室最大长度，cm； max2 l 滑脱经验常数。 o k 如果取 1.2，公式(3-7)可简化为 o k (3-8) 2 2maxo 20/ld g nv 计算出和后，选两者之间大值作为分离室长度。 min2 l max2 l (3) 确定进液孔尺寸 依照 j.扎巴的建议，进液孔长度应为气锚壳外径的 1.5 倍。 (4) 气帽长度的确定 排气阀上下压力差等于气帽长度的液柱压力和气柱压力的差值，因此，气帽 长度可表达为 1 l (3-9) 1 1g 100 () w l f 式中 排气阀与进液孔之间距离(即气帽长度)，m； 1 l 排气阀球质量，kg；w 排气阀座孔面积，m2；f 液体密度，kg/cm3； 1 气体密度，kg/cm3。 g 3.2 螺旋式井下油气分离器参数设计计算 根据井下分离原则的螺旋的油气分离器，利用石油和天然气是高速旋转湍流 和离心分离石油和天然气。为了简化计算，假设均匀分布在液体中气泡；气泡朝 着螺旋槽在考虑离心力的作用；忽略重力的作用；液体密度是一致的；气液混合 物以相同的速度旋转的螺旋槽。 (1) 在层流方式下根据气泡所受液体的离心力与气泡径向运动的阻力，可得 出气泡在螺旋中的运动微分方程 (3-10) r dr d v d 2 18 式中 气泡在螺旋中的角位移增量：rad；d 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 16 气泡在螺旋中的径向位移增量：cm；dr 气泡旋转半径，螺旋入口最外侧的气泡到出口时的径向距离：cm；r 液体运动粘度：cm/s2；v 气泡旋转角速度：rad/s； 气泡直径，cm。d 积分上式，得 (3-11)r d v ln 18 2 式中 气泡从螺旋入口到出口时所走过的角位移，rad。 由定义可知 (3-12)2/lb 式中 螺旋长度，cm； l 螺距，cm。b 气泡的平均旋转角速度为 (3-13) 2 1 2 2 6 102 rr qm 式中 油气水混合物的螺旋流量，m3/s； m q 螺旋片内半径(吸入管外半径)，cm； 1 r 螺旋片外半径，cm。 2 r 将式(3-12)，(3-13)代入(3-11)得 (3-14) 2- rr e (3-15) 62 m 222 21 0.7 10 () ld q rrb v 设计和选择气锚时，应保证 rr1才能使气体从液体中分出，进入螺旋芯管。 由式(3-13)可以看出： 气泡直径愈大，得到的 r 愈小。 增加螺旋圈数，即增加 l 和减少 b 亦得到小的 r，而且减少 b 更加敏感。 如果 r2小，得到的 r 也小。 如果 qm越大，则 r 越小。所以螺旋气锚更适用于大产量高气油比井。 (2)液气混合物在螺旋内的流量 考虑在吸入口压力下，部分气溶解在原油中，并且只有上行程吸入过程气锚 中油气才流动，液气混合物在螺旋内的流量(m3/s)可用下式表示 (3-16) oso mow a 1 43200 qrrp qqq p 式中 日产油量，m3/d； o q 日产水量，m3/d； w q 气油比，m3/m3；r 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 17 溶解气油比，m3/m3； s r 标准大气压，取 0.1 mpa； o p 吸入口压力(绝对)，mpa。 a p (3)计算分离系数 在通常情况下分离系数越趋于 1，则分离效果越好，分离系数可用下式表达 (3-17) -2 1 e 式中 为分离系数，小数。 (4)求分离效率 即分离后的理论泵效，可用下式表达 (3-18) o a 1 11 p r p 求实际螺旋长度 其表达式为 (3-19) 2 b kl 式中 k 为保险系数，一般取 510。12 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 18 第 4 章 影响气锚分气效率的结构和参数分析 4.1 简单气锚分气效率因素影响 (1)流体气液比对分气效率的影响 气锚分离器的分气效率随气液比的变化情况如图 4-1 所示。可以看到，随着 气液比的增加，分气效率逐渐增大。其原因是，随着气液比增大，一方面，气泡 数量增加，气泡之间的相互影响增强，气泡穿过分离器孔眼的阻力增大；另一方 面，气泡的直径也增加，滑脱速度增大，分气效率提高。 图 4-1 气液比对分气效率的影响 (2)流体流速对分气效率的影响 如图 4-2 可见，分气效率随着流速的增大而增大，但分气效率随流速增大的 程度不如气液比增加时那么明显。因为流速增大，气体的流量增大，气泡的直径 增大，气泡的滑脱速度增大，气泡通过分离器孔眼的阻力增加，从而提高了分气 效率。经上部分离后的原油向下运动，在螺旋环形空间加速呈螺旋流动，在离心 力的作用下，未分离完的小气泡聚积在环形空间内侧形成大气泡和气流，经螺旋 片上的排气孔向上运动，并在油气分离器顶部环形空间形成“气帽” ，经外管上 部排气孔排出；原油聚积在环形空间外侧向下运动流入内管进泵。在分离器封隔 器的下部加长尾管至油层中(或顶)部，有利于在油气进泵前充分利用气体能量将 油举升至一定高度，减少油气从井底到泵口处的滑脱损失，从而降低井底流压。 活塞下冲程，因液体的速度为零，这部分空气泡沫将上升到锚管环形空间顶部的 孔进入油套管环空。第四阶段是流入中心管携带小气泡在螺旋气锚分离。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 19 图 4-2 流速对分气效率的影响 (3)流体粘度对分气效率的影响 如图 4-3 是分气效率随粘度的变化情况。可见，随着油的粘度的增大，分气 效率明显降低。其主要原因是由于粘度的增加，气泡的滑脱速度减小；同时，液 体携带气泡的能力增强，使得分气效率降低。 图 4-3 粘度对分气效率的影响 (4)分离器长度对分气效率的影响 如图 4-4 可知，随着分离器长度的增大，分气效率提高。经上部分离后的原 油向下运动，在螺旋环形空间加速呈螺旋流动，在离心力的作用下，未分离完的 小气泡聚积在环形空间内侧形成大气泡和气流，经螺旋片上的排气孔向上运动， 并在油气分离器顶部环形空间形成“气帽” ，经外管上部排气孔排出；原油聚积 在环形空间外侧向下运动流入内管进泵。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 20 图 4-4 分离器长度对分气效率的影响 (5)分离器直径对分气效率的影响 图 4-5 可以看到，随着分离器直径的增大，分气效率先逐渐提高，当直径为 75mm 时，分气效率最高，然后，分气效率又逐渐降低。其原因是，在分离器直 径比较小的时候，随着分离器直径增大，分离器外筒和吸入管之间的环形空间逐 渐增大，流速减小，油携带气泡的能力减弱，使分气效率提高；当分离器的直径 比较大了以后，如果再增加分离器的直径，由于直径的增加使得分离器和套管之 间的环形空间减小，流动速度增大，径向流动速度也增大，使更多的被液体携带 到分离器的内部，分离器外筒和吸入管之间油的流动速度因为气体量的增加也相 应增加，使得分气效率反而降低。 图 4-5 分离器直径对分气效率的影响 (6)分离器孔数对分气效率的影响 图 4-6 可知。随着分离器孔数的增大，分离器的分气效率逐渐提高。分离器 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 21 孔眼数越少，孔眼数的增加对提高分气效率越明显。原因是孔眼数越多，流过孔 眼的流体流速越小，因此，分离器外筒和套管之间的环形空间中流体的径向速度 越小，进入分离器内部的气泡数也相应地减少，从而提高了分气效率。 图 4-6 分离器孔数对分气效率的影响 (7) 分离器孔径对分气效率的影响 图 4-7 可以看出，随着分离器孔眼直径的增大，分气效率逐渐降低。因为分 离器孔眼直径越大，跟随油流进入分离器的气泡的增加，而且，孔眼直径增加以 后，直径更大的气泡也能进入分离器内部，使得分气效率降低。 图 4-7 分离器孔径对分气效率的影响 4.2 螺旋结构参数及操作参数敏感性分析 螺旋式井下油气分离器的不同结构参数对其分离性能有着比较大的影响，分 离效果可从可分离出的气泡直径看出，可分离出的气泡直径越小，说明其分离效 果越好；反之，说明分离效果差。影响分离效果的主要结构参数有螺旋片的外半 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 22 径、内半径、螺旋长度及螺距等。 图 4-8 螺旋片内、外半径与可分离气泡直径的关系 图 4-8 和图 4-9 分别示出其它参数不变情况下螺旋片外半径、内半径、螺旋 长度及螺距分别与可分离气泡直径的关系。曲线 1 为螺旋片外半径与可分离气泡 直径的关系；曲线 2 为螺旋片内半径与可分离气泡直径的关系。 图 4-9 螺旋片螺距及螺旋长度与可分离气泡直径的关系 曲线 1 为螺旋长度与可分离气泡直径的关系；曲线 2 为螺距与可分离气泡直 径的关系。 从图 4-8 看出，螺旋片外半径增加，可分离气泡的直径增大，分离效果变差， 这是由于分离室体积增大，液流流速减小，离心力减小，气泡进入中心管距离变 大而引起的；随着螺旋片内半径的增加可分离气泡的直径减小，分离效果变好， 其原因正与上述原因相反。由图 4-9 可看出，随着螺旋长度的增加或螺距的减小， 可分离气泡的直径减小，分离效果变好，而且减小螺距更加敏感，这是由于这样 的变化可以增加液流的旋转次数，加强了分离效果。影响分离效果的操作参数主 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 23 要有日产液量和下泵深度等。图 4-10 所示是其它参数不变情况下它们分别与可分 离气泡直径的关系。 从图 4-10 可以看出，日产液量越大，流速越快，离心力越大，分离效果就越 好。而下泵深度只是通过影响流体温度、粘度来影响分离效果，因而影响不大。 在图 4-10 中，曲线 1 为日产液量与可分离气泡直径的关系；曲线 2 为泵深与 可分离气泡直径的关系。 图 4-10 泵深及产液量与可分离气泡直径的关系 综合起来看，螺旋式井下油气分离器的分离效果主要与其螺距、螺旋片外半 径以及产液量、气油比有关。由此可得出结论：增加螺旋圈数，即增加螺旋长度 和减小螺距，分离效果好；螺旋片外半径减小，螺旋分离效果变好，同时由于螺 旋直径减小，可增大油套管环形空间截面积，这又有利于增大“回流效应” ，使 整个分离器的分离效果变好；流量越大，分离效果越好，因而螺旋式井下油气分 离器更适合于大产量、高气油比的油井。根据以上分析可知，螺旋分离器的长度、 外径及螺旋内径(中心管外径)可由环空中分离的“回流效应”的要求来计算。13 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 24 第 5 章 新型旋转气锚设计 5.1 新型旋转气锚设计方案 设计目标是设计出适合高产量，较低气油比的新型旋转油气分离器。影响分 离器工作性能的关键因素是螺旋的长度和螺距。因此，分析螺旋的长度和螺距对 油气分离器分离效率的影响是设计新型分离器的基础。 新型气锚如图 5-1 所示，其分气原理是油气混合液由外管下部孔道流进内外 管环形空间，由于油气密度差异，小气泡向上运动聚积成大气泡和气流，并在油 气分离器顶部环形空间形成“气帽” ，经外管上部排气孔排出；经上部分离后的 原油向下运动，在螺旋环形空间加速呈螺旋流动，在离心力的作用下，未分离完 的小气泡聚积在环形空间内侧形成大气泡和气流，经螺旋片上的排气孔向上运动， 并在油气分离器顶部环形空间形成“气帽” ，经外管上部排气孔排出；原油聚积 在环形空间外侧向下运动流入内管进泵。 含有小气泡的液流在下冲程中，泵停止吸入时，套管与泵筒的环形空间中液 流速度为零时，它们其中一部分便上浮至分离器上部的油套管环形空间，这样便 又充分利用了液流的“回流效应” 。最后，只有少部分小气泡在上冲程被液流携 带经吸入口沿中心管进入泵内，达到油气分离之目的。 分气效率随着流速的增大而增大，但分气效率随流速增大的程度不如气液比 增加时那么明显。因为流速增大，气体的流量增大，气泡的直径增大，气泡的滑 脱速度增大，气泡通过分离器孔眼的阻力增加，从而提高了分气效率。经上部分 离后的原油向下运动，在螺旋环形空间加速呈螺旋流动，在离心力的作用下，未 分离完的小气泡聚积在环形空