§6-4_往复泵的工作特性曲线

' 为常数。 • 对于固定的管路系统，
• 对于钻井泵来说，由于井深是不断变化的，所以 排出管路的长度Ld也是变化的，故 ' 随井深不同 而不同，即 H st 'Q 2 H • 通常钻井泵的吸入池和排出池是共用的，因此， 固定压头 H st 0 • 所以，管路系统所消耗的压力（压力降）为：
§6-4
往复泵的工作特性曲线
一、往复泵的特性曲线 二、往复泵的工况 三、钻井泵的临界特性 四、往复泵的流量调节
一、往复泵的特性曲线
往复泵的特性曲线主要表示泵的流量、输入功率 及效率等与压力间的关系。
往复泵的流量与压力间的关系：
• 由公式 Qth iFSn 可知，往复 泵在单位时间内排出的液体体积 取决于柱塞的截面面积F、冲程 长度S、冲次n以及泵缸数i，而 与压力无关。 • 因此，若以横坐标表示泵的排出 压力，纵坐标表示流量，在保持 泵的冲次不变的条件下，泵的理 论Q－p曲线应是垂直于纵坐标 的直线。
p1F1 p2 F2 pi Fi pn Fn 常数
•
即，每一级缸套都受到一个最大工作压力或极限 泵压的限制。
泵的临界工作特性曲线：
钻井泵的临界特性曲线正 是根据泵的冲次和压力的 限制条件作出的。
• 如图，以Q为横坐标，p为 纵坐标的直角坐标上，分 别作出了每一级缸套（共5 级）下的泵特性曲线，并 在其上标定各级缸套极限 工作压力点1，2，…，5
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往复泵的工作特性曲线
一、往复泵的特性曲线 二、往复泵的工况 三、钻井泵的临界特性 四、往复泵的流量调节
三、钻井泵的临界特性
泵的冲次及压力限制 1. 泵的冲次n不能超过额定值
• • 在泵的冲程长度、活塞及活塞杆截面积一定的情 况下，泵的流量Q与冲次n成正比。 对钻井泵来说，冲次过高，不仅会加速活塞和缸 套的磨损，使吸入条件恶化，降低使用效率，还 会使泵阀产生严重的冲击，大大缩短泵阀寿命。
• 则折线1－1"－2－2" －3 －3 " －4－4" －5为该泵 的临界工作特性曲线。
临界工作特性曲线上通常 还根据井身结构及钻具组 成绘制各种井深时的管路 特性曲线。
从临界工作特性曲线，可 以看出： 1. 在机械传动的条件下，随 着井深的增加，往复泵每 级缸套的泵压近似地按垂 直线变化。 • 当钻至某井深使泵压达该 级缸套的极限值时，必须 更换较小直径的缸套，从 较低的压力开始继续工作。
• 从泵的有效压头公式 可 知，对于一定的管路系统，其中右端前三项为定 值，称作固定压头，以Hst表示。 • 又，从吸入和排出的全过程来看，管路中液体的 惯性水头并不造成能量损失，因此 h 只是吸入 及排出管中的阻力损失：
h hs hd 'Q 2
2 2 pk pa u 4 u1 H Z h g 2g
由图可以看出： • 在排出管长度即井深一定的情 况下，泵的流量不同，管路消 耗的压力不同。 • 降低泵的流量可以使压力消耗 减小，即压降减小。 • 同样，在流量一定的情况下， 井深增加，泵压升高。 • 这说明，泵实际给出的工作压 力总是与负载（此处指管路压 力）直接相关的，负载增大， 泵压就升高，反之，泵压就下 降。
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往复泵的工作特性曲线
一、往复泵的特性曲线 二、往复泵的工况 三、钻井泵的临界特性 四、往复泵的流量调节
二、往复泵的工况
泵装置工作时，都必须和管路组成一定的输送系统， 才能输送液体。 在输送过程中，液体遵守质量守恒和能量守恒定律。 • 质量守恒：指的是单位时间内泵所输送的液体量Q 等于流过管线的液体量Q’，即Q＝Q’。 • 能量守恒：指的是泵所提供给液体的能量H，全部 消耗在克服管路的阻力损失及提高静压头上。设管 路系统消耗及具有的总能量为H’，则有H＝H’。
' i 2
泵与管路联合特性曲线：
将泵的理论或实际Q－p特性曲 线按同样的比例绘在管路特性 曲线图上，即得到泵与管路联 合特性曲线。 • 由图可知，当泵的流量为Q1时， 两种曲线分别交于A1，B1等各 点。 显然，只有在这些交点处，才 能满足质量守恒和能量守恒条 件，泵才能正常工作。 • 这些交点称为泵的工况点。
• 例如，泵在第一级缸套下 以流量Q1工作时，井深由 L0增至L1，压力由pa增 至p1； • 更换第二级缸套后，流量 为Q2，在井深为L1时，泵 压为pb′，随着井深的增 加，泵压不断升高，一直 到工作压力升到p2时才需 要更换缸套。
2. 不论泵速是否可调节，任 何一级缸套下的流量Q （或冲次n）和压力p都 限制在一定的范围内。 • 例如，用第一级缸套时， 泵压和流量只能在矩形面 积Q11p10范围内； • 用第二级缸套时，泵压和 流量则限制在Q22p20范 围内。
• 实际上，随着泵压的升高，泵的 密封处（如活塞－缸套、柱塞－ 密封、活塞杆－密封之间）的漏 失量将增加，所以，实际流量随 着泵压的增高而略有减小。 • 流量不同， Q－p曲线的位置也 不同。
对于钻井泵，其压力是随着井深 增加而加大的，
因此，井的深度较大时，即使缸 套与冲次不变，泵的流量也将稍 有减小。
复习题
1. 往复泵在单位时间内排出的液体体积是否与压力 有关？为什么？ 2. 为什么往复泵的实际流量随着泵压的增高而略有 减小？ 3. 简述如何作出不同井深下的管路特性曲线。 4. 简述常用的钻井泵流量调节方法。
p 为某一井深时的压力降系数，即
i g '
p Q2
管路特性曲线：
以流量Q为横坐标，压力降 为 纵坐标，可以作出不同井深 Ldi下的管路特性曲线。 • 对于一定的井深Ldi，只要测 量出某流量Q下的压力降 p ， 就可以求得该井深时的压力降 p g 系数 Q • 再根据压力降系数就可以求得 该井深不同流量时的压力降， 从而很方便地作出某井深下的 管路特性曲线。
•
• •
对于同一台钻井泵，冲程长度和活塞杆截面积通 常是不变的， 因此，对于不同的活塞面积Fi，即不同的缸套 面积，都具有一个相应的最大流量， 即在某i级缸套下工作时，泵的流量不允许超过 Qi，否则，泵的冲次就可能超过允许值。
2. 泵的压力受限制（存在一个最大工作压力和极限 泵压） • 因为泵的活塞杆和曲柄连杆机构等的机械强度是 有限的，为了满足强度方面的要求，每一级缸套 的最大活塞力应该不超过某一常数：
减少泵的工作室： • 在深井段钻进时，往往井径较小，为了尽量减少 循环损失，一般希望泵的流量较小。 • 在其它调节方法不能满足要求时，现场有时采用 减少泵工作室的方法。 • 例如，打开阀箱，取出几个排出阀或吸入阀，使 有的工作室不参加工作，从而减小流量。但加剧 了流量和压力的脉动。
旁路调节： • 在泵的排出管线上并联一根旁通管路，打开并调 节旁路阀门，就可以调节泵的流量。 • 旁路调节还是常用的钻井泵紧急降压手段。
调节泵的冲次： • 动力机与钻井泵之间通常不加变速机构，在机械 传动的条件下，适当改变动力机的转速即可调节 泵的冲次。 • 例如，用柴油机驱动泵，可在额定转速nr与最小 转速nmin之间调节柴油机转速，使泵在额定冲次 与最小冲次之间变化，达到调节流量的目的。 • 注意：在调节转速的过程中，必须使泵压不超过 该级缸套的极限压力。
四、往复泵的流量调节
• 往复泵与一定的管路系统组成统一的装置后，其 工况点一般也是确定的。有时，为了某些需要， 希望人为地调节泵的流量，以改变工况。 • 由于泵的流量与泵的缸数i、活塞面积F、冲次n 及冲程S成正比关系，改变其中任一个参数，都 可以改变泵的流量。
常用的钻井泵流量调节方法：
更换不同直径的缸套： • 设计钻井泵时，通常把缸套分为数级，各级缸套 的流量大体上按等比级数分布，即前一级直径较 大的缸套的流量与相邻下一级直径较小缸套的流 量的比值近似为常数。 • 根据需要，选用不同直径的缸套就可以得到不同 的流量。
3. 在泵的最大冲次保持不变 的条件下，各级缸套下泵 的最大流量Q1，Q2,…与 活塞有效面积成正比，泵 输出的最大水力功率（有 效功率）为：
N p1Q1 p2Q2 常数
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•
显然，点1，2，…，5的 连线是一条等功率曲线。 往复泵工作时，所有的工 况点都应控制在等功率曲 线的下方，即泵实际输出 的水力功率总是小于有效 功率。
为了提高工作效率 • 应根据井深和钻井工艺的 要求合理地选用钻井泵， 并按照井深变化的情况， 合理地选用和适时地更换 缸套直径。 • 还可以采用除纯机械传动 以外的传动型式，使泵的 工况点尽可能接近等功率 曲线。
§6-4
往复泵的工作特性曲线
一、往复泵的特性曲线 二、往复泵的工况 三、钻井泵的临界特性 四、往复泵的流量调节