第6章 循环系统

1、第六章第六章 循环系统循环系统 第一节 循环系统简介 功能：循环泥浆功能：循环泥浆 泥浆的功能：泥浆的功能： n冲洗井底冲洗井底 n携带岩屑携带岩屑 n平衡地层压力平衡地层压力 n冷却与润滑钻头冷却与润滑钻头 n保持井眼的稳定保持井眼的稳定 n提供井下动力提供井下动力 泥浆流程：泥浆流程： n泥浆罐泥浆罐 n泥浆泵泥浆泵 n管汇管汇 n 水龙头水龙头 n钻具钻具 n钻头钻头 n 环空环空 n井口井口 n泥浆处理系统泥浆处理系统 n泥浆罐泥浆罐 组成组成 钻井泵钻井泵 钻井液净化、处理调配装置。钻井液净化、处理调配装置。 n振动筛振动筛 n除气器除气器 n除砂清洁器除砂清洁器 n除泥清洁器除泥清

2、洁器 n离心机离心机 n循环罐循环罐 n搅拌器搅拌器 第二节第二节 钻井泵（泥浆泵）钻井泵（泥浆泵） 钻井泵的主要作用是循环泥浆，有双缸双作用泵、钻井泵的主要作用是循环泥浆，有双缸双作用泵、 三缸双作用泵、三缸单作用泵等，目前基本上使用三缸双作用泵、三缸单作用泵等，目前基本上使用 三缸单作用泵。三缸单作用泵。 型号：型号： n双缸泵：双缸泵：NB8-600 n（双缸双作用泥浆泵，第（双缸双作用泥浆泵，第8此设计，此设计，600hp） n三缸泵：三缸泵：SL3NB-1300A n 变型代号变型代号 n 额定输入功率（马力）额定输入功率（马力） n 三缸单作用钻井泵三缸单作用钻井泵 n 胜利胜利

3、技术规范技术规范 型号型号3NB-8003NB-9003NB-1000 3NB-1300 3NB-1600 输入功率输入功率 kW 5886617359561176 工作压力工作压力 MPa 32.331.334.334.334.3 最大排量最大排量 L/s 34.834.24046.651.8 重量重量 t 1416182030 一、工作原理一、工作原理 曲柄旋转，通过连杆、活塞曲柄旋转，通过连杆、活塞 杆，带动活塞往复运动。杆，带动活塞往复运动。 n吸液：活塞向动力端运动，吸液：活塞向动力端运动， 缸内形成真空，吸入阀开，缸内形成真空，吸入阀开， 排出阀关，吸液；排出阀关，吸液； n排液：

4、活塞向液力端运动，排液：活塞向液力端运动， 缸内压力升高，吸入阀关，缸内压力升高，吸入阀关， 排出阀开，排液排出阀开，排液 二、结构组成二、结构组成 往复泵：曲柄滑块机构往复泵：曲柄滑块机构 n动力端：曲柄，连杆，十字头（动力动力端：曲柄，连杆，十字头（动力液力分界）液力分界） n液力端：液缸，活塞，活塞杆，阀室（阀箱），吸、排阀，液力端：液缸，活塞，活塞杆，阀室（阀箱），吸、排阀， 吸、排管。吸、排管。 三、分类三、分类 按缸数分：按缸数分： n单缸单缸 n双缸双缸 n三缸泵三缸泵 按作用方式分：按作用方式分： n单作用（往复一次，一吸一排。）单作用（往复一次，一吸一排。） n双作用（往复一

5、次，两吸两排。）双作用（往复一次，两吸两排。） 按缸的布置方式：卧式、立式按缸的布置方式：卧式、立式 按活塞形式分：活塞泵、柱塞泵按活塞形式分：活塞泵、柱塞泵 四、基本参数 压力：泵排出口单位面积上所受的液体力，压力：泵排出口单位面积上所受的液体力， 用用p表示，单位表示，单位MPa。 流量：单位时间内泵排出或吸入的液体量。流量：单位时间内泵排出或吸入的液体量。 n体积流量单位：体积流量单位：L/s、m3/s，用，用Q表示；表示； n重量流量单位：重量流量单位：N/s，用，用QG表示。表示。 泵的排量：曲柄转一周泵排出或吸入的液体泵的排量：曲柄转一周泵排出或吸入的液体 量。量。 gQQG 理论

6、平均流量理论平均流量 单作用泵理论平均流量单作用泵理论平均流量 （m3/min） iFSnQth 双作用泵理论平均流量双作用泵理论平均流量 SnfFiQth)2( 实际平均流量实际平均流量 实际流量小于理论流量实际平均流量实际流量小于理论流量实际平均流量 n泵的充满度系数：泵的充满度系数： 1 n往复泵的泵阀总是迟关、晚开往复泵的泵阀总是迟关、晚开 n吸入时有气体和余隙容积存在使吸入时未充满液缸吸入时有气体和余隙容积存在使吸入时未充满液缸 n泵的容积效率：泵的容积效率： v n密封处高能液体漏失，能量损失密封处高能液体漏失，能量损失 流量系数：流量系数： = 1 v 实际流量实际流量 th Q

7、Q 功率功率 泵的输入功率：单位时间内动力机传到往复泵的输入功率：单位时间内动力机传到往复 泵主动轴的能量泵主动轴的能量(做功做功)，即输入功率，即输入功率Na； 转化功率：单位时间内由机械能转化为液体转化功率：单位时间内由机械能转化为液体 能的那部分功率，能的那部分功率，Ni； 有效功率，泵的输出功率，有效功率，泵的输出功率，N。 效率效率 机械损失：机械损失： 容积损失容积损失 水力损失水力损失 泵的效率泵的效率（0.750.9） a ii a ii a i m N QgH N Qp N N hvm a N N vi v QQ Q Q Q hi h hH H H H 泵速：单位时间内活塞或

8、柱塞往复次数，称泵速：单位时间内活塞或柱塞往复次数，称 冲数冲数n，单位：，单位：min-1。 冲程冲程S：活塞在缸内移动的距离：活塞在缸内移动的距离S=2r， n r曲柄半径曲柄半径 五、工作特性五、工作特性 泵特性：流量与压力特性曲线泵特性：流量与压力特性曲线 往复泵在开泵前必须将排出阀门往复泵在开泵前必须将排出阀门 管路特性管路特性 当井深一定时，泵的管路当井深一定时，泵的管路 损失损失H管 管仅是泵流量的函 仅是泵流量的函 数，可表示为：数，可表示为： n 与管线结构（即井与管线结构（即井 深）和输送介质性质有关深）和输送介质性质有关 的系数，当两者一定后，的系数，当两者一定后， 则为

9、定值。则为定值。 2 QH 管 联合工作特性 泵与管路组成一个输送系统时，泵与管路组成一个输送系统时， 泵的特性曲线与泵的管路特性曲泵的特性曲线与泵的管路特性曲 线按相同的比例绘制在同一个直线按相同的比例绘制在同一个直 角坐标系中，称为角坐标系中，称为联合工作特性联合工作特性 曲线。曲线。 泵在管线上工作时，必须严格地泵在管线上工作时，必须严格地 遵守两个定律，即质量守恒和能遵守两个定律，即质量守恒和能 量守恒定律。量守恒定律。 n质量守恒，即质量守恒，即Q泵 泵=Q管管=Q； ； n能量守恒，即能量守恒，即 H泵 泵=H管管=H。 。 泵的工况点或工作点 泵与管路组成一个输送系统时，泵的特性

10、曲线与泵泵与管路组成一个输送系统时，泵的特性曲线与泵 的管路特性曲线的交点就称为泵的的管路特性曲线的交点就称为泵的工况点或工作点工况点或工作点。 临界特性曲线临界特性曲线 换缸套换缸套 五、三缸单作用活塞泵五、三缸单作用活塞泵 工作原理工作原理 流量曲线流量曲线 结构组成结构组成 动力端动力端:曲柄滑块机构曲柄滑块机构 n传动轴总成传动轴总成 n曲轴连杆总成曲轴连杆总成 n十字头总成十字头总成 n机座（泵壳）机座（泵壳） n润滑：润滑： n飞溅飞溅 n强制强制 (2)液力端液力端 n泵头泵头 n活塞活塞-缸套总成缸套总成 n介杆介杆-密封总成密封总成 n泵阀泵阀 n空气包空气包 n安全阀安全阀

11、 T T形泵头形泵头 第三节第三节 固控系统固控系统 泥浆循环使用，需要净化处理。泥浆循环使用，需要净化处理。 目的：降低泥浆固相含量，提高泵、钻头、钻具寿目的：降低泥浆固相含量，提高泵、钻头、钻具寿 命。命。 n固相颗粒减少固相颗粒减少1%，钻头寿命延长，钻头寿命延长710%，提高钻速，提高钻速29%。 组成组成 n净化设备：振动筛、除气器、除砂器、除泥器（三除一净化设备：振动筛、除气器、除砂器、除泥器（三除一 筛）、离心机筛）、离心机 n其他：砂泵、剪切泵、搅拌器、喷枪、循环罐，配料装置其他：砂泵、剪切泵、搅拌器、喷枪、循环罐，配料装置 振动筛是钻井液固控系统中第一级设备，用振动筛是钻井液

12、固控系统中第一级设备，用 于分离出上返泥浆中较大固粒（岩屑）。于分离出上返泥浆中较大固粒（岩屑）。 n主要组成：筛箱（筛架）、筛网、隔振弹簧、激主要组成：筛箱（筛架）、筛网、隔振弹簧、激 振器。振器。 基本原理（惯性振动筛）：基本原理（惯性振动筛）： n由主轴和偏心块（激振器），旋转时产生周期性由主轴和偏心块（激振器），旋转时产生周期性 的惯性力（离心力），迫使筛箱、筛网和弹簧作的惯性力（离心力），迫使筛箱、筛网和弹簧作 简谐振动，使泥浆液固分理。简谐振动，使泥浆液固分理。 (1) 振动筛振动筛 要求要求 振动筛的筛箱应具有合理的运动轨迹，如圆、椭圆、直线振动筛的筛箱应具有合理的运动轨迹，如圆

13、、椭圆、直线 等。等。 配备的振动筛能够处理从井眼返出的全部钻井液。配备的振动筛能够处理从井眼返出的全部钻井液。 振动筛具有运转平稳、工作可靠，启动和停止过渡时间应振动筛具有运转平稳、工作可靠，启动和停止过渡时间应 小于小于60s。 振动筛整机平均无故障运转时间不少于振动筛整机平均无故障运转时间不少于3000h。 为保证振动筛的性能要求，振动筛整机动态特性检测应符为保证振动筛的性能要求，振动筛整机动态特性检测应符 合要求。合要求。 振动筛的振动筛的技术水平技术水平主要反映在：主要反映在：处理能力处理能力 （处理量和分离粒度）、工作的稳定性、寿（处理量和分离粒度）、工作的稳定性、寿 命的长短和操

14、作的灵活性命的长短和操作的灵活性几个方面。几个方面。 处理能力的影响因素：处理能力的影响因素：振动筛的结构、运动振动筛的结构、运动 轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛 网的粗细。网的粗细。 发展方向发展方向：高速、细目、多层振动筛：高速、细目、多层振动筛 种类种类 按结构形式：单筛、双联筛、三联筛按结构形式：单筛、双联筛、三联筛 按筛网安装型式：单层、双层、叠层按筛网安装型式：单层、双层、叠层 按激振轴数量：按激振轴数量： n单轴圆运动振动筛单轴圆运动振动筛 n双轴惯性运动振动筛双轴惯性运动振动筛 n直线型直线型 n椭圆型椭圆型 特点特点 圆周运动：可

15、实现低频率大振幅要求；结构简单，圆周运动：可实现低频率大振幅要求；结构简单， 成本低运移方便易维修保养。成本低运移方便易维修保养。 椭圆运动：有一个旋转着的加速度矢量，筛面上的椭圆运动：有一个旋转着的加速度矢量，筛面上的 物料极易分散，堵塞孔的可能性小；抛掷角陡峭，物料极易分散，堵塞孔的可能性小；抛掷角陡峭， 物料输送速度低，处理量小，要求筛架有向下倾角，物料输送速度低，处理量小，要求筛架有向下倾角， 克服固相后抛。克服固相后抛。 直线运动：钻屑在筛面上运动规则，排屑流畅；筛直线运动：钻屑在筛面上运动规则，排屑流畅；筛 面可水平设置，整体高度低；筛网加速度和作用力面可水平设置，整体高度低；筛网

16、加速度和作用力 均匀，方向一定，可采用超细筛网，寿命长；这种均匀，方向一定，可采用超细筛网，寿命长；这种 振动筛处浆量大，质量高，可多层振动筛处浆量大，质量高，可多层 筛网筛网 易损件，用不锈钢丝编制而成。易损件，用不锈钢丝编制而成。 以以“目目”为单位，网孔数为单位，网孔数/英寸。英寸。 n方孔：例，方孔：例， 12目筛网，每英寸目筛网，每英寸12孔。表示为孔。表示为 1212。 n矩形孔：矩形孔：8040，表示每英寸一边有，表示每英寸一边有80孔，另一孔，另一 边边40孔。孔。 筛网规格：筛网规格： n1500mm 1120mm n1800mm 1120mm n2400mm 1120mm

17、型号型号 清除气侵钻井液中的气体。在清除气侵钻井液中的气体。在 钻中深探井、气井和含气油井钻中深探井、气井和含气油井 时，必须配备除气器。时，必须配备除气器。 要求：要求： n处理能力应达到全流量处理。处理能力应达到全流量处理。 n必须置于振动筛之后砂泵之前必须置于振动筛之后砂泵之前 两种类型：大气式和真空式。两种类型：大气式和真空式。 作用：作用： n保证钻井液性能相对稳定，防止保证钻井液性能相对稳定，防止 井喷、井涌事故，确保钻井安全；井喷、井涌事故，确保钻井安全； n保证旋流器能正常工作。保证旋流器能正常工作。 n防止离心砂泵将发生气蚀防止离心砂泵将发生气蚀 （2）除气器）除气器 （3）

18、除砂器与除泥器）除砂器与除泥器 除砂器、除泥器在固控工艺流程中处于振动筛之后除砂器、除泥器在固控工艺流程中处于振动筛之后 ,它们的主它们的主 要用途是将通过振动筛后还混在钻井液体系中的更微小的要用途是将通过振动筛后还混在钻井液体系中的更微小的 （74105m）固相颗粒清除出来。）固相颗粒清除出来。 上部是一个圆柱蜗壳，上部是一个圆柱蜗壳， 下部是一个锥形壳，圆下部是一个锥形壳，圆 柱壳的侧面，有一切向柱壳的侧面，有一切向 钻井液入口管，顶部装钻井液入口管，顶部装 有出口溢流管。圆锥壳有出口溢流管。圆锥壳 底部是排砂孔，分离出底部是排砂孔，分离出 来的砂、泥以及少量的来的砂、泥以及少量的 液体由

19、此排除。液体由此排除。 结构 工作原理工作原理 离心泵打入压力泥浆离心泵打入压力泥浆 （切向进入旋流器）在（切向进入旋流器）在 旋流器中产生离心力。旋流器中产生离心力。 质量大的固相颗粒离心质量大的固相颗粒离心 力大，甩到旋流器内壁，力大，甩到旋流器内壁， 靠重力作用下旋，下口靠重力作用下旋，下口 排除砂、泥。质量小的排除砂、泥。质量小的 随液体螺旋上升溢出。随液体螺旋上升溢出。 rmvF t / 2 除砂器：锥内径（大头锥筒圆柱部分的内径）除砂器：锥内径（大头锥筒圆柱部分的内径） 612”，清除大于，清除大于70 m和和50%大于大于40 m砂砂 粒；粒； 除泥器：锥内径除泥器：锥内径25英

20、寸英寸, 清除大于清除大于40 m和和 50%大于大于15 m砂粒。砂粒。 清洁器一体机清洁器一体机 加重泥浆处理加重泥浆处理 深井、超深井用加重泥浆。深井、超深井用加重泥浆。 回收回收重晶石重晶石（260 m ） 结构：旋流器结构：旋流器+振动筛振动筛 n上部旋流器：内径上部旋流器：内径45”； n下部振动筛：下部振动筛：150200目（网目（网 眼小）眼小） 原理：原理： n来自振动筛的泥浆，由砂泵打来自振动筛的泥浆，由砂泵打 入清洁器入清洁器旋流器旋流器 n底流小目振动筛，清除底流小目振动筛，清除74 105 m颗粒；保留小于颗粒；保留小于74 m 颗粒。颗粒。 1 1振动筛处理过的泥浆

21、；振动筛处理过的泥浆；2 2 清洁泥浆；清洁泥浆；3 3水力旋流器；水力旋流器； 4 4细目振动筛；细目振动筛；5 5排出的固排出的固 体颗粒；体颗粒；6 6筛网底流；筛网底流；7 7泥泥 浆返回循环系统浆返回循环系统 钻井液离心机是固钻井液离心机是固 控设备中固液分离控设备中固液分离 的重要装置之一，的重要装置之一， 一般情况下安装在一般情况下安装在 系统的最后一级，系统的最后一级， 用于分离用于分离 1.512m细粒和细粒和 胶体固相，降低或胶体固相，降低或 控制钻井液密度和控制钻井液密度和 粘度。粘度。 离心机滚筒有圆锥离心机滚筒有圆锥 形和圆锥圆柱形形和圆锥圆柱形 两种。两种。 （4）

22、离心机 作用作用 回收非加重钻井液中的液体和化学药剂；回收非加重钻井液中的液体和化学药剂； 处理加重液可除去钻井液中多余的胶体，控处理加重液可除去钻井液中多余的胶体，控 制钻井液粘度，回收重晶石；制钻井液粘度，回收重晶石； 处理旋流器底流，可回收液相，减少淡水和处理旋流器底流，可回收液相，减少淡水和 油的浪费油的浪费 处理废弃钻井液，防止污染环境处理废弃钻井液，防止污染环境 种类种类 沉淀式：锥形滚筒沉淀式：锥形滚筒 滚筒式：柱状滚筒滚筒式：柱状滚筒 水力涡流式分离机水力涡流式分离机 待处理的加重泥浆，送待处理的加重泥浆，送 入输送器上的进浆孔，进入入输送器上的进浆孔，进入 由锥形滚筒和输送器

23、蜗形叶由锥形滚筒和输送器蜗形叶 片所形成的分离室，并被加片所形成的分离室，并被加 速到与输送器或滚筒大致相速到与输送器或滚筒大致相 同的转速，在滚筒内形成一同的转速，在滚筒内形成一 个液层。调节溢流口的开度，个液层。调节溢流口的开度， 可以改变液层厚度。由于离可以改变液层厚度。由于离 心力的作用，重晶石和大颗心力的作用，重晶石和大颗 粒的固相被甩向滚筒内壁，粒的固相被甩向滚筒内壁， 形成固相层，由螺旋输送器形成固相层，由螺旋输送器 输送到锥形滚筒处的干湿区输送到锥形滚筒处的干湿区 过渡带，通过滚筒小头的底过渡带，通过滚筒小头的底 流口排出，而自由液体和悬流口排出，而自由液体和悬 浮的固相颗粒则

24、流向滚筒的浮的固相颗粒则流向滚筒的 大头，通过溢流孔排出。大头，通过溢流孔排出。 1 1V V形胶带；形胶带；2 2液力联轴器；液力联轴器； 3 3电动机；电动机；4 4加料管；加料管； 5 5转鼓；转鼓；6 6螺旋输送器；螺旋输送器； 7 7行星差速器行星差速器 工作原理 待处理的泥浆稀释，从外壳待处理的泥浆稀释，从外壳 左上方由计量泵输入后，由左上方由计量泵输入后，由 于内筒旋转的作用，泥浆在于内筒旋转的作用，泥浆在 内、外筒之间的环形空间转内、外筒之间的环形空间转 动，在离心力作用下，重晶动，在离心力作用下，重晶 石和大颗粒的固体物质飞向石和大颗粒的固体物质飞向 外筒内壁，通过一种专门的外筒内壁，通过一种专门的 可调节的阻流嘴排出，或由可调节的阻流嘴排出，或由 一定速度运转的底流泵将飞一