適用于返排液射流泵的取樣器設計及有限元分析

耿敏濤 柳 愿

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

0 引言

目前油田試油時取樣普遍采用的方法是通過鋼絲繩作業把取樣器放入井筒取樣，這種方法增加了一道工序，從而增加了作業費用和作業時間[1]。還有一種不需要通過單獨作業即可取樣的取樣器，是2015年4月中國石油集團渤海鉆探工程有限公司已獲國家授權的“射流泵取樣器”（專利號：201510173864.4）[2]。其主要結構由單向閥、取樣倉和開關滑套組成，通過開關滑套的上下滑動實現地層液體和取樣倉的通斷，而開關滑套的開啟壓力較大（3.1MPa），會降低射流泵的泵效，因此需有進一步的改進與優化。

在上述調查與研究的基礎上，一種新型的適用于返排液射流泵的取樣器設計思路被提出。這種取樣器結構簡單、安裝方便，且與射流泵泵芯連接，不需要單獨進行取樣工序，不會影響泵效，能準確獲取地層流體樣品。目前，該裝置已申請一項實用新型專利并獲國家授權。這種名為“一種適用于返排液射流泵的取樣器”（專利號：201620022665.7）目前正進行室內試驗與數據分析，后期將會在部分油田進行現場試驗與應用。

1 基于射流泵泵芯返出地面的取樣器設計

1.1 結構

井下取樣器一般分為兩大類：第一類是氣體取樣器；第二類是液體取樣器。所取的樣本不同，取樣器的結構也有所不同。筆者設計的取樣器屬于井下液體取樣器，是油田試油排液用射流泵的配套設備，其結構如圖1所示。

圖1 射流泵取樣器結構示意圖

1.2 工作原理

射流泵取樣器工作時，將取樣器安裝在射流泵泵芯的下端，隨泵芯一起投入井筒，靠重力自由下落或泵送入位，當下落到泵筒內的預定工作位置時對泵芯進行鎖定，下單向閥3設定的開啟壓力為0.2～0.5MPa，由于井底壓力高于單向閥開啟壓力，上單向閥1和下單向閥3都會自動打開，地層流體通過轉換接頭4上的孔道流向下單向閥3的進口，鋼球被推開，彈簧壓縮，流體進入取樣筒2再進入射流泵，射流泵工作前和工作時，取樣筒和泵芯內部連通，射流泵停止工作后兩個單向閥同時自動關閉，通過下入泵芯解鎖工具進行解鎖，從油套環形空間注入動力液使取樣器隨同泵芯返出地面，卸掉壓力計5和轉換接頭4，從取樣器下端頂起鋼球即可放出液體樣品。

1.3 性能特點

① 主要由兩個單向閥、取樣筒和轉換接頭組成，結構和原理都比較簡單，易于加工，成本較低；② 取樣準確，由于該取樣器安裝在射流泵的下端，只有地層流體通過該取樣器，所以取到的樣品是純地層流體；③ 開啟壓力小，對泵效的影響??；④ 利用射流泵泵芯返排地面完成取樣，減少施工工序和成本。

2 部分結構的有限元分析

2.1 取樣筒有限元分析

取樣筒作為取樣器的承載元件，在井下壓裂過程中承受內外高壓，支撐取樣器?，F將Solidworks中建成的取樣筒的三維實體另存為igs格式，添加到workbench的靜力學分析中，然后進行有限元分析。

有限元分析時網格劃分采用六面體網格（Hex Dominant）劃分方法，劃分后的模型如圖2所示。按實際工作情況，取樣筒的兩端采用固定約束，筒外施加壓力20MPa。分析后的云圖分別如圖3、圖4、圖5所示。已知取樣筒的材料初步設定為Q235碳為235 MPa，最大應力為176.84MPa，因此滿足工況要求。

圖2 取樣筒網格劃分圖

圖3 取樣筒變形圖

圖4 取樣筒應變云圖

圖5 取樣筒應力云圖

圖6 鋼球網格劃分圖

圖7 鋼球變形圖

圖8 鋼球應變云圖

圖9 鋼球應力云圖

2.2 鋼球有限元分析

有限元分析時對鋼球施加0.5MPa壓力。網格劃分后的模型如圖6所示。分析后的云圖分別如圖7、圖8、圖9所示。初步確定鋼球的材料采用GCr15鋼，其屈服強度為518.42MPa，其性能滿足工況的要求。

3 結論

提出的新型的可隨射流泵泵芯返出地面的取樣器設計方案，不僅減少了作業工序和成本，還克服了“射流泵取樣器”設計中出現的取樣器開啟壓力高、取樣時影響泵效、取樣不準確等一系列問題。目前，該適用于返排液射流泵的取樣器已申請實用新型專利，后期將會對其進行進一步的優化并在部分油田進行現場試驗和應用。

[1]石艷.反排式射流泵排液技術在油田測井中的應用[J].科技資訊，2011（16）：115.

[2]劉士旺，朱寶峰，雷明，等.射流泵取樣器：201510173864.4[P].2015-09.