1、,石油钻采设备概论,第六章 钻机的循环系统钻井泵,钻机的循环系统（泥浆循环系统）包括：钻井泵、钻井液池、钻井液槽（罐）、地面管汇，以及钻井液净化设备和钻井液调配设备。,循环系统的核心：钻井泵。,石油钻采设备概论,石油钻机的三大工作机组：钻井泵、绞车、转盘,石油钻采设备概论,6.1 概 述 泵是一种输送液体的机械，它把原动机的机械能或其它能源传递给液体，借以增加液体能量。根据结构特征和作用不同，泵可分为三个基本类型。,容积式泵,叶轮式泵,其它类型泵,石油钻采设备概论,(1)容积式泵：依靠包容液体的密封工作空间容积周期性的变化，把能量周期性地传递给液体，使液体的压力增加到将液体强行排出的设备（如：
2、往复泵、螺杆泵等）。,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,(2)叶轮式泵（速度） 依靠旋转的叶轮对液体的动力作用，把能量连续地传递给液体，使液体的速度能（为主)和压力能的能量增加，随后通过压出室将大部分速度能转换为压力能。（如离心泵，轴流泵和旋涡泵等）。,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,(3)其它类型泵如射流泵,石油钻采设备概论,往复泵是一种典型的容积泵。其包容液体的密封工作空间容积通过周期性变化，将机械能转变成为液体的压能。具体来说它是通过工作腔内元件（如活塞、柱塞、隔膜、波纹管等）的往复位移来改变工作腔内容积，使被输送流体按确定流量和压力排出的一种流体机械。按用途的不同，石油矿场用往复
3、泵可以分为：泥浆泵、固井泵、压裂泵、注水泵、抽油泵等。,往复泵,石油钻采设备概论,在钻井过程中，需要携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，这种用于向井底输送和循环钻井液的往复泵，被称为钻井泵或泥浆泵；,石油钻采设备概论,为了加固井壁，向井底注入高压水泥浆的往复泵被称为固井泵或水泥泵；,石油钻采设备概论,为了造成油层的人工裂缝，提高原油产量和采收率，用于向井内注入含有大量固体颗粒的液体或酸碱液体的往复泵，称为压裂泵；,2000型压裂车整车结构图,石油钻采设备概论,2000型压裂车整车实物图,江汉五缸压裂泵,石油钻采设备概论,土库曼斯坦井喷,含硫34.5g/m3,火焰横向40m高60m 井口温
4、度2000,井口损坏,远距离水力喷砂带火切割演示,石油钻采设备概论,6.1.1往复泵的工作原理,图6-1 卧式单缸单作用往复泵示意图,石油钻采设备概论,6.1.2往复泵的分类 按照结构特点，石油矿场用往复泵大致可按以下几个方面分类： 1.按缸数分: 有单缸泵、双缸泵、三缸泵、四缸泵、五缸泵等。 2.按作用方式分: 有单作用式和双作用式两种。,石油钻采设备概论,单作用式泵如图所示，其活塞在液缸内往复一次，该液缸作一次吸入和一次排出。,图 单作用往复泵工作原理示意图,石油钻采设备概论,双作用式泵如图6-3所示，液缸被活塞分为两个工作室，无活塞杆的为前工作室，有活塞杆的为后工作室，每个室都有吸入和排
5、出阀。 活塞往复运动一次，其液缸完成吸入过程和排出过程各二次。,图6-3 双作用往复泵工作原理示意图,常规钻机用泥浆泵是哪种类型？,三缸单作用,双缸双作用,为什么要选用这两种？,3.按液缸的布置方案及其相互位置分：有卧式泵、立式泵、V形泵、星形泵等。 4.按直接与工作液体接触的工作机构分：有活塞泵和柱塞泵。 5.按传动或驱动方式分：机械传动泵（如曲柄-连杆传动、凸轮传动、摇杆传动、钢丝绳传动及隔膜泵等）；蒸汽驱动往复泵；液压驱动往复泵。,图6-4 往复泵类型示意图。 （a）双作用活塞泵；（b）单作用柱塞泵；（c）隔膜泵；（d）曲柄传动泵 （e）凸轮传动泵；（f）卧式蒸汽泵；（g）水平对置式液压
6、驱动泵,通常:采用三缸单作用和双缸双作用卧式活塞泵作为钻井泵，采用三缸、五缸单作用卧式柱塞泵及其他类型的往复泵作为压裂、固井及注水泵。,石油钻采设备概论,活塞泵 由带密封件的活塞与固定的金属缸套形成密封副,石油钻采设备概论,柱塞泵 由金属柱塞与固定的密封组件形成密封副,石油钻采设备概论,6.1.3往复泵的基本参数 1.流量Q和排量： 泵的流量 单位时间内泵通过排出或吸入管道所输送的液体量。流量通常以单位时间内的体积表示，称体积流量，用Q表示，单位为Ls或m3s。有时也以单位时间内的重量表示，称重量流量，用QG表示，单位为Ns。 泵的排量 往复泵的曲轴旋转一周(o2），泵所排出或吸入的液体体积。
7、它只与泵的液缸数目及几何尺寸有关，而与时间无关。 注意：“流量”与“排量”实际是两个不同的概念。,石油钻采设备概论,2.泵的压力： 泵的压力通常指泵排出口处液体的压力，单位为MPa。 3.泵的功率和效率: 单位时间内动力机传到往复泵主轴上的能量，称为泵的输入功率（Np） kW or hp 。 单位时间内液体通过泵后所获得的能量称为泵的有效功率，或输出功率（N）。 泵的总效率=N/Np 4.泵速： 单位时间内活塞或柱塞的往复次数，简称冲次，用n表示，单位为min-1。,石油钻采设备概论,我国用于石油、天然气勘探开发的钻井泵已经标准化，并形成了NB和F两大系列泵：变型代号额定输入功率代号(马力)缸
8、数、单作用或双作用钻井泵代号 NB、2PN双缸双作用泵3NB、F三缸单作用泵如NB600：表示输入功率为600马力的双缸双单作 用钻井泵。F1300：表示输入功率为1300马力（960KW）的三缸单作用钻井泵。,石油钻采设备概论,有的钻井泵，为了反映其设计制造单位、适用区域和性能方面的特点，在统一代号的前后还标以适当的符号。如：SL3NB1300A，其中SL是汉语拼音“胜利”的字头，A表示改型设计。我国主要钻井泵生产厂家生产的三缸钻井泵有：兰州石油机械厂：3NB-1300C 3NB-1600F宝鸡石油机械厂：F-500 F-800 F-1000 F-1300 F-1600 F-2200成都石油
9、总机厂： CSF-1000 CSF-1300 CSF-1600 宏华石油设备有限公司：HHF-1600,石油钻采设备概论,6.2往复泵的流量分析 6.2.1往复泵的平均流量： 往复泵在单位时间内理论上应输送的液体体积，称作泵的理论平均流量Q理均。 即：活塞的有效工作面在单位时间内所扫过的容积 往复泵的理论平均流量Q理均与活塞面积F(m2)，活塞冲程S(m)以及冲程次数n(冲min)有关。,注：冲程S是指泵吸入或排出过程中，活塞移动的距离。与曲柄半径成2倍关系。S=2r,石油钻采设备概论,对于单缸单作用泵： Q理均FSn m3/min 或 Q理均FSn /60 m3/s 对于多缸单作用泵： Q理
10、均iFSn m3/min 或 Q理均iFSn /60 m3/s,石油钻采设备概论,对双作用往复泵，活塞往复一次，前后工作室输送液体体积为： 无杆腔：FS 有杆腔：（Ff）S 所以活塞往复一次输送的液体体积为无杆腔加有杆腔体积之和: FS（Ff）S(2Ff)S 设泵的缸数为i，泵的转速为n转/分，则i缸双作用泵的理论平均流量：,式中：f活塞杆截面积，m2。,n,n,石油钻采设备概论,实际上，往复泵工作时实际平均流量Q总是小于理论平均流量Q理均？,泵缸中或液体中含有气体而降低吸入充满度。（压力降低时溶解在液体中的气体会逸出；液体本身汽化；空气从填料箱等处漏入）,活塞换向时，由于泵阀关闭迟滞造成液体
11、流失。,活塞环、活塞杆填料等处的间隙以及泵阀关闭不严等产生的漏泄。,石油钻采设备概论,Q/Q理均 式中：流量系数， 一般泵的在0.850.95范围内； 对于吸入条件较好的泵，可达0.970.99。,石油钻采设备概论,6.2.2往复泵的流量曲线,1.瞬时流量 由于往复泵活塞速度是变化的，故每个液缸和泵的流量也因之而变化。 设活塞的截面积为F，活塞运动速度为u，则单作用泵的理论瞬时流量为： Q瞬Fu m3/s。,石油钻采设备概论,下图为曲柄滑块机构传动的往复泵运动简图，它将泵主轴的等速旋转运动(角速度)转变为活塞的往复直线运动。,石油钻采设备概论,因为：r/L0.2, sin1， 所以：（r/L）
12、2sin2很小，舍去。 于是得：,石油钻采设备概论,讨论： 0 cos1 XrL （右死点） /2 cos0 XL (r/L很小，L与X轴夹角很小，XL) cos-1 XrLLr （左死点） 2/3 cos0 XL 2 cos1 XrL （右死点）,（rL）,（Lr）,石油钻采设备概论,因此在忽略曲柄和连杆比的影响下， 往复泵活塞位移： S（rL）X （rL）（rcosL） rr*cos r（1cos） 即： Sr（1cost） 故: uSr*sint*r*sint aur*cost*r*2*cost,（rL）,（Lr）,（忽略r*sint）,石油钻采设备概论,往复泵得瞬时排量：因为微体积 V
13、FS 式中：F活塞面积； S微位移； 故： （ ） 所以： 因为： 所以：,石油钻采设备概论,所以单缸单作用泵的瞬时排量也是按近似正弦规律变化，有：,（rL）,（Lr）,石油钻采设备概论,对于多缸泵，其瞬时排量为每一液缸在同一瞬时输送的液体量之和。,对于单缸双作用泵，其瞬时排量为：,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,6.2.3往复泵的流量不均度 任何类型的往复泵，在曲柄转动一周的过程中，其理论瞬时排量都是变化的，该流量的波动将引起吸入和排出管线上流量和压力的波动而使管线振动。故引入排量不均度Q，来衡量泵的排量变化不均匀程度： 式中：Qmax和Qmin分别为
14、泵的瞬时流量最大值和最小值。,石油钻采设备概论,显然对于不同类型的泵，其排量不均度是不一样的，它们皆可由排量曲线求得。对于单缸单作用泵：,石油钻采设备概论,图56 不考虑曲柄连杆比影响时单作用泵的流量曲线 (a)单缸单作用泵；（b）双缸双作用泵；（c）三缸单作用泵；（d）四缸单作用泵,在不考虑曲柄-连杆比影响的条件下，单缸，双缸、三缸及四缸单作用泵的流量流量不均度分别为3.14，1.57,0.141,0.314。,？双杠单作用泵，四缸单作用泵,石油钻采设备概论,6.2.4往复泵的排量系数 往复泵的实际工作过程与理论工作过程有一定的差异，而使泵实际排量小于理论排量，可以通过泵的吸入过程和排出过程
15、进行分析。,石油钻采设备概论,1.吸入过程 在排出终了和吸入开始的瞬间，排出阀由于滞后不能及时关闭，同时吸入阀不能及时开启。当吸入过程结束，活塞从前死点开始向右移动，工作腔内的液体压力不可能骤降，而是逐渐下降，使排出阀关闭。同时，只有当泵内压力低于吸入管线压力时，吸入阀开启，液体才开始吸入，所以泵的实际吸入行程要比理想的短。此外，在吸入过程中存在着高压液体通过已关闭的排出阀密封面向工作腔的泄漏（对于双作用泵，还存在另一工作腔的高压液体通过活塞密封面向低压侧的泄漏)； 外界空气通过密封不严密处进入工作腔； 溶解在液体中的气体因压力降低而析出以及液体吸入时带进来的气体，这些都占据了一定的工作腔容积
16、，使实际吸入的液体小于行程容积，造成容积损失。,石油钻采设备概论,2.排出过程 在排出开始瞬间，吸入阀由于滞后也不能及时关闭，以及液体在高压下的可压缩性(特别是工作腔内含有气体则更为明显)，使工作腔内的液体压力不可能骤增，而是逐渐升高，直至吸入阀关闭，腔内压力大于排出管线压力后，排出阀开启，液体才开始排出。实际排出行程也要比理论行程短，在排出过程中也存在高压液体通过吸入阀密封面以及活塞，填料箱等密封处向低压侧的泄漏，使实际排出的液体量小于行程容积。,石油钻采设备概论,综上所述，导致实际排量小于理论排量的主要原因是： 吸入和排出过程开始阶段的冲程损失，压缩液体和气体等引起的冲程损失和各密封处的漏
17、失损失。 即一方面由于实际进泵液体量小于理论排量，另一方面由于进泵后获得能量的液体存在漏失。,石油钻采设备概论,往复泵的实际排量与理论平均排量之比称为泵的排量系数。式中：Q实际排量；Qi转化流量，即单位时间内从泵获得能量的液体量；,充充满系数，液缸中含有气体及阀门滞后关闭对排量的影响。 容容积效率，表征由于密封面的漏失对实际排量的影响。,故排量系数：,石油钻采设备概论,钻井泵由动力端(又称驱动部分)和液力端（水力部分)两大部分组成。,6.3往复泵的结构及特点,石油钻采设备概论,动力端作用：将主轴的旋转运动转变为活塞的往复运动，同时传递动力和减速。 动力端组成：传动轴(输入轴)、被动轴（主轴或曲
18、轴)、连杆、十字头、壳体(底座)等。,传动轴(输入轴),主轴(曲轴),泵底座,连杆,十字头,中间拉杆,石油钻采设备概论,液力端作用：将机械能转变为钻井液的液压能。 液力端组成：泵体(阀箱)、缸套、活塞、活塞杆、密封盒、泵阀、空气包和安全阀等。,泵体,密封盒,空气包,被动轴,连杆,泵头,输入管,输出管,活塞杆,十字头,钻井泵工作示意图,拉杆,曲轴,传动轴,连杆,动力端通过皮带（或链条、万向轴）带动泵的主轴旋转，再通过曲柄连杆机构使活塞向左移动，缸内形成负压，上水池内的液体在大气压力作用下，顶开吸入阀进入缸内，直到活塞移到最左边位置完成吸入过程。活塞开始向右移动，缸内液体受到活塞的挤压而压力升高，
19、吸入阀被关闭，排出阀被顶开，液体被活塞推出排出阀经排出管进入高压管汇，完成排出过程。,工作原理,石油钻采设备概论,目前石油钻机上使用的钻井泵，主要是双缸双作用和三缸单作用卧式活塞泵。下面对其特点进行讨论。,石油钻采设备概论,6.3.1 双缸双作用钻井泵的结构 双缸双作用钻井泵的传动及结构示意图如图。,石油钻采设备概论,该泵主轴上有两个互成90的曲拐，分别带动两个活塞在液缸中作往复运动，液缸两端装有吸入阀和排出阀。,排出阀,吸入阀,？流量曲线,石油钻采设备概论,当活塞向液力端运动时，左排出阀打开，吸入阀关闭，活塞前端工作室(亦称前缸)内液体排出，而右排出阀关闭，吸入阀打开，活塞后端工作室(后缸)
20、吸入液体；当活塞向动力端运动时，则情况与上述相反。,石油钻采设备概论,国产双缸双作用NB600泵的主剖面图,石油钻采设备概论,1双缸双作用泵的动力端 它主要包括底座，装皮带轮的传动轴、主轴、齿轮、偏心轮、连杆、十字头等。,石油钻采设备概论,动力机的动力由皮带传动传递到传动轴上，通过传动轴上的主动齿轮驱动主轴上的被动齿轮，带动主轴及固定其上的偏心轮旋转，再通过连杆等带动十字头和活塞等作往复运动。 工作过程中，连杆相对偏心轮摆动。,石油钻采设备概论,2双缸双作用泵的水力部分 双缸双作用泵液力端的外形如图所示。,石油钻采设备概论,它的每一个液缸的两端，各有一个吸入和排出阀箱，吸入阀上部与液缸连通，下
21、部与进液管连通。排出阀下部与液缸相通，上部与排出管相通。,液缸,进液管,排出管,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,国内双缸双作用钻井泵应用已经较少，其型式也很少，主要有NB-470，NB-350，NB-550和NB600泵。作为钻井泵，其功率显得不足，流量和工作压力偏小。,石油钻采设备概论,6.3.2 三缸单作用钻井泵的组成部分 三缸单作用活塞式泵是60年代中期开始研制并得到迅速推广使用的一种钻井泵，在我国及一些国家的深井钻进中，正在取代双缸双作用钻井泵。,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,国产F-1000型钻井泵的实物图。,石油钻采设备概论,三缸单作用钻井泵动力端与双缸双作用泵类似，仍由
22、主动轴（传动轴）、被动轴（主轴或曲轴）、连杆、十字头、底座等组成。,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,主动轴 （传动轴）,被动轴 （主轴或曲轴）,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,通过三套连杆滑块机构把传动轴的旋转运动变成三个活塞分别在其液缸内的往复运动。,石油钻采设备概论,液力端：泵头、缸套、活塞、活塞杆、盘根盒、阀、空气包等组成。,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,各型三缸单作用泵的结构形式不同，其液力端结构存在着较大的差异。以下介绍液力端的一些基本结构特点。 1液力端泵头的布
23、置形式 按照吸入阀和排出阀的相互位置，目前三缸单作用泵头可分为L型，I型(亦称直通型)，T型三种布置方案。,石油钻采设备概论,L型泵头如图所示，其吸入泵头和排出泵头分块制造，可以单独拆卸，检修和维护方便，泥浆漏失也较少，但结构不紧凑，泵内余隙流道长，泵头重量大，自吸能力较差。,石油钻采设备概论,国产泵有兰石3NB-1000、3NB-1300型，大隆3NB-800、 3NB-1300型等。美国的National Supply公司的P型系列泵，Oil Well 公司的PT型系列泵等运用较多。,石油钻采设备概论,I型泵头（直通型泵头）其液力端结构紧凑，重量较轻，缸内余隙流道长度短，有利于自吸，但更换
24、吸入阀座时必须先拆除上方的排出阀，检修比较困难。 国产大隆3NB-1000、胜利SL3NB-1300A、SL3NB-1600A等皆采用此型泵头。,石油钻采设备概论,T型泵头主要特点是吸入阀水平布置,排出阀垂直布置.综合了L型和I型泵头的优点，既可分块制造，便于吸入阀的拆装和检修，又取消了吸入室。 T型泵头不足之处是更换吸入阀时需卸下吸入液缸及弯管，泥浆漏失相对较多。,石油钻采设备概论,2液力端的紧固结构 钻井泵在高压下工作时，由于受力和振动较大，液力端各紧固件之间容易松动或蠕动，造成高压密封刺漏，零件损坏，甚至不能正常工作。因此，液力端所有紧固件之间应结合牢固。与此同时，液力端的易损件较多，缸
25、套、活塞、阀体、阀座和密封圈等需经常更换，故有关紧固件之间应便于拆装，操作省时省力。,石油钻采设备概论,如图所示：缸套与缸套座，活塞杆与中间杆以及中间杆与介杆之间，全部采用卡箍式连接，连接可靠，拆卸方便。,石油钻采设备概论,石油钻采设备概论,3缸套的喷淋系统 单作用泵工作时，活塞后部的缸套总是敞开的，为对缸套内部实现冷却冲洗创造条件，故三缸单作用泵都配有喷淋系统。喷淋系统的喷淋头有定点式和跟随式两种。,石油钻采设备概论,跟随式喷淋头,如图7-11所示。,4 空气包 往复泵工作过程中，由于结构和工作特点必然产生流量和压力的波动，因此，为了改善往复泵的工作条件，尽可能减少由于排量和压力波动对往复泵
26、工作的影响，必须将压力波动降低到容许范围内。,目前常用的办法是在泵的吸入口和排出口处配置空气包。空气包应尽可能安装在靠近泵的液缸处，装在吸入口附近的称为吸入空气包，装在排出口附近的称为排出空气包。,（1）空气包的工作原理 吸入空气包和排出空气包都是一个内部充以一定压力的氮气或空气的密闭容器，其基本功能是利用气体的可压缩性，随着吸入压力或排除压力的变化，自动的向泵或排出管线供给液体，或者储存一部分来自吸入管线或泵的液体，使吸入总管内或排除总管内液流均匀，惯性力减小，从而降低压力波动。,排出空气包的作用原理: 在排出过程开始阶段，活塞加速，泵排量增大，大于平均排量部分进入空气包，使排出总管中的液体
27、不至于被加速。而到排出末尾，活塞减速，泵排量减小，空气包内液体自动补充到排出管中，使排出总管内液体流速平稳。从而减小了排出总管内的惯性水头，使排出总管内的压力波动幅值降低。,钻井泵的排出管线很长，如果不装排出空气包，其中的惯性水头将是很大的，一台双缸双作用泵的实测压力曲线表明，不装空气包时，排出压力在5.211.7MPa范围内跳动。而安装空气包后，排出压力则在9.0-10.2MPa范围内变化。被动幅值减小约82。,（2）空气包的结构 现在的钻井泵普遍采用隔膜式预压空气包，其内预先充以4.07.0MPa压力的惰性气体。由于气体（氮或空气)具有一定的压力，进入空气包的液体可以减少，在同样的工作效能
28、下，空气包的容量可以减小。,双球形空气包。特点是在隔膜上部的充气室内加入一定量的洁净液体，起减震、散热和防止漏气的作用。,多筒式预压空气包每个空气包内装有带孔的衬管，橡胶囊套在衬管外，气体充入壳体与橡胶囊之间，泥浆通过衬管上的孔与橡胶囊接触。,6.4往复泵的压头、功率和效率 6.4.1往复泵的有效压头 液体的位置水头、压力水头和速度水头分别表示单位重量液体所具有的位能、压能及动能大小。它们之和是液体的总水头，即单位重量液体所具有的总能量，以J/N（或m,水柱）表示。,H=Z+p/g+u2/2g,式中：h吸入管和排出管段内总的水头损失,如图示的泵和管线系统，由于泵对液体作功，即把机械能传递给液体
29、，液体本身能量将增加，如以N表示重量单位,以N.m(即J)表示能量单位，以H表示单位重量液体由泵获得的能量，则H的单位为(J/N)称作泵的有效压头或扬程。,变换上式可得：,即泵的有效压头H等于排出池液面与吸入池液面的总比能差，加上吸入和排出管线中水头损失。这就是说泵供给单位重量液体的能量，是用在提高液体的总比能和克服全部管线中的液体流动阻力两个方面。 一般地，以u10，u40，且当PaPK时，上式变为： HZ十h,在这种情况下，泵的有效压头就等于排出池与吸入池液面高度差和管路中的水头损失。在特殊情况下，如钻井泵用于钻井时，吸入池与排出池也往往是公用的，即即Z0， 所以 Hh 钻井泵供给钻井液的
30、能量全部用于克服管路中和钻头喷嘴的阻力。,表压力绝对压力大气压力(绝对压力大气压力) 真空度大气压力绝对压力(绝对压力大气压力),以P表表示压力表指示的压力，以P真表示真空表指示的真空度，则为 P表P排Pa P真PaP吸,真空表,压力表,以上各式都不能直接确定泵的有效压头，实际上，现场多采用比较简便的办法，直接确定泵的有效压头。如图所示，在泵入口处(断面)安装真空表，在泵出口处(断面)安装压力表。,有效压头,式中： 、,，,分别为泵排除口处和吸入口处液体的比能。,在实际计算中，由于泵的排出压力(表压力)一般较高，达几十个MPa，而真空度P真和高差H0相对较小，可以略去不计。因此，现场通常用表压
31、力代表泵的有效压头/扬程，即：,在一般往复泵中，吸入管与排出管直径一般相等或相近，因此u排u吸或u排u吸，因此式中的动能项为零或数值很小，可忽略不计，故上式可变为：,6.4.2往复泵的功率 设泵的有效压头为H，重量流量G，则单位时间（秒）内液体由泵所获得的总能量，即泵在单位时间内所输出的功为: NGH 而 GQg PHg 故泵的输出功率N为： NPQ103 kw 式中：H-泵的有效压头; P液体的压力，Pa； N泵的输出功率，kw。,由于泵内存在各种能量损失，所以，NaN，且泵的总效率泵为：,N为泵的实际工作效果，因此称为泵的有效功率，又称作泵的水力功率或输出功率。 显然，泵之所以能将能量传给
32、液体，是由于外界机械能输入的结果。假定发动机(柴油机、电动机等)输送到泵主轴(或称传动轴)上的功率为N主（或Na，一般称为泵的主轴功率或泵的输入功率)。,钻井泵一般通过离合器及链条，皮带传动或变矩器与柴油机(或电动机)相联。因此，动力机组应为钻井泵组所配备的功率为: 式中：K-为动力储备系数(考虑工作过程中超载）， 柴油机直接驱动K1.1； 直流电动机或柴油机液力变矩器驱动，K1； 传从动力机到泵组的传动效率。,（泵的输入功率）,（转化功率）,（机械损失）,（水力损失）,（容积损失）,（泵的输出功率）,6.4.3往复泵的效率 往复泵工作过程中的功率损失，如图所示，包括以下几个方面：,Ni与Na
33、 之比值称为机械效率，以机（ m）表示：,1.机械损失N机 它是克服泵内齿轮传动、轴承、活塞、盘根和十字头等机械摩擦所消耗的能量。 泵输入功率Na减去这部分损失后所剩下功率，称为泵的转化功率，即单位时间内由机械能转化为液体能量的那一部分功率，以Ni表示。 NiNaN机,2.容积损失N漏 泵实际排量小于泵的理论排量，其中由于液缸内存在少量气体或阀门迟关造成液体回流，减少了吸入液量而使泵的转化流量小于理论平均排量，这并不引起能量损失，获得能量的液体的损失即漏失量QiQ Q漏才引起能量的损失。实际排量Q与接受能量的转化流量Qi之比称为容积效率，以容表示： Qi转化流量，即单位时间内，获得能量的液体流
34、量，m3/s Q泵的实际平均排量，m3s；,3.水力损失N水考虑流体在泵内流动时，消耗在沿程和局部(包括阀在内)阻力上的泵内损失，为有效压头H和转化压头Hi之比，称为水力效率，以水表示：式中：h为泵内各项水力损失之和。 则泵的有效功率N与泵通过活塞传给液体的转化功率Ni之比，称为泵的转化效率转：,（泵的输入功率）,（转化功率）,（机械损失）,（水力损失）,（容积损失）,（泵的输出功率）,输入功率,机械损失,（机械摩擦）,转化功率,容积损失,水力损失,输出功率,所以： 泵容水机泵的总效率可由试验测出，一般情况下， 泵0.750.90。,6.5 往复泵的特性曲线 6.5.1特性曲线（图课本p191
35、）往复泵的特性曲线主要表示泵的流量、输入功率以及效率与压力之间的关系。 1、P-Q 曲线：P与泵的负载有关，Q与泵的转速n、缸套面积F以及冲程S有关，则P、Q无关，所以理论上将Q-P为一条直线；但是随着压力的升高泵的泄露等加剧导致排量减小。 2、容积效率曲线：同理 3、功率曲线：,6.5.2 往复泵的工况,1) 泵压与流量的关系 2）泵的特性曲线与泵的管路特性曲线的交点称为泵的工况点； 3）在排出管线长度一定的情况下，泵排量不同，泵压也不同，降低排量，可使泵压相应降低。在排量一定的情况下，排出管线长度增加，泵压也增加。,往复泵,6.5.3钻井泵的临界特性：1、冲次的限制： 在往复泵的设计和使用
36、过程中，一般受到泵的冲次及压力的限制。泵的冲次n不能超过额定值。对钻井泵来说，冲次过高，不仅会加速活塞和缸套的磨损，使吸入条件恶化，降低使用效率，还会使泵阀产生严重的冲击，大大缩短泵阀寿命。,2、流量的限制： 在泵的冲程长度S、活塞及活塞杆截面积F一定的条件下，泵的流量Q与冲次n成正比。对于同一台钻井泵，冲程长度S和活塞截面积F通常是不变的，因此，对于不同的活塞面积F1，F2，Fn，即不同的缸套面积，都具有一个相应的最大流量Q1，Q2，Qn，即在某i级缸套下工作时，泵的流量不允许超过Qi，否则，泵的冲次就可能超过允许值。,3、泵的压力的限制因为泵的活塞杆和曲柄连杆机构等的机械强度是有限的，为了
37、满足强度方面的要求，每一级缸套的最大活塞力应该不超过某一常数c，即P1F1p2F2=pnFn=c。也就是每一级缸套都受到一个最大工作压力或极限泵压pi的限制。设计泵时，各级缸套的直径及极限压力就是按照这个条件确定的。,钻井泵的临界特性曲线正是根据冲次和压力的限制条件作出的。,Pa,Pb,从特性曲线，可以看出：(1)在机械传动的条件下，随着井深的增加，往复泵每级缸套的泵压近似地按垂直线变化。当钻至某井深使泵压达到该级缸套的极限值时，必须更换较小直径的缸套，从较低的压力开始继续工作。如泵在第一级缸套下以流量Q1工作时，井深由L0增至L1，压力由Pa增至P1；更换第二级缸套后，流量为Q2，在井深为L
38、1时，泵压为Pb，随着井深的增加，泵压不断升高，一直到工作压力升到P2时才需要更换缸套。,(2) 不论泵速是否可调节，任何一级缸套下的流量Q(或冲次n)和压力P都限制在一定的范围内。比如用第一级缸套时，泵压和流量只能在矩形面积Q11p10范围内；用第二级缸套时，则限制在Q22p20 范围内。,(3) 在泵的最大冲次保持不变的条件下，各级缸套下泵的最大流量Ql，Q2， 与活塞有效面积成正比，泵输出的最大水力功率(有效功率)为NplQl=p2Q2常数,显然，点1，2，5的连线是一条等功率曲线。可以看出，往复泵工作时，所有的工况点都应控制在等功率曲线的下方，即泵实际输出的水力功率总是小于有效功率。为
39、了提高工作效率，应根据井深和钻井工艺的要求合理地选用钻井泵，并按照井深变化的情况，合理地选用和适时地更换缸套直径。还可以采用除纯机械传动以外的传动型式，使泵的工况点尽可能接近等功率曲线。,思考题： 钻井泵使用中为什么要换缸套？在何时换？,6.5.4钻井泵的性能调节往复泵与一定的管路系统组成统一的装置后，其工况点一般也是确定的。有时为了某些需要，希望人为地调节泵的流量，以改变工况。1流量调节由于泵的流量与泵的缸数i、活塞面积F、冲次n及冲程S成正比关系，改变其中任一个参数，都可改变泵的流量。常用的调节流量方法有以下几种。 1）更换不同直径的缸套 设计钻井泵时，通常把缸套分为数级，各级缸套的流量大
40、体上按等比级数分布，即前一级(i)直径较大的缸套的流量与相邻下一级(i+1)直径较小缸套的流量的比值近似为常数。根据需要，选用不同直径的缸套就可以得到不同的流量。2）调节泵的冲次 动力机与钻井泵之间通常不加变速机构，在机械传动的条件下，适当改变动力机的转速即可以调节泵的冲次。如用柴油机驱动泵，可在额定转速nr与最小转速nmin之间调节柴油机转速，使泵在额定冲次与最小冲次之间变化，达到调节流量的目的。应该注意，在调节转速的过程中，必须使泵压不超过该级缸套的极限压力。,往复泵,往复泵,3）减少泵的工作室 在深井段钻进时，往往井径较小，为了尽量减少循环损失，一般希望泵的流量较小。在其他调节方法不能满
41、足要求时，现场有时采用减少泵工作室的方法：如打开阀箱，取出几个排出阀或吸入阀，使有的工作室不参加工作，从而减小流量。该法的缺点是加剧了流量和压力的脉动。实践表明，在这种非正常工作情况下，取下排出阀比取下吸入阀引起的波动小，对双缸双作用泵来讲，取下靠近动力端的排出阀引起的压力波动较小。4）旁路调节 在泵的排出管线上并联一根旁通管路，打开并调节旁路阀门，就可以调节泵的流量。旁路调节还是钻井泵中常用的紧急降压手段。,2 往复泵的并联运行为了满足一定的流量需要，石油矿场中常将往复泵并朕工作。并联工作有如下特点：1、当各泵的吸入管大致相同，排出管路交汇点至泵的排出口距离很小时，对于高压力下工作的往复泵，可以近似地认为各泵都在相同的压力P下工作，即P1P2P。2、排出管路中的总流量为同时工作的各泵的流量之和，即Q1+Q2+Q，当各台泵完全相同时，m台泵的总流量为QmQi。3、泵组输出的总水力功率为同时工作各泵输出的水力功率之和，即NN1+N2+，当各泵相同时，N=pQmNi=mpQi。4、在管路特性一定的条件下，对于机械传动的往复泵，并联后的总流量仍然等于每台泵单独工作时的流量之和，而并联后的泵压大于每台泵在该管路上单独工作时的泵压。泵并联工作是为了加大流量。应注意的是，并联工作的总压力p必须小于各泵在用缸套的极限压力，各泵冲次应不超过额定值。,
