3NB1300钻井泥浆泵—液力端系统的设计_3nb1300钻井泥浆泵

2020-02-28 其他范文下载本文

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摘要........................................................III ABSTRACT...................................................IV 1前言

1.1 课题的背景及研究意义..................................................................................................5 1.2 钻井泥浆泵的现状与趋势分析......................................................................................7 1.2.1我国钻井泥浆泵现状...............................................................................................7 1.2.2 钻井泥浆泵的发展趋势..........................................................................................8 1.3 现有研究的不足及本文研究的内容..............................................................................9

2钻井泵基本参数的确定

2.1 排量................................................................................................错误！未定义书签。2.2 泵压................................................................................................错误！未定义书签。2.3冲程及冲程长度............................................................................错误！未定义书签。2.4泵的额定功率................................................................................错误！未定义书签。2.5 额定活塞推杆力............................................................................错误！未定义书签。

3钻井泥浆泵液力端总体设计

3.1 液力端的总体方案结构设计........................................................错误！未定义书签。3.1.1缸盖结构.................................................................................错误！未定义书签。3.1.2 凡尔体结构............................................................................错误！未定义书签。3.1.3 拉杆结构................................................................................错误！未定义书签。3.1.4活塞结构.................................................................................错误！未定义书签。3.1.5缸套结构.................................................................................错误！未定义书签。3.1.6阀箱结构.................................................................................错误！未定义书签。3.2 钻井泥浆泵的主要作用及工作机构............................................错误！未定义书签。液力端易损件设计分析

4.1 泵阀设计分析................................................................................错误！未定义书签。4.2活塞设计分析................................................................................错误！未定义书签。4.3 缸套设计分析...............................................................................错误！未定义书签。

总结..........................................错误！未定义书签。谢辞..........................................错误！未定义书签。参考文献........................................II

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摘要

为了满足国际市场的需要，石化行业都在不断加大钻井设备的投入，同时加快了老钻机的更新改造和新型轻便钻机的研制步伐，加之国际市场对钻井泵的需求量增大，使得钻井泵的供求矛盾更加突出。随着新钻井工艺的应用和发展，要求开发具有更高更好性能的新型钻井泵。

本文在液力端系统总体结构和工作原理的基础上,对3NB-1300钻井泥浆泵液力端系统进行详细的结构设计与分析，重点对冲程、冲次及液力端易损件进行设计与计算。

关键词：钻井泥浆泵；液力端系统；冲程；冲次

III

3NB-1300 Mud Pump--Design of the Hydraulic System

ABSTRACT In order to meet the demand of international drilling market, the petrifaction industry are constantly increasing the investment in drilling equipment, and speeding up the upgrading of the old driller and the development of the new driller.With the increased demand of mud pump at the international market, the contradiction between the supply and demand of the mud pump is more prominent.With the application and development of new drilling technology, the market requires the better performance of new drilling pump.This thesis detailed designs the structure of the hydraulic system of 3NB-1300 mud pump at the basis of overall structure and operating principle, and focus on the design and computing of the stroke, frequency and the wearing part.Key Words: Mud pump;Hydraulic system;Stroke;Frequency

1前言

1.1 课题的背景及研究意义

石油钻井技术发展90年代, 由于海洋深水油气田的开发和大量水平井钻井的需要, 不仅使钻机的功率加大, 提升能力加强, 而且使钻井泥浆泵功率也增加到1470～1618kW(2000～2200hp)。泵压则由35MPa提到52.7MPa。这种新参数的泥浆泵已经在半潜式、浮动钻井船, 改造的自升式平台上大量采用。并在英国北海油田、美国墨西哥湾油田、西非海岸的油气开发中服役。在南中国海也将3NB1600 型泵的泵压提高到52.7MPa 后使用在钻井平台上。预计在未来的几年中, 在我国的各类海洋平台和钻井船上3NB1300型和3NB1600型泵也将陆续改造为52.7MPa 或更换成3NB2200型泵。而在沙漠中大于7000m 的油气井也将用3NB2200型泵来完成。

采用大功率泥浆泵主要是解决在水平井段防止钻杆卡钻和清除井底岩屑, 加快进尺, 为井下提供动力, 缩短钻井周期, 降低钻井成本。目前在一般水深小于1200m 的油田, 半潜式钻井船日租费用为$2.5万元/天, 而在超深水域半潜式钻井船将高达$12万元/天。因此, 采用安全可靠、性能先进的高压大功率泥浆泵是提高钻井效益的有效途径。

目前, 国产大功率三缸泵最大为3NB1600型泵, 且压力为35MPa。为了尽快适应日益发展的钻井技术的需要, 应加快研制国产3NB2200型泥浆泵。大功率泥浆泵在海上油田的采用, 势必扩展到陆上超深井和水平井钻机上, 就像过去三缸单作用泵在海洋钻机上替代双缸双作用泵一样, 形成一场革命, 很快扩展到陆地钻机。随着泵压的升高, 对钻机中各类钻具的性能要求也将随之提高, 否则, 采用高压大功率泥浆泵后带来的钻井效益将由于钻具的频繁损坏而殆尽。

国外三缸单作用钻井泵的结构特点如美国三缸泵的液力端，阀箱采用L型，阀箱的吸入阀和排出阀为分体结构。吸入阀采用螺纹压紧，其壳体与阀箱螺纹联接，球形吸入空气包。泵机座多为焊接结构，小齿轮用键固定在传动轴上，大齿轮套安装在曲轴上。曲轴采用直轴与偏心轮一起铸造的结构。采用双列向心球面调心轴承。十字头滑动面经表面淬火磨削。齿轮采用斜齿或无槽人字齿轮。为了加强易损件的互换，阀腔和活塞杆制定了相应的标准。随机辅助工具齐全，有

阀座液压拉拔器、液压拆卸器、缸套拆卸器等。俄罗斯三缸钻井泵的现状俄罗斯三缸钻井泵起步较晚，发展较慢，至今在钻井实践中，仍大量采用双缸泵。但其三缸泵已形成系列，而且发展势头较快。如俄罗斯石油钻机主要生产厂家，乌拉尔重型机械制造联合公司计划新建一个生产三缸泵的专业化分厂，将生产整体人字齿轮。俄罗斯现有四个功率级别的三缸泵，即600、800、950、和1180kw。俄罗斯三缸泵的液力端，阀箱采用I 型直通式和Ｌ型，阀箱吸入阀和排出阀不是分体结构，而是一体式液力模块。Ｌ型阀箱又有吸入阀在前、排出阀在后的常规型和吸入阀在后、排出阀在前的变Ｌ型结构。吸入阀采用液力压紧装置，不依靠螺纹压紧，压紧装置内充满液压油，其壳体与阀箱螺纹联接。排出阀用冠形螺纹压盖压紧。阀盘以锥面和端面与阀座接触，阀盘质量较轻，接触应力较小。阀胶皮保证可靠的密封。活塞—缸套之间有独特的水封装置，喷淋冷却管有铰链装置，可提高可靠性，减少机修时间和使用费用。喷淋泵的开关与钻井泵传动机组联锁，电动泵未起动，钻井泵不能起动，以保护主泵。缸套采用离心浇铸的双金属毛坯或双金属轧制钢管制造。外层是中碳结构钢，内层为高铬耐磨不锈钢。内层的金相组织为细针状马氏体和部分残余奥氏体。使用寿命为500h 左右，最高可达800～900 h。为了方便用户，减少易损件规格，制造的600、800、950及1180KW泵的缸套可以通用。吸入空气包有球形及筒形两种。动力端机座有铸件和焊接件，传动采用小螺旋角斜齿轮传动和宽槽人字齿轮。曲轴是由铸造的偏心轮套在直轴上组成的。采用双列圆锥滚子轴承。十字头滑动面经表面淬火磨削。介杆采用双室密封。随机辅助工具齐全，有阀座液压拉拔器，液压拆卸器，缸套拆卸器等。

关于轻便钻井泵功率在955KW以下，主要配套于4000m以下钻机，因此，轻便钻井泵的市场前景基本依从于4000m以下钻机的使用现状和发展。

随着改革开放的深入及中国加入世界贸易组织（WTO），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，同时加快了老钻机的更新改造和新型轻便钻机的研制步伐，加之国际市场对钻井泵的需求量增大，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。随着新钻井工艺的应用和发展，要求开发具有更高更好性能的新型钻井泵。因此该项目具有良好的市场前景。随着越来越多的国产设备步入国际市场，也会极大地提高我国石油装备制造企业的国际声誉，创造出更多的商机。

1.2 钻井泥浆泵的现状与趋势分析 1.2.1我国钻井泥浆泵现状

轻便钻井泥浆泵功率在956kW以下，主要配套于4km以下钻机，因此，轻便钻井泵的市场前景基本依从于4km以下钻机的使用现状和发展。据统计，我国拥有钻机1000余台，占世界钻机总量的32%，其中，中石油集团公司就拥有700余台，因此，中石油集团公司的钻机情况基本反映了国内钻机的现状。在中国石油集团公司拥有的700余台钻机中，4km以下的钻机占总量的80%。平均新度系数仅为0.4，其中，48%的钻机新度系数小于0.3；有500台左右的钻机服役10年以上，亟待更新，与之配套的钻井泵相应也需要更新。我国每年所钻4km以下的井数为总井数的98.5%，4km以下的进尺为总进尺的95.2%。

目前钻井泵主要的特点有：(1）排量和功率大。

(2）钻井泵持续工作于野外，并经常移运。

(3）泵送的介质是泥浆，其中含有碱、酸、硫化氢等腐蚀成分和细小的岩屑。因此，钻井泵液力端的零件在工作时经受介质的腐蚀，磨砺和冲蚀。

上述的基本工作条件又为钻井泵的设计带来以下的特点：(1）冲次低。中、大功率双缸钻井泵的冲次为 60～65min-1，三缸泵的使用冲次为 90～120min-1。在机动往复泵中是最低的。冲次难以提高的首要原因在于钻井泵功率和排量很大，安装条件又差，故对因冲次提高引起的冲击、振动较为敏感；此外，易损件的寿命和吸入条件也是限制冲次提高的重要因素，例如，即使在有喷淋水冷却的条件下橡胶活塞皮碗的运动平均速度一般须控制在 0.9m/s以下。低的冲次要求动力机和曲柄连杆机构之间的传动比大，传动环节多。(2）钻井泵不但排量大，而且泥浆有一定的粘度。有时还需在泥浆中混入纤维状或片、粒状的堵井漏材料。因此，钻井泵除要求吸入、排出管线有较大的流道面积外，还要求有相当大的阀座孔流道面积和阀升程。钻井泵的阀座孔流道直径为100m左右，阀升程为20mm

左右，这比其它种类的往复泵要大得多。这一特点首先决定了钻井泵的泵阀开启、关闭滞后角较大，达 10～20度。这对容积效率和吸入管中的惯性水头值有较大的影响。其次，阀盘直径大，其上受的总液压力也大。其结果，一是恶化了面积有限的阀体一阀座接触面的受载；二是阀体为具有足够的强度必须做得较厚实，增大了它的质量和惯性，这也是不利于提高泵速的因素之一。(3）外形尺寸大。泵的排量决定于冲次、活塞直径和冲程长度，钻井泵的排量大而冲次低，因而必须加大活塞和加长冲程。按它的外形尺寸和重量，钻井泵为往复泵中的巨型泵。(4）钻并泵是在环境条件很差的野外工作，它的某些结构设计也反映了这一特点。主要一点是在传动端全部采用滚动轴承而避免采用液体润滑的高比压滑动轴承。在曲轴连杆部件中，由于不采用滑动轴承，曲轴只能在两端简支，三个曲柄之间没有支点。这一方面减弱了曲轴的强度和刚度，另一方面又将泵内减速齿轮置于两个曲柄之间而不是靠近轴承。而在一般减速箱的设计中，要求齿轮尽可能靠近轴承，以保证较好的啮合。(5）由泵送的介质具有腐蚀性和磨砺性，再加上矿场维护保养条件差，钻井泵液力端的易损件寿命比之其它行业应用的往复泵都要低。设计泵时必须考虑装卸易损件方便。1.2.2 钻井泥浆泵的发展趋势

随着钻井工艺技术，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、新技术的发展，钻井泵进一步向大功率、大排量和高泵压方向推进，作为钻机“ 心脏”的钻井泵，其性能水平和使用寿命同钻井速度和生产成本有着直接关系，同时其工作条件又十分恶劣，工况也异常复杂，对钻井泵的可靠性和安全性提出越来越高的要求。

对于轻型钻井泵来说，排出压力将进一步增高，以适应现代钻井工艺的要求。多年来，钻井的实践证实，只有卧式活塞泵能满足钻井工艺要求，钻井使用的活塞泵传动功率由300～2000kW，最大排量8～50L/s，最小排量下的最高压力为9～40MPa。从排量的均衡性，对不同结构泵的排量不均度进行分析，结果表明，曲柄错角120o的三缸泵比其他方曲柄错角等的多缸泵都有利；三缸以上的泵由于结构复杂、维修困难和易磨损而难以广泛应用。近年相继开始研制出5缸、7缸斜盘型轴向柱塞泵、双缸单作用液压钻井泵等新型钻井泵，但由于维修不便及使用寿命等因素限制了其推广应用。所以目前国内外钻井泵的主要型式仍为三缸单作用

往复泵。

三缸泵的液力端为L 形结构，复合锥面阀胶皮，冷却缸套活塞内孔喷射移动式喷淋装置，直立式吸入空气包；动力端体外强力润滑系统，闭式内固定导板机构。因此，轻便钻井泥浆泵的发展趋势是降低额定冲数，由150min-1降到110～120min-1；增大冲程，最大冲程已达300mm以上。

降冲次可以提高易损件寿命，如，活塞密封、缸套的使用寿命，还可以减少惯性损失、改善泵的吸入性能，同时提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的使用寿命，大大提高钻井泵的可靠性。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，充分发挥了泵的效能，成为今后钻井泵设计的发展方向。

1.3 现有研究的不足及本文研究的内容

一、钻井泵存在的主要问题

目前，国内外三缸单作用往复式钻井泵存在的主要问题包括以下几个方面： a）钻井泵质量大，难以适应现代轻便钻机的要求，制约钻机的移运性。b）冲程短，冲次高。钻井泵在不适合的冲次范围内工作，致使液力端寿命短。

c）泵压低，不能完全满足钻井工艺的需要。

d）结构不合理，部分强度冗余，部分刚度不足，可靠性低，难以满足钻机高可靠性要求。

e）缸套寿命短，难以满足钻机高效率要求。

二、钻井泵主要参数的合理选择（1）泵的额定冲次n 钻井泵的冲次n 是泵的主要参数之一。相同功率下，冲次高使得泵体积小、质量轻，制造费用、运输费用和维护保养费用较小；冲次高则不能充分发挥三缸单作用泵的效能，因此，对冲次的选定将决定钻井泵的性能可靠性、使用性和经济性。降低冲次还可以提高泵吸入性能，特别是提高三缸泵的自吸能力。可延长易损件的使用寿命。钻井泵冲次的高低对易损件的寿命具有很大影响。活塞失效的主要原因是挤伤和磨损，由于活塞平均速度与冲次成正比，当冲次降低后，活

塞往复运动的速度减慢，活塞与缸套之间的摩擦功耗产生的摩擦热减少，从而延长活塞密封的使用寿命，也提高了缸套的使用寿命。同时，十字头、导板、阀和阀座的寿命都有所提高。另外，冲次降低后，惯性损失减少，泵不易产生水击现象，惯性力减弱，将会提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的使用寿命。（2）泵的冲程长度

泵的冲程长度是钻井泵的另一重要指标。在降低冲次的前提下，适当加长冲程长度是合理的，而且还可以进一步改善其吸入性能。经合理搭配泵的冲程长度，泵的额定冲次，缸套直径，在泵的理论排量、排出压力满足钻井工艺要求的前题下使泵的惯性水头系数小于0.34m/s2时，能够确保钻井泵自吸性能良好。（3）正确设计吸入管汇

为保证液流与活塞同步增速，液流需要消耗一定的能量，即称为加速度水头损失或惯性损失。随着所用吸入管线的形式不同，这种损失可能加大或减小。要控制惯性损失，提高泵的吸入性能，应使吸入管线应有足够的液体；选用直通式泵头；吸入系统应绝对密封。

因此，以此为契机我们把钻井泵冲次及冲程长度作为钻井泵的重要参数。

三、设计原始参数

本文主要完成3NB-1300钻井泥浆泵液力端系统设计。设计原始参数为： ① 泵型：卧式三缸单作用 ② 输入功率：956千瓦

③ 齿轮传动比：I=128/35=3.657 ④ 主动轴额定转速：437.77转/分

⑤ 外形尺寸（长*宽*高）：5050*2406.5*2655 ⑥ 总质量（包括皮带轮、予压空气包和喷淋系统）：22300Kg 设计任务：本题目将设计一台3NB-1300钻井泥浆泵，主要有液力端部分，泵壳部分、动力端部分、润滑部分等组成。本子题目将对3NB-1300钻井泥浆泵液力端进行系统的设计。

具体内容为：

① 3NB-1300钻井泥浆泵的总体设计

② 对3NB-1300钻井泥浆泵的液力端进行详细设计，绘制总装配图和零件图

若干；

③ 翻译英文文献不少于3000单词；基本要求：

① 查阅文献，并写出文献综述； ② 提出可行性方案，并写出开题报告； ③ 设计并选择总体设计方案；