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摘要：滑片式采油泵作为一种全金属容积泵，主要应用于稠油热采领域。针对滑片泵滑片旋转与滑动的耦合运动特征，基于计算流体力学相关方法，建立了滑片泵流场数值实验模型，对滑片泵理想状态下的流场进行了数值模拟研究。研究结果表明：当滑片腔处于吸液区时，滑片腔内体积增大，压力下降，流体被吸入到滑片腔；当滑片腔处于排液区时，滑片腔内体积缩小，压力上升，流体被排出滑片腔；滑片腔入口与出口位置速度高，有利于油砂快速通过滑片泵；滑片泵流量与转速成正比，随时间变化相对稳定，流量输出具有一定的弱周期性。
关键词：滑片泵；稠油热采；数值模拟；排砂；流量输出
引言
稠油热采技术广泛应用于中国的辽河、胜利、河南、新疆、大港和吉林等稠油区[1]。稠油热采井温度较高，这对采油泵的耐高温与密封可靠性提出了更高要求。中石油勘探院研制了一种新型全金属滑片泵，具有良好的耐高温性能。滑片在离心力的作用下沿定子内表面滑动，滑片长度可以补偿磨损，具有良好的密封可靠性。滑片泵的运动方式复杂，国内外对滑片泵内部流场理论研究很少。本文首次基于计算流体力学相关理论与方法对滑片泵内流场进行了数值模拟，研究结果对滑片泵的设计具有重要理论指导意义。
1.滑片泵数值试验模型
中石油勘探院针对稠油热采井实际需要，研制了多级串联六滑片泵，可以降低每级的举升压力。每级结构相同，其中一级结构见图1。每级结构包括1个定子、1个转子、2个级间隔板，6个滑片。当转子转到图1a相位时，三滑片腔与入口相连，三滑片腔与出口相连。当转子转到图1b相位时，二滑片腔与入口相连，二滑片腔与出口相连。两种工况交替出现。
a b
图1 滑片泵机械结构
滑片泵每级定子内腔由4个区域组成，其中区域1和3各占80°，由圆弧围成。区域2和4各为100°，由偏心圆弧围成，分别与出入口相接且重合（出口入口弧度均为100°）。该滑片泵有六个腔，由定子，滑片，偏心转子密封。旋转时工作腔容积发生变化产生吸液排液效果。根据滑片泵几何模型，忽略转子上的半圆槽结构与滑片结构，每隔1度进行体积积分，计算出随角度变化时所对应的容积变化规律。当滑片腔位于区域1与区域3时，容积没有变化，不排液也不吸液。（2）水力结构。根据液体在泵体内的流动情况，简化过程中删除原始CAD模型中不影响流场的特征以及容易造成计算发散的小干涉和小间隙。选取滑片泵出入口创建面，使用流体域填充，从而形成流体域中蓝色部分。（3） 网格离散。本研究采用有限元方法生成网格，并应用重叠网络技术和动网格技术来处理转子旋转、滑片旋转与滑动。
2.滑片泵流场数值试验研究。
2.1 工况一流场特性
腔内压力变化规律与容积变化过程相关。与入口相连的三个容积腔随时间变化容积增大，根据流体力学抽吸原理，产生负压导致腔内压力下降，流体被吸入到这三个容积腔内。其中滑至区域2中间部分的腔室体积变化率最大，该腔内低压最低，滑至区域2两侧位置的两个腔室体积变化率较小，腔内低压较高。与出口相连的三个容积腔随时间变化容积缩小，产生流体压缩效应，腔内压力上升，流体被排出滑片泵，其中滑至区域4中间部分的腔室体积变化率最大，该腔内高压最高，滑至区域4两侧位置的两个腔室体积变化率较小，腔内高压较低。速度矢量由转动速度和吸液或排液速度叠加组成，由于泵转速恒定，泵内流体的转动速度均匀、稳定。
2.2 工况二流场特性
与入口相连的两个容积腔随时间变化容积增大，腔内压力下降，流体被吸入到这两个容积腔内。其中滑向区域2中间位置的腔体积变化率最大，该腔低压最低，滑离区域2中间位置的腔体积变化率较小，该腔内低压较高。综合对两种工况的流场分析发现：越靠近出入口处的流速越大。对于出砂井由于泵入口流速较快，油砂高速由入口吸进吸液腔，油砂在较高转速下很快被带入排液腔流向出口，泵出口流速较快，能够有效排砂防止出入口沉砂、堵塞。
2.3 滑片泵流量输出特性
基于数值模拟结果，得到滑片泵出口截面的体积流量，统计出不同转速下滑片泵旋转一周出口截面的体积流量随时间变化数值。根据计算数据，绘出转速为160（r/min）的体积流量曲线。根据以下曲线发现，流量变化具有明显的规律，一定转速下，泵流量相对平稳，在一个较小的流量范围内波動变化，基本上以旋转60°为一个周期。结合对滑片泵内部流场和流量曲线的分析可以发现：滑片泵体积流量整体相对稳定，具有一定的周期性波动，与出入口不相连的腔内容易产生蹩压，当其滑至出口时突然泄压，流量瞬时会产生震荡。
2.4 流量与转速关系
本研究计算模拟了80（r/min），120（r/min） ，160（r/min），240（r/min），320（r/min）转速下的泵体积流量，流量与转速成正比，流量随转速的增加而增加。对泵内流体区域进行积分并结合转速，相应转速下的滑片泵理论设计流量。这里将计算出的理论设计流量与数值模拟流量值进行比较，横坐标为转速分别为80（r/min），120（r/min），160（r/min），240（r/min），320（r/min），纵坐标为泵的平均体积流量，蓝色曲线为数值模拟值，粉红色曲线为理论设计值。由图可以发现模拟值与理论设计值基本一致，误差较小，达到了设计目的，符合设计要求。
3.结论
3.1当滑片腔处于吸液区时，滑片腔内体积增大，压力下降，流体在压差作用下被吸入到滑片腔，流体速度在入口处最大。当滑片腔处于排液区时，滑片腔内体积缩小，压力上升，流体在压差作用下被排出滑片腔，排出速度在出口位置最大。
3.2滑片腔入口流体速度高，会把砂粒快速吸入到滑片腔内并向上运移到滑片泵上方，当滑片腔转换到排液区后，排液腔入口处的高速流体又把油砂快速排出滑片泵，滑片泵具有良好的排砂特性。 3.3滑片泵流量与转速成正比，随转速增加而增加，滑片泵流量输出随时间变化相对稳定，具有一定的弱周期性。
参考文献：
[1]王大为，周耐强，牟凯.稠油热采技术现状及发展趋势. 西部探矿工程，2008，（12），129-131.
作者简介：薛亮（1973-），男，满族，讲师，博士，1997年本科毕业于北京航空航天大学，2000年硕士毕业于中国空气动力研究与发展中心，2007年博士毕业于中国石油大学，主要从事油气井流体力学研究。
基金项目：国家自然科学基金创新研究群体项目（批准号：51221003）资助
关键词：滑片泵；稠油热采；数值模拟；排砂；流量输出
引言
稠油热采技术广泛应用于中国的辽河、胜利、河南、新疆、大港和吉林等稠油区[1]。稠油热采井温度较高，这对采油泵的耐高温与密封可靠性提出了更高要求。中石油勘探院研制了一种新型全金属滑片泵，具有良好的耐高温性能。滑片在离心力的作用下沿定子内表面滑动，滑片长度可以补偿磨损，具有良好的密封可靠性。滑片泵的运动方式复杂，国内外对滑片泵内部流场理论研究很少。本文首次基于计算流体力学相关理论与方法对滑片泵内流场进行了数值模拟，研究结果对滑片泵的设计具有重要理论指导意义。
1.滑片泵数值试验模型
中石油勘探院针对稠油热采井实际需要，研制了多级串联六滑片泵，可以降低每级的举升压力。每级结构相同，其中一级结构见图1。每级结构包括1个定子、1个转子、2个级间隔板，6个滑片。当转子转到图1a相位时，三滑片腔与入口相连，三滑片腔与出口相连。当转子转到图1b相位时，二滑片腔与入口相连，二滑片腔与出口相连。两种工况交替出现。
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图1 滑片泵机械结构
滑片泵每级定子内腔由4个区域组成，其中区域1和3各占80°，由圆弧围成。区域2和4各为100°，由偏心圆弧围成，分别与出入口相接且重合（出口入口弧度均为100°）。该滑片泵有六个腔，由定子，滑片，偏心转子密封。旋转时工作腔容积发生变化产生吸液排液效果。根据滑片泵几何模型，忽略转子上的半圆槽结构与滑片结构，每隔1度进行体积积分，计算出随角度变化时所对应的容积变化规律。当滑片腔位于区域1与区域3时，容积没有变化，不排液也不吸液。（2）水力结构。根据液体在泵体内的流动情况，简化过程中删除原始CAD模型中不影响流场的特征以及容易造成计算发散的小干涉和小间隙。选取滑片泵出入口创建面，使用流体域填充，从而形成流体域中蓝色部分。（3） 网格离散。本研究采用有限元方法生成网格，并应用重叠网络技术和动网格技术来处理转子旋转、滑片旋转与滑动。
2.滑片泵流场数值试验研究。
2.1 工况一流场特性
腔内压力变化规律与容积变化过程相关。与入口相连的三个容积腔随时间变化容积增大，根据流体力学抽吸原理，产生负压导致腔内压力下降，流体被吸入到这三个容积腔内。其中滑至区域2中间部分的腔室体积变化率最大，该腔内低压最低，滑至区域2两侧位置的两个腔室体积变化率较小，腔内低压较高。与出口相连的三个容积腔随时间变化容积缩小，产生流体压缩效应，腔内压力上升，流体被排出滑片泵，其中滑至区域4中间部分的腔室体积变化率最大，该腔内高压最高，滑至区域4两侧位置的两个腔室体积变化率较小，腔内高压较低。速度矢量由转动速度和吸液或排液速度叠加组成，由于泵转速恒定，泵内流体的转动速度均匀、稳定。
2.2 工况二流场特性
与入口相连的两个容积腔随时间变化容积增大，腔内压力下降，流体被吸入到这两个容积腔内。其中滑向区域2中间位置的腔体积变化率最大，该腔低压最低，滑离区域2中间位置的腔体积变化率较小，该腔内低压较高。综合对两种工况的流场分析发现：越靠近出入口处的流速越大。对于出砂井由于泵入口流速较快，油砂高速由入口吸进吸液腔，油砂在较高转速下很快被带入排液腔流向出口，泵出口流速较快，能够有效排砂防止出入口沉砂、堵塞。
2.3 滑片泵流量输出特性
基于数值模拟结果，得到滑片泵出口截面的体积流量，统计出不同转速下滑片泵旋转一周出口截面的体积流量随时间变化数值。根据计算数据，绘出转速为160（r/min）的体积流量曲线。根据以下曲线发现，流量变化具有明显的规律，一定转速下，泵流量相对平稳，在一个较小的流量范围内波動变化，基本上以旋转60°为一个周期。结合对滑片泵内部流场和流量曲线的分析可以发现：滑片泵体积流量整体相对稳定，具有一定的周期性波动，与出入口不相连的腔内容易产生蹩压，当其滑至出口时突然泄压，流量瞬时会产生震荡。
2.4 流量与转速关系
本研究计算模拟了80（r/min），120（r/min） ，160（r/min），240（r/min），320（r/min）转速下的泵体积流量，流量与转速成正比，流量随转速的增加而增加。对泵内流体区域进行积分并结合转速，相应转速下的滑片泵理论设计流量。这里将计算出的理论设计流量与数值模拟流量值进行比较，横坐标为转速分别为80（r/min），120（r/min），160（r/min），240（r/min），320（r/min），纵坐标为泵的平均体积流量，蓝色曲线为数值模拟值，粉红色曲线为理论设计值。由图可以发现模拟值与理论设计值基本一致，误差较小，达到了设计目的，符合设计要求。
3.结论
3.1当滑片腔处于吸液区时，滑片腔内体积增大，压力下降，流体在压差作用下被吸入到滑片腔，流体速度在入口处最大。当滑片腔处于排液区时，滑片腔内体积缩小，压力上升，流体在压差作用下被排出滑片腔，排出速度在出口位置最大。
3.2滑片腔入口流体速度高，会把砂粒快速吸入到滑片腔内并向上运移到滑片泵上方，当滑片腔转换到排液区后，排液腔入口处的高速流体又把油砂快速排出滑片泵，滑片泵具有良好的排砂特性。 3.3滑片泵流量与转速成正比，随转速增加而增加，滑片泵流量输出随时间变化相对稳定，具有一定的弱周期性。
参考文献：
[1]王大为，周耐强，牟凯.稠油热采技术现状及发展趋势. 西部探矿工程，2008，（12），129-131.
作者简介：薛亮（1973-），男，满族，讲师，博士，1997年本科毕业于北京航空航天大学，2000年硕士毕业于中国空气动力研究与发展中心，2007年博士毕业于中国石油大学，主要从事油气井流体力学研究。
基金项目：国家自然科学基金创新研究群体项目（批准号：51221003）资助