[發(fā)明專利]基于流體力學的鉆井泵流場分析方法

無效

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• 申請日: 2011-11-14
• 公開（公告）號: CN103106324A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發(fā)明（設計）人: 謝月
• 申請（專利權）人: 謝月
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于流體力學的鉆井泵流場分析方法。

背景技術

隨著鉆采深度的增加，對鉆機以及與其相配套的其它設備要求越來越高。目前國內外鉆井泵結構按高壓吸入閥與排出閥的位置可以劃分為三種：一是吸入閥與排出閥都安裝在閥箱內，且兩閥處于同一軸線上，與缸套的軸線垂直。此類閥箱叫I型。二是一閥安裝在閥箱內，一閥安裝在閥箱外，且兩閥與缸套的軸線垂直。此類閥箱叫L型。三是吸入閥與排出閥安裝位置的軸線相互垂直，且吸入閥與缸套處于同一軸線上，構成T字型液流通道。

往復泵在石油工業(yè)中的應用很廣泛，石油礦場上常需要在高壓下輸送高粘度、大比重和高含沙量的液體，而流量相對不大，從各種泵的工作特點對比中表明，往復泵比較適用于這種情況。往復泵在鉆井時用作循環(huán)泥漿和注入固井水泥。在采油時，用作原油輸送、洗井、注水及地層壓裂。抽油設備中的深井泵也是一種特殊結構的往復泵。所以，往復泵是石油通用的和關鍵的設備之一。

根據(jù)泵的結構特征和作用的不同，可分為三個基本類型。(1)容積式泵：依靠包容液體的密封工作空間周期性的變化，把能量周期性地傳遞給液體，使液體的壓力增加到將液體強行排出。(2)葉輪式泵：依靠旋轉的葉輪對液體的動力作用，把能量連續(xù)地傳遞給液體，使液體的速度能和壓力能的能量增加，隨后通過壓出室將大部分速度能轉換為壓力能。(3)其他類型泵。

利用鉆井泵鉆井已有100多年的歷史。在這100多年中鉆井泵不斷改進不斷發(fā)展。鉆井泵的發(fā)展歷史以1901年美國德克薩斯州的Spindletop鉆出的336m深的有商業(yè)價值的石油井為起點。這也是近代油氣井旋轉鉆井史的起點。當時，鉆井使用的鉆井泵是雙缸雙作用活塞式蒸汽泵，泵壓為17.3×105Pa。這種泵不是專門為泥漿泵設計的，而是一般的供水泵。

1917年生產(chǎn)的蒸汽泵已經(jīng)是專門設計的鉆井泵了。這種泵的泵頭即是今天雙缸雙作用鉆井泵液力端的雛型。其主要不同之點在于當時的泵閥還是平板閥。這種泵一直使用到30年代。

蒸汽泵的動力來自鍋爐產(chǎn)生的蒸汽。但在礦場，鍋爐的使用和運輸都不方便。因此，蒸汽鉆井泵逐漸被內燃機驅動的機動泵所代替。在二十世紀三十年代中最大的雙缸雙作用機動泵為1926年生產(chǎn)的。其活塞直徑為170mm，沖程為457mm，功率為110-147Kw，最高泵壓可達(100-125)×105Pa。這種泵的設計和現(xiàn)在的雙缸雙作用泵已經(jīng)相當接近了。其液力端已經(jīng)使用了錐形閥，傳動端內有斜齒的減速齒輪、偏心軸、連桿和十字頭，采用了密閉的飛濺潤滑，液力端排出管裝有空氣包。但連桿大端還使用滑動軸承。

到30年代中期，由于泵的載荷越來越大，鉆井泵才采用了全滾動軸承設計。但當時沒有大直徑的滾動軸承，所以主軸多采用懸臂式曲拐軸方案，連桿大端的滾動軸承內圈定在曲拐銷上。

隨著鉆井井深的增加和套管層次的增多，對鉆井泵的排量和泵壓提出了愈來愈高的要求。二戰(zhàn)后，泥漿性能有所改進，同時開展了噴射鉆井技術的研究和發(fā)展工作。這時鉆井作業(yè)者主要要求提高泵壓。從40年代末到50年代中期，噴射鉆井的研究和實踐提出了150-210×105Pa的泵壓要求。40年代末鉆井泵的功率，達到了600Kw。同時，大部分公司把泵的最大沖程長度降回到457mm(18in)。

50年代雙缸泵隨著泵功率的急劇加大，泵的重量和外形尺寸也隨之增加。為減輕泵重，當時在雙缸泵的設計上較大的改進是以鋼代鐵和減小泵寬。以鋼代鐵是用鋼板焊接的泵殼，并將一些零件改用優(yōu)質合金制造；減小泵寬是應用大直徑的滾動軸承作連桿大端支承，拚棄懸臂曲拐軸的方案而采用兩端簡支的偏心輪軸設計。這樣，兩缸中心距明顯縮小。

60年代初，急需設計和制造一種泵壓能適應噴射鉆井工藝要求，同時體積小、重量輕，能滿足當時海洋、沙漠鉆井的安裝運輸條件的鉆井泵。各公司都作了大量的研究工作。其中目標比較集中的是將用于固井壓裂的三缸柱塞泵改型為鉆井泵，因為它正好能滿足上述要求。在研制的開始階段，問題仍然發(fā)生在機械能轉換為液體壓力能的為邊界面上——在泥漿介質中柱塞及柱塞密封的壽命過低。在這時，一組“單作用活塞-敞口缸套-噴淋水”的設計起了關鍵的作用。它使鉆井泵史上代表一個新時代——三缸單作用活塞式鉆井泵的誕生。與雙缸雙作用泵相比，三缸單作用泵具有體積小、重量輕、效率高、流量均勻、壓力波動小以及拆裝維修方便；由于三缸單作用泵，曲柄互成120°，動力端受力均勻。排量系數(shù)為0.141，小于雙缸和四缸單作用泵，排量均勻，并且有結構簡單等優(yōu)點。在廣泛的應用中顯示出良好的經(jīng)濟效益，已經(jīng)在國內外的深井鉆進中逐漸取代雙缸雙作用泵。