Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Поршневые буровые насосы

..pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
10.49 Mб
Скачать

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОРШНЕВЫХ БУРОВЫХ НАСОСОВ

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИНЫ

НА ТРЕБУЕМУЮ ПОДАЧУ ПРОМЫВОЧНОЙ жидкости

В процессе проводки достаточно глубокой скважины несколько раз переходят на меньшие диаметры долот, причем площади забоя и кольцевого пространства уменьшаются. Бурильные трубы также при необходимости заменяют меньшими по диаметру и с повы­ шенным сопротивлением движению жидкости.

Известно, что на 1 дм2 площади забоя для поддержания необ­ ходимой интенсивности его очистки необходимо нагнетать в сква­ жину 5,5—6,5 дм3/с промывочного раствора, т. е. должно соблю­ даться соотношение

Q = бпЛ.

 

(173)

где Q — подача промывочного

раствора в

скважину в

дм3/с;

Нп = (5,5-^6,5) — коэффициент

интенсивности

промывки

в

(дм3/с)/дм2; F3— площадь забоя скважины в дм2.

Ввиду того, что площадь забоя при бурении на глубину, на­ пример, 5000 м изменяется приблизительно от 23,6 (долото № 22) до 5,7 дм2 (долото № И), подача промывочного раствора в сква­ жину должна быть изменена со 100—200 дм3/с в начале бурения до 36—44 в середине скважины и 18—20 дм3/с в конце бурения.

Отношение наибольшего давления нагнетания на конечной глубине скважины к давлению в начале бурения составляет 2,0— 2,5 при турбинном и гидромониторном бурении, 5—6 (иногда до 10) при роторном бурении долотом без гидромониторных наса­ док, когда в начале бурения давление нагнетания не бывает доста­ точно высоким.

Из изложенного видно, что изменения подачи и давления нагнетания поршневого бурового насоса должны иметь широкий

диапазон, соответствующий требованиям технологии бурения. Конструкция насоса и его привода должна предусматривать возможность изменения подачи и давления нагнетания, что осу­ ществляется следующими методами: 1) применением сменных цилиндровых втулок различных диаметров; 2) изменением числа двойных ходов поршня в единицу времени при помощи сменных шкивов, гидромеханической муфты, гидродинамического трансфор­ матора или изменения числа оборотов двигателя; 3) извлечением части клапанов; 4) аэрированием промывочного раствора. Послед­

ний метод находится в стадии экспериментов.

Кроме того, изучаются методы регулирования насосов изме­ нением длины хода поршня, изменением объема мертвого прост­ ранства и др.

Рассмотрим последовательно эти способы.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОДАЧИ И ДАВЛЕНИЯ НАГНЕТАНИЯ ПРИМЕНЕНИЕМ СМЕННЫХ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК

Для изменения подачи и давления нагнетания обычный насос с двумя цилиндрами двустороннего действия снабжают определен­ ным набором сменных цилиндровых втулок, различающихся вели­ чиной внутреннего диаметра.

Комплект сменных цилиндровых втулок насоса У8-3 перво­ начально включал диаметры 130, 150, 170, 185 и 200 мм.

Потребность в цилиндровых втулках разных диаметров неоди­ накова. Частота применения каждого из них в процентах от об­ щего количества изображена на диаграмме (рис. 75), построенной по данным статистики. Из диаграммы видно, что чаще применяют диаметры 150 и 170 мм, общая доля которых превысила 75% всех изготовляемых цилиндровых втулок. Диаметры 185 и 200 мм при­ меняют редко.

С появлением насоса У8-4 комплект его сменных цилиндровых втулок состоял из диаметров 120, 130, 150 и 170 мм. Минималь­ ный диаметр 120 мм добавлен вновь для увеличения наибольшего давления нагнетания насоса У8-4 до 200 кгс/см2, а максимальные диаметры 185 и 200 мм исключены ввиду недостаточной величины допустимого при их применении давления и малой потребности в них. Это одновременно привело к уменьшению наружного диа­ метра цилиндровых втулок и размеров гидравлических коробок насосов, т. е. к существенной экономии металла.

Приведенные данные об употребительных диаметрах цилиндро­ вых втулок соответствуют практике совместной работы двух оди­ наковых насосов, суммарная подача которых необходима для под­ держания оптимального режима бурения.

С 1966 г. стандартный ряд включает все диаметры, оканчи­ вающиеся на нуль в пределах от 100 до 210 мм. Относительная частота применения разных диаметров цилиндровых втулок в %

от общего количества, изготовленных в СССР в 1965—1967 гг., изображена на диаграмме (рис. 75,6). Втулки диаметром 110 и 210 мм не применялись, так как еще не существует насосов, рас­ считанных на их использование.

Рис.

75.

График

частоты

применения

Рис. 76.

График

зависимости

цилиндровых втулок

разных

диаметров.

изменения величины подачи от

а — в

1956—58 гг.; б — в

1965—67 гг.; 1

— стати­

частоты

ряда

диаметров смен­

стические

данные;

2 — вероятностная

кривая.

ных цилиндровых втулок.

 

 

 

 

 

 

 

Диаметры

втулок:

/ — 130,

150, 170,

 

 

 

 

 

 

 

185 и 200

мм:

2 — через

10 мм в

 

 

 

 

 

 

 

интервале

110—210

мм;

3 — через

 

 

 

 

 

 

 

6,35 мм в интервале

120,65—215,9 мм.

На графике (рис. 76) показаны изменения величины подачи для ряда цилиндровых втулок в интервалах диаметров, ранее при­

менявшихся на насосе У8-3

(кривая 1),

для ряда диаметров

по ГОСТ 11267—65 (кривая 2)

и ряда API

(Американского нефтя­

ного института), с разностью 1/4" (кривая 3). Видно, что возмож­ ности регулирования были (кривая )) несколько грубыми, когда, например, переход от диаметра 130 к 150 мм вызывал изменение

величины

подачи на 33% (точка А). При разности ряда,

равной

10

мм по ГОСТ 11267—65, подача изменяется в пределах

от И

до

17%,

а при разности 6,35 мм, или 1/4" (API), — от 7 до 12%.

 

В уменьшении разности ряда диаметров и увеличении номен­

клатуры

применяемых цилиндровых втулок и поршней в

мплли-

метровой системе до величин, принятых в дюймовой системе, до настоящего времени не было необходимости. Достаточно принять

во внимание, что при разности ряда диаметров

10 мм размеры 140

и 160 мм все еще применяются относительно

редко.

Вопрос об уменьшении разности диаметров до 5 мм заслужи­ вает тщательного изучения.

Следует при этом учитывать увеличивающееся применение гидродинамических трансформаторов, позволяющих получить бо­ лее плавное изменение величины подачи и оказывающих благо­ приятное влияние на буровые работы с других точек зрения.

Применение цилиндровых втулок разных диаметров на правой и левой линиях двухцилиндровых насосов следует избегать ввиду недопустимой перегрузки приводного механизма и чрезмерных колебаний давления. При уменьшении диаметра поршня шток при­ меняется один и тот же. Разница между величиной подачи бесштоковой и штоковой камерой цилиндра относительно возрастает, а гидравлическая мощность насоса, работающего на цилиндровой втулке минимального диаметра, несколько ниже, чем насоса, рабо­ тающего па максимальной втулке.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОРШНЕВОГО БУРОВОГО НАСОСА ИЗМЕНЕНИЕМ ЧИСЛА

ДВОЙНЫХ ХОДОВ ПОРШНЯ В 1 МИН

Применение сменных шкивов

Наиболее прост по своему принципу способ изменения числа двойных ходов поршня насоса в 1 мин заменой шкива на валу двигателя. При этом изменяется передаточное отношение и число оборотов в 1 мин трансмиссионного и коренного валов насоса.

Клиноременная передача от двигателя или групповой транс­ миссии к насосу является наиболее распространенной в эксплуата­ ции. Цепная передача рекомендуется для насосов мощностью 1000 л. с. и выше, которых в эксплуатации немного и регулирова­ ние которых осуществляется другими методами.

С завода-изготовителя буровая установка приходит со шкивом на валу двигателя насоса, соответствующим по диаметру номи­ нальному числу двойных ходов поршня в 1 мин. Предприятие бу­ рения располагает набором шкивов с конусной разрезной проме­ жуточной втулкой, облегчающей их замену. Шкив на транс­ миссионном валу насоса не заменяют из-за его большого веса, раз­ меров и очень трудоемкой операции замены его.

Недостатки способа регулирования заменой шкивов на валу двигателя следующие.

1. Ступенчатое изменение скоростей и невозможность регули­ рования па ходу.

2. Трудоемкость работ по замене шкивов и последующей регу­ лировке передачи, требующих длительной остановки насоса.

3. Снижение долговечности ремней в результате уменьшения диаметра шкива на быстроходном валу.

Регулирование насоса изменением скорости вращения вала электродвигателя

В силовом приводе буровых насосов широко применяются асинхронные электродвигатели с числом оборотов, на величину скольжения меньшим кратного частоте тока в линии электропере­ дачи, питающей все двигатели буровой установки. При этом нельзя регулировать величину подачи промывочного раствора изменением скорости вращения вала двигателя, так как частота тока остается постоянной.

Для регулирования подачи насоса изменением числа оборо­ тов вала электродвигателя могут применяться: система генератордвигатель, каскад Кремера и вентильный каскад (рис. 77, а, б, в)1.

В системе генератор—двигатель на постоянном токе генера­ тор 2 постоянного тока приводится во вращение асинхронным или синхронным двигателем /, получающим электроэнергию от сети, и питает постоянным током приводной двигатель 5, соединенный со шкивом 4 передачи к насосу. Первичным источником механи­ ческой энергии может быть также двигатель внутреннего сгора­ ния, работающий при постоянном числе оборотов, или газовая турбина.

Последовательное соединение асинхронного двигателя 6 с до­ полнительным двигателем 5 постоянного тока через одноякорный преобразователь 7 (так называемый каскад Кремера), обеспечи­ вает изменение числа оборотов приводного двигателя при постоян­ ной мощности на валу.

Вентильная система регулирования скорости вращения вклю­ чает асинхронный двигатель 9, машину постоянного тока 8 и полу­ проводниковые выпрямители 10.

Все три системы в сопоставимых исполнениях могут быть оха­ рактеризованы (табл. 27) следующими технико-экономическими показателями.

Система Г—Д используется для самых крупных буровых уста­ новок, длительно работающих на точке бурения или в комплекте оборудования, монтируемого стационарно на буровых баржах.

1 И. H.

С у л х а н и ш в и л и, М. Н. Ши б а н о в . Электропривод буровых

насосов ПРВН-380. Тр. Гипронефтемаша. Вып. II. «Привод буровых установок».

М., «Недра»,

1964, с. 27—37.

Характеристика поршневого бурового насоса (рис. 78) с дли­ ной хода 457 мм при объемном коэффициенте г)0=0,95 и механи-

а

п->

Ш

Рис. 77. Схема регулируемого электропривода поршне­ вого бурового насоса.

а — система генератор—двигатель; б — каскад Кремера; в — вен­ тильный каскад.

ческом к. п. д. т|мсх = 0,85, приводимого от двигателя постоянного тока мощностью ШОО л. с., показывает, что величина подачи при каждом диаметре цилиндровой втулки с ростом давления нагне-

 

 

 

 

Т а б л и ц а

27

Характеристика электрических систем регулирования насоса изменением числа

двойных ходов

поршня в 1 мин (пределы регулирования скорости 1:2)

 

 

 

Средииft

Число

 

Цена,

в отно­

Сопоставляемые методы регулирования

вращаю­

Вес, т

к. п. д.

щихся ма­

сительном ис­

 

 

 

шин

 

числении

Система Г—Д

. . . .

0,73

3

5,93

1,0

Каскад Кремера .

0,83

3

4,33

0,75

Каскад с полупроводниковыми выпря­

0,86

2

3,24

0,65

мителями

 

тания до некоторого предела не изменяется, а становится величи­ ной переменной, уменьшающейся о увеличением давления нагне­ тания. Цилиндровые втулки во избежа­

ние перегрузки приводного

механизма р нгг/^г

заменяются,

когда кривые 1— i пересе­

каются со

следующими, отвечающими

цилиндровой втулке меньшего

диаметра.

Регулирование насоса изменением числа оборотов

в1 мин вала двигателя внутреннего сгорания

При использовании привода от двига­

 

 

 

 

теля

внутреннего

сгорания

(рис. 79)

 

 

 

 

характеристика насоса содержит

верти­

 

 

 

 

кальные а и наклонные б участки,

соот­

 

 

 

 

ветствующие

определенным

диаметрам

 

 

 

 

сменных

цилиндровых втулок. На каж­

 

 

 

 

дом вертикальном участке кривых

1—5,

 

 

 

 

т. е. при постоянном числе оборотов вала

 

 

 

 

двигателя в 1 мин, увеличивается крутя­

 

 

 

 

щий момент до максимального значения,

 

 

 

 

соответствующего точке внешней

харак­

Рис. 78.

Характеристика

порш­

теристики двигателя при данной ско­

невого бурового насоса,

при­

рости

вращения. Увеличение

крутящего

водимого

в

работу электро­

момента

на

валу

достигается

боль­

двигателем

постоянного

тока.

шей подачей топлива в цилиндры двигателя. Возможное давление нагнетания бурового насоса воз­

растает пропорционально увеличению крутящего момента на валу двигателя.

Дальнейшее регулирование осуществляется с уменьшением скорости вращения вала двигателя и поддержанием максимальной величины крутящего момента, допустимого при соответствующей скорости вращения вала. Пропорционально величине крутящего момента изменяется наибольшее давление нагнетания. Подача бурового насоса уменьшается пропорционально числу оборотов

вала двигателя в 1 мин. Мощность двигателя существенно сни­ жается с уменьшением числа оборотов вала в 1 мин.

Рис. 79. Характеристика поршневого бурового насо­ са, приводимого двигателем внутреннего сгорания.

Устойчивая работа двигателя возмож­ на при снижении скорости вращения его вала до половины номинальной вели­ чины. Дальнейшее снижение скорости вращения вала двигателя приводит к его остановке. Кривая 6 представляет собой предел возможного снижения подачи поршневого бурового насоса при данном виде привода.

Рассмотренные способы регулирова­ ния подачи изменением угловой скорости вала приводного двигателя характерны тем, что по одному общему закону за­ медляется или ускоряется одновременно вся система вращающихся масс насоса, трансмиссии и двигателя, связанных между собой.

Регулирование насоса при помощи гидродинамической передачи

При использовании гидродинамической муфты или гидродина­ мического трансформатора скорость вращения первичного вала гидропередачи или вала двигателя, на котором установлено на­ сосное колесо муфты или трансформатора, сохраняется почти постоянной или изменяется по закону, не совпадающему с зако­ ном изменения скорости вращения турбинного колеса, валов транс­ миссии и насоса.

Полная остановка вторичного вала не вызывает одновремен­ ной остановки насосного колеса и двигателя.

Гидродинамическая муфта передает от ведущего вала к ведо­ мому без изменения и независимо от числа оборотов крутящий момент а, развиваемый двигателем (рис. 80). Крутящие моменты на ведущем и ведомом валах гидродинамической муфты остаются равными между собой, что не позволяет повысить давление нагне­ тания насоса при данном диаметре цилиндровых втулок без уве­ личения крутящего момента на валу двигателя и, следовательно, без перегрузки двигателя. При постоянном крутящем моменте на валу двигателя мощность (кривая Лм), передаваемая трансмиссии, возрастает пропорционально числу оборотов ведомого вала.

Гидродинамическая муфта, разобщая ведущий и ведомый валы, позволяет осуществить любые скольжения (обычно в пределах 0,9 < 0<0,95) :

 

0 =

^ ,

 

 

 

Û>1

 

где 0 — скольжение, %; (о2 — угловая скорость

ведомого вала

в рад/с; ел — угловая скорость

ведущего вала в

рад/с. Величина

скольжения равна к. п. д. муфты.

 

Рис. 80. Характеристики гидроди-

 

 

иамического

трансформатора

 

ь *

(сплошные

линии) и гидродина­

 

мической муфты (пунктирные ли­

 

90

 

нии ).

 

 

V

Нм - к .п .д .

гидродинамического

трансформатора

и гидродинамической

муфты; (М2/М|) т — отношение крутя­ щего момента на ведомом валу к кру­

тящему

моменту

на ведущем валу;

а — величина крутящего момента на

ведущем

валу

гидродинамического

трансформатора и на ведомом и веду­

щем валах

гидродинамической муфты:

б — допустимое повышение

крутящего

момента на

валу бурового

насоса и

его давления нагнетания без снижения срока службы подшипников.

80

70

60

50

40

J0

Длительная работа допускает­

20

ся при скольжении обычно не бо­

лее 10% во избежание нагрева

Щ

масла.

Величина

скольжения

характеризует

потери

передавае­

 

мой мощности,

превращающиеся О

0,2 0,4 .0,6 0,8 и)2/и),

в тепло. Для отвода выделяюще­

 

гося

тепла

служит система

 

охлаждения, в, которой циркулирует масло. При большой мощ­ ности насоса система охлаждения масла, допускающая большие скольжения, была бы очень громоздкой.

Отношение крутящих моментов на ведомом и ведущем валах гидродинамического трансформатора изменяется в зависимости от отношения угловых скоростей coo/coi.

Передаточным числом гидродинамического трансформатора называется отношение крутящего момента на ведомом валу при

его полной

остановке к

крутящему моменту на ведущем валу:

бо= (M2/MI)O= 2-^5, т. е. крутящий момент на ведомом валу может

значительно

возрастать.

При минимальном передаточном числе

к. п. д. трансформатора увеличивается.

Крутящий момент на ведомом валу ограничивают различными методами в зависимости от условий возникновения возможной перегрузки. Перегрузки являются нежелательными, так как могут вызвать снижение срока службы структурных элементов насоса, работающих в среде промывочной жидкости, и механические поломки.

Рассмотрим три случая.

1. И н д и в и д у а л ь н ы й п р и в о д без г и д р о д и н а м и -

чес ко го

т р а н с ф о р м а т о р а .

Проблемы перегрузки

не

су­

ществует,

если

двигатель отрегулирован на

мощность,

соответст-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ствующую

насосу.

Крутящий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

момент практически постоянен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

независимо от скорости враще­

 

 

 

 

 

пиВ

 

 

 

ния

вала

 

двигателя.

Переда­

 

 

 

 

 

 

^'max

 

точное отношение выбрано так,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чтобы при желаемой

скорости

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

вращения

вала

двигателя

по­

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

лучить

 

номинальное

 

 

число

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

м,

 

 

. J

 

 

 

1

 

 

 

 

двойных ходов поршня в 1 мин,

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

соответствующее

характери­

т-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стике насоса или другое число

мнду / —

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

двойных

 

ходов

поршня

 

в

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1 мин,

при

котором

 

потреби­

 

 

 

_ 1 ___ _ i ___

 

пиоб/мш телю необходимо

по

тем

или

 

 

 

WOПтм

nmg 1000

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

иным причинам работать.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Например, если

желатель­

гоо

 

 

 

ч

 

 

 

 

 

 

 

ное число

оборотов

вала

дви­

 

 

! \

 

 

 

 

 

 

 

гателя 900

в 1

мин,

 

а число

1Б0

 

 

■т<

 

 

 

 

двойных

ходов

70 в 1 мин,

 

то

 

 

1 А

 

h i

ч

 

 

трансмиссия

должна

 

иметь

120

 

 

1

\

 

 

 

 

 

 

передаточное число,

соответст­

 

 

 

 

 

 

—*ч

 

 

 

 

1

!

V

 

 

 

-i" fc

 

вующее

выбранным

 

числам

80

 

 

1

1

 

 

 

 

 

1

оборотов.

И н д и в и д у а л ь н ы й

 

. j ___ j___ ё. L

JT: - J

2.

 

00

 

10

1

1

 

 

j_____

 

п р и в о д

 

с г и д р о д и н а ­

О

 

20

б

J0

 

 

00 Q,дм3/с

м и ч е с к и м т р а н с ф о р м а ­

р,кгс/см2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т о р о м .

Мощность

двигателя,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

на которой он может

длитель­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-----Г

 

 

 

 

 

 

 

 

но

работать

с

достаточным

180

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для

нужд

эксплуатации

мото­

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

160

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

ресурсом,

 

выбирают

 

равной

 

 

 

\

4

 

 

120% мощности насоса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U1 4

 

 

 

 

Передаточное

число

транс­

120

 

 

 

N

TSv

 

 

 

 

 

1

1

K

:

 

миссии

выбирают так,

 

чтобы

60

 

 

 

1

 

 

 

(рис. 81, а)

при числе оборотов

 

 

 

 

 

 

T

JY

 

вторичного

вала гидродинами­

40

 

 

 

t —h " T ~ T

 

 

10

 

1 - L. J___ L

 

ческого

трансформатора

п.т. в,

 

 

20

 

30

 

 

00

0 ,д м 3/с

например, равном 900 в 1 мин,

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

число

ходов

поршня

пи, в

в

Рис. 81.

Влияние

гидродинамического

1 мин

соответствовало

макси­

трансформатора

на

 

 

характеристику

мально

допустимому,

указан­

поршневого

бурового

насоса.

ному

в

паспорте

насоса,

на­

а — характеристика

гидродинамического транс­

пример, 85 в 1 мин. Интервал

форматора; б — характеристика

насоса, рабо­

тающего

без

гидродинамического трансфор­

чисел оборотов гидродинамиче­

матора

с

тремя

сменными

 

цилиндровыми

ского

трансформатора

в

пре­

втулками;

в — характеристика поршневого бу­

рового насоса, работающего с тремя сменными

делах

ят. П“ /гт. в = 700—900

в

цилиндровыми втулками и приводимого в ра­

боту

гидродинамическим

 

трансформатором.

1

мин

ограничивает

 

область