抽油泵固定凡尔球运动规律的数值模拟

王小兵，吕雷纲，李 森，边 斌，刘 阳，龚浩宇，王多琦

（1.常州大学 石油工程学院，江苏常州 213164；2.Biological and Environmental Sciences and Engineering（BESE）Division，Water Desalination and Reuse Center（WDRC），King Abdullah University of Science and Technology，Thuwal 23955-6900，Kingdom of Saudi Arabia）

关键字：有杆抽油泵；固定凡尔球运动规律；多物理耦合；动网格；接触压力方法

0 引言

国内各油田大约80%的生产井使用有杆抽油技术，全国各大油田60%的产液量、75%的产油量是靠有杆抽油设备采出的［1］。抽油泵作为有杆抽油系统中核心的流体机械，工作原理是其固定凡尔球与游动凡尔球的周期性启闭控制泵内流体的吸入与排出。

通过试验对抽油泵固定凡尔球井下运动规律的测定有很大的困难，因此需要借助于数值模拟等方法。试验研究［2］表明了固定凡尔球的实际运动状态，但未能得出太多具有参考价值的结论；自1967年，ADOLPH［3］考虑固定凡尔球的受力以及运动特性，利用差分法构建了固定凡尔球运动规律的微分方程后，孟英峰等［4-8］从数学模型方面解决微分方程中的奇点问题、魏氏效应等。余海洋等［9］基于MATLAB，针对有杆抽油泵的上冲程阶段进行模拟研究，并探讨了流体的动力特性等因素对吸入特性的影响；吴建军等［10］借鉴前者的理论成果，通过Simulink对抽油泵固定凡尔进行仿真；李凌川等［11］基于FLUENT软件，结合动网格技术和UDF编程，对流体进泵的过程进行数值模拟得到了固定凡尔球的运动规律，在解决固定凡尔球与球罩的碰撞问题时采用了弹性恢复系数来描述固定凡尔球碰撞后的运动规律。以上文献存在一些未能解决的问题：建立的数值模拟对柱塞位移引起泵内体积增大的控制是依靠设置固定凡尔排出口为动边界，这对网格的影响极大，降低了计算的精度；……