Бурові насоси - типи і класифікація, відцентрові, поршневі, плунжерні, бурові установки,

Типи насосів і їх класифікація

Вимоги до промивання насосів визначаються геолого-технічними умовами їх експлуатації: фізико-механічними властивостями бурим порід, глибиною, діаметром і призначенням свердловини, типом породоразрушающего інструменту і т. Д.

Величини подачі промивної рідини Q і напору Н бурового насоса обумовлюються низкою факторів і в процесі поглиблення свердловини можуть змінюватися в широких межах. Отже, буровий насос повинен забезпечувати можливість простого і швидкого регулювання подачі і напору в залежності від параметрів технологічного режиму буріння. При цьому одним з основних вимог є забезпечення незалежності подачі від тиску (наявність жорсткої на-порно-видаткової характеристики Q-H).

Необхідність постійної і рівномірної очищення забою, виносу і підтримки шламу в підвішеному стані призводить до вимоги мінімальної пульсації потоку, так як нерівномірність потоку може привести до порушення нормального процесу буріння і погіршення стану стінок свердловини. Крім цього пульсуючий потік промивної рідини викликає гідравлічні удари, що скорочує термін служби елементів насоса і напірної магістралі, а також є однією з причин вібрації бурильної колони.

Особливі вимоги пред'являються до всмоктуючої здатності бурових насосів. При визначенні необхідної вакуумметричного висоти всмоктування слід враховувати можливе розташування насоса на майданчику пересувний або самохідної бурової установки. висота якої сягає 1,5 м і рівень промивальної рідини у відстійнику в межах 0,5 - 1,5 м нижче поверхні землі. Таким чином, мінімальна висота всмоктування з урахуванням опору у всмоктувальній лінії може скласти 4,5 - 5 м вод. ст. за умови забезпечення стійкої роботи насоса на обважнених розчинах підвищеної в'язкості.

Характерна особливість роботи промивних насосів при бурінні свердловин визначається різноманітними властивостями рідини, що містить тверді частинки розбурюється породи і металу, що висуває підвищені вимоги до зносостійкості вузлів і деталей гідравлічної частини насоса. Оскільки уникнути абразивного зносу елементів промивних насосів неможливо, так як він виникає не тільки в місцях тертя сполучених деталей, але і в місцях руху потоку рідини, що містить абразивні частинки, необхідно забезпечити можливість оперативної заміни швидкозношуваних деталей.

Необхідно також враховувати, що буріння геологорозвідувальних свердловин часто здійснюється в важкодоступних районах, де транспортування обладнання утруднена, що висуває вимогу мінімальних габаритів і маси насоса і окремих його вузлів.

Таким чином, вимоги до промивання насосів можливо розділити на дві групи. До першої відносяться вимоги, що визначають ефективність самого процесу буріння: забезпечення стабільної подачі необхідної кількості рідини, сталість подачі, мінімальна пульсація потоку, достатня усмоктувальна здатність. До другої - зручності експлуатації насосів, витрати часу і коштів на їх ремонт, обслуговування та транспортування.

Аналіз вимог, що пред'являються до насосів для подачі промивної рідини при бурінні геологорозвідувальних свердловин, показує, що жоден з існуючих типів повністю не задовольняє всьому комплексу перерахованих вище вимог.

Основній вимозі - незалежності продуктивності від тиску - задовольняють насоси об'ємного типу: поршневі (плунжерні), шестерні і гвинтові.

Бурові насоси повинні мати підвищену зносостійкість при перекачуванні рідин, що містять абразивні домішки. Повністю виключити абразивний знос при застосуванні зазначених типів насосів не представляється можливим, але компенсувати виникаючі в результаті зносу зазори практично простіше в насосах з зворотно-поступальним рухом робочого органу (поршня, плунжера).

Насоси такого типу на відміну від відцентрових мають здатність до Самовсмоктування і дають можливість створення будь-якого напору, величина якого визначається параметрами насосної установки, потужністю двигуна і міцністю агрегату.

Відцентровий насос може застосовуватися при бурінні тільки дрібних свердловин, коли немає необхідності в високому тиску промивної рідини.

Пряма залежність подачі поршневого насоса від числа обертів колінчастого вала дозволяє в широких межах регулювати його продуктивність.

Застосування в насосі поршневою (трехплунжерной) системи забезпечує допустиму при бурінні свердловин ступінь пульсації потоку закачується промивної рідини.

Таким чином, поршневі (плунжерні) насоси максимально відповідають основним вимогам бурового процесу і тому отримали широке поширення при бурінні геологорозвідувальних свердловин.

У табл.43 наведено укрупненная класифікація насосів, що застосовуються на бурових роботах при пошуках і розвідці твердих корисних копалин.

Таблиця 43. Класифікація бурових геологорозвідувальних насосів

електричний
Двигун внутрішнього згоряння
гідравлічний

В даний час як вУкаіни, так і за кордоном здійснено перехід на швидкохідні плунжерні і, зокрема, трехплунжерние насоси простої дії. Це пов'язано з повсюдним поширенням алмазного буріння і, відповідно, спорудження свердловин малого діаметру. У цих умовах при порівняно невеликих подачах промивної рідини потрібно високий тиск.

Крім того, за останні роки значно підвищилися вимоги до безпеки і надійності бурових насосів.

У зв'язку з цим, порівнюючи показники роботи поршневих двоциліндрових насосів подвійної дії і трехплунжерних простого дії, можна відзначити, що останні мають цілий ряд переваг, зокрема, в поршневому насосі одне з ущільнень (ущільнення поршня) завжди розташоване в глибині гідравлічного блоку (гидроблока). Тому його стан і працездатність не піддаються прямому контролю, і про їх працездатності можна судити тільки побічно - за величиною подачі і развиваемому ними тиску. Для огляду або заміни ущільнень доводиться виробляти трудомістку операцію розбирання та збирання гидроблока.

Імовірність зниження подачі при зносі ущільнень навіть в самій початковій його стадії посилюється при високому тиску, що виникають при бурінні глибоких свердловин малого діаметра алмазними коронками, коли кількість рідини, що надходить в свердловину, може доходити до 15-30 л / хв. При цьому зниження подачі викликає прискорений знос породоразрушающего інструменту (підвищена витрата алмазів), а іноді призводить до серйозних аварій (пріжогов коронок).

Плунжерний насос має вдвічі меншу кількість ущільнень, що припадають на один витіснювач, причому в міру зносу можлива їх регулювання. Діаметр плунжера приймається зазвичай менше, ніж у поршня, тому відповідно менше навантаження на колінчастий вал, що також сприятливо позначається на зниженні масових характеристик насоса. Ступінь нерівномірності подачі у насосів типу "дуплекс" становить 42%, що робить його роботу на буровій неможливою без застосування громіздкого, що має значну масу напірного повітряного ковпака. Трехплунжерние насоси мають нерівномірність до 24% і тому в переважній більшості випадків експлуатуються без повітряного ковпака.

Трехплунжерний насос має шість клапанів, а поршневий "дуплекс" вісім і, отже, за інших рівних умов, плунжерний насос надійніший в роботі.

Дуже важливим є те, що плунжерні насоси, створені в останні роки, більш швидкохідні (до 400-500 ходів / хв), що дозволяє зменшити масу насоса і габаритні розміри при тих же величинах подачі і тиску.

У поршневих насосах підвищення швидкохідності призводить до прискорення зносу неконтрольованих ущільнень і порушення стабільності подачі. Саме тому в існуючих насосах "дуплексах" число ходів в хвилину не перевищує, як правило, 100-120.

Для насосів одинарної дії легко здійснюється так звана прямоточная робоча камера, коли усмоктувальні і нагнітальні клапани розташовані безпосередньо на одній вертикальній осі і потік рідини практично має прямий хід в нагнітальний клапан. Прямоточне розташування дозволяє знизити до мінімуму обсяг шкідливого простору, забезпечити ефективну каналізацію повітря, що потрапляє в робочу камеру або виділяється в ній, і, отже, підвищити об'ємний коефіцієнт насоса і його економічність.

Різноманітність техніки і технології буріння свердловин, широке впровадження алмазного буріння при високих частотах обертання снаряда, безліч конструкцій свердловин і геологічних розрізів, застосування комбінованого обладнання та інструменту, коли в процесі спорудження однієї свердловини застосовуються шарошечні долота, твердосплавні та алмазні коронки - все це висуває вимоги до насосів в частині забезпечення широких діапазонів зміни подачі промивної рідини. У зв'язку з цим у вітчизняній і зарубіжній практиці останнім часом з'явилися насоси з оперативним регулюванням подачі.

Відомо кілька способів регулювання подачі:

шляхом зміни числа ходів витіснювача за допомогою коробки передач. Остання може бути вбудована в механічну частину насоса (НБ-80 / 6,3 і ін.) Або винесена у вигляді окремого вузла;
шляхом зміни ходу поршня або плунжера;
шляхом комбінованого застосування коробки передач і зміни поршня або плунжера (насоси НБ-160 / 6,3);
шляхом зміни довжини ходу і числа ходів поршня або плунжера.

Регулювання подачі насоса за допомогою коробки передач має певні переваги перед іншими способами за рахунок простоти, надійності, оперативності, а також можливості широкого діапазону зміни швидкості, а, отже, і подачі насоса. Крім того, застосування коробки передач дозволяє уніфікувати обладнання.

Регулювання подачі шляхом зміни довжини ходу витіснювача може здійснюватися за допомогою кулисного механізму або переміщенням кривошипного пальця в ексцентрики. Така система технологічно доцільна, так як дозволяє безступінчатий змінювати кількість рідини, яка подається на забій. Однак при цьому способі регулювання подачі істотно збільшується обсяг "шкідливого простору", що негативно впливає на всмоктувальну здатність насоса. Цей спосіб не отримав широкого поширення також і через складність механізмів регулювання. Досвід експлуатації ряду вітчизняних і зарубіжних плунжерних насосів, подача яких регулюється зміною числа ходів за допомогою коробки передач, показав, що вони найбільш зручні і оперативні в роботі, а також мають високу надійність.