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1、 钻机的循环系统包括：钻井泵、钻井液池、钻井液槽(罐)、地面管汇、钻井液净化设备、钻井液调配设备。钻井泵是钻机循环系统的核心设备，是循环系统的工作机。目前国内外石油钻机中采用的钻井泵都是往复式液压泵。习惯上也把钻井泵称为往复泵。钻机循环系统采用往复泵，就是为整套钻机提供高压钻井液。往复泵在石油矿场上应用非常广泛。它常常用于高压下输送高粘度、大密度和高含砂量的液体，而流量相对较小。例如：钻井泵、固井泵(也叫水泥泵)、压裂泵、注水泵、采油泵等都是在石油矿场常用的往复泵。与叶片泵、离心泵等相比，往复泵具有较高的工作效率和良好的运行性能。一、往复泵的特点一、往复泵的特点Reciprocating pu
2、mp rspr,ket 往复泵是一种开展较早的水力机械之一。它属于往复泵是一种开展较早的水力机械之一。它属于容积泵。适用于输送排量相对较小，压力较高的液容积泵。适用于输送排量相对较小，压力较高的液体。体。往复泵包括活塞泵和柱塞泵。往复泵包括活塞泵和柱塞泵。活塞泵柱塞泵柱塞泵往复泵在石油生产中主要用于：往复泵在石油生产中主要用于：石油矿场上常需要在高压下输送高粘度、大密度和高含砂量的液体，而流量相对石油矿场上常需要在高压下输送高粘度、大密度和高含砂量的液体，而流量相对不大，这些条件限制了离心泵的作用，因为在这些条件下离心泵的效率较低，而且不大，这些条件限制了离心泵的作用，因为在这些条件下离心泵的
3、效率较低，而且极易磨损，所以多采用往复泵来满足上述条件。极易磨损，所以多采用往复泵来满足上述条件。1、钻井：循环泥浆、固井、井口控制设备的动力泵；、钻井：循环泥浆、固井、井口控制设备的动力泵；循环泥浆循环泥浆固井固井动力泵动力泵二、往复泵的应用二、往复泵的应用注水注水洗井洗井压裂酸化压裂酸化2、采油：洗井、注水及地层压裂酸化；、采油：洗井、注水及地层压裂酸化；二、往复泵的应用二、往复泵的应用3、抽油泵也是一种特殊结构的往复泵。、抽油泵也是一种特殊结构的往复泵。二、往复泵的应用二、往复泵的应用1.往复泵的根本构成和工作原理重点2.往复泵的分类3.活塞的运动规律4.往复泵的流量5.往复泵流量不均匀
4、的危害及解决方案动画演示如以下图所示，往复泵是一种典型的容积式泵。由于活塞(或柱塞)的往复运动，使得包容液体的密封工作空间容积产生周期性变化来进行吸排液体，从而把活塞(或柱塞)运动的机械能转变成为液体的压力能。一、往复泵的根本组成和工作原理在钻井过程中，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。三缸单作用钻井泵双缸双作用钻井泵1、往复泵根本构成如图4-1所示，往复泵由以下两个根本局部组成。1液力局部(或称液力端)包括活塞、液缸、泵阀等部件。液力端的作用是把机械能转换成液体能。2动力局部(或称动力端)包括曲柄、连杆、十字头、活塞杆
5、等部件。动力端的作用是进行运动形式的转换。图图4-1 4-1 往复泵工作示意图往复泵工作示意图一、往复泵的根本组成和工作原理2.往复泵的工作原理及过程分析 图4-1所示，为卧式单缸单作用往复泵工作示意图。工作时，动力机通过皮带，传动轴，齿轮等传动部件带动主轴及固定于其上的曲柄旋转。活塞杆由曲柄连杆机构带动，使曲柄的旋转运动转变成为活塞的往复直线运动；当曲柄从水平位置自左向逆时针旋转时，活塞向右边(即泵的动力端)移动，缸内容积的扩大，液缸内便形成一定的真空度，而吸入池中的液体在液面压力Pa的作用下，经吸入管推开吸入阀，进入液缸内，直到活塞移到右死点位置为止。这一过程称为液缸的吸入过程；一、往复泵
6、的根本组成和工作原理 曲柄继续转动，活塞开始向左(即泵的液力端)移动，缸套内液体受到挤压，压力升高，吸入阀关闭，直到缸内压力升高到大于排出管线上的压力，排出阀被推开，液体经排出阀和排出管排出，直到活塞移到左死点为止。这一过程称作液缸的排出过程。单作用和双作用：曲柄旋转一周，活塞往复运动一次。单作用泵的液缸完成一次吸入和排出过程；双作用泵的液缸完成两次吸入和排出过程。活塞的冲程：在吸入和排出过程中，活塞移动的距离以S表示，称作活塞的行程(亦称为活塞的冲程)。假设曲柄半径用r表示，那么活塞的冲程S与曲柄半径r之间的关系为：S2r。一、往复泵的根本组成和工作原理1.往复泵的根本构成和工作原理重点2.
7、往复泵的分类3.活塞的运动规律4.往复泵的流量5.往复泵流量不均匀的危害及解决方案石油矿场用往复泵可按以下五种方式分类。1.按缸数分为:单缸泵、双缸泵、三缸泵、四缸泵等。2.按工作件的式样分为:活塞泵和柱塞泵。3.按作用方式分为:单作用泵和双作用泵。1单作用泵：单作用式泵如图41所示，其活塞只有其中一面作为工作面。活塞在液缸内往复运动一次，该液缸完成一次吸入和一次排出过程。二、往复泵的分类2双作用泵：如图42所示，活塞的两面均为工作面。液缸被活塞分成两个工作室，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。图图4-2
8、4-2 双作用往复泵液缸示意双作用往复泵液缸示意图图二、往复泵的分类4.按液缸的布置方式及其相互位置分为:卧式泵、立式泵、V形泵、星形泵。5.按传动或驱动方式分为:机械传动泵、蒸汽驱动泵、液压驱动泵、手动泵。通常以泵的上述主要特点来区分各种不同类型的泵，如单缸单作用立式柱塞泵、双缸双作用卧式活塞泵、三缸单作用柱塞泵等。动画演示二、往复泵的分类1.往复泵的根本构成和工作原理重点2.往复泵的分类3.活塞的运动规律4.往复泵的流量5.往复泵流量不均匀的危害及解决方案假设往复泵的动力端不同，那么活塞的运动规律也不同。石油矿场用往复泵的动力端大多采用曲柄连杆机构。如图4-3所示。现以此为例来分析活塞的运
9、动规律。图图4-3 4-3 往复泵活塞往复泵活塞运动示意图运动示意图一、活塞的运动规律 往复泵活塞运动的位移x、速度u和加速度a为：4-1 4-2 4-3 式中 r曲柄长度；曲柄的角速度；曲柄转角。活塞由液力端向动力端运动时，=0；活塞由动力端向液力端运动时，=2。从上述公式说明，往复泵活塞的运动速度和加速度分别近似地按正弦和余弦规律变化。当=时，活塞处于右死点位置；当=0和2时，活塞处于左死点位置。当=0时，上述公式中的正负号取上面的；当=2时，上述公式中的正负号取下面的。一、活塞的运动规律1.往复泵的根本构成和工作原理重点2.往复泵的分类3.活塞的运动规律4.往复泵的流量5.往复泵流量不均
10、匀的危害及解决方案 泵的流量是指，单位时间内泵通过管道所输送的液体量。流量通常以单位时间内，所输送的液体体积来表示，称为体积流量，用符号Q表示，单位为L/s 或m3s、m3min等。1.理论平均流量Qth 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。往复泵的流量与活塞工作面积F，活塞冲程S以及冲程次数有关。对于单作用泵：Q QththiFSniFSn (44)对于双作用泵：Q Qththi(2F-f)Sni(2F-f)Sn (45)二、往复泵的流量 在公式(4-4)和(4-5)中:Qth理论平均流量，m3/min；S冲程，m；i液缸个数；F活塞面积，m2；n曲柄转速，r/
11、min；f活塞杆截面积，m2。2.实际平均流量Q 泵在实际工作中由于存在：吸入阀和排出阀一般不能及时关闭；密封处可能有高压液体泄漏；液缸中或液体中可能混有空气而降低吸入充满度，等等原因。所以，往复泵的实际平均流量要低于理论平均流量。即 QQth 4-6 式中 流量系数，它反映泵内泄露损失的大小。一般取。二、往复泵的流量【关于流量系数的分析】往复泵的实际工作过程与理论工作过程有一定的差异，而使泵实际流量小于理论流量，具体分析如下：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，余隙容积(活塞在前死点位置时的工作腔容积)中的液体压力仍等于排出压力。因此，当活塞向右移动时，工作腔内
12、的液体压力不可能骤降，而是逐渐下降，使排出阀关闭。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。二、往复泵的流量 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，使实际吸入的液体小于行程容积，造成容积损失。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那么更为明显)，使工作
13、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之后，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，填二、往复泵的流量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。综上所述，导致实际流量小于理论流量的主要原因是：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失损失。即，一方面由于实际进泵液体小于理论流量，另一方面由于进泵后获得能量的液体存在漏失。二、往复泵的流量3.瞬时流量Qcm 对于单作用泵：QcmFu (47)即 QcmFrsinm (48)公式中下
14、标m表示曲柄或液缸的顺序编号1、2、3等。从公式可知，当m=0，2时，活塞处于死点位置，此时刻，其瞬时流量都为零。对于单作用泵：QcfmFrsinm (49)Qcam(F-f)rsinm (410)公式中号如何选取：当m=0时，公式前取+号；当m=2时，公式前取-号。二、往复泵的流量 实际上，往复泵一般都是由几个液缸组成，整台泵的瞬时流量由同一时刻各液缸瞬时流量叠加而成。计算整台泵的瞬时流量时，要根据各曲轴间的角相位差决定公式中的角参数。4.往复泵的流量曲线及其应用 往复泵在工作时，在曲柄旋转一周(2)内，各液缸(或工作室)及泵的瞬时流量按一定规律变化。1流量曲线 如果以曲柄转角为横坐标，流量
15、为纵坐标，即可作出泵的瞬时流量和平均流量随曲柄转角变化的曲线，称之为泵的流量曲线。它直观地反映出了整台泵与液缸或工作室瞬时流量之间的关系，及其随曲柄转角的变化关系。二、往复泵的流量图图4-4 4-4 单缸单作用泵流量曲线单缸单作用泵流量曲线图图4-5 4-5 单缸双作用泵流量曲线单缸双作用泵流量曲线图图4-6 4-6 双缸单作用泵流量曲线双缸单作用泵流量曲线图图4-7 4-7 双缸双作用泵结构简图及流量曲双缸双作用泵结构简图及流量曲线线图图4-8 4-8 三缸单作用泵结构简图及流量曲三缸单作用泵结构简图及流量曲线线 图4-4、图4-5、图4-6、图4-7和图4-8分别是单缸单作用泵、单缸双作用
16、泵、双缸单作用泵、双缸双作用泵和三缸单作用泵的流量曲线。2流量曲线的应用 可判断泵流量的均匀程度。通过流量曲线可以找到理论流量的最大值Qmax、最小值Qmin及理论平均流量Qth。任何类型的往复泵，在曲柄转动一周的过程中，其理论瞬时流量都是变化的。在往复泵的运行中，总希望泵的流量均匀，工作平稳。故引入了泵的流量不均度，来衡量泵的流量不均匀程度。往复泵的流量不均度Q为：(Qmax-Qmin)与Qth的比值。即 Q(Qmax-Qmin)/Qth 4-11二、往复泵的流量 显然，对于不同类型的往复泵，其流量不均度是不一样的，它们皆可由流量曲线求得。几种往复泵的流量不均度如下：单缸单作用泵3.14;单
17、缸双作用泵1.85;双缸单作用泵1.57;双缸双作用泵0.48;三缸单作用泵；四缸单作用泵。比较而言，三缸单作用泵工作更平稳。可确定泵输送的液体体积。用A表示曲线与横坐标轴围成的面积，V表示泵所输送的液体体积，那么流量体积V与面积A有如下关系：VA/4-12 可检验曲柄布置是否合理。从流量曲线可发现各液缸瞬时流量叠加是否合理，从而检验曲柄布置方案的合理性。二、往复泵的流量1.往复泵的根本构成和工作原理重点2.往复泵的分类3.活塞的运动规律4.往复泵的流量5.往复泵流量不均匀的危害及解决方案1.往复泵流量不均匀的危害 往复泵瞬时流量的脉动，引起吸入管路和排出管路中液体的不均匀流动，从而产生了加速度和惯性力，增加了泵的吸入和排出阻力。将将导致的危害性有：降低泵的吸入性能；引起管路压力脉动及管路振动；破坏泵的稳定运行。2.解决方案 合理布置曲柄的位置。采用多缸泵或无脉动泵。目前多使用三缸单作用泵。缩短管路长度，增大内径，减小往复次数(即冲数)。设置空气包。储存和释放液体，使脉动程度降低。三、往复泵的流量不均匀的危害及解决方案泵的瞬时排量与转角的关系1、往复泵的根本构成4、往复泵流量不均匀的解决方案2、往复泵的分类3、往复泵的理论平均流量、实际平均流量和瞬时流量的计算公式返回返回