第四章-钻机的循环系统(第三讲)

1、第四章 钻机的循环系统,天津石油职业技术学院 徐建功 2013年7月,目前，钻机循环系统普遍采用三缸单作用活塞式往复泵。,4.5 常用钻井泵的典型结构,F系列钻井泵 1液力端 2动力端 3主动轴 4排出空气包 5剪销安全阀 6排出口 7吸入口,常规钻机用泥浆泵是哪种类型？,三缸单作用,双缸双作用,为什么要选用这两种？,4.5.1 三缸单作用活塞泵的特点1.三缸单作用泵的主要优点（1）缸径小、冲程短、冲次高、体积小、质量轻。（2）泵的流量均匀，压力波动小。（3）活塞单面工作，可对缸套和活塞进行冷却和润滑。（4）拆装方便，活塞杆无需密封，工作寿命长。（5）易损件少，费用低。（6）机械效率高。机械效

2、率为90%，容积效率：使用清水时为97%，使用钻井液时为95%。,2.三缸单作用泵的主要缺点（1）由于活塞线速度高，则自吸能力相对较差，容易产生吸入汽蚀现象。（2）若活塞与缸套配合之处有松动，则空气有可能进入液缸，从而导致工作不平稳，降低容积效率。3.三缸单作用泵的代号 三缸单作用钻井泵已经标准化，有统一代号。 代号形式：3NB其中：3NB为三缸单作用钻井泵代号，中间框为额定输入功率代号，右边框为变型代号。 例如型号：3NB-1300和SL3NB-1300A，都是三缸单作用钻井泵，其输入功率为1300hp(马力)或960kW。第二个型号中的附加符号SL是汉语拼音胜利的字头，A表示改型设计。,4

3、.5.2 三缸单作用钻井泵的组成1.动力端（1）传动轴总成。（2）曲轴总成。（3）十字头总成。2.液力端 三缸单作用泵每个液缸只有一个吸入阀和一个排出阀。其泵头形式主要有三种：（1）L形泵头。检修和维护方便，自吸能力较差。（2）I形泵头。有利于自吸，检修比较困难。（3）T形泵头。结构紧凑，漏失相对多一些。,液力端：泵头、缸套、活塞、活塞杆、盘根盒、阀、空气包等组成。,钻井泵由动力端(又称驱动部分)和液力端（水力部分)两大部分组成。,动力端作用：将主轴的旋转运动转变为活塞的往复运动，同时传递动力和减速。 动力端组成：传动轴(输入轴)、被动轴（主轴或曲轴)、连杆、十字头、壳体(底座)等。,液力端作

4、用：将机械能转变为钻井液的液压能。 液力端组成：泵体(阀箱)、缸套、活塞、活塞杆、密封盒、泵阀、空气包和安全阀等。,泵体,密封盒,下图为曲柄滑块机构传动的往复泵运动简图，它将泵主轴的等速旋转运动(角速度)转变为活塞的往复直线运动。,空气包,被动轴,连杆,泵头,输入管,输出管,活塞杆,十字头,钻井泵工作示意图,拉杆,4.5.3 钻井泵的易损件及配件1.活塞缸套总成 活塞和缸套是易损件。2.介杆密封总成 密封件易损坏。介杆密封形式主要有两种: 跟随式介杆密封装置和全浮动式介杆密封装置。3.泵阀 泵阀受到含有磨砺性颗粒液流的冲刷，会产生磨砺性磨损；阀盘滞后下落，会产生冲击性磨损。是易损件。 常用的泵

5、阀有三种：球阀、平版阀、盘状锥阀。 提高泵阀寿命的方法有：保证阀隙流速不要过大；控制泵的冲次；阀体和阀座采用优质合金钢；保证正常的吸入条件；净化工作液体。,缸套组外形图,主动轴 （传动轴）,被动轴 （主轴或曲轴）,4.空气包 往复泵工作过程中，由于结构和工作特点必然产生流量和压力的波动，除了使泵的效率降低，吸入性能恶化，泵和管线使用寿命缩短外，还将降低往复泵的使用效果。在钻井过程中钻井液流量和压力的波动，将降低泥浆携带岩屑的能力，甚至导致井壁坍塌和漏失。因此，为了改善往复泵的工作条件，须将压力波动降低到容许范围内，尽可能地减小因流量和压力波动而对往复泵工作造成的影响。应用空气包可大幅度降低流量

6、和压力波动。（1）空气包的安装 目前常用的办法是在泵的吸入口和排出口处配置空气包。空气包应尽可能安装在靠近泵的液缸处，装在吸入口附近的称为吸入空气包，装在排出口附近的称为排出空气包。,2) 空气包的结构原理,1垫环 2底塞 3气囊 4外壳总成 5盖 6三通 7接头 8压力表罩 9排气阀 10压力表 11截止阀 12垫圈 13平衡盘 14压板 15弹簧垫圈 16螺栓 (R1)双头螺栓 (R2)螺母 (R3)双头螺径 (R4)螺母,（2）空气包的工作原理 吸入空气包和排出空气包都是一个内部充以一定压力的氮气或空气的密闭容器，其基本功能是利用气体的可压缩性，随着吸入压力或排除压力的变化，自动的向泵或

7、排出管线供给液体，或者储存一部分来自吸入管线或泵的液体，使吸入总管内或排除总管内液流均匀，惯性力减小，从而降低压力波动。 排出空气包的工作原理与吸入空气包类似。在排出过程开始阶段，活塞加速，泵流量增大，大于平均流量部分进入空气包，使排出总管中的液体不至于被加速。而到排出末尾，活塞减速，泵流量减小，空气包内液体自动补充到排出管中，使排出总管内液体流速平稳。从而减小了排出总管内的惯性水头，使排出总管内的压力波动幅值降低。,图4-14,（3）空气包的结构形式 空气包的结构形式主要有三类：球形橡胶气囊预压式、圆筒形橡胶预压式和矩形橡胶气囊预压式。图4-14为球形橡胶气囊预压式空气包。 球形空气包是目前

8、应用较为广泛的一种预压式空气包。, 空气包的结构类型,（4）空气包的充气压力 空气包空气包有常压式和预压式，一般为预压式。空气包气囊内一般充入惰性气体，如淡气或空气，充气预压力的大小根据泵的工作压力而定。对于钻井泵排出空气包，充气压力一般为47MPa。 5.安全阀 往复泵一般都在高压下工作，为了保证安全，在排出口处装有安全阀，以便将泵的极限控制在允许范围内。 常用的安全阀有：销钉件剪切式、膜片式和弹簧式等。,良好的钻井液净化设备，可提高钻井速度，保证井下安全，降低钻井泵易损件消耗，改善工人劳动强度，降低钻井成本，并使下套管和电测畅通无阻。,4.6 钻井液净化设备,4.6.1 钻井液净化系统 目

9、前，常用的钻井液净化装置有：两级净化和三级净化处理系统。4.6.2 钻井液振动筛 钻井液振动筛是固控系统中的关键设备。自井筒中返回的钻井液首先进入振动筛中，清除掉较大的固体可颗粒。 石油矿场中使用的振动筛多为多轴惯性振动筛。它主要由筛箱、筛网、隔振弹簧及激振器等组成。 钻井液振动筛中最易损坏的是筛网。 振动筛有：钢丝筛网、塑料筛网、带孔筛板等。常用的是不锈钢丝筛网。筛网以目表示其规格，目数即单位尺寸内的网眼数。目数越大，表示网眼越小。,振动筛通过机械振动将大于筛布网孔的的固体和通过颗粒间粘附作用将部分小于网孔的固体筛离出来。它是由筛架、筛布、激震器等组成。常用的筛布为80、100和120目，特

10、殊情况下用20、40目。,振动筛的结构示意图,振动筛主要通过电机带动激振器旋转，产生周期变化的惯性力，钻井液固相颗粒进入筛面，在筛面上做抛掷运动，将大小不等的固相颗粒分类去除。振动筛的分离颗径和处理量是振动筛选配的重要因素。,振动筛的选择,振动筛的技术水平主要反映在处理能力（处理量和分离粒度）、工作的稳定性寿命的长短和操作的灵活性几个方面。振动筛的处理能力与振动筛的结构、运动轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛网的粗细有关。为了使振动筛与钻机匹配，就必须考虑钻井泵的最大排量及钻进中产生的钻屑量，即： Q筛Q泵+Q屑 式中：Q筛 振动筛处理量，L/s; Q泵钻井泵最大排量,L/s; Q屑钻进中

11、的钻屑量，L/s。 通常根据筛框的运动轨迹将振动筛分为圆筛、普通椭圆筛、直线筛、均衡椭圆筛四大类。,普通椭圆筛：又称非均衡椭圆筛,是在筛箱质心的正上方固定有激振装置。它要求筛箱倾斜一个角度，利用重力强行排砂，以免砂粒有朝后抛掷的倾向。由此而来，筛箱倾斜确实改善了砂粒的移动性能，但振动筛处理钻井液的量减少了，这正是普通椭圆筛的主要缺点。,直线振动筛：两根带偏心块的主轴作同步反向旋转产生直线振动, 由于直线筛振动方向不变，使得卡入的颗粒不易脱落，而出现“筛糊”现象，使得筛网的有效过流面积减小，造成处理量下降，而且当筛网目数增大时，筛糊现象会更严重。因而，直线筛在使用超细目筛网时，就不可能满足钻井液

12、用量的要求。,均衡椭圆筛：是近几年发展起来的一种新筛型，筛箱上各点的运动轨迹如图,所有椭圆的运动轨迹的长轴和短轴相同，抛掷角的大小和方向完全一致。均衡椭圆筛结合了圆型振动筛和直线振动筛的基本优点，均衡椭圆筛的处理量较直线筛大20-30%，是一种比较先进的钻井液振动筛，代表着当今钻井液振动筛的发展方向。,4.6.3 水力旋流器 水力旋流器装在振动筛之后，用以清除钻井液中较小颗粒的固相。它包含三种固控设备，除砂器、除泥器、微形旋流器。后者都很少用。工作原理：在压力的作用下，含有固体颗粒的钻井液由进浆口沿切线方向进入旋流器。在高速旋转过程中，较大的较重的颗粒在离心力的作用下被甩向外壁，沿壳体螺旋下降

13、，由底排出。而夹带细小颗粒的旋流液在接近底部时会改变方向，形成内螺旋向上运动，经溢流口排出。,除砂、除泥器的结构示意图,除砂、除泥器都是由一组水力旋流器和一个处理旋流器底流并回收钻井液的小型超细网目振动筛组成。液流从进液口切向进入后，由于离心力的作用，密度大的颗粒被甩向外壁，沿旋流器内壁螺旋下行流向底流口，密度小的液体则反向螺旋上行经涡流导管流出溢流口，旋流器的名义尺寸越大，所除掉的固体颗粒越粗，所需要的工作压力越小，钻井液的处理量越大。不同直径的旋流器的分离固相颗粒的粒径是不同时。除砂器的固相颗粒分离粒径为4474m，因此300mm的旋流器可以满足设计要求。除泥器的固相颗粒分离粒径为844m

14、，因此100mm的旋流器可以满足设计要求。,除泥器,双除砂器,除砂、除泥器的选择,选用除砂器和除泥器时必须参考钻井泵的最大排量，以期达到匹配合理。无论是除砂器还是除泥器，都要保证能够全部处理钻井过程中的最大钻井液排量。除砂器、除泥器的钻井液处理理为：,4.6.4 离心分离机 离心分离机主要用于回收加重钻井液中的重晶石，以及非加重钻井液的液体或化学药剂。 目前，石油矿场使用的离心分离机主要有三类： 转筒式离心分离机； 沉淀式离心分离机； 水力涡轮式离心分离机。,离心分离机原理：钻井液通过固定的进浆管进入离心机，然后在输送器轴筒上被加速。并通过在轴筒上开的进浆孔流入滾筒内。由于滚筒的转速很高，在离

15、心作用下，密度或体积较大的颗粒被甩向滚筒内壁，使固液两相发生分离。其中固体被输送器送至滚筒的小端，经底流口排出；而含有细颗粒的流体以相反的方向流向滚筒大端，从溢流口排出。离心机是唯一能够从分离的固相颗粒上清除自由水的钻井液固控装置，它可将液相损失降低到最小程度。,离心机的结构示意图,钻井液由加料管进入螺旋输送器内的空心轴，再流入转鼓内。由于转鼓在高速旋转，带动进入的钻井液一起旋转，钻井液中的固相被甩到转鼓壁上，由螺旋输送器推向小端的卸料孔排出，清洁钻井液作为溢流从转鼓大端的溢流口排出。,离心机的选择,离心机的选择受到要分离固相颗粒的粒径大小、离心机的转鼓直径、最高转速及分离因数的影响，钻井现场

16、常用的是以固液密度差作为分离基础的沉降离心机，主要用来清除钻井液中2-lOm的固相物质，是最后一级钻井液固控设备。,搅拌器,举升机,立式砂泵,泥浆枪,加重漏斗,固控辅助机具,四、固控设备的配备,一般都要求配备四级固控设备，分别是振动筛、除砂器、除泥器（清洁器）和离心机。它们给粗至细分级对有害固相颗粒进行清除。由于除泥器和清洁器的质量、价格等原因，有些钻井公司现在开始使用“322”配制，既：3台振动筛、2台除砂器和2台离心机。并在除砂器上安装了筛布不150目的小振动筛，以替代清洁器，现场证实固控效果非常的不错。,四级净化固控设备流程,双联 振动筛,除砂器,除泥器,离心机,泥浆泵,钻井液管汇,井口,322固控设备流程,除气器的工作原理,除气器用来清除气侵钻井液中的气体，保证钻井液性能相对稳定，保证旋流器能正常工作。除气器分为两大类：常压式和真空式。常压式除气器利用离心机抽吸气侵泥浆，借助离心力使泥浆在其喷射罐内喷射、撞击内壁，使气体释放出去。真空除气器利用真空泵的抽吸作用，在真空罐内形成负压，钻井液在大气压的作用下，通过吸入管