泥浆泵动力端参数优化及设计——文献综述

毕业设计

文献综述

题目3NB－1300泥浆泵

动力端参数优化及结构设计专业机械设计制造及其自动化班级机械设计制造2班

学生隆林凡

指导教师胡启国

重庆交通大学

2011年

一．前言

泥浆泵是石油钻机的三大部件之一，是钻井液循环系统的关键设备。钻井时钻井泵在高压下向井底输送高粘度、大密度和高含沙量的液体，以便冷却钻头，携带出岩屑，并作为井底动力钻具的动力液，辅助钻头钻进。在各种形式的泵中，往复式柱塞泵由于具有能在高压下输送高粘度、大比重、高含沙量和流量相对较小的液体的特性，因而在钻井作业中得到了广泛的应用。

钻井泥浆泵的使用大约已有100多年了。早期泥浆泵的功能仅在于循环泥浆、冷却井底、携带岩屑等。1940年代末，随着喷射式钻井和井下动力钻具钻井的出现，扩大了泥浆泵的功能与使用范围。近些年来，随着深井和超深井的开采逐渐增多，对钻井泥浆泵的功率与压力提出了更高的要求。泥浆泵早期的典型结构是双缸双作用泵，这种泵传动效率低、流量和压力波动大、体积大、重量重，不能满足恶劣的钻井工况，尤其是海洋钻井的需要。所以1960年代，比较先进的三缸单作用泥浆泵得到了应用。三缸泵的优点在于体积小、重量轻、效率高、压力波动小。经过40年来的不断改进与完善，三缸单作用泵已经比较成熟，使用效果显著。现在，随着石油开采技术的不断革新和钻井要求的日益提高，又出现了一些新型的泥浆泵。

二．泥浆泵概述

泥浆泵是在钻井过程中，将泥浆加压后携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，向井底输送和循环钻井液的往复泵。泥浆泵的主要作用是利用钻井冲洗液（统称泥浆）使井筒内外的循环，冲洗井底，冷却钻头，并把岩屑携带到地面。在采用井下水力钻具（如涡轮钻具或螺杆钻具）时，利用冲洗液传递能量，推动井下水力钻具旋转。采用喷射式钻头，由钻头水眼喷射出高速冲洗液，有利于破碎岩层，提高钻井速度。为了实现高压喷射钻井，对钻井泥浆泵提出了更高的要求，使用好、保养好泥浆泵的各部分，延长各个易损件的工作寿命，保证泥浆泵优良的技术状况，也是很重要的。由于石油矿场上使用往复泵的条件十分恶劣，提高其易损件（泵阀，活塞和缸套）的工作寿命，成为泥浆泵设计、制造和使用中迫切需要解决的问题。近几年，为了加快钻井速度，降低钻井成本，延长钻头使用寿命，国内外在泥浆泵的理论和试验研究、设计制造和选择使用等方面做了许多工作，对钻井泵进行了多次改型换代，各种新型钻井泵也不断研制成功。但其基本结构均未摆脱曲柄连杆机构的传统方式，在结构上没有根本变化，因而现有的钻井泥浆泵不能完全满足钻井作业的需要，因而必

须寻求具有更好工作性能和合理结构的钻井泵以满足石油勘探开发使用的要求。

随着改革开放的深入及中国加入世贸组织，我国石油钻井队伍“充分利用国内外两种资源、两个市场”，实施走出去的战略，进入国际钻井市场，为了满足参与国际市场的需要，中石油、中石化都在不断加大钻井设备的投入，同时加快老钻井机的更新改造和新型轻便钻井机研制步伐，随着国际市场对钻井泵的需求增大，使得钻井泵的供求矛盾更加突出，各类型钻井泵的缺口每年达200台左右。

现如今国内外钻井泥浆泵主要存在5方面的问题，即，钻井泵质量大，制约钻机的移运性，难以适应现代轻便钻机的要求；冲程短，冲次高，钻井泵在不合适的冲次范围内工作，致使液力端寿命短；泵压偏低，不能完全满足现代钻井工艺的需要；结构不合理，部分强度冗余，部分刚度不足，可靠性低，难以满足钻井机高可靠性要求；缸套寿命短，难以满足钻机高效率要求。因此，合理降低泵的冲次，适当增加泵的冲程长度，既满足钻井过程中的排量要求，又能确保泵的自吸性能，充分发挥了泵的功效，成为今后钻井泵的设计方向。

三．泥浆泵的国内外概况及发展趋势

我国的泥浆泵是从 1960 年代开始，由引进美国技术发展起来的。当前，我国生产石油钻井泵的单位主要有宝鸡石油机械有限公司、兰州兰石国民油井石油工程公司等单位，其生产的系列三缸泵己经能基本满足我国大部分油田钻井的需要，并有部分出口。宝鸡石油机械有限公司已有 40 多年设计和制造泥浆泵的历史，生产的F-500、F-800、F-1000 泵达到了美国 LTV 公司的技术要求，其特点为:无退刀槽人字齿轮传动；合金钢曲轴；可更换的十字头导板；机架采用钢板焊接件；中间拉杆盘根采用双层密封结构，动力端采用强制润滑和飞溅润滑相结合的润滑方式。F 系列三缸泵具有冲程长、冲次低的优点。为了满足油田高泵压和大排量钻井工艺的要求，宝鸡石油机械有限公司还自行设计和制造了 F-1300、F-1600、F-1600HL、F-2200 和F-22OOHL大功率高压泥浆泵。兰州兰石国民油井石油工程公司是中美合资经营企业，生产的泥浆泵主要有 P 系列、F 系列和 3NB 系列。其中的 3NB 系列泥浆泵具有以下特点: 动力端壳体为钢板焊接结构，焊后消除内应力；动力端传动齿轮为渐开线齿形；曲轴为空心的整体铸件；动力端润滑为飞溅润滑；液力端吸入、排出法兰符合 ANSI 和API 规范；活塞杆与介杆间采用卡箍连接；阀腔孔的底部带有台阶，防止阀座下沉；活塞和缸套由一个独立的喷淋泵装置冷却和润滑。该公司生产的 3NB 系列三缸泵符合

API 规范，功率从5OOHP 到 1600HP，广泛用于各大油田。

目前，世界各国都在大量研究和使用三缸单作用泥浆泵，并且都是朝着大功率、长冲程、大缸径、高泵压的技术方向发展。国外对钻井泵的研究早、技术精、产品系列齐全，尤其以美国的技术最为先进，俄罗斯和罗马尼亚次之。

随着钻井技术的发展,特别是高压喷射钻井、近平衡钻井、丛式定向井、水平井等新工艺、新技术的不断进步,对钻井泥浆泵的工作性能要求越来越高。目前，钻井泵正朝着大功率、大排量和高压力的方向发展。

四．参考文献

[1] 刘清友.7NB泥浆泵及工作原理[J]. 天然气工业,2001:64-65.

[2] 石油勘探开发规划院机械研究所.钻井泥浆泵的使用[M]. 北京：石油工业出版社，1979

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[4] S.L.科利尔.泥浆泵手册[M].北京：石油工业出版社，1988

[5] 沉学海.钻井往复泵原理与设计[M]. 北京：机械工业出版社，1990

[6] 往复泵设计编写组.往复泵设计[M].机械工业出版社，1987

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[8]沈学海.论钻井泵科研设计中的几个问题[J ].石油矿场机械， 1985，NO.6

[9] Kelly J.L.Jr .An Economic Approach to Drilling Hydraulics[J].Drilling Technology Conference Transactions, 1984