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  • 论文编号: 010017
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  • 更新时间: 2020/1/9 7:00:00

设计介绍    


目  录
  摘要……………………………………………………………………………1
  英文摘要………………………………………………………………………2
第一章 绪论………………………………………………………………… 3  
1. 1  往复泵的应用与发展…………………………………………………3
1. 2  泥浆泵的发展情况……………………………………………………4
1. 3  泥浆泵的作用和特色…………………………………………………5
1. 4  钻探事情对钻井泵性能的要求………………………………………8
1. 5  修井作业简介…………………………………………………………8
1. 6  设计的提出及设计说明书的主要事情………………………………9
1. 7  本章小结………………………………………………………………9
第二章 泥浆泵的运动机理…………………………………………… 10
2. 1 引言…………………………………………………………………10
2. 2 往复式泵的基本结构………………………………………………11
2. 3 住复式钻井泵的流量及其转变规律………………………………12
2. 4 泥浆泵流量不均度…………………………………………………14
2. 5  本章小结 …………………………………………………………15
第三章 泥浆泵整体及其关头部件的设计…………………………16
    3. 1  BW-100型泥浆泵主参数的确定…………………………………16
3. 2   整体设计方案……………………………………………………16
    3. 3   泥浆泵主要零部件强度校核……………………………………20
3. 4   基本结构参数确定………………………………………………32
3. 5   本章小结…………………………………………………………33
第四章 往复式泵的易损件及影响其寿命的主要因素………34
    4. 1   易损件的磨损……………………………………………………34
    4. 2   泥浆泵的运用与维护 …………………………………………36
第五章  泥浆泵的特征分析……………………………………………39
    5. 1   曲轴转速特征分析………………………………………………39
    5. 2   曲轴转矩特征分析………………………………………………40
    5. 3   液力端理论流量特征分析………………………………………41
结束语………………………………………………………………………43
致谢……………………………………………………………………………44
参照文献……………………………………………………………………45


                                   摘 要
钻探用泵是钻探设备的重要组成部份之一。钻探用泵主要是洗孔用泵,在我国地矿部的部颁规范定为泥浆泵,泵的形式定为往复式泵。在钻探施工中,泥浆泵担负着向孔内输送清洗液,并能使其在孔内循环的作用。在某些特种工序中还用泥浆泵向孔内灌注水泥浆等物资。
泥浆泵是石油矿场钻井作业中的关头设备之一,它的性能、结构、可靠性、顺应性、经济性和运用寿命,直接影响着钻井质量的优劣。泥浆泵是往复泵的一种。自己所设计的泥浆泵是卧式三缸单作用往复式活塞泵,它是通过活塞部件的往复运动,引起密闭的事情腔室容积转变,进而形成腔室内外压力差转变,以吸入和排出液流实现能量转换的。该卧式三缸单作用泵在生产实践中获得了广泛的应用。

关头词: 泥浆泵 ,往复泵,钻井

 

    第一章   绪论
1.1 往复泵的应用与发展
往复泵是最早出现的泵类机械,曾在工业界广泛运用。19世纪末和20世纪初,德国的魏斯特法尔(M.WestPha1)和贝尔格(H. Berg)等人曾对往复泵技术基础理论的研讨做出了杰出的贡献。贝尔格的《活塞泵》一书是那时关于往复泵原理和设计的权威性著作。这本著作中有关泵阀运动的分析和公式,吸入、排出进程中液缸内压力转变的规律,吸入管中的惯性水头值计算等至今仍被引用。但在20世纪中,后起的离心泵、转子泵等在许多应用领域取代了往复泵。  其主要原因就是它们的结构简单,通用性强。受此影响,往复泵的技术基础理论和没计、制造技术的研讨发展事情长期阻滞不前,特别是在基础理论方面,往复泵无论是与内燃机、活塞式压缩机等往复式机械相比,照旧与离心系等动力式泵相比,其差距都是相当大的。
    然则,往复泵所具有的一些性能上的特色和优点是其它类型泵没法比拟的。因而它的应用也不可被取代。除上面提到的在泵压转变的条件下可实现排量恒定外,另有能在严苛条件下泵送特种介质(腐蚀性、磨砺性、高粘度、离密度、高温等),效率高,排出压力高等特色。这些特色决意了往复泵将在下列领域保留它的应用:
(1)在化工场中用于泵送特种介质;
    (2)用于矿业生产中输送煤浆、金属矿浆等,包括远距离输送作业;
    (3)用于石油、天然气矿场的钻井、固井、压裂、注水等作业;
    (4)石化、药品、食物等生产流程中的配料计量泵;
    (5)为水压机等锻压机提供动力的高压液压泵。
    在以上几种应用场所中,不但所要求的排量、压力、功率和驱动、传动型式相差甚远,而且为顺应各种不同的特种介质和性能要求,泵的液力端结构设计差异很大。从这个意义上来说,往复泵在今日已不再是一种“通用机械”了。
    一方面各应用领域内生产东西、工艺规模的发辗转变,使各种往复系统更好地顺应和知足生产部门的需要;另一方面各种往复泵之间仍需要相互借鉴和启发。
    在本世纪后半叶,由于应用往复泵的资源开发、石油化工及其它化工、重型机器制造等工业部门的发展需要,往复泵的基础理论与研讨和新东西开发事情又遭到一定水平的重视。主要研讨结果大多以该应用领域用泵,如计量泵、钻井泥浆泵、化工用泵等专著的形式出现。
    针对往复杂、制造成本高的特色,要努力提高各种往复泵的规范化和通用化水平。模块化设计是一个方向,即以最少数目的液力端和传动端的模块组合成顺应范围极广的变型泵结构夏东西。还能够用统一尺寸的液力端改变资料后顺应不问的介质和压力,相同的传动端并联成不同缸数的泵,等等。
在提高标液化和通用化水平的基础上:普及CAD/CAM技术的应用,增强可靠性的研讨。提高曲轴、缸体、泵壳等复杂形状零部件的设计、工艺水平,提高轴承、密封件等基础元件的质量,提高装配工艺水平。还应指出,往复泵多用来泵送特种介质,这是它的优势所在,但由此产生的问题是液力端零件,特别是易损件的寿命较低,因此,重视液力端水力进程体制的研讨及其零件失效原因的研讨,提高零件的运用寿命,减少停机修理时间,合理装置与维护也是进一步施展往复泵特长的重要课题。
1.2 泥浆泵的发展情况
到目前为止,运用泥浆泵钻井己有一百多年的历史。早期的泥浆泵的功能仅在于循环泥浆、冷却井底、携带岩屑和在井壁形成泥饼。在四十年代末,采取了喷射式钻井,和后来的井下动力钻具钻井,利用高压泥浆的冲蚀力辅佐破碎岩石能够加快钻井速度,利用泥浆的动力驱动井下涡轮钻具也能够旋转钻井,进而扩大了泥浆泵的功能和运用范围。
泥浆泵早期的典型结构是双缸双作用泵,这类泵运用时对照可靠,然则体积和重量都较大,效率低,压力动摇大。随着钻井井深的增加和套管条理的增多,对钻井泵的排量和泵压提出了越来越高的要求。这也致使了泵功率的急遽加大,泵的重量和形状尺寸也随之增加。为减轻泵重,那时在双缸泵的设计上较大的改善是以钢代铁和减小泵宽。以钢带铁是用钢板焊接的泵壳代换铸铁泵壳,并将一些零件改用优质合金钢制造;减小泵宽是应用大直径的滚动轴承作连杆大端支撑,摒弃悬臂曲拐轴设计。这样,两缸中心距明显缩小。这些都是50年代双缸泵的主要改善之处。当然,除此之外在细节结构上也有很多改善。尽管在50-60年代喷射钻井工艺自身提出了 Pa的泵压要求,但双缸泵的实际持续事情泵压只可到达 Pa左右。限制泵压提高的主要因素是活塞橡胶皮碗的寿命。双缸双作用泵的活塞是“捂”在缸体里的,冷却散热条件极差。尽管冲次不高,但在高压下由于活塞皮碗与缸套的磨擦,仍将产生100℃上下的温度:再加上与缸套间的各种磨损作用,皮碗很快老化破裂,不能保证钻井作业的正常举行和运用的合理寿命。但这类单向活塞和敞口缸套的结构给吸入带来了特殊的问题,即三缸泵的吸入进程中,只需缸内压力低于当地大气压,空气就可能从活塞背后侵入液缸而破坏正常吸入。所以,在原则上三缸泵应配置灌注泵,这也是国外通常的做法。三缸单作用泥浆泵的优点在于体积小、重量轻、效率高、压力动摇小,特别适用于钻井。三缸单作用泥浆泵经过三十多年的持续改善和完善,在性能上、结构上、可靠性、顺应性与经济性等方面,已经走向老练,运用效果也很显著。
在我国,第一台泵是五十年代诞生的,为双缸泵。在七十年代,由于钻井工艺的试验和推广,引进国外三缸泵及技术。从此起头了三缸泵的研制事情,它在短短的数年中取代了双缸泵,成为提高喷射钻井水平的关头设备。
1.3 泥浆泵的作用和特色:
在运用旋转钻井法钻石油、天然气井的作业中,钻井往复泵用于泵送钻井液—泥浆,使其循环流动举行冲井。所以钻井泵通常被称为泥浆泵。按其事情重要性,又被比拟为“钻机的心脏”。
泥浆循环是旋转钻井进程中的关头作业,主要有以下作用:
1、消灭井底的岩屑并将其经由环形空间携至地面;
2、在井壁上造泥饼,防止井壁坍塌;
3、平衡或控制已钻开的井段中的油、气、水层压力,防止井喷;
4、措置惩罚井下复杂情况。如遇裂缝地层时泵入堵漏资料,遇卡钻时泵入原
油、柴油解卡等。
5、冷却钻头,润滑旋转的钻柱。
与目前在工业生产中实际应用较广泛的其余往复泵相比,地质钻探用泥浆泵的作业条件有所不同,主要有以下几个方面:
1、 排量和功率大。在灵活往复泵中,经常运用的化工用泵、计量泵、高压液
压泵等的排量为2-20L/s,功率最多550kw。钻井中为保证泥浆在环形空间中有足够的上返速度和钻头上有足够的压力降,一般要求钻井泵单泵有30-50L/s的排量;而功率最大的钻井泵已达1481kw。
2、 钻井泵持续事情于野外,并经常移运。装置时不可能配有考究的基础。所谓“泵房”最多不过是一架简易的顶棚。环境条件与维护颐养非常差。这类条件不但没法与固定厂房里的泵相比,甚至也不能和固井压裂泵相比:固井压裂泵虽然也在井场事情,但能够较稳固地装置在重型汽车上,在野外事情数小时后即可驶回基地检修。
3、 钻井泵输送的介质是泥浆,其中含有碱、酸、硫化氢等腐蚀成份和细
小的岩屑及大批未知的杂质。因此,钻井泵液力端的零件在事情时经受介质的腐蚀,磨砺和冲蚀。
在上述的基本事情条件事情又为钻井泥浆泵的设计带来以下的特色:
1、冲次低。中、大功率双缸钻井泥浆泵的冲次为60-65/min,三缸泵的运用冲次为90-120/min。在灵活往复泵中是最低的。冲次难以提高的首要原因在于钻井泵的功率和排量很大,且装置条件又差,故对对冲次提高而引起的打击、振荡较为敏感: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。
2、钻井泥浆泵不仅排量大,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、粒状的堵井漏资料。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100mm左右,阀升程为20mm左右,这比其它种类的往复泵要大的多。这一特色首先决意了钻井泵的泵阀开启、关闭滞后角较大,一般在10度-20度,这对容积效率和吸入管中的惯性水头值有很大的影响。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-阀座接触面的受载;二是阀体为具有足够的强度必需做得较厚实,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、形状尺寸大。泵的排量决意于冲次、活塞直径和冲程长度,钻井泵的排量大而冲次低,因而必需加大活塞和加长冲程。按它的形状尺寸和重量,钻井泵为往复泵中的巨型泵。
4、钻井泵是在环境条件很差的野外作业,它的某些结构设计也反映了这一特色。主要一点是在传动端全数采取滚动轴承而防止采取由液体润滑的高比压滑动轴承。在曲轴连杆部件中,由于不采取滑动轴承,曲轴只可在两头简支,三个曲轴之间没有支点。这一方面削弱了曲轴的强度和刚度,另一方面又将泵内减速齿轮置于曲柄之间而不是靠近轴承。而在一般减速箱的设计中,要求齿轮尽量靠近轴承,以保证较好的啮合。
5、由于钻井泵输送的介质具有腐蚀性和较强的磨砺性,再加上矿场维护颐养条件很差,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。
1.4钻探事情对钻井泵性能的要求
钻探事情队钻井泵的要求主要有以下几点:
1.钻井泵的排量要能简便、迅速地在较大范围举行调节,最好能实现无级调节;
2.钻井泵的排出压力也要能在较大范围举行调节;
3.当根据钻进工艺规程将泵量调定以后,它不能随泵的排出压力的转变而
发生转变;
4.事情可靠、易损件寿命长、便于维修颐养;
5.要能顺应不利条件下的事情;
6.运移性要好.
1.5 修井作业简介
在油井自喷或抽油进程中,常会发生一些油井或设备故障,造成油井减产,甚至停产。为了恢复油井的正常生产,必需采取响应的措施,排除故障,有时,由于井况发生转变,需要对井下设备举行更换,以调整油井参数。这类排除故障或调整油井参数,恢复油井正常生产等作业,称作修井。所用的一切设备或工具,称为修井设备或工具。破坏油井正常生产的井下故障很多,一般由两方面原因所引起:一是油井自身故障,如井下砂堵,井内严重结蜡、结盐,油层堵死,渗透率降低,油管断裂、脱扣和渗漏,套管挤扁、断裂和渗漏等;二是采油设备自身的故障,如抽油泵游动阀磨损或卡死,抽油杆弯曲、断裂或脱扣等。所有这些故障都可致使油井减产或停产,必需举行修井作业。
修井作业的内容主要有以下几个方面:
1、更换抽油杆、油管和深井泵。
2、消灭沙堵(捞砂或冲砂)和防砂(造人工井壁等)。
3、消灭蜡堵或蜡卡。
4、封堵外来水(上层水或下层水)和本层水,一般可采取挤水泥或下附加
   套管然后注水泥的措施予以隔绝。
5、修补套管。
6、打捞。
7、回采上部或下部生产层.
修井作业方式能够归纳为三大类:
1、起下作业。如油管、抽油杆、深井泵等井下设备及工具的起下,和抽汲、捞砂、机械清蜡的起下等
2、液体循环作业。如冲砂、热洗、挤水泥及循环泥浆等。
3、旋转作业。如钻水泥塞,钻沙堵,和扩孔、重钻、加深和修补套管等。完成上述作业的设备,也基本上分为起下设备(如通井机、轻型修井机等),冲洗设备(如洗并机、水泥车、锅炉车等),和配备有起升系统、旋转系统和循环系统的中型、重型修井机等。这些设备大多数都是由一些与钻机相类似的机组组成。不同的是这些设备所需的功率相对较小,灵活性较高,一般都固装于汽车、拖拉机或拖车上。
1.6 设计的提出及设计说明书的主要事情
泥浆泵是石油矿场钻井作业中的关头设备之一,它的性能、结构、可靠性、顺应性、经济性和运用寿命,直接影响着钻井质量的优劣。本课题的目的就是设计出一种能够知足生产实践要求的泥浆泵,并对其主要零部件特别是油田作业时易产生失效的零部件如曲轴、齿轮等举行响应的强度校核。
1.7 本章小结
本章介绍了泥浆泵的作用和特色、发展情况和修井作业的事情内容和作业方式。提出了设计题目及设计说明书的主要内容,进而为设计出BW-100型卧式三缸单作用泥浆泵打下了一定的基础。

 

第二章 泥浆泵的运动机理
2.1 引言
泥浆泵是地质钻探设备的心脏,它是固井、压裂、酸化等作业中的关头设备之一,它在石油化工、煤气化工工程、电站、矿山开采、船舶等行业中也起着重要作用。泥浆泵属于往复泵,往复泵的突出优点是:高泵压,泵压不随流量(排量)转变,泵的效率高、而且不随流量转变,能输送高粘度、高含砂量及含磨砺性固体颗粒的液体.同其它类型泵相比,往复泵的弱点是:流量对照小,瞬时流量和泵压是脉动的,泵的体积大,易损件较多,维修事情量大。
尽管往复泵有上述不足,然则,这其实不意味着往复泵有全数被其它类型泵所取代的趋向。今后往复泵发展的趋向是:充分施展往复泵配套性强,顺应介质广泛的优势,充分施展往复泵在流量较小而排出压力很高时整机效率高及运转性能好的优势,充分施展往复泵的流量与排出压力无关的优势.当然,要使往复泵持续发展,不仅要充分施展它的优势,而且还要持续地克服它的弱点。
BW-100型泥浆泵是三缸单作用泵,对单作用泵来说其事情原理可下图简化说明
图2—1为单缸单作用泵事情原理示意图。它由滤水器l、吸入阀2、泵缸3(即事情腔室)、活塞4、活塞杆5、十字头6、连杆7、曲柄轴8、曲柄销9、排出阀10、排出管道11等主要零部件组成。
 
                     图2-1   往复式泵事情原理示意图     
1.滤水器  2.吸入阀 3. 泵缸 4.活塞5.活塞杆6 .十字头 7. 连杆8. 曲柄轴 9. 曲柄
10.排出阀 11.排出管道
通常以十字头为分界线,靠近泵缸一端称为泵的液力端,靠近动力输入一端称为泵的动力端。
动力机通过皮带、皮带轮、齿轮等传动件动员主轴旋轮,曲柄轴8以角速度 。随主轴一起转动,同时曲柄轴一端相连的连杆7随着曲柄轴的转动动员连杆另—端的十字头6作往复运动,十字头通过与它相连的活塞杆5动员活塞4作往复运动,进而实现容腔3的容积有规律地转变。
当活塞由泵缸的左端位置(左死点)向右方移动时,活塞左端泵缸容积持续转变。由于泵缸是密闭容腔,不与外界大气相通,所以左侧缸室内压力降低,形成负压(低于大气压力),吸水池中的液体在液面大气压力的作用下,挤开吸入阀进入泵缸,挤开吸入阀进入泵缸,直到活塞移至最右侧位置(右死点)为止。这一事情进程称为泵的吸入进程.当活塞到达右死点后(即曲柄转过 rad)事情液停止吸入,吸入阀在自重和弹簧力作用下被关闭,活塞向左方(向液力端)移动,这时液力端一边泵缸的容积缩小事情液受挤压,缸内压力逐渐加大,挤开排出阀,液体排出,进入排出管道,这—进程称为泵的排出进程。活塞在一次往复进程中,此单作用泵吸入和排出液体一次,活塞持续循环往复运动使液以体持续吸入和排出。由泥浆泵的事情进程能够得出:泥浆泵是一个往复泵,它之所以能够实现吸、排液体,是由于活塞在泵头体内作往复运动.使泵头体事情腔的容积发生周期性转变,进而使吸入管产生真空,使排出管压力升高。由于泥浆泵是借助于事情腔容积转变举行吸、排液体的,所以泥浆泵也是一种容积式泵。
2.2 往复式泵的基本结构
往复泵由动力段和液力端两大部份组成。动力端的功能,是将动力机的回转运动转变为活塞(或柱塞)的直线往复运动。它包括传动离合装置、变速减速装置和曲柄连杆。它们的相互位置与安排决意着泵的总体结构型式,决意着泵的驱动方案及结构方案的选择。动力端的主要零部件包括皮带轮,离合器曲轴箱体及其中的传动轴,齿轮副,曲轴,连杆及十字头滑块。液力端油泵头体、缸套、活塞、活塞杆吸入阀和排出阀等组成,它的作用是通过活塞在缸套中作往复运动形成液缸容腔转变,完成能量转化,实现吸入和排出液体。
此泵曲轴箱由两极齿轮变速机构和曲柄连杆机构组成。曲轴箱的输入轴和输出轴通过牙钳联轴器对接传动。当曲轴箱的输入轴上的双联变速齿轮分别和曲轴上的对应齿轮相啮合,曲轴可获得快慢两级转速。加上变速箱的四级变速。曲轴上总共可获得8级转速,实现8级变速。液力端属于直通式结构,便于制造,装配精度高。
2.3 住复式钻井泵的流量及其转变规律 
2.3.1 曲柄连杆机构及活塞的运动规律
    往复式泵通常都是通过曲柄连杆机构将原动机的等速回转运动变为活塞的往复直线运动,并通过活塞将原动机的能量传送给液体。由于曲柄连杆机构的运动特色,决意了活塞的运动是遵循着一定规律而转变的,这类规律又决意着液体在缸内的运动规律。因此研讨流量的转变规律首先要研讨活塞的位移、速度、加速度的转变规律。曲柄连杆机构与活塞的运动情况如图2—2所示。
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