Анализ конструкции буровых насосов

ВВЕДЕНИЕ

Для очистки забоя скважины от выбуренной породы буровая установка комплектуется гидравлической системой, которая со­стоит из буровых насосов, нагнетательного трубопровода, обору­дования для очистки и сбора бурового раствора. В этой системе буровые насосы — это преобразователи механической, работы двигателей привода в гидравлическую энергию потока бурового раствора, необходимую для выноса на поверхность выбуренной породы.

В настоящее время широко применяются приводные поршне­вые насосы различных конструкций. На смену паровым прямодействующим насосам пришли двухпоршневые насосы двухсто­роннего действия и трехпоршневые одностороннего действия. Несмотря на более сложную конструкцию, чем у прямодействующих паровых насосов, и большую неравномерность подачи, эти насосы более экономичны и получили широкое распростра­нение в буровых установках.

Затраты гидравлической энергии при бурении очень большие и с увеличением глубин скважин наблюдается тенденция их ро­ста. Буровые насосы — главные потребители энергии на буровой и в настоящее время их приводная мощность составляет 190— 1250 кВт.

Технология бурения не допускает прекращения циркуляции бурового раствора, поэтому для обеспечения надежности про­цесса в составе буровой установки предусматриваются два на­соса, один из которых резервный. Для глубокого бурения забой­ными двигателями два насоса работают на параллельном вклю­чении. В этом случае обычно устанавливают третий резервный насос.

Буровые насосы эксплуатируются в очень тяжелых условиях. Они перекачивают вязкие растворы, приготовленные обычно на основе глинисто-водных смесей и утяжеленные добавками гема­тита или барита. Растворы содержат до 2 % абразивных частиц выбуренной породы и перекачиваются

насосами при температуре 40—70 °С.

Водные растворы при этой температуре наиболее коррозионно-активные. Кроме того, они часто содержат активные химические реагенты: известь, каустическую соду, дубильные кислоты, соли и другие вещества.

Буровые насосы должны обеспечивать достаточную равномер­ность подачи, быть безопасными в эксплуатации, удобными в об­служивании и ремонте в полевых условиях. Буровой насос — обычно самый тяжелый агрегат буровой установки. Масса совре­менных наиболее мощных насосов достигает 50 т, поэтому его конструкция должна допускать транспортировку как при помощи транспортных средств, так и волоком в пределах промысла.

Даже при нормальных условиях эксплуатации срок службы быстроизнашивающихся деталей ограничен и составляет в ч:

поршней 100—200; штоков 150—200; цилиндровых втулок 200— 300; клапанов 300—400. Иногда срок службы этих деталей со­кращается до нескольких десятков часов. Поэтому быстрота и удобство их замены, а также малая трудоемкость операций имеют большое значение.

При конструировании буровых насосов важнейшее значение имеет показатель расхода металла на 1 кВт гидравлической (по­лезной) мощности. Этот показатель для современных двухцилин­дровых насосов двойного действия составляет 35—55 кг/кВт. Обычно под буровые насосы не сооружают мощных фундамен­тов, поэтому для предупреждения больших вибраций с увеличе­нием мощности возрастает и общая масса насоса. Наряду с дру­гими преимуществами у трехцилиндровых насосов одностороннего действия (триплексов) этот показатель значительно снижен и составляет 22—35 кг на 1 кВт гидравлической мощности. При­чем с увеличением приводной мощности от 600 до 1180 кВт от­носительный расход металла снизился с 35 до 22 кг/кВт.

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ БУРОВЫХ НАСОСОВ

В последние годы все более широко применяются в мировой практике бурения быстроходные трехпоршневые насосы одностороннего действия вместо двухпоршневых насосов двухстороннего действия. Это не случайно и объясняется тем, что при переходе в область высоких давлений наряду с требованиями резкого снижения массы возрастают требования к надежности работы буровых насосов, а также возникает необходимость постоянного контроля за степенью годности уплотнительных устройств в процессе эксплуатации. Наряду с этим, эффективность использования обратного хода поршня в двухпоршневых насосах двустороннего действия при высоких давлениях снижается из-за относительного роста площади штока, которая, например, для насосов У8-6МА и У8-7МА уже составляет 30—40 % от площади поршня минимального диаметра.

Учитывая эти факторы, за рубежом, главным образом в США, ФРГ, Японии, Румынии, в последние годы в практику бурения были успешно внедрены трехпоршневые насосы одностороннего действия. Исключительно быстрое внедрение трехпоршневых насосов в практику бурения глубоких скважин и вытеснения ими двухпоршневых насосов, особенно на буровых установках, предназначенных для бурения на море и в труднодоступных районах, обусловлено рядом технико-эксплуатационных преимуществ. Главные из них (при равных мощностях насосов): меньшие масса и габариты (примерно в 1,4—1,5 раза); меньшие неравномерность подачи в 2 раза и неравномерность давления в 5—6 раз; уменьшение числа сменных деталей в 1,3—1,4 раза и их массы в 2—3 раза.

Появлению трехпоршневых насосов в практике бурения предшествовал большой объем опытных работ, проводимых различными фирмами по

отработке приемлемых конструктивно-кинематических параметров и конструкций сменных деталей.

Сравнение основных параметров двухпоршневых насосов двустороннего действия и трехпоршневых насосов одностороннего действия показывает, что длина хода поршня у трехпоршневых насосов малой мощности примерно в 2 раза меньше, чем у насосов двухпоршневых двустороннего действия той же мощности, у мощных насосов это различие уменьшается до 1,4 раза, сохраняя ту же зависимость, т. е. с увеличением мощности длина хода возрастает. Максимальная частота вращения для трехпоршневых насосов одностороннего действия снижается с увеличением мощности насоса более прогрессивно, чем у насосов двухпоршневых двустороннего действия.

Опыт использования трехпоршневых буровых насосов одностороннего действия в длительной эксплуатации показал, что для достижения максимальной продолжительности безотказной работы в тяжелых условиях рекомендуется применять насосы при возможно низкой частоте вращения главного вала поршня, т. е. существенно меньшей, чем максимальная паспортная частота. При этом следует избегать превышения допустимой нагрузки по штоку и перегрузки двигателей. Это возможно лишь при наличии привода с регулируемой характеристикой по оборотам в режиме постоянного момента.