改旋转气锚的理论研究与设计.doc

<p>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

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

目 录
第1章 前 言 1
1.1 问题的提出和研究意义 1
第2章 气锚油气分离机理研究 2
2.1 分气原理 2
2.2 常用气锚综合对比 4
2.3 螺旋式井下油气分离器结构及工作原理 9
2.4 螺旋式油气分离器的优缺点及适用范围 11
第3章 气锚的设计计算方法 12
3.1 简单气锚设计计算 12
3.2 螺旋式井下油气分离器参数设计计算 13
第4章 影响气锚分气效率的结构和参数分析 16
4.1 简单气锚分气效率因素影响 16
4.2 螺旋结构参数及操作参数敏感性分析 19
第5章 新型气锚设计 22
5.1 新型气锚设计方案 22
5.2 新型气锚结构设计 24
5.3 理论计算及强度校核 26
结 论 30
参考文献 31
致 谢 32

32

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。
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。

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。
(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。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。

图2-1 简单气锚

a.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
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; (2-1)
式中 &nbsp;——气泡在静止液体中的上浮时的速度， cm/s；
——气泡直径，cm,一般取0.1~0.2cm；
——原油密度，g/cm3；
——气密度，g/cm3；
——油的动力粘度，Pa·s；
——重力加速度，cm/s2。
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。
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

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。
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。
b.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。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。60－70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，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Pf&gt;Pg，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。
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。
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。
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。
(1) 结构

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

S31－2型气锚和S31－3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。
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;

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;11-
封隔器
图2-5 S31－2型气锚分气原理图 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;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。
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；
② 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；
③ 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;
②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;
③降低排气阀气锚结构的飞机,也可以作为一个止回阀;
④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; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;
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。
(1) &nbsp;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;
② 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,一部分大泡沫分离和上升到锚管顶部的环形空间,发泄油套管环形空间“一”;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,和液体因为密度大,是沿横向向下螺旋;
③ 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。
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；
③螺旋距是重要参数之一的影响分气效果好或坏。根据不同的生产井应选择不同的音高(锚管外国经济)在一定条件下,合理的沥青应该是气液混合物进入锚在气缸速度大于孔径当流速通过阀20%为宜;
④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;
⑤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井(气液比超过150个18,气液比在150年10),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
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,您不能顺利进入油套管环形空间气体,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。
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。&nbsp;
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。&nbsp;
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,形成泡沫,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。

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ρg=0，则公式(2-1)可改写为
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-1)
式中 &nbsp;——原油的运动粘度，cm3/s。
气锚环形空间液流速度为
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-2)
式中 &nbsp;——气锚环形空间液流速度，cm3/s；
——抽油泵活塞直径：cm；
——光杆冲程：cm；
——冲数：min-1；
——泵效；
——气锚外壳内径：cm；
——吸入管外径：cm；
——气锚体积利用系数。
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
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-3)
由设计原则
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-4)
将式(3-1)，( 3-3)代入式(3-4)得
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; (3-5)
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，分离室体积至少要等于泵一个冲程吸入体积，所以
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-6)
式中 &nbsp;——气锚分离室最小长度，cm。
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
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; (3-7)
式中 &nbsp;——气锚分离室最大长度，cm；
——滑脱经验常数。
如果取1.2，公式(3-7)可简化为
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-8)
计算出和后，选两者之间大值作为分离室长度。
(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
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; (3-9)
式中 &nbsp;——排气阀与进液孔之间距离(即气帽长度)，m；
——排气阀球质量，kg；
——排气阀座孔面积，m2；
——液体密度，kg/cm3；
——气体密度，kg/cm3。
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;泡沫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
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; (3-10)
式中 &nbsp;——气泡在螺旋中的角位移增量：rad；
——气泡在螺旋中的径向位移增量：cm；
——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；
——液体运动粘度：cm/s2；
——气泡旋转角速度：rad/s；
——气泡直径，cm。
积分上式，得
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-11)
式中 &nbsp;——气泡从螺旋入口到出口时所走过的角位移，rad。
由定义可知
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-12)
式中 &nbsp;——螺旋长度，cm；
——螺距，cm。
气泡的平均旋转角速度为
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; (3-13)
式中 &nbsp;——油气水混合物的螺旋流量，m3/s；
——螺旋片内半径(吸入管外半径)，cm；
——螺旋片外半径，cm。
将式(3-12)，(3-13)代入(3-11)得
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-14)
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; (3-15)
设计和选择气锚时，应保证r&lt;r1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。
ƒ 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
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-16)
式中 &nbsp;——日产油量，m3/d；
——日产水量，m3/d；
——气油比，m3/m3；
——溶解气油比，m3/m3；
——标准大气压，取0.1 MPa；
——吸入口压力(绝对)，MPa。
(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
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-17)
式中 &nbsp;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
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; (3-18)
(5) 求实际螺旋长度
其表达式为
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(3-19)
式中 &nbsp;K为保险系数，一般取5~10。

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。

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。

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</p>