4.1钻机的循环系统

三缸单作用钻井泵Biblioteka 双 缸 双 作 用 钻 井 泵
一、往复泵的基本组成和工作原理
1、往复泵基本构成 如图4-1所示，往复泵由以下两个 基本部分组成。 （1）液力部分(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）动力部分(或称动力端)—包 括曲柄、连杆、十字头、活塞杆 等部件。动力端的作用是进行运 动形式的转换。
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本节课学习的内容
1.往复泵的基本构成和工作原理（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
4.2 往复泵的流量
一、活塞的运动规律
若往复泵的动力端不同，则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动规律。
往复泵在石油生产中主要用于：
1、钻井：循环泥浆、固井、井口控制设备的动力泵；
循环泥浆 固井 动力泵
二、往复泵的应用
2、采油：洗井、注水及地层压裂酸化；
注水
洗井
压裂酸化
二、往复泵的应用
3、抽油泵也是一种特殊结构的往复泵。
本节课学习的内容
1.往复泵的基本构成和工作原理（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
图4-3 往复泵活塞 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： x r ( 1 cos ) （4-1） u r sin （4-2） a r 2 cos （4-3） 式中 r—曲柄长度；ω—曲柄的角速度；φ—曲柄转角。 活塞由液力端向动力端运动时，φ=0～π； 活塞由动力端向液力端运动时，φ=π～2π。 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φ=π时，活塞处于右死点位臵；当φ=0和2π时，活塞处于左 死点位臵。 当φ=0～π时，上述公式中的正负号取上面的； 当φ=π～2π时，上述公式中的正负号取下面的。
一、往复泵的基本组成和工作原理
③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)。若曲柄半径 用r表示，则活塞的冲程S与曲柄半径r之间的关系为：S＝ 2r。
一、往复泵的特点 Reciprocating pump [rɪ'sɪprə,ket]
往复泵是一种发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，压力较高的液体。 往复泵包括活塞泵和柱塞泵。
活塞泵
柱塞泵
柱塞泵
二、往复泵的应用
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 且极易磨损，所以多采用往复泵来满足上述条件。
图4-1 往复泵工作示意图
一、往复泵的基本组成和工作原理
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。 ①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； ②当曲柄从水平位臵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 到右死点位臵为止。这一过程称为液缸的吸入过程；
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则更为明 显)，使工作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
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1.往复泵的基本构成和工作原理（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
二、往复泵的流量
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 m3／s、m3／min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： Qth＝iFSn (4－4) 对于双作用泵： Q ＝i(2F-f)Sn (4－5)
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/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 Q＝μQth （4-6） 式中 μ—流量系数，它反映泵内泄露损失的大小。 一般取μ=0.85～0.95。
二、往复泵的分类
（2）双作用泵：如图4－2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4-2 双作用往复泵液缸示意 图
二、往复泵的分类
4.按液缸的布臵方式及其相互位臵分为: 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。
二、往复泵的流量
3.瞬时流量Qcm 对于单作用泵： Qcm＝Fu (4－7) 即 Qcm≈〒Frωsinφm (4－8) 公式中下标m表示曲柄或液缸的顺序编号1、2、3等。 从公式可知，当φm=0，π，2π时，活塞处于死点位 臵，此时刻，其瞬时流量都为零。 对于单作用泵： Qcfm≈〒Frωsinφm (4－9) Qcam≈〒(F-f)rωsinφm (4－10) 公式中〒号如何选取：当φm=0～π时，公式前取+号； 当φm=π～2π时，公式前取-号。
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。
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1.往复泵的基本构成和工作原理（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
二、往复泵的分类
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4－1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。
图4-4 单缸单作用泵流量曲线
图4-5 单缸双作用泵流量曲线
图4-6 双缸单作用泵流量曲线
图4-7 双缸双作用泵结构简图及流量曲 线
图4-8 三缸单作用泵结构简图及流量曲 线
二、往复泵的流量
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 ①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σQ为：(Qmax-Qmin)与Qth的比值。 即 σQ＝(Qmax-Qmin)/Qth （4-11）
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4.1 概述
一、往复泵的基本组成和工作原理
如下图所示，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。
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。
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;单缸双作用泵1.7～1.85;双缸单作用泵1.57; 双缸双作用泵0.33～0.48;三缸单作用泵0.141；四缸单作用泵 0.325。比较而言，三缸单作用泵工作更平稳。 ②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， 则流量体积V与面积A有如下关系： V＝A/ω （4-12） ③可检验曲柄布臵是否合理。 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 布臵方案的合理性。
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(2π)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φ为横坐标，流量为纵坐标，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
【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 臵时的工作腔容积)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。
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。