研究泵內流場(chǎng)尤其是混相流流場(chǎng)是改善潛水深井泵性能的關(guān)鍵。隨著(zhù)PIV技術(shù)、LDV技術(shù)及超聲波技術(shù)的日趨成熟，人們已經(jīng)可以利用這些優(yōu)質(zhì)的流場(chǎng)測試技術(shù)在不干擾流場(chǎng)的情況下進(jìn)行高精度的測量。在加拿大已有人使用這些優(yōu)質(zhì)技術(shù)研究潛水深井泵流場(chǎng)，石油大學(xué)(北京)海洋力學(xué)試驗室針對該問(wèn)題應用PIV(粒子成像測速技術(shù))進(jìn)行了試驗研究，其主要內容是測定不同流量時(shí)泵內流場(chǎng)的分布規律，并對比單相及混相流時(shí)深井泵內流場(chǎng)的異同。
1粒子成像測速及圖像處理技術(shù)
粒子成像測速(PIV)技術(shù)的基本原理①是利用撒在流體中的粒子對光的散射作用，用光學(xué)的方法記錄下粒子在不同時(shí)刻在流場(chǎng)中的位置，從而得到粒子的位移，基于粒子對流場(chǎng)的跟隨性，測出粒子所在位置上流體的速度及瞬時(shí)運動(dòng)參數。
運用PIV技術(shù)，對流場(chǎng)中眾多的粒子情況可以按時(shí)間順序通過(guò)多次曝光記錄在同一圖像上，也可以通過(guò)高速攝影機記錄在不同的圖形上。利用有關(guān)的物理學(xué)及力學(xué)的假設和定律，并根據相應的數學(xué)模型，通過(guò)一系列數字運算即可得出反映流場(chǎng)特性的參數(粒子位移、速度等)。通常，PIV系統主要由照明系統、PIV圖像記錄存儲系統以及PIV處理系統組成。
2小型氣液兩相深井泵模擬試驗裝置
潛水深井泵在井下工作，其工作介質(zhì)也不是單相的，故很難對現場(chǎng)工作的深井泵的流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測試。另外，由于各油田油井地層條件很復雜，難以找到一般性的規律，因此，在實(shí)驗室里建立了一套小型氣液兩相深井泵模擬試驗裝置，如圖1所示。
該模擬試驗裝置主要由液壓控制系統及氣動(dòng)控制系統組成。為了進(jìn)行可視化研究，深井泵模型泵筒及柱塞均采用有機玻璃制造，其泵徑為57mm，柱塞長(cháng)度為0.3m，可模擬沖程為0～0.6m,沖次為0～6次/s,內壓為0.7MPa的工況條件。
3試驗過(guò)程
采用與原油密度及粘度相近的工業(yè)白油作為試驗介質(zhì)，用與白油密度接近的GDX501聚苯乙烯小球作為示蹤粒子。使用10W的氖激光發(fā)生器及相應的光路系統造成的強片光源作為PIV攝像的照明光源，并采用錄像或照相的方法攝制PIV圖像。針對不同的工況，分別對單相和氣液兩相流介質(zhì)條件下深井泵泵筒、泵閥、柱塞等部位進(jìn)行了PIV圖像的錄制和照相，以備進(jìn)一步進(jìn)行分析處理。
4實(shí)驗結果及分析
由于對深井泵固定閥部位流場(chǎng)的研究已有相應的研究成果，而且氣液兩相流PIV圖像處理程序不完善，故這里側重于分析流動(dòng)介質(zhì)為單相流體時(shí)深井泵游動(dòng)閥及柱塞部位的流場(chǎng)。
4.1深井泵泵閥運動(dòng)規律
在試驗中發(fā)現，深井泵泵閥的運動(dòng)規律和以住人們對它的認識不不會(huì )相同，它的運動(dòng)除了有垂直方向的直線(xiàn)運動(dòng)，還伴隨有兩種旋轉運動(dòng)。當柱塞運動(dòng)速度較小時(shí)，閥球繞水平軸上下旋轉；當柱塞運動(dòng)速度較大時(shí)，閥球繞豎直軸水平自轉并且沿閥座內孔邊角即閥座孔圓心軸公轉。其旋轉角速度與柱塞的運動(dòng)速度有關(guān)，柱塞運動(dòng)速度越大，閥球旋轉角速度就越大。閥球的特殊運動(dòng)形式主要與閥球、閥座結構的特殊性及流體的沖擊有關(guān)。深井泵泵閥是一個(gè)球形閥件，當流體繞過(guò)它流動(dòng)時(shí)，在其后部將發(fā)生附面層的脫離現象，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)橫向激動(dòng)力。由于閥球的對稱(chēng)性，這種橫向激動(dòng)力將沿閥球的“赤道”周?chē)芏鴱褪嫉匾苿?dòng)，使閥球不是始終位于閥座孔軸心線(xiàn)上，而是偏離一個(gè)距離且緊靠在閥座邊角上旋轉，這就是“公轉”現象。
另外，由于流體流動(dòng)的不穩定以及閥球的偏離造成流體相對閥球流動(dòng)的不對稱(chēng)性，對閥球將產(chǎn)生一定的撓動(dòng)，使這個(gè)橫向力不是作用于球心，而是在水平面上又有一定的偏心，使閥球在水平面上還有一個(gè)轉動(dòng)，即“自轉”現象。以上結論是在純液體情況下得到的。在氣液混相流時(shí)，由于氣泡的存在，流場(chǎng)擾動(dòng)更加劇烈，而且氣泡對閥球具有一定的沖擊作用，此時(shí)閥球運動(dòng)就更加復雜，除了旋轉運動(dòng)以外，還有上下劇烈的跳動(dòng)。
4.2單相流游動(dòng)閥球的PIV圖像處理結果
從深井泵游動(dòng)閥部位的流場(chǎng)速度矢量可以看出，游動(dòng)閥球周?chē)牧鲌?chǎng)不是對稱(chēng)分布的，其左邊閥隙的邊界層延續到近閥球頂部才脫落。這說(shuō)明固定閥隙兩邊的流體對閥球的作用力是不平衡的，從而使得閥球產(chǎn)生旋轉運動(dòng)。隨著(zhù)沖次的增加，流體流速的提高，閥球邊界層更早發(fā)生脫離，而且閥球周?chē)鲌?chǎng)不對稱(chēng)性依然存在，所以閥球的偏心更加強烈，這和試驗過(guò)程中所觀(guān)察到的閥球運動(dòng)規律是一致的。
可以看出，由于流體對閥球的橫向沖擊力造成閥球偏離軸心，再加上其“自轉”的影響，使得閥球在開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)候都有一定的滯后時(shí)間，從而使泵的抽汲效率降低，造成泵沖程損失。另外，由于閥座形狀的非流線(xiàn)型，使得吸入阻力增大，也使閥球的滯后時(shí)間增加，并使閥球的擾動(dòng)加大。這種閥球的飄移與擾動(dòng)與閥球及閥座的外形有很大的關(guān)系，為使閥球盡量接近于理想狀態(tài)下的上下垂直運動(dòng)，并且為了減少閥隙的過(guò)流阻力，可以改進(jìn)閥罩和閥座的設計，使閥罩限制閥球的跳動(dòng)高度。在保證最大過(guò)流面積的同時(shí)盡量使閥球只做上下垂直運動(dòng)，并將閥罩及閥座外形設計成流線(xiàn)型，以此來(lái)減小過(guò)流阻力。這些改進(jìn)可以減小閥球的擾動(dòng)及縮短開(kāi)啟和關(guān)閉的滯后時(shí)間，從而達到提高泵效的目的。
另外，由該部位流場(chǎng)旋度可以看出，在游動(dòng)閥吸入口柱塞底端與泵筒間有很明顯的兩個(gè)渦旋存在。這是因為柱塞進(jìn)行下沖程運動(dòng)時(shí)，由于柱塞底端有一定的面積，從而在向下運動(dòng)過(guò)程中壓迫其底部的液體向下流動(dòng)。而此時(shí)游動(dòng)閥球處于開(kāi)啟狀態(tài)，游動(dòng)閥球下端的液體被壓入游動(dòng)閥隙，并進(jìn)入柱塞內腔，在柱塞底端部位造成液體回流，從而形成渦旋。這兩個(gè)渦旋大大增加了液體的過(guò)流阻力，同時(shí)也增加了游動(dòng)閥球的擾動(dòng)程度。為了消除渦旋并減小過(guò)流阻力，可將柱塞底部截面積盡量縮小，并使其外形呈喇叭口型，從而減小過(guò)流阻力。
4.3單相流柱塞出口處的PIV圖像處理結果
單相流作用下柱塞頂端出口處流場(chǎng)速度矢量圖。從圖中可以看出,柱塞頂端出口處呈現以下的流場(chǎng)特征：柱塞內部管流呈對稱(chēng)流動(dòng)狀態(tài)，而且流線(xiàn)分布較均勻。這說(shuō)明柱塞內部管流穩定，大致呈層流流動(dòng)狀態(tài)，這一點(diǎn)從柱塞出口處流場(chǎng)旋度中可以更清楚地看到。但在柱塞出口處，由于過(guò)流截面減小以及截面形狀的變化，使得流體在柱塞出口處產(chǎn)生水平速度分量，尤其是在拐角處出現了渦旋,從而產(chǎn)生負壓，增大了過(guò)流阻力。隨著(zhù)沖次的增加，柱塞出口拐角處的渦旋也不斷加強，出口處過(guò)流阻力也相應加大。為了減少渦旋的產(chǎn)生，從該部位分析可知，若柱塞出口拐角處設計成流線(xiàn)型或在該部位制造倒角應會(huì )最大限度地減小渦旋，從而降低該部位的過(guò)流阻力。
5建議
對潛水深井泵應做以下改進(jìn)：
(1)閥球是深井泵中的一個(gè)主要部件，也是易損件，它決定著(zhù)泵的效率及檢泵周期。建議對混相流深井泵采用偏心球形閥球，對于流道狹小的深井泵采用滴形閥球，對? 含砂的抽油井用深井泵則采用鑲有密封膠皮的錐形閥球。
(2)在保證最大過(guò)流面積的條件下，對于閥球罩的過(guò)流斷面形狀，應該盡量采用流線(xiàn)型，以減小過(guò)流阻力。
(3)在設計柱塞的結構時(shí)，應該考慮將柱塞下端的吸入口設計成流線(xiàn)型或喇叭口型，以降低其吸入阻力。在保證柱塞出口有最大過(guò)流斷面的同時(shí)，將柱塞出口流道也設計成流線(xiàn)型，以降低柱塞出口處的過(guò)流阻力。