Поршневые и плунжерные буровые насосы в геологии

Поршневые и плунжерные буровые насосы в геологии

Подача промывочной жидкости в скважину в процессе ее промывки осуществляется при помощи насосов, которые входят в состав буровой установки. Требования к этим насосам определяются условиями их эксплуатации: физико-механическими свойствами разбуриваемых пород, глубиной, диаметром и назначением скважины, типом породоразрушающего инструмента и т. д.

Подача промывочной жидкости Q и напор 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 одно из основных требований — обеспечение независимости подачи от давления (наличие жесткой напорно-расходной характеристики Q — Н).

Необходимость постоянной и равномерной очистки забоя, выноса и поддержания шлама во взвешенном состоянии при-

водит 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.

Необходимо учитывать, что геологоразведочные скважины часто бурят 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 можно 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 группе относятся удобство 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 насосов полностью не удовлетворяет их. Основному требованию— независимости подачи от давления — удовлетворяют насосы объемного тина: поршневые (плунжерные), шестеренные и винтовые.

Буровые насосы должны обладать повышенной износоустойчивостью при перекачивании жидкостей, содержащих абразивные примеси. Полностью исключить абразивный износ при применении насосов указанных типов невозможно, но компенсировать возникающие в результате износа зазоры практически проще в насосах с возвратно-поступательным движением рабочего органа (поршня, плунжера).

Прямая зависимость подачи поршневого насоса от частоты вращения позволяет в широких пределах регулировать его подачу. Поршневые насосы обладают универсальностью в том отношении, что могут быть использованы для перекачивания жидкостей с различными физическими свойствами (даже с высокой вязкостью и большим содержанием твердой взвеси), чего нельзя достигнуть при применении шестеренных насосов.

Трехпоршневая (трехплунжерная) система насоса обеспечивает допустимую при бурении скважины пульсацию потока перекачиваемой жидкости. Таким образом, поршневые (плунжерные) насосы в лучшей степени отвечают основным требованиям бурового процесса, поэтому они широко распространены при бурении геологоразведочных скважин.

В настоящее время как в СССР, так и за рубежом, наблюдается тенденция перехода на быстроходные плунжерные и, в частности трехплунжерные, насосы простого действия. Это связано с широким развитием алмазного бурения и сооружением скважин малого диаметра. В этих условиях при сравнительно небольших подачах промывочной жидкости требуется высокое давление.

Развитие и совершенствование техники и технологии бурения скважин, широкое внедрение алмазного бурения при высоких частотах вращения снаряда, многообразие конструкций скважин и геологических разрезов, применение комбинированного оборудования, когда в процессе сооружения одной скважины используются шарошечные долота, твердосплавные и алмазные коронки, — все это предъявляет требования к насосам: обеспечить широкий диапазон изменения подачи промывочной жидкости. В связи с этим появились насосы с оперативным регулированием подачи.

Известно несколько способов регулирования подачи: изменением хода поршня или плунжера; изменением числа ходов при помощи коробки передач; последняя может быть встроена в механическую часть насоса или вынесена в виде отдельного узла;

путем комбинированного применения коробки передач и смены поршня или плунжера.

Регулирование подачи насоса с помощью коробки передач имеет некоторые преимущества перед другими способами вследствие простоты, надежности, оперативности, а также возможности широкого диапазона изменения скорости, а следовательно, и подачи насоса. Кроме того, применение коробки передач позволяет унифицировать оборудование.

Регулировать подачу путем изменения длины хода поршня можно с помощью кулисного механизма или перемещением кривошипного пальца в эксцентрике. Такая система технологически целесообразна, так как позволяет бесступенчато изменять количество жидкости, подаваемой на забой. Однако при этом способе регулирования подачи существенно увеличивается объем вредного пространства, что отрицательно влияет на всасывающую способность насоса. Этот способ не получил широкого распространения также из-за сложности механизмов регулирования.

Опыт эксплуатации ряда отечественных и зарубежных плунжерных насосов, подача которых регулируется изменением числа ходов с помощью коробки передач, показал, что они наиболее удобны и оперативны в работе, а также обладают высокой надежностью.

В СКБ ВПО «Союзгеотехника» Министерства геологии СССР создан ряд плунжерных быстроходных насосов, подача которых регулируется изменением числа ходов с помощью коробки передач. В этих насосах применяется как вертикаль-

ное, так и горизонтальное расположение поршней. Преимущественное распространение получили плунжерные насосы с горизонтальным расположением поршней.

В табл. V.10 приведена техническая характеристика поршневых и плунжерных насосов.

Насосная установка НБ-32 предназначена для нагнетания промывочной жидкости в скважину при геологоразведочном и структурно-поисковом бурении на нефть и газ. Насос — горизонтальный, двухпоршневой, двойного действия. Подача его изменяется путем смены цилиндрических втулок диаметрами 80, 90, 100 и 110 мм. Он заменяет насос 11 ГрИ.

На гидроблоке насоса установлен сферический компенсатор для выравнивания давления в его нагнетательной линии. В насосе, смонтированном на раме, предусмотрены сменные накладки под крейцкопфы для защиты станины от износа, а также цилиндроконическая резьба для соединения штока поршня со штоком ползуна. Насос имеет различные исполнения: по расположению шкива (с правой или левой стороны), по муфте включения (пневматического или фрикционного типа) и по расположению манометра.

Изготовитель — Ижевский завод нефтяного машиностроения.

Рис. V.5. Буровой насос НБ11Э:
1 — корпус; 2 — крышка; 3 — крышка нагнетательной камеры; 4— гидроблок; 5 — крышка всасывающей камеры; 6 — тарельчатый клапан; 7 — плунжер; 8 — кривошипношатунный механизм; 9— коробка скоростей

Насосная установка НБ-125 (9МГр) предназначена для перекачивания воды и глинистого раствора плотностью 1400 кг/м3 и вязкостью до 60 с по СПВ-5, а также цементных растворов и тампонажных смесей. Она обеспечивает эффективную промывку скважин глубиной до 3000 м диаметром более 132 мм при использовании шарошечных долот.
Насос имеет приводные шкивы различных диаметров, что позволяет иметь две частоты вращения приводного вала. В комплекте насоса имеются сменные цилиндровые втулки пяти диаметров, в результате чего можно получить десять ступеней регулирования. В насосе предусмотрен предохранительный клапан среднего типа. Шейки приводного и коленчатого валов насоса закрепляются в роликоподшипниках, затянутых крышками и регулировочными прокладками. В малых головках шатунов установлены игольчатые подшипники, а в больших — роликоподшипники. Все узлы и подшипники механической части насоса смазываются самостоятельно в масляной ванне кривошипной камеры. Опорные подшипники приводного и коленчатого валов смазываются маслом, которое подается большой шестерней в специальную желобковую масленку, откуда оно по трубам подводится к подшипникам.
Пальцы и направляющие крейцкопфы смазываются маслом, поступающим самотеком из специальной ванночки, в которую оно попадает при разбрызгивании. Остальные детали кривошипно-шатунного механизма смазываются путем разбрызгивания.

Изготовитель—Грозненский машиностроительный завод «Красный молот».

Насосные установки 1НБ7Э и 2НБ7Э разработаны в СКБ ВПО «Союзгеотехника» и предназначены для промывки скважин водой и глинистыми растворами.
Насосная установка 1НБ7Э состоит из насоса, электродвигателя AOЛ2-31-4 с частотой вращения 1430 об/мин, клиноременной передачи с натяжным устройством, смонтированным на общей раме. Установка может комплектоваться бензиновым двигателем «Дружба» мощностью 2,8 л/с при частоте вращения 4500 об/мин.

Насосная установка НБ11Э, разработанная в СКБ ВПО «Союзгеотехника», предназначена для перекачивания чистых и зашламовапных жидкостей, глинистых и цементных растворов и используется с буровыми стенками типа ЗИФ и др. Она состоит из четырехскоростного, горизонтального с прямоточной гидравлической схемой насоса НБ11Э; электродвигателя с пускателем, которые смонтированы на общей раме; клиноременной передачи, натяжение которой регулируется специальным устройством (рис. V.5).
Насосная установка отличается небольшими габаритами в блочном исполнении; малой массой и хорошей транспортабельностью.

Насосная установка НБ1-25Ц6 разработана в СКБ ВПО «Союзгеотехника» и предназначена для применения со станками УКБ-25, УКБ-12/25 и др. для небольших глубин бурения твердосплавными и алмазными коронками диаметрами 24, 36, 46 мм. Диаметры применяемых бурильных труб — 24 и 33,5 мм.

Рис. V.6. Буровой насос НБЗ-120/40:
1 — крышка; 2 — эксцентриковый вал; 3 — вал-шестерня; 4 — корпус приводной части; 5 — кривошипно-шатунный механизм; 6 — хомут; 7 — уплотнение плунжера; 8 — узел «сальник с плунжером»; 9 — гидроблок; 10 — нагнетательный клапан; 11, 20 —- клапанная пружина; 12 — крышка клапана; 13, 15 — уплотнительные кольца; 14 — седло нагнетательного клапана; 16 — упорная планка; 17 — всасывающий клапан; 18 — седло всасывающего клапана; 19 — уплотнение клапана; 21 — уплотнение ползуна

Насосная установка HB2-63/40 предназначена для перекачивания воды и глинистого раствора плотностью до 1200 кг/м3 и вязкостью до 35 с по СПВ-5. Она обеспечивает эффективную промывку скважин глубиной до 300 м и диаметром 46—76 мм при бурении алмазными и твердосплавными коронками.

В насосную установку НБ2-63/40 входят насос, электродвигатель и клиноременная передача, смонтированные на общей раме. Насос состоит из механической и гидравлической частей. Механическая часть — это двухскоростная коробка передач с механизмом и рукояткой переключения и кривошипно-шатунные механизмы, сообщающие плунжерам возвратнопоступательное движение. В гидравлическую часть входят быстросъемный узел (сальник с плунжером), три всасывающих и три напорных клапана, размещенных в стальном гидроблоке, предохранительный клапан, сбросный вентиль и манометр с демпфирующим устройством.

Насосная установка НБЗ-120/40 (рис. V.6) разработана в СКБ ВПО «Союзгеотехника» и предназначена для промывки буровых скважин водой и глинистым раствором. Насос может быть использован с установками соответствующих типоразмеров УКБ 200/300 — УКБ 300/500 при бурении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые долотами шарошечного и режущего типов, твердосплавными, дробовыми и алмазными коронками.

Насосная установка НБ4-320163 разработана в СКБ ВПО «Союзгеотехника» и предназначена для использования со станками У КБ 300/500, УКБ 1200/2000 и др. при бурении породоразрушающим инструментом всех типов. При этом можно использовать бурильные трубы диаметрами 42, 50, 63,5 мм. Эта установка укомплектована асинхронным электродвигателем 1А2-72-6 мощностью 22 кВт с частотой вращения 965 об/мин и напряжением 220/380 В. Вращение от электродвигателя к насосу передается тремя приводными ремнями. Насос трехплунжерный, реверсивный, горизонтальный с прямоточной гидравлической частью, которая позволяет достигнуть высоких гидравлических показателей. Насос состоит из гидравлической и приводной частей.

Насосная установка НБ5-320/100 применяется для перекачивания воды и глинистого раствора плотностью 1400 кг/м3 и вязкостью до 60 с по СПВ, а также цементных растворов и тампонажных смесей. Она обеспечивает эффективную промывку скважин глубиной 2000—3000 м при бурении алмазными и твердосплавными коронками и шарошечными долотами геологоразведочного стандарта с применением снарядов со съемным керноприемником (КССК-76) и гидроударных машин.
Насосная установка состоит из насоса, электродвигателя, рамы под двигатель, соединенной с рамой насоса болтами. Вращение от двигателя передается с помощью клиноременной передачи. Для регулирования натяжения ремней под двигателем имеются салазки и натяжные болты.
Насос состоит из приводной и гидравлической частей. Внутри приводной части помещена трехступенчатая коробка скоростей и кривошипно-шатунные механизмы. Детали и механизмы приводной части смазывают с помощью шестеренного маслонасоса Г11—11Б, который имеет привод от насоса. Маслонасос снабжен всасывающей трубкой и фильтром. Внутри гидравлической части насоса находятся клапаны и седла клапанов.
В насосе предусмотрены плунжеры двух диаметров (45 и 80 мм), что в сочетании с трехскоростной приводной частью обеспечивает шесть ступеней подачи в диапазоне 32— 320 л/мин. Хвостовики плунжеров соединены с хвостовиками ползунов кривошипно-шатунных механизмов с помощью быстросъемных хомутов. При необходимости замены изношенных деталей узла «сальник с плунжером» снимается целиком узел и заменяется запасным.
Подачу поршневого насоса в практике геологоразведочного бурения принято измерять в л/мин. Для насоса простого действия (плунжерного) площадь поршня

При длине хода плунжера S (в см) объем жидкости, засасываемой в цилиндр, будет равен FS (в см3) или (в л) FS/1000, а при числе ходов плунжера, равном п в 1 мин, подача одного цилиндра (в л/мин) будет равна FSn/ 1000. Так как цилиндр насоса заполняется неполностью из-за наличия в насосе воздуха или паров, а также вследствие утечек жидкости через поршень и клапаны, степень наполнения цилиндра учитывается коэффициентом наполнения т), который берется в пределах 0,8—0,9.

Обозначая число цилиндров насоса через т, получаем окончательную формулу для определения подачи насосов простого действия

содержание .. 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 ..