研究泵內(nèi)流場(chǎng)尤其是混相流流場(chǎng)，是改善抽油泵性能的關(guān)鍵所在。石油大學(xué)(北京)為此研制了一套氣液兩相流液壓抽油泵模擬試驗(yàn)裝置。這種裝置由單相流試驗(yàn)裝置和混相流試驗(yàn)裝置構(gòu)成，前者能比較真實(shí)地模擬井下的各種工況和抽油泵內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)，后者可模擬不同的油氣比。為了在不干擾流場(chǎng)的條件下定量完成流場(chǎng)的瞬態(tài)測(cè)量，給出平面流場(chǎng)的速度矢量圖和旋度場(chǎng)等揭示流場(chǎng)瞬態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的圖像處理結(jié)果，采用了具有測(cè)量精度高、空間分辨率強(qiáng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)的粒子成像測(cè)速(PIV)先進(jìn)技術(shù)。
    抽油泵是油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要設(shè)備之一，改善抽油泵的性能可有效地提高油田的原油產(chǎn)量，從而提高油田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。目前對(duì)抽油泵的研制工作大致可分為以下三個(gè)方面。
    (1)基于力學(xué)分析，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)條件和受力條件的簡(jiǎn)化，對(duì)泵閥開(kāi)啟和下落過(guò)程進(jìn)行力學(xué)描述；
    (2)根據(jù)生產(chǎn)需要以功能設(shè)計(jì)為原則，在原抽油泵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，如防砂卡泵和防氣抽稠油泵的開(kāi)發(fā)；
    (3)以研究抽油泵效率及其影響因素為目的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的有關(guān)測(cè)試和觀察研究。
    如大慶石油學(xué)院進(jìn)行的抽油泵能耗測(cè)試研究，采用壓力傳感器和位移傳感器測(cè)量抽油泵進(jìn)出口壓力歷程曲線、閥球壓差變化曲線以及示功圖、漏失量等。
    目前，對(duì)改善泵性能的最根本的問(wèn)題——泵內(nèi)流場(chǎng)還無(wú)人涉及。關(guān)于泵閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律、泵內(nèi)結(jié)構(gòu)的合理性論證及其改進(jìn)等問(wèn)題解決的關(guān)鍵因素是泵內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)，所以研究泵內(nèi)流場(chǎng)尤其是混相流流場(chǎng)是改善抽油泵性能的關(guān)鍵所在。隨著PIV(粒子成像測(cè)速)技術(shù)、LDV(激光多普勒液流速度計(jì))技術(shù)及超聲波技術(shù)的日趨成熟，人們可以利用這些先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)在不干擾流場(chǎng)的情況下達(dá)到測(cè)定的高精度，在加拿大已有使用這些先進(jìn)技術(shù)研究抽油泵流場(chǎng)的實(shí)例，但未見(jiàn)有關(guān)成果的發(fā)表。因此，利用PIV等先進(jìn)技術(shù)對(duì)抽油泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行研究以改進(jìn)抽油泵的結(jié)構(gòu)是今后發(fā)展的大方向。鑒于此，石油大學(xué)(北京)海洋工程研究室開(kāi)展了抽油泵內(nèi)流場(chǎng)可視化研究，由于這方面尚無(wú)先例可循，計(jì)劃先從試驗(yàn)著手，理論與實(shí)踐并舉。
    抽油泵模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)思路
    抽油泵在井下的工作介質(zhì)不是單相的，故對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作的抽油泵泵腔內(nèi)流場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試比較困難。為了節(jié)省時(shí)間和資金，又能測(cè)試一般情況下抽油泵泵腔內(nèi)流場(chǎng)狀況，必須使抽油泵模擬試驗(yàn)裝置具有氣源和液源，以及可視化研究條件，而且流量可調(diào)，還應(yīng)能對(duì)單一液相和氣液兩相時(shí)泵內(nèi)流場(chǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行可視化觀察和記錄，因此整個(gè)泵腔應(yīng)是透明的。另外，由于流場(chǎng)變動(dòng)特性較強(qiáng)，應(yīng)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。為觀察泵沖次對(duì)流場(chǎng)的影響，抽油桿動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)可調(diào)。
    模擬試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    為模擬現(xiàn)場(chǎng)抽油泵的柱塞及光桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，必須選擇合適的動(dòng)力系統(tǒng)。一種方案是縮小現(xiàn)場(chǎng)抽油泵的地面動(dòng)力系統(tǒng)，即采取電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的驢頭驅(qū)動(dòng)方式。這種方案的缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴，占地面積大，不適合于實(shí)驗(yàn)室用。另一種方案是直接用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)繩索通過(guò)滑輪使光桿及柱塞上下運(yùn)動(dòng)，但為保證系統(tǒng)平衡需配置平衡重，另外換向微電動(dòng)機(jī)的選擇也有困難。以上兩種方案都無(wú)法模擬泵內(nèi)進(jìn)出口壓力，也不能調(diào)節(jié)泵流量。為解決以上問(wèn)題，筆者采用液壓控制系統(tǒng)及氣動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的模擬。液壓控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)柱塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)和控制進(jìn)出口壓力，氣動(dòng)控制系統(tǒng)則控制混相流時(shí)的進(jìn)氣。同時(shí)，液壓控制系統(tǒng)又分為兩大部分：第一大部分是動(dòng)力油缸液壓系統(tǒng)，它是主要的動(dòng)力源；第二大部分是抽油泵壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，主要是用來(lái)控制抽油泵進(jìn)出口壓力并為泵供油。下面分別就這三個(gè)部分加以介紹。
    1.動(dòng)力油缸液壓系統(tǒng)
    動(dòng)力油缸液壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力油缸、行程開(kāi)關(guān)、二位四通電磁換向閥、溢流閥、油泵和調(diào)速閥構(gòu)成，流程如圖1所示。
技術(shù)一
1—?jiǎng)恿τ透祝?—二位四通電磁換向閥；3—調(diào)速閥；4—溢流閥；5—油泵；6、7—行程開(kāi)關(guān)
    工作原理：當(dāng)動(dòng)力油泵向動(dòng)力油缸上端供油時(shí)，驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)光桿向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光桿觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)6時(shí)，二位四通電磁換向閥換向，動(dòng)力油泵開(kāi)始向動(dòng)力油缸下端供油，驅(qū)動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)光桿向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)光桿觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)7時(shí)，二位四通電磁換向閥再次換向，重新開(kāi)始下一個(gè)沖程。調(diào)速閥可以調(diào)節(jié)活塞運(yùn)動(dòng)速度，從而來(lái)改變沖次，溢流閥則可調(diào)節(jié)動(dòng)力油缸內(nèi)的壓力，改變柱塞驅(qū)動(dòng)力。
    2.抽油泵壓力補(bǔ)償系統(tǒng)
    抽油泵壓力補(bǔ)償系統(tǒng)主要由油箱、油泵、順序閥、蓄能器、抽油泵、壓力表、壓力油箱和溢流閥組成，流程如圖2所示。
技術(shù)二
1—油箱；2—油泵；3—順序閥；4—蓄能器；5—抽油泵；6—壓力表；7—壓力油箱；8—蓄能器；9—溢流閥
    工作原理：油泵始終處于工作狀態(tài)，溢流閥則調(diào)節(jié)到一定壓力，當(dāng)抽油泵進(jìn)出口壓力超過(guò)調(diào)節(jié)壓力時(shí)，溢流閥溢流，進(jìn)口壓力降低；當(dāng)進(jìn)口壓力過(guò)低時(shí)，油泵向壓力油箱注油，從而使進(jìn)口壓力上升至調(diào)節(jié)壓力。兩個(gè)蓄能器的作用是避免抽油泵進(jìn)出口壓力的劇烈波動(dòng)，保證抽油泵的進(jìn)出口壓力達(dá)到工況要求。
    3.氣動(dòng)控制系統(tǒng)
    氣動(dòng)控制系統(tǒng)由氣泵、氣體流量計(jì)、電磁開(kāi)關(guān)、單向閥和行程開(kāi)關(guān)組成，流程如圖3所示。
技術(shù)三
1—?dú)獗茫?—?dú)怏w流量計(jì)；3—電磁開(kāi)關(guān)；4—單向閥；5—抽油泵；6—行程開(kāi)關(guān)
    工作原理：當(dāng)抽油泵做上沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)打開(kāi)，氣體通過(guò)單向閥進(jìn)入抽油泵，當(dāng)光桿接觸到上行程開(kāi)關(guān)時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)關(guān)閉，氣路不通，這時(shí)抽油泵做下沖程運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光桿再次接觸下行程開(kāi)關(guān)時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)打開(kāi)，氣路開(kāi)通，再次向抽油泵內(nèi)供氣。
    模擬試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)
    模擬試驗(yàn)裝置分為兩大部分：第一大部分是單相流試驗(yàn)裝置，主要由動(dòng)力油缸、有機(jī)玻璃泵筒及柱塞、液壓控制系統(tǒng)組成，是抽油泵模擬試驗(yàn)裝置的核心部分，其最突出的特點(diǎn)在于利用液壓控制系統(tǒng)帶動(dòng)柱塞做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有行程穩(wěn)定、換向迅速、模擬井下工況完備等特點(diǎn)，能比較真實(shí)地模擬井下的各種工況及抽油泵內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)。第二大部分是混相流試驗(yàn)裝置，主要由氣泵、氣體流量計(jì)、電磁開(kāi)關(guān)及水箱組成。這套混相流裝置的特點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易行，功能相對(duì)完善，可以模擬不同的油氣比，而且進(jìn)氣完全由行程開(kāi)關(guān)帶動(dòng)的電磁開(kāi)關(guān)控制，能夠比較真實(shí)地模擬井下的各種工況。另外，為便于觀察和測(cè)試，柱塞和泵筒用有機(jī)玻璃制成，從而達(dá)到了利用本試驗(yàn)裝置觀察、測(cè)試泵內(nèi)流場(chǎng)的目的。試驗(yàn)裝置是經(jīng)過(guò)不同方案的優(yōu)化論證最終選定的，結(jié)構(gòu)輕巧，功能完備，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，操作方便，能夠很好地模擬抽油泵的運(yùn)行及泵內(nèi)的各種工況。這套試驗(yàn)裝置是具有創(chuàng)新特點(diǎn)的模擬抽油泵試驗(yàn)裝置，與國(guó)內(nèi)外同類模擬裝置相比，無(wú)論在造價(jià)上還是綜合性能上都有其獨(dú)特之處。
    圖象采集及處理系統(tǒng)
    為了在不干擾流場(chǎng)的情況下，能定量完成流場(chǎng)的瞬態(tài)測(cè)量，并能給出平面流場(chǎng)的速度矢量圖、旋度場(chǎng)等揭示流場(chǎng)瞬態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的圖象處理結(jié)果，采用了粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)。粒子成像測(cè)速技術(shù)具有測(cè)量精度高、空間分辨率高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，是目前測(cè)量復(fù)雜流場(chǎng)較先進(jìn)的技術(shù)。它可以凍結(jié)某一時(shí)刻的流場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài)，從而揭示出隱藏的湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)。測(cè)量結(jié)果具有足夠的精度，可以從一個(gè)矢量中減去大的平均速度，因而可以分別給出平均速度、脈動(dòng)速度、漩渦等全面反映流場(chǎng)狀況的流動(dòng)參數(shù)，這是熱線熱膜法以及LDV等測(cè)試技術(shù)所不具備的。
    PIV圖象采集及處理系統(tǒng)配置如圖4所示。
技術(shù)四
    從總體上看，一個(gè)完整的PIV系統(tǒng)可分為三大部分：一是照明系統(tǒng)，它的功能是產(chǎn)生光源；二是記錄系統(tǒng)，它的功能是產(chǎn)生粒子流動(dòng)的雙(多)曝光圖象；三是查詢系統(tǒng)，它的功能是提取和顯示圖象中的速度場(chǎng)等流動(dòng)參數(shù)。
    模擬試驗(yàn)裝置中照明系統(tǒng)采用10W的氖激光器，記錄系統(tǒng)采用錄像機(jī)，查詢系統(tǒng)采用石油大學(xué)(北京)開(kāi)發(fā)的PIV圖象處理軟件。