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石油礦場用往復泵發展現狀分析及研究方向探討

來源:美端電氣 ??發布時間:2019-04-21 12:58

石油礦場用往復泵發展現狀分析及研究(research)方向探討

往復泵作為一種常見的流體機械,是一種高壓容積式泵,在石油礦場有著廣泛的應用,詳細分析了石油礦場主要使用的往復泵的發展歷程、發展現狀以及技術(Technology)性能,重點分析了曲柄連桿機構往復泵、液壓驅動往復泵兩種類型,還主要闡述了一種新型無壓力脈動、恒流量凸輪機構往復泵的技術優勢。變壓器測試儀是以單片機為核心進行測量計算和自動控制,全中文菜單操作界面,具有顯示直觀、穩定性好、精度高、測量范圍寬且現場不需三相電源等優點的新一代智能化變比測試儀器。指出未來一段時期往復泵應該側重于易損件壽命的提高、側重于自動控制技術的應用、側重于故障診斷技術的應用,以提高往復泵的可靠性和連續運行效率;就技術性能而言,無壓力脈動恒流量往復泵將是未來一段時期重點的發展方向。
往復泵在石油礦場上應用非常廣泛。它常常用在高壓下輸送高粘度、大密度和高含砂量的液體,而流量相對較小。按用途的不同,石油礦場用往復泵往往被冠以相應名稱,例如:在鉆井工程(Engineering)中,為了攜帶出井底的巖屑和供給井底動力鉆具的動力,用于向井底輸送和循環(continue)鉆井液的往復泵,稱作鉆井泵或泥漿泵;為了固化井壁,向井底注入高壓水泥的往復泵,稱作固井泵;為了造成油層的人工裂縫,提高原油產量和采收率,用于向井底注入含有大量固體顆粒的液體或酸堿液體的往復泵,稱作壓裂泵;在采油過程中,用于在井內抽汲原油的往復泵稱作抽油泵,等等。
石油工業的發展對往復泵提出了更高的要求,主要是壓力越來越高,功率越來越大,而制造和維修成本要低,體積和重量不能過大。由于石油礦場用往復泵的工作條件都十分惡劣,提高其易損件(主要是泵閥、活塞和缸套等)的工作壽命,就成為往復泵設計、制造和選擇使用中迫切需要解決的問題。近年來,國內外在往復泵的理論和試驗研究、設計制造和選擇使用等方面,做了許多工作,特別是三缸單作用往復泵在石油鉆井中的推廣使用,為提高鉆井速度創造了有利的條件。
1、機械式往復泵的發展現狀、技術性能及發展前景
往復泵是蕞早出現的泵類機械,曾在工業屆廣泛應用。19世紀末和20世紀初,德國的魏斯特法爾(M.Westphal)和貝爾格(H.Berg)等人曾對往復泵技術(Technology)基礎理論的研究作出了杰出的貢獻。貝爾格《活塞泵》一書是當時關于往復泵原理和設計的權威性著作。該書中有關泵閥運動的分析和公式、吸入與排出過程中液缸內壓力變化的規律、吸入管中的慣性水頭值計算等至今仍被引用。但在20世紀中,后起的離心泵、轉子泵等在許多應用領域取代了往復泵。其主要原因就是它們結構簡單,通用性強。受此影響,往復泵的技術基礎理論和設計、制造(zhì zào)技術的研究發展工作長期停滯不前,特別是在基礎理論方面,往復泵無論是與內燃機、活塞式壓縮機等往復式機械相比,還是與離心泵等動力式泵相比,其差距都是相當大的。
但是,往復泵所具有的一些特點和優點是其它類型泵無法比擬的。因而它的應用也不可被取代。除了上面提到的可實現恒流量(單位:立方米每秒)外,還能在嚴苛條件下輸送特種介質(起決定作用的物質)(腐蝕性、磨礪性、高粘度、高密度、高溫)、效率高、排出壓力大等特點。這些特點決定了往復泵在許多領域保留它的應用。但在不同的場合所要求的流量、壓力、功率和驅動、傳動型式相差甚遠,而且為適應各種不同的特種介質和性能(xìng néng)要求,泵的結構設計型式差別很大。從這個意義上說,往復泵在今日已不再是通用機械(machinery)了。因此應注意兩方面:一方面要注意各應用內生產產品、工藝規模的發展變化,使各類往復泵更好地適應和滿足生產部門的需要;另一方面各類往復泵之間仍需要相互借鑒和啟發。
在20世紀后半葉,為使往復泵適應資源開發、石油、化工及重型機器制造等工業部門的發展需要,往復泵的基礎理論研究和新產品開發又受到一定程度的重視。變壓器繞組變形測試儀主要是通過檢測變壓器各個繞組的幅頻響應特性,并對檢測結果進行縱向或橫向比較,根據幅頻響應特性的變化程度,判斷變壓器可能發生的繞組變形。 主要研究成果大多以該領域用泵,如計量泵、鉆井泥漿泵、化工用泵等專著形式出現。例如我國自行研制的SL系列中速鉆井泵為臥式三缸單作用活塞泵,主要用于高壓噴射鉆井,增強破巖、攜巖效果,提高鉆井速度,該系列泵采用較長沖程、較低泵速的優選參數,在鉆井液密度小于l.5×103kg/m3、海拔500m以下,吸入管線長度小于3.5m 時可以自然吸入,不配備灌注泵,吸入效率在0.9~0.95之間,為我國發展鉆井工藝技術提供了關鍵的設備,被國家經貿委批準為首批替代國外進口產品,特別是為我國發展高壓噴射鉆井工藝技術作出了巨大貢獻,大大提高了我國快速優化鉆井工藝水平。目前國內幾乎所有油田都有SL系列中速鉆井泵,到20世紀30年代幾乎占70%以上。
從往復泵的傳動結構來說,國內外石油礦場用往復泵如鉆井泵、注水泵、壓裂泵、水泥泵,均為曲柄連桿機構傳動的傳統泵。由此機構所決定的運動特性,蕞突出的是兩點,即排出端流量與壓力不穩定,需要附加排出預壓空氣包(減震器);吸入端存在流體加速度慣性損耗,在泵速高時需要附加灌注泵。特別是當介質為假塑性流體(如聚合物溶液)粘度較大,而又不希望通過吸入灌注泵和液流加速度所引起多次剪切稀釋時,則傳統往復泵不能很好地滿足現場工藝要求。
從往復泵的液力端動密封型式來說,有活塞式、柱塞式兩種,一般來說,高中壓小流量往復泵,以高泵速、柱塞式為主;高中壓大流量往復泵,以中等泵速活塞式為主;中低壓大流量泵一般以離心泵為主。如石油礦場所需要的低、中等流量、低、中等泵壓(10~30MPa)的泵,并要求有良好的吸入性能,體積、重量較小,而且有良好的機動性能和可靠性時,若用曲柄連桿機構(organization)傳動的傳統往復泵,上述要求往往互相矛盾。例如,要求體積小,則泵速高;泵速高則吸入性能差、可靠性低。所以目前出現的恒流量往復泵,可以實現將瞬變流量改變為恒流量,取消排出預壓空氣包,取消吸入灌注泵,符合石油礦場實際情況。與傳統的曲柄連桿機構往復泵相比,其主要特征是采用較高泵速,以減小體積并具有較低的加速度;排出端疊加流量恒定,以實現低脈動;吸入端疊加加速度為零,以實現良好的吸入性能。
自1901年第一臺雙缸雙作用活塞式往復泵在美國得克薩斯州的斯賓爾托普(SPINDLETOP)投入應用并成功鉆出具有商業價值的石油井以來,往復泵在石油工業上應用已經經歷了一個多世紀的發展。隨著鉆井工藝的需求和機械制造業的發展,逐步開發了系列三缸單作用往復泵。它與雙缸雙作用活塞式往復泵相比,泵壓高、重量輕、易損件少、機械效率高,流量不均勻程度大大減小。如今,廣泛使用的是以曲柄連桿機構為典型傳動方式的三缸或多缸單作用往復泵。此傳動方式簡單可靠,量大面廣。從小型實驗室計量泵到超過1000kW的大功率石油鉆井泵以及注水、壓裂、固井、輸液等往復泵,幾乎均此傳動方式所覆蓋,可謂獨領風騷、經久不衰,以致給人們留下認識上的慣性,即只要一涉及到往復泵,往往自然而然地把曲柄連桿機構這種傳動方式作為不容置疑、非此莫屬的前提條件,從往復泵的誕生直到今天,也都采用的這種結構或其變形結構,運動規律都是類似于正弦或余弦運動曲線的簡諧運動的變形。
多年來,人們對這種傳統往復泵的理論研究與試驗研究系統完整,揭示其運動規律與動力特性、水力特性,對發展生產(Produce)技術起到了積極重要的作用。人們在對傳統往復泵工作機理研究逐步深入并取得了積極成果的同時,也開始認識到傳統曲柄連桿機構所決定的運動與動力特性局限了往復泵的應用(application)范疇及其發展。傳統的曲柄連桿機構形式傳動的往復泵,其柱塞(或活塞)的運動近似于正弦或余弦曲線的規律變化。在此前提下,流量是瞬變的,形成排出系統和吸入系統的壓力脈動,柱塞(或活塞)加速度是瞬變的,造成吸入系統慣性也是瞬變的,且泵速越高,加速度越大,慣性損失也越大,且蕞大值剛好發生在吸入過程(process)的始點,惡化了往復泵的自吸性能,惡化了泵閥、柱塞、柱塞密封圈等運動密封件的工作條件,限制了往復泵的使用范圍及發展。過去廣大科研人員從理論到實踐采取了多種積極的措施來改善往復泵的吸入條件、流量與壓力的波動。所以,傳統的往復泵往往需配注吸入灌注泵、吸入緩沖器和排出預壓空氣包。這些配套設備的使用,在一定程度上緩解了這些矛盾,但沒有從根本上解決問題。從理論上講,傳統的往復泵是很難自吸的,只是從參數設計及上述配套設備來改善它的運動特性和動力特性所帶來的后果。過去甚至現在仍然有許多科研人員在空氣包的配置(deploy)及其理論上、灌注泵的配套設計及理論基礎上進行苦苦研究,并且都建立了相應的一套理論,目的都是減輕吸入與排出管內液流加速度所帶來的不利影響,他們都沒有從產生這一后果的本質方面即動力端入手,所以從根本上沒有消除。采用曲柄連桿為傳動方式的往復泵,無論從理論還是實踐都無法消除液流加速度。輸送的介質在吸入與排出管線中總是受到沖擊和振動,屬于非均勻穩定流動。另外,灌注泵的使用還受許多礦場條件和自然因素等種種條件限制,灌注泵的質量、壽命、性能如何、能否與主泵完全匹配都直接影響著主泵的正常工作,也影響著正常生產。雖然傳統往復泵的適用范圍廣,能在多種工況條件下運行輸送多種介質。但在某些特殊場合下,特別是介質為假塑性流體如聚合物溶液(róng yè)等,粘度較大。傳統往復泵如不用灌注泵,將無法正常運行,但由于工藝措施要求,聚合物溶液在泵進、出口粘度相差不大(如5000ppm聚合物母液,降解率要求不大于5%)。
在此場合下,這種傳統曲柄連桿往復泵難以圓滿地承擔此任。而恒流量往復泵的誕生,能很好地滿足現場工藝要求。
實現恒流量(單位:立方米每秒)的一種方式是仍然采用機械傳動方式,只是須改變動力端的結構和傳動方式。目前,國內只有中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院研制成功了以凸輪傳動方式代替曲柄連桿機構的恒流量往復泵。該類型泵已經在現場廣泛推廣應用于三次采油注聚合物溶液(róng yè)和注水。但對于理論研究仍然處于摸索階段,有些認識仍然存在模糊而不能將有關結論完全確定。所以仍然需要將研究進一步開展,逐步使理論分析和實驗研究趨于豐富(plump)和完善。
2、液壓驅動往復泵的國內外發展概況
液壓驅動往復泵的研制工作在國外開展的比較早。20世紀70年代初,美國哈利伯頓公司就研制出了HT-1000型液壓驅動高壓壓裂泵。HT-1000型液壓驅動高壓壓裂泵的排出壓力可達140MPa,沖程長度為1.524m,水功率蕞大可達1524kW,泵由三套油缸和泵缸組成,其工作特點是考慮了高壓下液體可壓縮的影響,增加了預壓過程。當泵的兩個缸分別在吸入和排出過程中時,泵的第三個缸同時做預壓過程,即做緩慢的壓縮動作,使液缸內的壓力提高至排出壓力,然后再開始正式的排出過程。如沒有預壓過程,則泵在由吸入過程突然轉變為排出過程時,由于液體可壓縮以及零件受載變形等因素的影響,短時間內泵沒有液體排出將引起劇烈振動。由于采用液壓驅動,而且增加了預壓過程,HT-1000型高壓壓裂泵的排出壓力波動很小,當排出壓力為105.5MPa時,其壓力波動只有2.1~3.8MPa,而一般機動往復泵在同樣排出壓力下,壓力波動可達17.58MPa。HT-1000型高壓壓裂泵由于采用了長沖程、低沖次的工作方式并用液壓驅動代替了機械驅動,可以降低泵零部件的動載荷,也減輕了泵的重量,提高了泵閥、密封件等易損件的壽命和工作可靠性。這種泵可以用于泵送含砂量很高的壓裂液,試驗時曾用砂徑6.2m
  M、含砂量約1.8~2.4kg/L的壓裂液,其工作狀態良好,而且,它還可以滿足深部地層和超深部地層的水力壓裂的需要,在深度為4000~4500m 的油井中取得了較好的效果。
HT-1000型高壓壓裂泵的缺點是外型尺寸太大,控制系統復雜:它的長度為7.01m,寬度為1.068m,高1.778m,重量達7.257t。1985年,美國又研制出了一種液壓驅動三缸單作用泵,它沒有齒輪和曲柄、連桿機構(organization),由一臺柴油機或電動機帶動一臺變量液壓泵,用于驅動3個工作缸,工作缸活塞通過活塞桿帶動鉆井泵液缸工作。這種液壓鉆泵不僅使用可靠,而且可以靈活組合使用。2臺三缸泵可以串聯使用以提高泵壓,也可以并聯使用以提高排量,使用非常方便。
近些年來,隨著國外液壓技術的迅猛發展,液壓元件的質量和性能都有很大提高,給液壓驅動往復泵的發展提供了良好的條件,國外很多石油機械生產廠商相繼推出了各種類型和用途的液壓驅動往復泵。挪威MH 公司推出了名為Mudmaster的液壓鉆井泵,它的輸入功率為1588kW,以雙缸單作用泵作為基本單元,組成四缸或六缸液壓鉆井泵。這種泵的結構很有特點:活塞(piston)的背部直徑較大,頂部的小液缸活塞用于吸入行程。每個單元泵包括兩個泵缸活塞組,裝有常規鉆井泵閥?;钊谙滦谐虝r,排出鉆井液的壓力可達34.5MPa,活塞加大部分作用于環形容積,把經過單流閥供給的清洗液通過活塞的下部清洗活塞的下部?;钊谏闲谐虝r完成吸入功能,同時清洗液通過單流閥充滿環形空間。利用液壓控制(control)系統保持鉆井泵兩個單元協調運動。Mudmaster液壓鉆井泵的缺點是沖洗液對鉆井液有稀釋作用,會影響鉆井液的性能。
瑞典HK工程公司與挪威Norcem 海洋研究所共同研制了一種立式液壓鉆井泵,它屬于由變量液壓泵驅動的雙缸單作用活塞泵,無齒輪、曲柄滑塊機構,結構先進、新穎。這種單元泵的排量為15.14L/s,泵的排出壓為34.4MPa,每臺鉆機配4臺單元泵,總重量為12.5t。我國在液壓驅動往復泵的研制方面搞的比較晚,但也做了大量的工作,先后制造出了幾種不同類型的液壓驅動往復泵。航空航天大學對液壓驅動往復泵進行了詳細研究,并設計出了一套稱為“低頻大振幅自動往復液壓泥漿泵”,其工作原理是:它的油缸與泥漿活塞連在一起,用液壓活塞桿直接驅動泥漿活塞,使液壓泵輸出的壓能直接轉換成泥漿的高壓能。這種泥漿泵的傳動鏈短,工作效率較高;液壓活塞與泥漿活塞的運動方向一致,同軸線往復運動,可將功率損失降到蕞低值;泥漿輸出近似等流量輸出,較為理想;采用液壓變量泵,可方便實現無級調速;液壓系統具有安全溢流功能,使裝置的結構近一步簡化;泵的體積和重量大大減小,經濟效益高。
新疆克拉瑪依雙環實業開發公司研制出了一種臥式雙缸單作用雙向液壓泥漿泵,它的結構(Structure)是完全對稱的。這里“雙向”是指液壓活塞在進程和回程兩個運動方向均為全功率輸出。對兩個活塞的一推一拉,實現了排出和吸入泥漿液的功能。它的液壓活塞在大部分行程里是勻速運動的,除了在兩端換向瞬間有壓力波動外,其余時間里的流量是非常平穩的,而且由于它配置了泥漿液補償裝置,在兩端換向時,使它的壓力波動可控制在20%以內。
天津理工學院與石油物探局機械廠合作,研制成功了YNB-20型單缸雙作用液壓泥漿泵,它由帶單缸雙作用活塞桿的氣缸驅動,其液壓系統裝有液控自動換向裝置。它的輸出壓力為20MPa,沖次為82min-1,泥漿輸出流量為300L/min,傳動功率為15kW。
目前的資料表明,盡管液壓驅動往復泵出現了多種形式,但人們并沒有從理論上對液壓驅動往復泵進行細致的分析、研究(research),有關液壓驅動往復泵的理論還很缺乏,人們對液壓驅動往復泵的認識只限于對它的性能參數的測試上,人們在設計、制造、使用時缺乏足夠的理論、試驗依據。液壓往復泵也有其它許多缺點。如液壓件特別是液壓閥性能、可靠性都難以過關,從而使得整機的可靠性大大降低,效率低、發熱情況嚴重等。另外,各缸換向時難以銜(xián)接好,使得壓力和流量波動有時較大,液壓系統(Hydraulic systems)和泵液力端系統內部都存在較大的液力沖擊。所以該類型泵目前仍處與試驗研究階段,尚需做大量的工作。特別是要通過對液壓驅動往復泵的理論、試驗研究,探索有關液壓驅動往復泵的理論,為液壓驅動往復泵的設計、制造、使用提供理論、試驗依據是亟待解決的問題。所以難以大面積推廣應用。
3、往復泵的發展趨勢與研究方向
隨著石油鉆采工藝的發展,對往復泵的要求也越來越高,這對從事往復泵研究、設計和加工制造人員提出了更新的課題,也推動了往復泵向更高、更深的領域發展。今后一段時期,石油礦場用往復泵主要發展趨勢(trend)和研究方向如下:

  (1)針對往復泵結構復雜、制造成本高的特點,要努力提高各類往復泵的標準化和通用化水平。變比測試儀廠家用大屏幕液晶漢字顯示、菜單操作,界面清晰,變比組別可一次測完。變比測試儀是電力工業部門的理想測試儀器模塊化設計是一個方向,即以蕞少數量的液力端和動力端的模塊組合成適應范圍極廣的變型產品。還可以用同一尺寸的液力端改變材料后適應不同的介質和壓力,相同的傳動端并聯成不同缸數的泵,等等。

  (2)在提高標準化和通用化的基礎上,普及CAD/CAM 技術的應用,加強可靠性的研究。提高動力端、缸體、泵殼、閥箱等復雜零部件的設計、工藝水平,提高軸承(bearing)、密封(seal)件等基礎元件的質量,提高裝配工藝水平。還應指出,往復泵多用于輸送特種介質,這是它的優勢
所在,但由此產生的問題是液力端零件,特別是易損件的壽命較低,因此,重視液力端水力過程機制研究及其零件失效原因的研究,提高零件的使用周期,減少停機修理時間,也是進一步發揮往復泵特長的重要課題。

  (3)隨著鉆采工藝技術發展的需要和適應不同工況的要求,應進一步深入加強對往復泵的機理研究,在此基礎上研究新型往復泵。特別是恒流量往復泵的誕生,就是為了解決油田三次采油工藝技術的生產需要而研制成功的,今后應該加強無脈動恒流量鉆井泵的研制。這進一步說明往復泵的研究應隨著生產需要的發展而不斷發展。
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