无隔水管钻井液举升泵速度调节数学模型

石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY2013年第41卷第8期海洋石油装备无隔水管钻井液举升泵速度调节数学模型周昌静陈国明谭海东1中国石油大学华东化学工程学院2中国石油大学华东海洋油气装备与安全技术研究中心3长春工业大学机电工程学院摘要为增强无隔水管钻井井口压力控制效果，通过试验验证了叶片圆盘泵在一定转速范围内满足比例定律，在此基础上对叶片圆盘泵不同转速下的扬程与流量特性进行分析，建立叶片圆盘泵速度调节的数学模型。通过试验数据确定模型有关参数，将模型计算的转速与试验转速进行对比。对比结果表明，模型计算的转速与试验转速很接近，这表明该速度调节数学模型用于无隔水管钻井叶片圆盘泵速度调节具有较高的精度。关键词无隔水管钻井；钻井液；叶片圆盘泵；流量；扬程；速度调节；数学模型中图分类号TE951文献标识码ADOI103969JISSN10014578201308010MATHEMATICMODELOFMUDLIFTPUMPSPEEDCONTROLINRISERLESSDRILLINGZHOUCHANGJINGCHENGUOMINGTANHAIDONG1COLLEGEOFCHEMICALENGINEERING，CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM，QINGDAO2CENTERFOROFFSHOREENGINEERINGANDSAFETYTECHNOLOGY，CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM3COLLEGEOFMECHANICALANDELECTRONICENGINEERING，CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGYABSTRACTTOSTRENGTHENTHEWELLHEADPRESSURECONTROLEFFECTINRISERLESSDRILLING，THELIFTANDFLOWRATECHARACTERISTICOFBLADEDISCPUMPATDIFFERENTROTATIONSPEEDSWEREANALYZEDONTHEBASISOFVERIFYINGTHATTHEPUMPSATISFIESTHEPROPORTIONALITYLAWWITHINTHESCOPEOFACERTAINROTATIONSPEEDTHROUGHTHETESTTHEMATHEMATICMODELOFTHEPUMPSPEEDCONTROLWASESTABLISHEDTHETESTDATAWASUSEDTODETERMINETHERELEVANTPARAMETERSOFTHEMODE1THEROTATIONSPEEDCALCULATEDBYTHEMODELWASCOMPAREDWITHTHATOFTHETESTTHERESULTSHOWSTHATTHETWOVALUESAREVERYCLOSETHISINDICATESTHATTHISMATHEMATICMODELFORSPEEDCONTROLCANACHIEVEARELATIVELYHIGHPRECISIONINADJUSTINGTHEPUMPSPEEDINRISERLESSDRILLINGKEYWORDSRISERLESSDRILLING；DRILLINGFLUID；BLADEDISCPUMP；FLOWRATE；LIFT；SPEEDCONTROL；MATHEMATICMODE10引言海底钻井液举升泵是无隔水管钻井技术中的关键设备之一，钻井作业时被安装在海底，完成海底钻井液举升和海底井口压力的控制。叶片圆盘泵具有性能曲线平坦、无堵塞性能好和叶轮受磨损程度小等优点，在无隔水管钻井中得到了广泛应用_3J。无隔水管钻井需要海底钻井液举升泵进行实时调速来调节流量，以满足保持海底钻井液举升泵入口压力恒定的要求。如果用举升泵的通用性能曲线来确定调节流量所需的转速，则很不方便；如果直接按比例定律确定调节流量所需转速，要求变速后流量、扬程同时满足比例定律关系。海底钻井液返回管路系统属于典型的有静扬程系统，比例定律不能直接用于确定举升泵流量调节所需转速，因此按比例定律计算的转速满足流量的同时可能使扬程过大，造成能量浪费，也可能举升扬程不够，完成不了钻井液的举升J。这就需要寻求一种能表达举升泵变速性能的函数关系式，以基金项目国家科技重大专项“深水油气田开发钻完井工程配套技术”2008ZX0502600112。2013年第41卷第8期周昌静等无隔水管钻井液举升泵速度调节数学模型一41一便随时准确地确定举升泵调节流量所需要的转速。为此，对叶片圆盘泵样机进行变速试验，验证其在一定转速范围内满足比例定律，建立变速调节数学模型，通过试验确定模型有关参数，再将模型计算转速与试验值进行对比。对比结果表明，该变速数学模型能很好地用于无隔水管钻井叶片圆盘泵调速控制中确定所需转速。1比例定律当同一台离心泵转速由凡变为IT时，若输送的介质不变，根据相似定律可知，在不同转速下相似工况点的对应参数与转速之间有下列关系1Q22笼NN13式中P体积流量，M。H；扬程，M；功率，KW；N泵轴转速，RMIN。上述3个公式即为比例定律表达式，它们表示对同一台离心泵相似工况下的Q、H、N与之间的比例关系。对于满足比例定律关系的泵，输送流体相同时，可用这3个公式进行不同转速下性能曲线的换算。QN，则由式5可得和有如下函数关系咖6按照上述方法，对应于不同试验转速，均可求得1条一特性曲线。从理论上说，这些曲线应当重合，即为1条曲线。不同转速下叶片圆盘泵输送清水和钻井液时的一西特性曲线如图1、图2所示。由图可知，在试验转速范围内，各转速下的西曲线重合较好，这就从试验角度证明，叶片圆盘泵在变速运行时，相似工况点扬程流量关系式遵从一般离心泵的比例定律。F2弛圈图1输送清水无因次HQ变速特性曲线FIG1NONDIMENSIONALHQVARIABLESPEEDCHARACTERISTICCNRVEINTRANSPORTINGCLEARWATERF、2圜图2输送钻井液无因次Q变速特性曲线FIG2NONDIMENSIONALHQVARIABLESPEEDCHARACTERISTICENTREINTRANSPORTINGMUD2叶片圆盘泵速度调节数学模型建立22速度调节数譬立考虑到无隔水管钻井海底钻井液举升是典型的21不同转速下的扬程、流量特性分析海底钻井液举升泵速度调节的目的在于改变海底泵的入口流量，以保持恒定的海底井口压力。转速变化后，举升泵要满足钻井液举升的流量和扬程要求，对于在一定转速范围内满足比例定律关系的泵，相似的任意2工况点由式1和式2消去转速比得到，即HLH2H1，IQQQ则各转速下各相似工况点的轨迹可表示为HKQ5式中随工况而变的常数。由式1和式2可知，扬程日与IT成比例，流量Q与IT成比例。如果取N，取有静扬程管路系统，且静扬程很大，井底压力控制时流量变化可能很大，而举升高度不变，系统所需扬程变化不大，转速调节前、后2工况点间并不满足比例定律关系，因此所需调节转速不能按比例定律确定。而对于同一