Требования к промывочным насосам определяются геолого-техническими условиями их эксплуатации: физико-механическими свойствами буримых пород, глубиной, диаметром и назначением скважины, типом породоразрушающего инструмента и т. д.
Величины подачи промывочной жидкости Q и напора Н бурового насоса обусловливаются рядом факторов и в процессе углубления скважины могут меняться в широких пределах. Следовательно, буровой насос должен обеспечивать возможность простого и быстрого регулирования подачи и напора в зависимости от параметров технологического режима бурения. При этом одним из основных требований является обеспечение независимости подачи от давления (наличие жесткой напорно-расходной характеристики Q-H).
Необходимость постоянной и равномерной очистки забоя, выноса и поддержания шлама во взвешенном состоянии приводит к требованию минимальной пульсации потока, так как неравномерность потока может привести к нарушению нормального процесса бурения и ухудшению состояния стенок скважины. Помимо этого пульсирующий поток промывочной жидкости вызывает гидравлические удары, что сокращает срок службы элементов насоса и напорной магистрали, а также является одной из причин вибрации бурильной колонны.
Особые требования предъявляются к всасывающей способности буровых насосов. При определении необходимой вакуумметрической высоты всасывания следует учитывать возможное расположение насоса на площадке передвижной или самоходной буровой установки, высота которой достигает 1,5 м и уровень промывочной жидкости в отстойнике в пределах 0,5 - 1,5 м ниже поверхности земли. Таким образом, минимальная высота всасывания с учетом сопротивления во всасывающей линии может составить 4,5 - 5 м вод. ст. при условии обеспечения устойчивой работы насоса на утяжеленных растворах повышенной вязкости.
|
|
Характерная особенность работы промывочных насосов при бурении скважин определяется разнообразными свойствами перекачиваемой жидкости, содержащей твердые частицы разбуриваемой породы и металла, что предъявляет повышенные требования к износостойкости узлов и деталей гидравлической части насоса. Поскольку избежать абразивного износа элементов промывочных насосов невозможно, так как он возникает не только в местах трения сопряженных деталей, но и в местах движения потока жидкости, содержащей абразивные частицы, необходимо обеспечить возможность оперативной замены быстроизнашивающихся деталей.
Необходимо также учитывать, что бурение геологоразведочных скважин часто осуществляется в труднодоступных районах, где транспортировка оборудования затруднена, что выдвигает требование минимальных габаритов и массы насоса и отдельных его узлов.
Таким образом, требования к промывочным насосам возможно разделить на две группы. К первой относятся требования, определяющие эффективность непосредственно процесса бурения: обеспечение стабильной подачи необходимого количества жидкости, постоянство подачи, минимальная пульсация потока, достаточная всасывающая способность. Ко второй - удобства эксплуатации насосов, затраты времени и средств на их ремонт, обслуживание и транспортировку.
Анализ требований, предъявляемых к насосам для подачи промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин, показывает, что ни один из существующих типов полностью не удовлетворяет всему комплексу перечисленных выше требований.
|
|
Основному требованию - независимости производительности от давления - удовлетворяют насосы объемного типа: поршневые (плунжерные), шестеренчатые и винтовые.
Буровые насосы должны обладать повышенной износоустойчивостью при перекачивании жидкостей, содержащих абразивные примеси. Полностью исключить абразивный износ при применении указанных типов насосов не представляется возможным, но компенсировать возникающие в результате износа зазоры практически проще в насосах с возвратно-поступательным движением рабочего органа (поршня, плунжера).
Насосы такого типа в отличие от центробежных обладают способностью к самовсасыванию и дают возможность создания любого напора, величина которого определяется параметрами насосной установки, мощностью двигателя и прочностью агрегата.
Центробежный насос может применяться при бурении только мелких скважин, когда нет необходимости в высоких давлениях промывочной жидкости.
Прямая зависимость подачи поршневого насоса от числа оборотов коленчатого вала позволяет в широких пределах регулировать его производительность. Поршневые насосы могут быть использованы для перекачивания жидкостей с различными физическими свойствами (даже с высокой вязкостью и большим содержанием твердой взвеси), чего нельзя достигнуть при применении шестеренчатых насосов. Применение в насосе трехпоршневой (трехплунжерной) системы обеспечивает допустимую при бурении скважин степень пульсации потока закачиваемой промывочной жидкости. Таким образом, поршневые (плунжерные) насосы максимально отвечают основным требованиям бурового процесса и поэтому получили широкое распространение при бурении геологоразведочных скважин. В настоящее время как в России, так и за рубежом осуществлён переход на быстроходные плунжерные и, в частности, трехплунжерные насосы простого действия. Это связано с повсеместным распространением алмазного бурения и, соответственно, сооружения скважин малого диаметра. В этих условиях при сравнительно небольших подачах промывочной жидкости требуется высокое давление. В этой связи, сравнивая показатели работы поршневых двухцилиндровых насосов двойного действия и трехплунжерных простого действия, можно отметить, что последние имеют целый ряд преимуществ, в частности, в поршневом насосе одно из уплотнений (уплотнение поршня) всегда расположено в глубине гидравлического блока (гидроблока). Поэтому его состояние и работоспособность не поддаются прямому контролю, и об их работоспособности можно судить только косвенно - по величине подачи и развиваемому ими давлению. Для осмотра или замены уплотнений приходится производить трудоёмкую операцию разборки и сборки гидроблока. Вероятность снижения подачи при износе уплотнений даже в самой начальной его стадии усугубляется при высоких давлениях, возникающих при бурении глубоких скважин малого диаметра алмазными коронками, когда количество жидкости, поступающей в скважину, может доходить до 15-30 л/мин. При этом снижение подачи вызывает ускоренный износ породоразрушающего инструмента (повышенный расход алмазов), а иногда приводит к серьёзным авариям (прижогу коронок). Плунжерный насос имеет вдвое меньшее количество уплотнений, приходящихся на один вытеснитель, причём по мере износа возможна их регулировка. Диаметр плунжера принимается обычно меньше, чем у поршня, поэтому соответственно меньше нагрузка на коленчатый вал, что также благоприятно сказывается на снижении массовых характеристик насоса. Степень неравномерности подачи у насосов типа "дуплекс" составляет 42%, что делает его работу на буровой невозможной без применения громоздкого, имеющего значительную массу напорного воздушного колпака. Трехплунжерные насосы имеют неравномерность до 24% и поэтому в подавляющем большинстве случаев эксплуатируются без воздушного колпака. Трехплунжерный насос имеет шесть клапанов, а поршневой "дуплекс" восемь и, следовательно, при прочих равных условиях, плунжерный насос более надежен в работе. Очень важным является то, что плунжерные насосы, созданные в последние годы, более быстроходны (до 400-500 ходов/мин), что позволяет уменьшить массу насоса и габаритные размеры при тех же величинах подачи и давления. В поршневых насосах повышение быстроходности приводит к ускорению износа неконтролируемых уплотнений и нарушению стабильности подачи. Именно поэтому в существующих насосах "дуплексах" число ходов в минуту не превышает, как правило, 100-120.Для насосов одинарного действия легко осуществляется так называемая прямоточная рабочая камера, когда всасывающие и нагнетательные клапаны расположены непосредственно на одной вертикальной оси и поток жидкости практически имеет прямой ход в нагнетательный клапан. Прямоточное расположение позволяет снизить до минимума объем вредного пространства, обеспечить эффективную канализацию воздуха, попадающего в рабочую камеру или выделяющегося в ней, и, следовательно, повысить объемный коэффициент насоса и его экономичность.Разнообразие техники и технологии бурения скважин, широкое внедрение алмазного бурения при высоких частотах вращения снаряда, множество конструкций скважин и геологических разрезов, применение комбинированного оборудования и инструмента, когда в процессе сооружения одной скважины применяются шарошечные долота, твердосплавные и алмазные коронки - все это предъявляет требования к насосам в части обеспечения широких диапазонов изменения подачи промывочной жидкости. В связи с этим в отечественной и зарубежной практике в последнее время появились насосы с оперативным регулированием подачи.
|
|
Известно несколько способов регулирования подачи: