一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法，属于高气液比油气井潜油电泵采油技术领域。所述方法包括：单级压力降与功率损失计算；各类型熵值组成及其计算；不同工况熵产分布识别；基于熵产计算结果识别潜油电泵内气液相分布。本发明专利技术所述的一种计算方法充分考虑了潜油电泵内气液相互作用和壁面与流体之间的耦合流动，定义了潜油电泵内不同的熵值产率和计算公式，将熵产诊断数值模拟结果与单级潜油电泵功率损失和压降对比，以各流动部件、各类型熵值为基础，从而识别潜油电泵内气液空间分布和流动规律。因此，该方法适用于识别潜油电泵内部气液两相空间分布和流动规律，较现有数值模拟方法，大大提高了识别精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法


[0001]本专利技术属于高气液比油气井潜油电泵采油
，具体涉及一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法。

技术介绍

[0002]潜油电泵其功率大、增压能力强、工作流量和扬程灵活可调，并且地面工艺简单，广泛应用于油气井的液相举升。然而，气相流体的存在会使增压能力明显下降，压力波动上升，降低液相流体的产量和扬程，会导致流道内气穴的形成甚至气锁，致使不得不将生产井关停，开展检泵作业。这样一来，不仅大大降低了油气田的采收率，同时提高了修井作业费用，严重影响了生产效益。因此，准确预测潜油电泵内部气液分布规律，及时调整工作制度以避免“气锁”的发生，对高气液比油气井潜油电泵生产至关重要。
[0003]现有研究主要以实验和数值模拟两种方法为主。实验研究需要一定的基础硬件条件，且实验过程中无法直接观察到潜油电泵内部流动情况。虽然近几年有学者通过采用有机玻璃制作泵体外壳，观察到泵内不同的流型形态，并取得了一定进展，但由于可视化实验的压力和流量范围有限，导致了该方法存在较大的局限性。数值模拟研究能够克服实验压力范围有限的不足，以模拟计算不同工况下电泵内部的气液分布规律，但是基于压力场和速度场的研究难以解释不良流动的动力学机理，无法确定流动过程中不可逆能量损失的位置和空间分布，造成了电泵内部气液相分布预测精度不高。因此，现有数值模拟计算方法在预测潜油电泵内部气液分布时，存在着一定的缺陷。
[0004]离心泵从能量角度其本质是将机械能转变为流体的动能和压能，传递过程中流体的粘性、湍流脉动和与壁面的相互作用，使机械能向内能转化而产生不可逆的能量损失。熵产作为一种衡量能量不规则不可逆性的有效工具，可用于诊断流动过程中不可逆能量损失发生的位置及空间分布，反映离心泵内部的气液流动特征，能够有效提高潜油电泵内部气液相识别精度。
[0005]为此，本专利技术打破常规潜油电泵内部气液识别方法，综合考虑潜油电泵内流体由于相间相互作用和壁面效应造成的能量损失与气液分布规律之间的联系，提出了一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有方法在预测潜油电泵内部气液分布时，存在着一定的缺陷，即不能够准确表征潜油电泵内的能量损失及其空间分布，提出了一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法，为准确预测潜油电泵内部气液分布规律，降低气体对电泵的影响提供理论依据。
[0007]为达到上述目的，本专利技术所述的一种计算方法包括以下步骤：
[0008]步骤一：单级压力降与功率损失计算；
[0009]步骤二：各类型熵值组成及其计算；
[0010]步骤三：不同工况熵产分布识别；
[0011]步骤四：基于熵产计算结果识别潜油电泵内气液相分布。
[0012]本专利技术具有以下有益效果：
[0013]本专利技术所述的一种计算方法充分考虑了潜油电泵内气液相互作用和壁面与流体之间的耦合流动，定义了影响潜油电泵内熵值产率及其组成和计算公式，计算了单级潜油电泵压力增量和功率损失，对不同工况下的熵产分布进行数值模拟，得到该条件下的能量损失大小及其空间分布，对比单级潜油电泵功率损失和压降，以各流动部件、各类型熵值为基础，从而识别潜油电泵内气液空间分布和流动规律。
附图说明
[0014]图1熵产诊断识别方法示意图。
具体实施方式
[0015]为了使本专利技术的目的、计算过程及优点更加清楚明白，以下结合附图1，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0016]图1为熵产诊断气液分布识别方法计算流程，首先建立潜油电泵三维模型并进行网格划分；依据质量、动量、能量守恒进行考虑熵产的数值模拟，得到各流动部件、各类型熵产数值模拟结果，同时计算单级潜油电泵压力、功率损失，与数值模拟结果进行对比验证；对潜油电泵内各流动部件、各类型熵值进行识别分析，得出能量损失来源于气液两相湍流波动和气液与潜油电泵间的壁面效应；基于熵产分析结果识别潜油电泵内气液空间分布和流动规律。
[0017]步骤一：单级压力降与功率损失计算
[0018]根据质量守恒推导能量守恒方程。定义潜油电泵内的液相不可压缩，气相可压缩；气液流体为不与外界发生能量交换的等温流动；不考虑气相中气泡间的相互作用及形态变化。在数值模拟中多相流采用欧拉双流体模型和SST k
‑
ω的湍流模型，潜油电泵内的多相流质量、动量、能量控制方程如下所示：
[0019][0020][0021][0022]其中，α为局部体积分数，ρ为密度，v是速度矢量，k为液相或气相，τ
k
、τ
Tk
、τ
Dk
分别为速度波动应力张量、湍流粘性应力张量、扩散应力张量，M
k
为相间力，E为内能。将潜油电泵内的质量守恒引申到能量守恒，通过计算可得出潜油电泵内各能量分布和转换情况，以局部熵值产率判断气液两相流动规律。
[0023]潜油电泵入口，在潜油电泵中，导轮和叶轮区域的压力损失使用方程进行计算，如
下所示：
[0024][0025][0026]此处，为入口平均压力，为出口平均压力，W
s
为潜油电泵轴功率。计算单级潜油电泵压力增量。
[0027]单级潜油电泵压力增量计算公式：
[0028]Δp＝p
diffuser,out
‑
p
impeller,in
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0029]此处，p
diffuser,out
和p
impeller,in
分别为导轮出口和叶轮入口处的压力。
[0030]根据能量守恒，潜油电泵中的功率损失为总输入功率减去流体做的有用功率，计算公式如下所示：
[0031]ΔE
V,EXP
＝M
·
ω
n
‑
Δp
·
Q
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0032]此处ΔE
V,EXP
为损失功率，M为扭矩，ω
n
为角速度，Δp泵出入口压差，Q
m
为流体流量。由此公式可计算单级潜油电泵能量损失并与熵值作比较。
[0033]步骤二：各类型熵值组成及其计算
[0034]不考虑热量传递和气液两相相变的情况下，潜油电泵内总熵产率分为六个部分分别为，直接计算公式分别如下：
[0035]由时均速度场分布不均匀引起的直接熵产率：
[0036][0037]由脉动作用带来的速度变化引起的湍流熵产率：
[0038][0039]由界面滑移速度引起的扩散熵产率：
[0040][0041]速度波动熵产率与选用的湍流模型相关，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法，其特征在于，所述方法包括如下计算步骤：步骤一：单级压力降与功率损失计算；步骤二：各类型熵值组成及其计算；步骤三：不同工况熵产分布识别；步骤四：基于熵产计算结果识别潜油电泵内气液相分布。2.如权利要求1所述的一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法，其特征在于，单级压力降与功率损失计算，根据质量守恒推导能量守恒方程，定义潜油电泵内的液相不可压缩，气相可压缩；气液流体为不与外界发生能量交换的等温流动；不考虑气相中气泡间的相互作用及形态变化，在数值模拟中多相流采用欧拉双流体模型和SST k
‑
ω的湍流模型，潜油电泵内的多相流质量、动量、能量控制方程如下所示：所示：所示：其中，α为局部体积分数，ρ为密度，v是速度矢量，k为液相或气相，τ
k
、τ
Tk
、τ
Dk
分别为速度波动应力张量、湍流粘性应力张量、扩散应力张量，M
k
为相间力，E为内能，将潜油电泵内的质量守恒引申到能量守恒，通过计算可得出潜油电泵内各能量分布和转换情况，以局部熵值产率判断气液两相流动规律；潜油电泵入口，在潜油电泵中，导轮和叶轮区域的压力损失使用方程进行计算，如下所示：示：此处，
‑
为入口平均压力，为出口平均压力，W
s
为潜油电泵轴功率，计算单级潜油电泵压力增量；单级潜油电泵压力增量计算公式：Δp＝p
diffuser,out
‑
p
impeller,in
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(6)此处，p
diffuser,out
和p
impeller,in
分别为导轮出口和叶轮入口处的压力；根据能量守恒，潜油电泵中的功率损失为总输入功率减去流体做的有用功率，计算公式如下所示：ΔE
V,EXP
＝M
·
ω
n
‑
Δp
·
Q
m
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(7)此处ΔE
V,EXP
为损失功率，M为扭矩，ω
n
为角速度，Δp泵出入口压差，Q
m
为流体流量，由此
公式可计算单级潜油电泵能量损失并与熵值作比较。3.如权利要求1所述的一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法，其特征在于，各类型熵值组成及其计算，不考虑热量传递和气液两相相变的情况下，潜油电泵内总熵产率分为六个部分分别为，直接计算公式分别如下：由时均速度场分布不均匀引起的直接熵产率：由脉动作用带来的速度变化引起的湍流熵产率：由界面滑移速度引起的扩散熵产率：速度波动熵产率与选用的湍流模型相关，与湍动能耗散率ε有关，在SST k
‑
ω湍流模型中，由速度波动引起的湍能波动熵为：由相变过程的传质引起的界面熵产率：壁面熵存在较强的壁面效应，且时均项较大不可忽略，壁面附近熵产率为：其中τ为剪切应力张量，g和l分别为气相和液相，ε是湍流涡旋耗散率，ω是湍流涡旋频率，k为湍流强度；扩散熵产率与相界面滑移速度引起的能量损失相关，界面熵产率与相变过程质量变化引起的能量损失相关，与其他熵产率相比可忽略不计；故总熵产计算公式可简化为：根据此公式计算确定总能量损耗。4.如权利要求1所述的一种考虑熵产诊断的潜油电泵内部气液分布识别方法，其特征在于，不同工况熵产分布识别；(1)流动损失分析通过数值模拟计算潜油电泵内各流动部件、各类型熵产，从而确定泵内各流动部件、各类型熵的能量损失大小，其中，壁面熵、直接熵、湍流熵分别对应壁面能量损失、流动能量损失、湍流能量损失，通过计算结果明确泵内能量损失主要发生位置，具体分析如下：不同转速下泵内部流动特征，包括不同转速下，泵内各流动部件、各类型熵的熵产数值大小；
不同液流速下泵内部流动特征(0.6Qest，0.8Qest，1Qest，1.2Qest，1.4Qest)，包括不同液流速下，泵内各流动部件、各类型熵的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永辉，郭津华，谢川，罗程程，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：