（机械工程专业论文）非电动钻机泥浆排量控制装置的研究.pdf

非电动钻机泥浆排量控制装置的研究 摘要 、针对非电动钻机存在的泥浆排量调整精度差、费时费力不安全等弊端，一 、 本课题利用高压管线泥浆分流的原理，在对整个泥浆循环系统充分进行管 路特性分析的基础上，系统地研制出一整套适用于全国各大油田非电动钻 、，一、 机泥浆排量调整的控制装置。赅装置主要由柴油机转速气动遥控系统、抗 震耐腐蚀电磁流量计、节流调速系统和钻台集中控制台四大部分组成k 文 中对各个部分从液压、电气和控制方面的理论入手，在试验和实地调研的 基础上，对装置的可靠性进行了深入细致的研究。该装置为国内非电动钻 机泥浆排量调整的先例，它实现了柴油机转速的远程显示和控制，泥浆排 量在l o 升秒以下的无级调整，成功地解决了在高压、大排量，具有高度腐 蚀性的多相混合物一泥浆中精确测量瞬时排量和累计量的难题。该装置在 现场试验三口井，分别在下钻到底正常工况下开泵作业、电测前通井利用 稠泥浆封井和起钻遇卡时用小排量处理等情况下应用该装置取得成功。现 场试验表明，该装置具有操作灵活、平稳、可靠，安装方便等特点，它减 少了职工的劳动强度，提高了井队的生产时效，对于最大限度地预防井下 事故和复杂情况的发生起到了积极的作用，具有广阔的应用前景。 关键词非电动钻机，泥浆排量，控制0 装置，如聘薯 i 第1 页 s ，兀刀d yo nm 【u df l o w r a l t ec o n r r o l i e d d e c ef o rn o n - e l e c t r i c d r i v ed r 。l i n gr i g s a b s t r a c t a i m i n g a tt h ef a u l t i n e s si nt h em u df l o wr a t ea a j u s t m e n to fn o n - e l e c t r i c d r i v ed r i l l i n g r i g st h a tt h ea c c u r a t e n e s s i sl o w , t i m ea n ds t r e n g t ha r ec o n s u m e dw i t h o u ts a f e t y , i nt h i sa r t i c l e ， w i t ht h ep r i n c i p l eo fm u dd i s t r i b u t i o no nt h eh i g hp r e s s u r el i n e ，o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h e p i p el i n ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ew h o l em u d c i r c u l a t i n gs y s t e m ，as e to f m u df l o wr a t ec o n t r o l d e v i c e ss u i t a b l ef o rt h en o n e l c t r i c - d r i v ed r i l l i n gr i g so ft h ed o m e s t i co i lf i e l d sa r ed e v e l o p e d t h i ss e to fd e v i c e sa r ec o m p o s e do fp n e u m a t i cr e m o t ec o n t r o l l e ds y s t e mo fd i e s e le n g i n e ， a n t i v i b e r a t i v ea n d e r r o s i o n p r o o fe l e c t r o m a g n e t i c f l o wm e t e r , m u df l o wr a t ec o n t r o l s y s t e ma n d d r i l lf l o o ra s s e m b l e dc o n t r o lc o u n t e r , i n c l u d i n gc h o k ev a l v ec o n t r o lb o x i nt h e a r t i c l e ，f r o mt h et h e o r yo fh y d r a u l i c s e l e c t r i ca n dg a sa n dc o n t r o l ，o nt h eb a s i so ft e s ta n d c o n s u l t a t i o n ，t h er e l i a b i l i t i e so ft h ed e v i c e sa r es t u d i e dd e e p l ya n dc a r e f u l l y t h ed e v i c e sa r e t h ef i r s tu s e df o rc o n t r o l l i n gt h em u df l o wr a t eo ft h en o n e l e c t r i c d r i v ed r i l l i n gr i g s ，w h i c h c a nd i s p l a ya n dc o n t r o lt h er o t a r ys p e e do ft h ed i e s e le n g i n e ，a d j u s tt h em u df l o wr a t el e s s t h a n10l i t t e r sp e rs e c o n da tr a n d o m i ts u c c e s s f u l l ys o l v e dt h ed i f f i c u l tp r o b l e mo f m e a s u r i n g t h es i m u l t a n e o u sf l o wr a t ea n da c c u m u l a t e dq u a n t i t yo ft h eh i g h l ye r o s i v em u d m u l t i p h a s e m i x t u r eu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hp r e s s u r ea n dl a r g ef l o wr a t e t h i ss e to fd e v i c e sh a v e b e e ns u c c e s s f u l l yu s e do nt h r e ew e l l sw i t ht h ec o n d i t i o nw h e nt h eb i tw a sr u nt ot h eb o t t o m ， w h e nt h er o p ym u dw a sp u m p e dt ot h eb o r o mp a r tt os e a ls o m ei n t e r v a lb e f o r ee l e c t r i c l o g g i n ga n dw h e n t h es t i c k i n go c c u r r e dw h i l et r i p p i n go u t ，t h ed e v i c e sw o r k e dq u i t ew e l l i t w a sp r o v e dt h r o u g ht h el o c a lt e s t st h a tt h ed e v i c e sh a v et h es p e c i a l t i e so fb e i n go p e r a t e d f l e x i b l y , s t a b l ya n dr e l i a b l ya sw e l la se a s yi n s t a l l a t i o n ，w h i c hc a n d e c r e a s et h el a b o rs t r e n g t h o ft h ew o r k e r s ，i m p r o v et h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h ed r i l l i n gt e a m ，a n da c t i v e l yp r e v e n tt h e d o w nh o l ea c c i d e n ta n dc o m p l e x i t i e s ，w h i c hm a k et h ed e v i c e sh a v eab r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw 0 l i d s ：n o n e l e c t r i c d r i v ed r i l l i n gr i g s ，m u df l o wr a t e ，c o n t r o l ，d e v i c e s ，s t u d y 第2 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：芦冈吾学 日期： a 0 0 2 年三月2 d 日 、上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 + 。，。、。一保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 一 一一“。 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：建幻目孑篆 日期：盘。0 2 年彦月? d 日 懒一：矽 日期尹一? 年广月，。日 f n q 女 h 论文符号表 2 2 泥浆在管道中的流动特性分析 层流压耗兆帕； 地面管汇压耗，兆帕： 泥浆密度，千克米5 ； 环空返速，米秒； 旋转粘度计6 0 0 转分钟时的读数 宾汉流体的塑| 生粘度，帕秒； 幂律流体的稠度系数，帕秒“： 泥浆排量，升秒； 地面高压管线的内径，厘米； 立管的内径厘米： 水龙带的内径，厘米： 方钻杆的内径，厘米； 管内径，厘米； 钻杆外径，厘米； 钻杆长度，米： 钻杆外压耗，兆帕； 钻铤内径，厘米： 钻铤内压耗，兆帕； 紊流压耗，兆帕； 雷诺数，无因次： 泥浆在管路中的平均流速，米秒； 牛顿流体的粘度，帕秒： 旋转粘度计3 0 0 转分钟时的读数 宾汉流体的动切力，帕； 幂律流体的流性指数，无囡：欠： 管壁处的剪切速率，秒1 ； 地面高压管线的长度，米： 立管的长度，米； 水龙带的欧度，米： 方钻杆的k 度，米： 井径，厘米： 钻杆内径，厘米； 钻杆内压耗，兆帕： 钻铤外径，厘米： 钻铤长度，米： 钻铤外压耗，兆帕： 2 3 三缸单作用泥浆泵排量输出研究 活塞面积，米2 ： 泵的冲次，冲分钟； 三缸单作用泥浆泵的实际排量 三缸单作用泥浆泵的上水效率， u 升f 砖n 无因次 活塞冲程，米； 活塞的平均速度，米秒： 柴油机的持负荷转速，转，7 分钟 3 2 柴油机气动遥控装置的设计与研制 p 管道的压力降，帕； l 管道长度，米； v 压缩空气在导气管中的流速，米秒： y空气的重度，千克米3 ： ；局部阻力损失系数，无因次： m负荷突卸时的最大瞬时转速，转分钟 阻力系数，可取0 0 0 7 8 00 0 8 0 d 导气管内径，米； g重力加速度，米秒2 ； p _局部阻力损失，帕： n 一 负荷突卸前的转速，转分钟； n 标定柴油机转速，转，分钟。 第4 页 只胁v u k。卜如l l h l d 也玑l h p 艮p n o 兀k q 出山d出d d l 一j o 二 3 3 电磁流量计的现场使用与研究 仪表常数，无冈次： 测量管截面内的平均流速，米秒 b d 电磁感应强度，韦伯 测量管内直径，米。 3 ，4 节流控制部分的设计与研制 伺盘的截面积，张。； 阀盘f 的压力，兆帕； 弹簧所受的最小l 作载荷，牛。 阀盘的升距，米： 弹簧的曲度系数，无因次； 弹簧的旋绕比无因次； i i i 类载荷弹簧的许用切应力， 弹簧的外径，毫米； 弹簧的中心直径，毫米； 弹簧的节距，毫米： 弹簧的工作圈数，罔： 弹簧丝展开k 度，毫米： 弹簧的安装高度，毫米； dd k 牛毫米。d d i h 。 阀盘上f 的压力差，兆巾自a 阀盘上的压力，兆帕， 阀盘直径，米： 阀盘在泥浆中的重量。 弹簧的刚度，牛毫米： 弹簧的最大工作载衙，牛： 弹簧的钢丝直径，毫米： 弹簧的内径，毫米： 弹簧的间距，毫米： 弹簧的螺旋升角，度； 弹簧的总罔数，圈： 弹簧的自由高度毫米： 弹簧的初试变形量毫米。 第5 页 t f n 风h k cd阢t n l m 上海交通人学i ：程硕七学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出背景 第一章绪论 石油、天然气钻井、完井过程中的泥浆排量控制一直是国内外钻井界普遍关注的问 题之一。由于泥浆排量控制出现失误而引发各种复杂情况和事故给钻井行业带来的损失 是巨大的。胜利油田油区分布广，各个区块地层复杂多样，有的裂缝性地层发育，易发 生井漏，有的地层疏松，易坍塌卡钻，有的地层因注水压力高而易发生井涌甚至井喷。 当在具有以上特点的区块施工时，泥浆的排量控制问题就显得尤为重要。井漏时采用堵 漏剂堵漏，堵漏层位和堵漏泥浆的泵入量掌握不准确，泵入排量过大，就不能对漏失层 位实旋有效地封堵，严重时还会使漏失程度加剧。当泥浆静液柱压力大于地层j l 隙压力， 钻具因静止时间过长而出现卡钻征兆时，采用传统的方法开泵，常因丌泵过猛，排量和 压力控制误差过大而造成环空蹩死导致恶性卡钻，从而带来巨额损失。譬如，1 9 9 6 年牲 利油田钻井四公司3 2 4 8 0 钻井队施工的营1 5 l 井，发生粘卡后操作人员采用三个几尔 开泵，结果造成环空蹩死导致恶性卡钻，套铣倒扣至1 0 0 3 米填井，自井深9 3 4 米侧钻 至原井深2 5 7 0 米，埋井钻具达1 5 5 72 2 米，直接经济损失达1 5 0 多万元。据统计，胜利 油田每年因排量控制不当而发生这类恶性事故的井都在1 0 口以上。因此，寻找一种恰 当地控制泥浆排量的方法，最大限度地减少因排量控制误差过大而造成的蹩卡、蹩漏、 蹩塌问题，已经成为当务之急。 目前从国外引进的和国产的电动钻机，通过s c r 房对交流电变频，利用可控硅控制 器，已经实现了泵冲数在0 和最大范围之间的无级调整，从而可以比较精确地对泥浆泵 的排量进行调节。然而，电动钻机造价昂贵，在短时间内还不可能普遍推广。而在电动 钻机普及之前，全国各大油田在用的非电动钻机在排量调节方面还无法达到电动钻机的 水平。要在现有的条件下解决该问题，必须在设备上做文章。众所周知，石油机械装备 是石油勘探开发的载体，石油机械装备技术水平的高低，直接影响着石油的勘探与开发 工作，甚至在一定程度上制约着石油勘探开发的发展。本文借鉴国内外钻井装备的先进 技术，从现场实际出发，研制出一套适用于非电动钻机泥浆排量的控制装置。 通过该装置的研究，将重点解决泥浆排量较小范围( 1 0 公升秒) 内的调整问题， 为处理井下复杂情况和事故，进行某些仅凭钻井泵难以实现的常规作业提供可靠的保 障。 1 2 课题研究的国内外现状 多年来，钻机是由机械驱动系统( 柴油机做动力) 提供钻进所需动力的，各种负载 通过皮带、链条或齿轮与其复合驱动轴耦合来获取动力。后来，出现了柴油发电机，它 被用来驱动直流电动机装置。1 9 6 6 年休斯敦的贝勒公司( b a y l o r c o ) 在海上公司 的自升式钻井船“j u b i t e e ”号上首先采用了带有可控硅整流器的可变速驱动系统。柴 第1 页 上海交通人学l + 程硕士学位论文 第一章绪论 油发电机把交流电输送给辅助交流负载，并驱动可控硅控制的直流钻机马达。结果，整 个钻井系统的效率、节约燃料和装备使用的灵活性等方面均得到显著改善，见文献 i 。 之后，以可控硅整流为主要特征的电动钻机和顶部驱动技术得到了迅速的发展。目前， 海上和陆地5 0 0 0 米以上的石油电动钻机，大部以交流发电、可控硅整流、控制直流电 机驱动( 即a c 一5 c r d c ) 为主，这种驱动方式已十分成熟可靠，v a f c o i 公司发展的 项部驱动装置( t d s ) 也是以a c s c r d c 为主。在这种驱动方式中，泥浆泵由一变速直 流马达来驱动，马达的转动速度可由可控硅控制器来控制。由直流马达驱动的泥浆泵的 泵冲次可以在零和最大范围内无级调整。由于三缸单作用泥浆泵的排量与泵冲次成r f 比，故泥浆泵的排量可以通过可控硅控制器在零和最大范围内调整。 随着液压驱动和交流变频驱动技术的发展，交流变频的大功率电机已经商业化，其 技术也日趋成熟，近年来，在挪威、法国、加拿大和美国等西方国家，已有越来越多的 顶部驱动装置( t d s ) 的生产厂家采用交流变频电机驱动方式。与该种驱动方式相对应 的： 作机( 包括泥浆泵、绞车、转盘) 的驱动与a c s c r - d c 驱动方式相比，具有更大的 优势。这是由于，交流变频电机驱动具有启动电流小，无级调速范围大，功率因数大， 传动装置相对简单，防爆级别很低，运转安全可靠等一系列优点所决定，它是未来电驱 动发展的重要趋势。 由文献 8 可知，目前国外非电动钻机的泥浆排量的调整主要是通过调整柴油机的转 速来实现的。在国外钻机的设计中，柴油机与联动机之间采用了液力变矩器，液力变矩 器是一种安装在动力机( 如柴油机) 与工作机( 如钻井泵、绞车) 之间的以矿物油为工 作介质、将动力机的功率传递给工作机的柔性传动装罱。采用该变矩器时，其最高效率 时的转速百分数最低可达到4 5 ，通过调节柴油机的转速，利用液力变矩器的自动无级 变速功能，就可实现对泥浆泵冲次在较低范围( 3 6 8 0 冲分钟) 内的调整。 而国内的非电动钻机大多为柴油机联动机一工作机的驱动方式。柴油机持负荷额定 的工作转速范围为8 0 0 1 3 5 0 转分钟。超过1 3 5 0 转分钟，柴油机高速超负荷运转，温 度过高，轻者会烧坏部件，严重的会出现内部零件脱落，甚至飞车等事故。当转速低于 8 0 0 转分钟时，缸内的燃油无法充分燃烧，柴油机不能正常工作甚至熄火，故通过调节 柴油机转速调整泥浆泵的冲次范围较小，在柴油机上述转速( 8 0 0 , - , 1 3 0 0 转分钟) 范围 内，泥浆泵冲次可调的范围约为6 4 1 0 9 次分钟。在钻井施工现场，调节排量常用的方 法还有两种。其一是拆装钻井泵的排出端凡尔。一般拆两个，剩下一个，这样泥浆排量 最低可以调节到三个凡尔排量的1 3 左右。但这样做存在的弊端是费时费力，影响钻井 施工。因为在拆装凡尔时为了保证操作人员的人身安全，该泵绝对不能使用。另外，排 量调整误差较大，因为不管是剩一个凡尔，两个凡尔，对应于不同凡尔的泥浆排量都 是一个固定的值，该值无法满足施工需要。同时，三缸单作用泵单凡尔或双凡尔工作时， 泥浆输出排量和压力的稳定性变差，泥浆泵液力端和地面高压管线所受的冲击力变大， 水龙带往复摆动，这将会影响循环系统设备的使用寿命。排量调整的第二个方法就是更 换钻井泵的缸套。虽然更换小缸套能在一定程度上满足小排量的要求，但要求正常工作 排量时，小缸套的排量往往又达不到要求。重新更换缸套，劳动强度大，费时费力。 国内中原油田对外经济贸易总公司为适应钻井、测井、修井作业对泥浆排量的不同 需求而研制开发了系列机泵组产品。该机泵组产品主要由柴油机，减速箱、传动装置和 泥浆泵等组成。该机组具有设计合理，结构紧凑，排量范围宽，运移性能好，安装方便 第2 页 上海交通大学l i 程硕士学位论文 第一章绪论 等优点，其中，5 0 0 型机泵组在排量的调整方面和柴油机的转速方面较常规的机泵组向 前迈进了一步，其主要技术性能如表l 1 。 表l l5 0 0 型机泵组技术性能指标 柴油i缸径f i l m ， 机转2 泵速一一一一一_ 一_ _ 速；m i n1 中1 0 0 中1 1 0 中1 2 0 巾1 3 0 ，巾1 4 0 i 中1 5 0 。巾1 6 0i 中t 7 0 。 ! ! ! ； l 。 ： i l! z l 4 7 2l1 2 0l ， 孽里! ! ! ；一 ! l l8 4 8 i1 0 3 ，1 2 2j 1 4 3 、1 6 6 11 9 0 l2 1 0 7 r 2 4 5 j 1 3 5 0 r 11 0 l 7 0 7 7l9 4 0 ，1 1 2 ；1 3 1 i 1 5 2 l1 7 5 l 2 0 0，2 2 4 6 ； 1 2 2 6 1 1 0 0 t 7 0 7 t 8 5 51 0 211 2 0 ：1 3 9 l1 5 9l1 8 12 0 4 2 1 l 篙净。lz 蛐iz a 。iz m - s 卜。o 。l ( 配p z 8 v 一1 9 0 柴油机，s l 3 n b 一5 0 0 泥浆泵) 机械效率0 9 ，容积系数1 ，吸入效率 0 9 0 9 5 。 从表中可以看出，该机泵组柴油机正常的转速范围为1 2 2 6 1 4 7 2 r p m ，若采用常规的 中1 7 0 的缸套，泥浆的排量通过调整转速可以降到2 0 4 2 升秒。但其最高排量2 4 j 秒较一般的现场要求排量3 0 升秒低一些，不能满足需要。如果该机组的柴油机转速 范围能在8 0 0 r p m 1 5 0 0 r p m 之间调整，可能排量调整问题就基本解决了。 1 3 课题研究的目的和意义 131 研究目的 本课题研究的目的在于研制一套装置，利用该装置能实现三个凡尔开泵，对泥浆排 量从最高限( 3 0 升秒以上某一数值) 到最低限( 1 0 升秒以内某一数值) 进行无级调 整。对于1 7 升秒到最高限之间的泥浆排量控制基本上可以通过柴油机转速的调整来达 到要求。而对1 7 升秒以下的小排量范围进行调整，则需要专门的装置来协助完成，17 升秒以下的小排量对于钻井施工作业意义重大。在钻井工程施工中，有以下几种情况 必须采用小排量： ( 1 ) 下钻到底，因井内泥浆长时间静止，粘度高，切力大，开泵难度大。为防止大排量 开泵造成井底的激动压力过高而蹩漏地层，需用小排量； ( 2 ) 在事故和复杂情况的处理过程中，为了确保井下安全，防止事故或复杂进一步恶化 需采用小排量，对泵入的泥浆量要精确控制； ( 3 ) 因现场施工需要进行地层破裂压力试验时，需用小排量，且对泵入的泥浆量要精确 计量，对泥浆排量要进行测量： ( 4 ) 发生井涌或出现井喷预兆，实施成功关井后，要进行压井作业。此时，必须采用尽 第3 页 上海交通大学 程硕士学位论文 第一章绪论 可能小的排量，对泵入的泥浆量精确计量并记录随时立管压力和套管压力。 以上四种情况中，后两种情况以井队目前的装备尚不能完成，只能借助固井公司的 水泥车来完成，而本课题装置的研究成功将能解决该问题。 132 研究意义 本课题的研究，具有以下意义： ( 1 ) 可减少拆装泥浆泵排水阀的繁杂程序，减轻操作人员的劳动强度； ( 2 ) 采用三个排水阀小排量开泵，泥浆流动稳定性提高，地面高压管线所受的冲击小， 利于延长高压管线乃至地面设备的使用寿命： ( 3 ) 装置远程集中控制，便于司钻对井下复杂情况进行准确的判断和及时灵活的处理， 减少蹩泵、蹩卡和蹩漏的可能性，对于各类事故和复杂情况的发生将起到积极的预防 作用； ( 4 ) 该装置实现了对柴油机转速的气动遥控，节省了钻台和机房人员因调整柴油机转速 所需的联络时间，提高了工作效率： ( 5 ) 泥浆瞬时排量和累计量可以精确控制，许多常规作业如地层破裂压力试验、压井作 业等无需其他专用设备，由钻井队就可顺利完成，从而提高生产时效，节约劳动成本； ( 6 ) 从h s e ( 健康、安全和环保) 的角度讲，陔装置可减少拆装泵排水阀过程中流出的 泥浆对环境的污染，减少机房和泵房人员因配合问题而造成的人身伤害，职工的工作 环境更加安全。 1 4 课题研究的内容 1 4 1 理论部分研究 主要探讨管路泥浆运输机理和管路的流动特性。重点研究节流过程中管路压力、 排量的变化。 1 4 2 装置的设计和研制 对装置的主要组成部分进行必要的设计和研制，其中涉及： ( 1 ) 柴油机气动遥控系统的研制： ( 2 ) 流量计的优选和耐高压、耐冲蚀的研究； ( 3 ) 高压节流阀耐高压、耐冲蚀材料的选择和结构改进； ( 4 ) 溢流阀装置的设计与研制； ( 5 ) 远程遥控闸门的研究； ( 6 ) 节流控制箱的液压线路改进； ( 7 ) 钻台集中控制台的设计与研制。 1 4 3 现场试验部分 通过现场试验，获取在不同工况下节流时的压力、排量变化数据以及柴油机的性 能参数，通过图表曲线进行对比分析，验证理论和实际操作的符合程度，并对装置旁 路节流的适用性和可靠性进行评价。 第4 页 上海交通人学 程硕士学位论文第二章泥浆输送机理分析 第二章泥浆输送机理分析 2 1 泥浆体系的工作特性 泥浆是石油钻井工程中的洗井液，在钻井工程中的主要功用是：清洗井底，携带 岩屑；冷却和润滑钻头和钻柱：形成泥饼，保护井壁；控制和平衡地层压力； 悬浮岩屑和加重剂：在地面上沉除岩屑；提供所钻地层的有关资料；将地面的水 功率传输到钻头等。 泥浆是由粘土、水以及各种处理剂与加重剂组成的溶胶及悬浮体的混合体系。在钻 井施工工程中采用的泥浆体系具有如下特性： 2 1 1 压力高 泥浆作为一种工作介质，其主要作用之一就是将泥浆泵的压力传递到钻头，为钻头 在旋转钻进过程中提供清洗井底的射流水马力。高压管线内泥浆的起动泵压为5 0 m p a ， 向工作泵压的过度压力一般1 0 0 m p a 左右，j 下常工作压力约为1 6 0 m p a ，最高可达 2 0 0 m p a 工作介质这么高的压力在一般的液压回路中是少确的。 2 1 2 排量大 一般情况下，泥浆泵起动时最低泥浆排量约为6 0 0 升分钟，正常工作时的排量可 达到1 8 0 0 升分钟左右。钻井工作中泥浆的大排量也是一般的液压回路工作介质流量不 可比拟的。 2 1 3 腐蚀性强 由于各种酸、碱等处理剂的存在，泥浆具有相当强的腐蚀性，对管道内壁具有一定 的腐蚀作用。 2 1 4 固相颗粒多 在泥浆中，就其固相颗粒的尺寸而言，按a p i 标准可分为粘土( 或胶体颖粒) 尺 寸小于2um ；泥，尺寸在2 7 4 um 之间；砂子，尺寸大于7 4 um 。如参考文献 2 所定 义，如果用筛析法检验颗粒大小，凡是不能通过2 0 0 目筛孔的固相颗粒皆称为砂子。所 按固相颗粒的粗细程度，a p i 标准将其分为六类，如表2 一l 表示。 第5 页 上海交通大学1 二程硕七学位论文第一二章泥浆输送机理分忻 表2 一l 泥浆中固相颗粒的分类 颗粒等级尺寸范围，um美国标准筛号 粗 2 0 0 0 1 0 由 2 5 0 2 0 0 06 0 l o 中细7 4 2 5 02 0 0 6 0 细4 4 7 43 2 5 2 0 0 极细2 4 4 胶粒 2 泥浆经过固控设备后，较大的颗粒从泥浆中被分离出来，但仍有一部分细砂残存在 泥浆中，并经过泥浆泵重新泵入高压管线和钻柱内，向下高速流动。因此，泥浆在管路 内运输时由于砂子的存在对管路内壁的研磨和冲刷作用很强。 215 触变性强 泥浆属于非牛顿流体，其本身具有很强的触变性。即静止时切力大，粘度高，而流 动起来后切力降低，粘度降低。泥浆在管路内流动时，靠近管壁的地方流速慢，远离管 壁的地方流速快，泥浆本身具有的触变性使其靠近管壁的地方会产生一个滞留层，此滞 留层对管路泥浆排量的测量有一定影响，泥浆的流速也会发生很大的变化。 2 1 6 工作温度高 随着井眼的加深，地温不断升高，而泥浆的工作温度也在随之升高。根据地质学的 知识可知，井深每增加1 0 0 米，地温就要增加3 。c ，对于2 5 0 0 米以上的井，仅因井深变 化而增加的温度就在7 5 。c 以上，泥浆自环空返出的出口温度都保持在5 0 。c 以上。高温 泥浆对于管路的压力、排量以及腐蚀程度都会带来不同程度地影响。 22 泥浆在管道中的流动特性分析 22 1 管道非节流时的泥浆流动特性分析 通过对泥浆在地面高压管线、立管、水龙带、方钻杆以及钻柱和环空上返途中流动 特性的分析，利用工程流体力学的相关知识，得出泥浆在整个流动过程中的压耗公式， 为高压节流时的分析提供一个理论基础。 根据文献 3 ，对于钻井实际所用的泥浆，多采用幂律流体的速梯公式计算层流压耗； 在紊流流态下，压耗计算要比层流流态下困难得多。据研究，所有流型的流体在紊流流 态下，部表现出与牛顿流体相同的规律，在钻井工程应用中，在紊流流态下，把泥浆看 作宾汉流体进行压耗计算就足够精确了。 对于幂律流体，判断流态的雷诺数r e 计算公式如下： 管内流， 第6 页 上海交通人学j ：程硕七学位论文 第二章泥浆输送机理分析 阽五p d v 2 - 8 肛1 足f 三兰二1 1 ” ( 2 一l ) ( 2 2 ) 对于特定的泥浆体系而占，其流变参数( 泥浆的密度p ，幂律流体的稠度系数k 和 流性指数f i ) 都可以测出来。d ，d 。为已知数据，v 为在管道内或环空中的平均流速。故 可以计算雷诺数r e ，根据流态的判定原则，当r e 2 0 0 0 时，泥浆流态为紊流；当r e o 即 可。 2 2 3 管路特性曲线的绘制方法 应用计算机，给定已知数值，给定不同的泥浆排量q ，可以计算出正常旋工时在非 节流状态下的压力损失p 。，进而可以绘制出管路压力损失p 。与排量q 的理论特性曲线。 而对于节流状态下的排量和压力损失理论计算，在编制计算机程序时，可考虑： ( 1 ) 泥浆总排量q 根据三缸单作用泵的理论排量公式计算得到： ( 2 ) 给出q 2 ，由q t = q q 2 得到节流排量，在对应的开度x 。下计算出p 。7 ： ( 3 ) 利用所得的数值绘制出节流工作状态下的压耗p 。7 与q 。的理论特性曲线。 在绘制节流和非节流时的实际特性曲线时，可考虑： ( 4 ) 非节流时，泥浆总排量q 即为在关闭液压远控闸门的情况下从主管路读取的泥浆排 量，总管路的压耗p 。即为立管压力表的读数； ( 5 1 节流测量时，在保持各参数基本不变的前提下，调节节流控制箱的调节三位五通换向 阀，记录节流阀的开度x ，、主管路排量q 2 和立管压力表p 。7 。 ( 6 ) 利用所得的数值绘制出节流和非节流工作状态下的压耗p 。7 与瓯的实际特性曲线。 第9 页 孚 ，v 上海交通人学_ 程硕士学位论文第二章泥浆输送机理分忻 2 3 三缸单作用泥浆泵排量输出研究 2 31 三缸单作用泥浆泵排量公式推导 生产现场在用的多为三缸单作用泥浆泵。现以该种泵为例，推导出管路泥浆瞬时排 量公式。 假设活塞面积为f ( 米2 ) ，活塞冲程为s ( 米) ，冲次为n ( 冲分钟) 。单缸泵 的活塞在极短的时间a t ( 秒) 内，在缸内移动的距离为s ( 米) ，则在a t ( 秒) 时 间内理论上排出的液体总量v = fa s 米3 ，泵在t 瞬时内的排量，即为瞬时排量q - ，若假设活塞在a t 瞬时内的平均速度为u ( 米秒) ，则 at ，aa q * = l a y = f 竺= f u 米3 秒 a ta t 由于单缸单作用泵的活塞面积f 为常数，因此q # 。c u 图2 2 为曲柄连杆机构传动的往复泵，它将泵主轴的等速旋转运动变为活塞的往复运 动。 x s i 2 c _ + f i g2 - 2 s c h e m a t i cf i g u r ef o rr e c i p r o c a t i n gp u m p 图2 - 2往复泵运动示意图 由图可见，当活塞在液缸的最左端时，连杆a b 和曲柄b o 在同一直线上，其总长 为：a b + b o = l + r 。曲柄旋转由角后，活塞向右的移动距离为： x = ( a b + b o ) 一a o = ( l + r ) ( l c o sb + rc o s 中) = r ( 1 - c o s 由) + l ( 1 一c o sb ) ( 2 1 8 ) 当曲柄转动1 8 0 。时，活塞移动到液缸最右端，连杆a b 与曲柄b o 在一条直线上， 其总长为a b b o = l r o 由此点起，曲柄再转动，活塞开始向左移动，设曲柄转角为 巾，则活塞向左移动的距离为： x = f a bc o sb + ( b o b oc o s 巾) 1 一a b = r ( 1 - c o s 巾) 一l ( 1 一c o sb ) ( 2 1 9 ) 将式( 2 - 1 8 ) 和式( 2 - 1 9 ) 合并可写成 x = r ( 1 - c o s 中) l ( 1 - c o s b ) ( 2 - 2 0 ) 活塞向右移动时，两项之间为正号，向左移动时，两项之间为负号。 第l o 页 上海交通大学i 程硕士学位论文第二章泥浆输送机理分析 由上图可以看出，当活塞向右运动时为吸入泥浆，当向左运动时，为排出泥浆。 本推导过程中主要研究的是泥浆的排出，故在此仅研究活塞向左时的运动规律。即： 巾= 1 8 0 - 3 6 0 。 x = r ( 1 c o s 巾) 一l ( 1 一c o sb )( 2 - 2 1 ) 将c o sb 用中的函数表示，令s i nb s i n 中= r l = x 由于s i n 2b + c o s 20 = 1 一 一厂。- c o sb = 1 一s i n 2 p = l 一好s i n 2 十。1 l 一九2s i n 2 m + _ u s i n = ，f 】一垄：! ! 里二_ 尘) z = 1 一! ：! ! 呈： v22 上式中，因曲柄的长度r 比连杆的长度l 短得多，一般情况下 = r l 析 州z 啦删厕 挈卜3 挣一。s 孥 时三缸泵的瞬时排量有极大值： 第1 5 页 塑堕塾坠壁e 堡堕主堂篁堡塞 星兰童堡堑笪垄塑里坌塑 q m a x 2 厅s i n ( a r c c o s 地型) + 生s i n 2 ( a r c c o s 4 x2 幽4 l ) j 3 8 ) jl一。 一般三缸泵的入值为1 7 1 8 ，在此条件下，上式可相当精确地表达为： e m a x 2 1 0 1 f r c o ( 2 - 3 9 ) 而当中= o 或中= 1 2 0 。时，式( 2 - 3 2 ) 有极小值： q m i n = 半f r c o ( 1 一会) 协4 0 ) 由( 2 - 3 3 ) 知， e s = 3 f r o ) 与其他类型的往复泵一样，钻井泵排量稳定性可用排量不均匀度s q 来衡量： s q ：q m a i x - q m i n ( 2 - 4 1 ) 将q m a x 、q m i n 和q s 代入式( 2 - 4 1 ) ，可求得三缸单作用钻井泵的排量不均匀度： s q l = 争0 1 一半( 1 一妻) 】( = l l 8 ) ( 2 _ 4 2 ) 对应于 2 寺，- 去，丢，三缸泵的排量不均度s q = o 2 1 6 、o2 ll 和0 2 0 7 。 ，、x 为了能够一般地比较不同缸数的往复泵理论排量的不均匀程度，在假定 = 0 的条件下 计算单作用泵的排量不均度s q 值，见表2 - 3 。 表2 3 单作用泵的排量不均匀程度比较 由上表可知，增加缸数可降低s q ：奇数缸泵的s q 比偶数缸小，若x 值增大，会使 s q 有所升高。 以上讨论的都是理论排量的不均度。在实际使用中，由于空气包的均衡作用，钻井泵 排量不均匀程度要低的多，三缸泵的s q 均为0 0 3 0 0 7 。 2 4 泥浆排量控制的机理分析 2 4 1 泥浆排量控制机理 图2 - 5 为泥浆排量控制装置的组成示意图，由图可以看出，该装置由四大部分组 成：柴油机转速气动遥控装置、电磁流量计、钻台集中控制台和节流控制部分。其中节 流控制部分包括溢流阀装置、节流阀、高压液控平板阀和节流控制箱。 该套装置的控制原理如下： 当生产过程中需要增大泥浆排量时，可以在原有的工作状态下顺时针旋转钻台集中 控制台上的柴油机转速气控调压阀，上提柴油机转速，增加泥浆泵冲次实现所要求的排 量q 。 当需要较小的排量时，可以进行如下二级调整。 第1 6 页 上海交通人学【程硕士学位论文第二章泥浆输送机理分析 ( 1 ) 下调柴油机转速，降低排量至正常开泵时的最低允许值( 粗调)逆时针旋转 钻台集中控制台上的柴油机转速气控调压阀，将柴油机持负荷转速降低到8 0 0 转分 钟，使丌泵时钻井泵的冲次降低到所允许的最低数值，从而将泥浆的输出排量减少到最 低限度q 。 f i g2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n t r o l l e dd e v i c ef o rm u df l o wr a t e 图2 - 5 泥浆排量控制装置示意图 ( 2 ) 进行支路分流控制，对泥浆小排量细微调整( 微调)首先，扳动钻台集中控 制台上的液控高压闸门控制手柄，打开节流阀下端的液控闸门：打开电磁流量计一次仪 表的供电开关和二次仪表的显示开关；扳动节流控制箱上的三位五通换向阀，将节流阀 的开度打到3 4 。此时，轻合泥浆泵离合器，缓慢启动泵，待水龙带稍见摆动，钻具内 充满泥浆时，立管压力表开始起压力，摘掉离合器。此时，溢流阀装置的调定溢流压力 为1 5 m p a ，在此压力范围内，停泵后，立管内泥浆将借助惯性向井下运移，如果环空畅 通，泵压表将在短时间内回零；如果环空不畅通或钻头水眼堵，泵压表指针将指在某一 第1 7 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章泥浆输送机理分析 数值不动。如果情况是后者，则可认真分析井下原因，采取相应措施。如果情况是前 者，则可合上离合器开泵，注意观察立管压力表的最高压力，当歼泵压力超过1 5 m p a ， 泥浆将顶开溢流阀进入阀。此时，边观察电磁流量计二次仪表显示的瞬时排量的数值， 边缓慢调整节流阀的开度，将开泵后进入井内的排量控制在3 6 方小时( 折合1 0 升 秒) 以内某一适当值。如果环空不畅通，可尽量减少此排量，使泥浆小排量将环空顶 通。当井口返出泥浆，建立正常循环后，可将节流阀的开度缓慢调小，使进入井内的泥 浆排量逐渐增大。当节流阀开度关至最小时，关闭液控高压闸门，切断节流管路。顺时 针旋转柴油机转速气控调压阀，上提柴油机转速进入正常作业。 24 2 泥浆排量控制系统分析 由以上控制原理可以看出，该课题中泥浆排量的控制可以看成是由一个闭环控制系 统完成的。该控制系统的输入量为要求的排量，输出量为进入主管路的排量q 2 ，检测反 馈元件是电磁流量计，充当比较元件的可以看成是操作人员，因为操作人员读取排量和 压力数据，与要求值进行比较，获得一偏差大小，根据然后进行调节，再得到一个输出 排量q 2 ，再次与要求值进行比较，调节，最终使系统稳定在某一状态下工作。系统的执 行元件为节流控制箱和气控调压阀，受控对象是柴油机、泥浆泵和节流阀。该系统的控 制方框图如下： f i g2 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mf o rf l o w r a t ec l o s el o o pc o n t r o l l e ds y s t e m 图2 - 6 排量闭环控制系统示意图 第1 8 页 f l o w 上海交通大学i ：程硕士学位论文第三章泥浆排量控制装置的设计与研制 第三章泥浆排量控制装置的设计与研制 3 1 总体方案设计 3 1 i 总体设计方案 该课题研究的总体目标是设计和研制一套适用于目前各大油田在用的非电动钻机 的泥浆排量控制装置。该装置的整体布局示意图如下： f i g3 - 1l a y o u td i a g r a mo f c o n t r o ld e v i c e 图3 - 1 控制装置布局示意图 1 o v e r f l o wv a l v e2 一c h o k ev a l v e 3 - h i g hp r e s s u r ev a l v e 4 - m u dt a n k5 - 1 # m u d p u m p 6 - 2 # m u d p u m p7 - 3 # d i e s e le n g i n e8 - 2 # d i e s e le n g i n e9 - 1 # d i e s e le n g i n e1 0 一c h o k ev a l v ec o n t r o l l e db o x 1l a s s e m b l ec o n t r o lc o n s o l e1 2 一w e l l h e a d1 3 一d r i l lf l o o r 1 4 一e l e c t r o - m a g n e t i cf l o w m e t e r 由布局图可以看出，装置控制泥浆排量主要利用了进口旁路节流的原理。在钻台上 的集中控制台，可以实现液控高压闸门3 开启和关闭，能对柴油机7 、8 、