针对煤层气井抽油泵存在的机械故障，以及煤层气水平井中凸显出的井斜适应性问题，设计了大斜度杆式泵，如图所示。一方面该泵固定凡尔采用强制闭合和选用重球，有利于解决井斜导致的泵漏失量大的问题。另一方面，与普通柱塞相比，该泵采用三段分体柱塞，游动凡尔通过连杆直接与杆柱相连，其开启、闭合依靠抽油杆柱往复运动的驱动力，受井斜影响较小，刮砂导流槽有助于冲洗泵筒，预防卡堵泵。在出现卡堵泵后解卡无效情况下，杆式泵可以不动管柱更换井下泵，避免释放套压以及压井作业对煤层造成的伤害，同时实现快速恢复生产。

                        大井斜三柱塞泵运行示意图

随着计算机技术的的发展，CFD数值模拟技术越来越多地被应用在初期设计分析中。CFD模拟技术具有成本低，能模拟复杂工况的的优点。因此在初期设计中，针对所关心的流场分布、杂质分布和泵效等问题，进行数值模拟，为工程设计提供参考。实际物理模型往往影响因素众多，同时鉴于CFD模拟对计算机资源具有较高的要求，因此，在实际模拟中，要综合考虑计算精度和计算效率的问题，对实际物理模型做合理简化。

大井斜三柱塞泵CFD模拟

CFD模型的简化与建立

（1）抽油泵由于具有面对称结构，流动也具有面对称结构，因此，为了减小计算量，采用半模模型计算；另外由于尾管等支撑装置只起到对抽油泵等设备的支持作用，对泵效没有影响。因此建立模型时可以忽略它，简化示意图如下图示；

                    大井斜三柱塞泵简化示意整体图

（2）假设泵筒内壁为光滑的。抽油泵在抽油初期其内壁为光滑的，但是随着工作时间的延长，由于原油中的砂石等杂质的摩擦，内壁可能产生划痕等，但是这对泵效的影响不大，所以假设内壁是光滑的；
 （3）柱杆和柱塞简化为动边界。柱塞的运动可以由动边界的运动规律实现，所以用动边界代替柱杆和柱塞；
 （4）固定阀处于被动运动状态，受力复杂，包括弹簧预紧力、弹力、泵筒支持力、流体压力和重力等。且固定阀的运动对抽油泵泵效影响较大，因此在上述受力分析基础上用六自由度模型实现固定阀的被动运动，具体设置见3.3节；
 （5）考虑柱塞和泵腔之间的间隙，考虑漏失对泵效的影响。下图为柱塞和泵腔间缝隙简化示意图。

                     大井斜柱塞泵简化模型示意图

网格划分

                                       抽油泵三维模型图

                                                      局部网格

            局部边界层

              整体网格图

计算结果分析

                                1s时刻速度云图（单位：m/s）

        1s时刻速度矢量图（单位：m/s）

                              10s 时刻局部速度云图（单位：m/s）

                  10s时刻局部速度矢量图（单位：m/s）

大井斜柱塞泵流体的压力云图

泵内压力分布如图所示，开始t=1s时刻，拉杆与柱塞发生极微小位移，固定球阀尚未开启，球阀上腔微小速度导致的压降较弱，压强主要由重力主导，可以看到压强出现分层，最底端压强最大；大约在t=3.5时刻开始，由于拉杆和柱塞的运动速度变快，流体速度变大，球阀上表面腔内压降变大，固定球阀开启，流体交汇，在重力和流速共同作用下，球阀下表面压强大于上表面，固定球阀逐渐向上运动；另外可以看到此时柱塞下端空腔中流体压强主要受流速控制，重力分层不明显。随着拉杆和柱塞运动速度的不断增大，如在10s时刻，球阀上下表面压差越来越大，此时球阀受制于弹簧的固定位置，位置不再变化。
从30s开始，拉杆开始下冲程运动，流体向下运动，动压冲击耦合重力作用，固定球阀关闭。40时刻流场图如图所示。

           1s时刻压强分布（单位：Pa）

                      10s时刻压强分布（单位：Pa）

                                10s时刻压强分布三维（单位：Pa）

 煤粉的分布

  计算中假设煤粉从底部入口随流体流入泵筒。煤粉的分布受泵筒中流体流态影响很大，尤其是涡结构的影响。具体情况如图所示。

         10s时刻煤粉浓度分布（kg/m3）

                            40s时刻煤粉浓度分布（kg/m3）

附：UDF程序

1.      拉杆运动控制

#include "udf.h"

DEFINE_CG_MOTION(Lagan2,dt,vel,omega,time,dtime)

{

  NV_S(vel,=,0.0);

  NV_S(omega,=,0.0);

  vel[1]=0.3*3.14/30*sin(3.14*time/30);

  Message("\n lagan vel:%f\n",vel[1]);

}

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