4.1鉆機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)

1、第四章 鉆機(jī)的循環(huán)系統(tǒng) 鉆機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)包括：鉆井泵、鉆井液池、鉆井液槽(罐)、地面管匯、鉆井液凈化設(shè)備、鉆井液調(diào)配設(shè)備。 鉆井泵是鉆機(jī)循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備，是循環(huán)系統(tǒng)的工作機(jī)。 目前國(guó)內(nèi)外石油鉆機(jī)中采用的鉆井泵都是往復(fù)式液壓泵。習(xí)慣上也把鉆井泵稱為往復(fù)泵。鉆機(jī)循環(huán)系統(tǒng)采用往復(fù)泵，就是為整套鉆機(jī)提供高壓鉆井液。 往復(fù)泵在石油礦場(chǎng)上應(yīng)用非常廣泛。它常常用于高壓下輸送高粘度、大密度和高含砂量的液體，而流量相對(duì)較小。例如：鉆井泵、固井泵(也叫水泥泵)、壓裂泵、注水泵、采油泵等都是在石油礦場(chǎng)常用的往復(fù)泵。 與葉片泵、離心泵等相比，往復(fù)泵具有較高的工作效率和良好的運(yùn)行性能。 一、往復(fù)泵的特點(diǎn)Reciproc

2、ating pump rspr,ket 往復(fù)泵是一種開(kāi)展較早的水力機(jī)械之一。它屬于容積泵。適用于輸送排量相對(duì)較小，壓力較高的液體。 往復(fù)泵包括活塞泵和柱塞泵。活塞泵柱塞泵柱塞泵往復(fù)泵在石油生產(chǎn)中主要用于： 石油礦場(chǎng)上常需要在高壓下輸送高粘度、大密度和高含砂量的液體，而流量相對(duì)不大，這些條件限制了離心泵的作用，因?yàn)樵谶@些條件下離心泵的效率較低，而且極易磨損，所以多采用往復(fù)泵來(lái)滿足上述條件。1、鉆井：循環(huán)泥漿、固井、井口控制設(shè)備的動(dòng)力泵；循環(huán)泥漿固井動(dòng)力泵二、往復(fù)泵的應(yīng)用注水洗井壓裂酸化2、采油：洗井、注水及地層壓裂酸化；二、往復(fù)泵的應(yīng)用3、抽油泵也是一種特殊結(jié)構(gòu)的往復(fù)泵。二、往復(fù)泵的應(yīng)用本節(jié)課學(xué)

3、習(xí)的內(nèi)容1.往復(fù)泵的根本構(gòu)成和工作原理重點(diǎn)2.往復(fù)泵的分類3.活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律4.往復(fù)泵的流量5.往復(fù)泵流量不均勻的危害及解決方案動(dòng)畫(huà)演示如以下圖所示，往復(fù)泵是一種典型的容積式泵。由于活塞(或柱塞)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得包容液體的密封工作空間容積產(chǎn)生周期性變化來(lái)進(jìn)行吸排液體，從而把活塞(或柱塞)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成為液體的壓力能。4.1 概述一、往復(fù)泵的根本組成和工作原理在鉆井過(guò)程中，需要攜帶出井底的巖屑和供給井底動(dòng)力鉆具的動(dòng)力，這種用于向井底輸送和循環(huán)鉆井液的往復(fù)泵，被稱為鉆井泵或泥漿泵。三缸單作用鉆井泵雙缸雙作用鉆井泵1、往復(fù)泵根本構(gòu)成如圖4-1所示，往復(fù)泵由以下兩個(gè)根本局部組成。1液力局部(或稱液

4、力端)包括活塞、液缸、泵閥等部件。液力端的作用是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體能。2動(dòng)力局部(或稱動(dòng)力端)包括曲柄、連桿、十字頭、活塞桿等部件。動(dòng)力端的作用是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換。圖4-1 往復(fù)泵工作示意圖一、往復(fù)泵的根本組成和工作原理2.往復(fù)泵的工作原理及過(guò)程分析 圖4-1所示，為臥式單缸單作用往復(fù)泵工作示意圖。 工作時(shí)，動(dòng)力機(jī)通過(guò)皮帶，傳動(dòng)軸，齒輪等傳動(dòng)部件帶動(dòng)主軸及固定于其上的曲柄旋轉(zhuǎn)。活塞桿由曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，使曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成為活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)曲柄從水平位置自左向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，活塞向右邊(即泵的動(dòng)力端)移動(dòng)，缸內(nèi)容積的擴(kuò)大，液缸內(nèi)便形成一定的真空度，而吸入池中的液體在液面壓力Pa的作用

5、下，經(jīng)吸入管推開(kāi)吸入閥，進(jìn)入液缸內(nèi)，直到活塞移到右死點(diǎn)位置為止。這一過(guò)程稱為液缸的吸入過(guò)程；一、往復(fù)泵的根本組成和工作原理 曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞開(kāi)始向左(即泵的液力端)移動(dòng)，缸套內(nèi)液體受到擠壓，壓力升高，吸入閥關(guān)閉，直到缸內(nèi)壓力升高到大于排出管線上的壓力，排出閥被推開(kāi)，液體經(jīng)排出閥和排出管排出，直到活塞移到左死點(diǎn)為止。這一過(guò)程稱作液缸的排出過(guò)程。 單作用和雙作用：曲柄旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次。單作用泵的液缸完成一次吸入和排出過(guò)程；雙作用泵的液缸完成兩次吸入和排出過(guò)程。 活塞的沖程： 在吸入和排出過(guò)程中，活塞移動(dòng)的距離以S表示，稱作活塞的行程(亦稱為活塞的沖程)。假設(shè)曲柄半徑用r表示，那么活塞的

6、沖程S與曲柄半徑r之間的關(guān)系為：S2r。一、往復(fù)泵的根本組成和工作原理本節(jié)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容1.往復(fù)泵的根本構(gòu)成和工作原理重點(diǎn)2.往復(fù)泵的分類3.活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律4.往復(fù)泵的流量5.往復(fù)泵流量不均勻的危害及解決方案石油礦場(chǎng)用往復(fù)泵可按以下五種方式分類。1.按缸數(shù)分為: 單缸泵、雙缸泵、三缸泵、四缸泵等。 2.按工作件的式樣分為: 活塞泵和柱塞泵。3.按作用方式分為: 單作用泵和雙作用泵。1單作用泵：?jiǎn)巫饔檬奖萌鐖D41所示，其活塞只有其中一面作為工作面?；钊谝焊變?nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，該液缸完成一次吸入和一次排出過(guò)程。二、往復(fù)泵的分類2雙作用泵：如圖42所示，活塞的兩面均為工作面。液缸被活塞分成兩個(gè)工作室，無(wú)

7、活塞桿的為前工作室，有活塞桿的為后工作室，每個(gè)室都有吸入和排出閥?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)一次，其液缸完成吸入過(guò)程和排出過(guò)程各二次。圖4-2 雙作用往復(fù)泵液缸示意圖二、往復(fù)泵的分類4.按液缸的布置方式及其相互位置分為: 臥式泵、立式泵、V形泵、星形泵。5.按傳動(dòng)或驅(qū)動(dòng)方式分為: 機(jī)械傳動(dòng)泵、蒸汽驅(qū)動(dòng)泵、液壓驅(qū)動(dòng)泵、手動(dòng)泵。 通常以泵的上述主要特點(diǎn)來(lái)區(qū)分各種不同類型的泵，如單缸單作用立式柱塞泵、雙缸雙作用臥式活塞泵、三缸單作用柱塞泵等。動(dòng)畫(huà)演示二、往復(fù)泵的分類本節(jié)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容1.往復(fù)泵的根本構(gòu)成和工作原理重點(diǎn)2.往復(fù)泵的分類3.活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律4.往復(fù)泵的流量5.往復(fù)泵流量不均勻的危害及解決方案假設(shè)往復(fù)泵的動(dòng)

8、力端不同，那么活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也不同。 石油礦場(chǎng)用往復(fù)泵的動(dòng)力端大多采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)。如圖4-3所示?，F(xiàn)以此為例來(lái)分析活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖4-3 往復(fù)泵活塞運(yùn)動(dòng)示意圖4.2 往復(fù)泵的流量一、活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 往復(fù)泵活塞運(yùn)動(dòng)的位移x、速度u和加速度a為： 4-1 4-2 4-3 式中 r曲柄長(zhǎng)度；曲柄的角速度；曲柄轉(zhuǎn)角。 活塞由液力端向動(dòng)力端運(yùn)動(dòng)時(shí)，=0； 活塞由動(dòng)力端向液力端運(yùn)動(dòng)時(shí)，=2。 從上述公式說(shuō)明，往復(fù)泵活塞的運(yùn)動(dòng)速度和加速度分別近似地按正弦和余弦規(guī)律變化。 當(dāng)=時(shí)，活塞處于右死點(diǎn)位置；當(dāng)=0和2時(shí)，活塞處于左死點(diǎn)位置。 當(dāng)=0時(shí)，上述公式中的正負(fù)號(hào)取上面的； 當(dāng)=2時(shí)，上述公式中的正負(fù)號(hào)取

9、下面的。一、活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律本節(jié)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容1.往復(fù)泵的根本構(gòu)成和工作原理重點(diǎn)2.往復(fù)泵的分類3.活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律4.往復(fù)泵的流量5.往復(fù)泵流量不均勻的危害及解決方案 泵的流量是指，單位時(shí)間內(nèi)泵通過(guò)管道所輸送的液體量。流量通常以單位時(shí)間內(nèi)，所輸送的液體體積來(lái)表示，稱為體積流量，用符號(hào)Q表示，單位為L(zhǎng)/s 或m3s、m3min等。1.理論平均流量Qth 往復(fù)泵在單位時(shí)間內(nèi)，理論上應(yīng)輸送的液體體積，稱作泵的理論平均流量。往復(fù)泵的流量與活塞工作面積F，活塞沖程S以及沖程次數(shù)有關(guān)。 對(duì)于單作用泵： QthiFSn (44) 對(duì)于雙作用泵： Qthi(2F-f)Sn (45)二、往復(fù)泵的流量 在公式(4-4

10、)和(4-5)中: Qth理論平均流量，m3/min； S沖程，m； i液缸個(gè)數(shù)； F活塞面積，m2； n曲柄轉(zhuǎn)速，r/min； f活塞桿截面積，m2。2.實(shí)際平均流量Q 泵在實(shí)際工作中由于存在：吸入閥和排出閥一般不能及時(shí)關(guān)閉；密封處可能有高壓液體泄漏；液缸中或液體中可能混有空氣而降低吸入充滿度，等等原因。所以，往復(fù)泵的實(shí)際平均流量要低于理論平均流量。即 QQth 4-6 式中 流量系數(shù)，它反映泵內(nèi)泄露損失的大小。一般取。二、往復(fù)泵的流量【關(guān)于流量系數(shù)的分析】 往復(fù)泵的實(shí)際工作過(guò)程與理論工作過(guò)程有一定的差異，而使泵實(shí)際流量小于理論流量，具體分析如下： 吸入過(guò)程： 在排出終了和吸入開(kāi)始的瞬間，排

11、出閥由于滯后不能及時(shí)關(guān)閉，余隙容積(活塞在前死點(diǎn)位置時(shí)的工作腔容積)中的液體壓力仍等于排出壓力。因此，當(dāng)活塞向右移動(dòng)時(shí)，工作腔內(nèi)的液體壓力不可能驟降，而是逐漸下降，使排出閥關(guān)閉。泵內(nèi)壓力低于吸入管線壓力時(shí)，吸入閥開(kāi)啟，液體才開(kāi)始吸入，所以泵的實(shí)際吸入行程要比理想的短。二、往復(fù)泵的流量 此外，在吸入過(guò)程中存在著高壓液體通過(guò)已關(guān)閉的排出閥密封面向工作腔的泄漏對(duì)于雙作用泵，還存在另一工作腔的高壓液體通過(guò)活塞密封面向低壓側(cè)的泄漏)； 外界空氣通過(guò)密封不嚴(yán)密處進(jìn)入工作腔； 溶解在液體中的氣體因壓力降低而析出以及液體吸入時(shí)帶進(jìn)來(lái)的氣體，這些都占據(jù)了一定的工作腔容積，使實(shí)際吸入的液體小于行程容積，造成容積損

12、失。 排出過(guò)程： 在排出開(kāi)始瞬間，吸入閥由于滯后也不能及時(shí)關(guān)閉，以及液體在高壓下的可壓縮性(特別是工作腔內(nèi)含有氣體那么更為明顯)，使工作腔內(nèi)的液體壓力不可能驟增，而是逐漸升高，直至吸入閥關(guān)閉，腔內(nèi)壓力大于排出管線壓力之后，排出閥開(kāi)啟，液體才開(kāi)始排出。實(shí)際排出行程也要比理論行程短，在排出過(guò)程中也存在高壓液體通過(guò)吸入閥密封面以及活塞，填二、往復(fù)泵的流量料箱等密封處向低壓側(cè)的泄漏，使實(shí)際排出的液體量小于行程容積。 綜上所述，導(dǎo)致實(shí)際流量小于理論流量的主要原因是： 吸入和排出過(guò)程開(kāi)始階段的沖程損失，壓縮液體和氣體等引起的沖程損失和各密封處的漏失損失。 即，一方面由于實(shí)際進(jìn)泵液體小于理論流量，另一方面由

13、于進(jìn)泵后獲得能量的液體存在漏失。二、往復(fù)泵的流量3.瞬時(shí)流量Qcm 對(duì)于單作用泵： QcmFu (47) 即 QcmFrsinm (48) 公式中下標(biāo)m表示曲柄或液缸的順序編號(hào)1、2、3等。 從公式可知，當(dāng)m=0，2時(shí)，活塞處于死點(diǎn)位置，此時(shí)刻，其瞬時(shí)流量都為零。 對(duì)于單作用泵： QcfmFrsinm (49) Qcam(F-f)rsinm (410) 公式中號(hào)如何選?。寒?dāng)m=0時(shí)，公式前取+號(hào)；當(dāng)m=2時(shí)，公式前取-號(hào)。二、往復(fù)泵的流量 實(shí)際上，往復(fù)泵一般都是由幾個(gè)液缸組成，整臺(tái)泵的瞬時(shí)流量由同一時(shí)刻各液缸瞬時(shí)流量疊加而成。計(jì)算整臺(tái)泵的瞬時(shí)流量時(shí)，要根據(jù)各曲軸間的角相位差決定公式中的角參數(shù)。

14、4.往復(fù)泵的流量曲線及其應(yīng)用 往復(fù)泵在工作時(shí)，在曲柄旋轉(zhuǎn)一周(2)內(nèi)，各液缸(或工作室)及泵的瞬時(shí)流量按一定規(guī)律變化。1流量曲線 如果以曲柄轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，流量為縱坐標(biāo)，即可作出泵的瞬時(shí)流量和平均流量隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的曲線，稱之為泵的流量曲線。它直觀地反映出了整臺(tái)泵與液缸或工作室瞬時(shí)流量之間的關(guān)系，及其隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。二、往復(fù)泵的流量圖4-4 單缸單作用泵流量曲線圖4-5 單缸雙作用泵流量曲線圖4-6 雙缸單作用泵流量曲線圖4-7 雙缸雙作用泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及流量曲線圖4-8 三缸單作用泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及流量曲線 圖4-4、圖4-5、圖4-6、圖4-7和圖4-8分別是單缸單作用泵、單缸雙作用泵、雙缸單作

15、用泵、雙缸雙作用泵和三缸單作用泵的流量曲線。 2流量曲線的應(yīng)用 可判斷泵流量的均勻程度。 通過(guò)流量曲線可以找到理論流量的最大值Qmax、最小值Qmin及理論平均流量Qth。 任何類型的往復(fù)泵，在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，其理論瞬時(shí)流量都是變化的。在往復(fù)泵的運(yùn)行中，總希望泵的流量均勻，工作平穩(wěn)。故引入了泵的流量不均度，來(lái)衡量泵的流量不均勻程度。 往復(fù)泵的流量不均度Q為：(Qmax-Qmin)與Qth的比值。即 Q(Qmax-Qmin)/Qth 4-11二、往復(fù)泵的流量 顯然，對(duì)于不同類型的往復(fù)泵，其流量不均度是不一樣的，它們皆可由流量曲線求得。 幾種往復(fù)泵的流量不均度如下： 單缸單作用泵3.14;單

16、缸雙作用泵1.85;雙缸單作用泵1.57;雙缸雙作用泵0.48;三缸單作用泵；四缸單作用泵。比較而言，三缸單作用泵工作更平穩(wěn)?？纱_定泵輸送的液體體積。 用A表示曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積，V表示泵所輸送的液體體積，那么流量體積V與面積A有如下關(guān)系： VA/ 4-12 可檢驗(yàn)曲柄布置是否合理。 從流量曲線可發(fā)現(xiàn)各液缸瞬時(shí)流量疊加是否合理，從而檢驗(yàn)曲柄布置方案的合理性。二、往復(fù)泵的流量本節(jié)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容1.往復(fù)泵的根本構(gòu)成和工作原理重點(diǎn)2.往復(fù)泵的分類3.活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律4.往復(fù)泵的流量5.往復(fù)泵流量不均勻的危害及解決方案1.往復(fù)泵流量不均勻的危害 往復(fù)泵瞬時(shí)流量的脈動(dòng)，引起吸入管路和排出管路中液體的不均勻流動(dòng)，從而產(chǎn)生