Буровой насос – объёмный насос возвратно-поступательного действия, применяемый для нагнетания жидкой среды в скважину. В нефтегазовом бурении используются поршневые и плунжерные буровые насосы, входящие в циркуляционную систему буровой установки и обеспечивающие требуемые подачу и давление бурового раствора. Буровые и цементировочные насосы применяются также при цементировании, капитальном ремонте и ликвидации нефтяных и газовых скважин.
Буровой насос создаёт движение жидкости по циркуляционной системе: через бурильную колонну раствор поступает к забою и затем возвращается к поверхности по затрубному пространству. Циркуляция обеспечивает очистку забоя, вынос выбуренной породы, охлаждение долота и бурильной колонны, поддержание устойчивости стенок скважины, противодействие поступлению пластовых флюидов и передачу гидравлической энергии к забойному оборудованию.
Устройство
Конструктивно поршневой или плунжерный буровой насос состоит из двух основных частей – приводной и гидравлической. Приводная часть передаёт механическую энергию от двигателя или трансмиссии и преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное движение рабочих органов. Гидравлическая часть непосредственно взаимодействует с перекачиваемой жидкостью и обеспечивает её всасывание и нагнетание.
Приводная часть
Приводная часть воспринимает вращательное движение от привода. С помощью кривошипно-шатунного механизма оно преобразуется в возвратно-поступательное движение, которое через крейцкопф и шток передаётся поршню или плунжеру гидравлической части.
К основным элементам приводной части относятся рама или корпус, приводной вал и зубчатая передача, кривошипный или коленчатый вал, шатуны, крейцкопфы и их направляющие, штоки, подшипниковые узлы и система смазки. Конкретная компоновка зависит от конструкции и мощности насоса.
Гидравлическая часть
Гидравлическая часть преобразует механическую энергию возвратно-поступательного движения рабочего органа в гидравлическую энергию жидкости. Она включает рабочие камеры, поршни или плунжеры, цилиндровые втулки у поршневых насосов, всасывающие и нагнетательные клапаны, коллекторы, трубопроводы и уплотнительные элементы.
Конструкция бурового насоса может включать гидрокомпенсатор для сглаживания неравномерности потока, фильтр на нагнетательной линии, приборы контроля, предохранительные устройства и устройства стравливания давления. Необходимость таких элементов предусмотрена требованиями к конструкции буровых насосов.
Принцип действия
Буровой поршневой или плунжерный насос относится к объёмным насосам возвратно-поступательного действия. Его работа основана на периодическом изменении объёма рабочей камеры при движении поршня или плунжера.
При ходе всасывания объём рабочей камеры увеличивается, а давление в ней становится ниже давления во всасывающей линии. Под действием перепада давления открывается всасывающий клапан, и жидкость поступает в рабочую камеру. Нагнетательный клапан в этот период закрыт.
При обратном ходе объём рабочей камеры уменьшается и давление жидкости возрастает. Всасывающий клапан закрывается, а при превышении давления в рабочей камере над давлением в нагнетательной линии открывается нагнетательный клапан. Жидкость вытесняется в нагнетательный коллектор и далее поступает в циркуляционную систему.
Всасывающие и нагнетательные клапаны являются самодействующими – их открытие и закрытие определяется перепадом давления между рабочей камерой и соответствующим трубопроводом.
В насосах одностороннего действия нагнетание из конкретной рабочей камеры происходит при одном направлении движения поршня или плунжера. В насосах двустороннего действия клапанными системами снабжены обе стороны поршня, благодаря чему при его перемещении одна камера осуществляет нагнетание, а другая – всасывание.
Классификация
ГОСТ Р 71010-2023 распространяется на поршневые и плунжерные буровые и цементировочные насосы и классифицирует их по количеству поршней или плунжеров, характеру действия и длине хода рабочего органа.
По количеству поршней или плунжеров различают:
симплекс – один поршень или плунжер; дуплекс – два поршня или плунжера; триплекс – три поршня или плунжера; мультиплекс – более трёх поршней или плунжеров.
По количеству циклов вытеснения жидкости за одно возвратно-поступательное движение рабочего органа различают насосы одностороннего и двустороннего действия.
Стандарт также предусматривает классификацию буровых насосов по длине хода поршня. Диаметр и ход поршня или плунжера конкретного насоса устанавливаются его конструкторской документацией и техническими условиями.
Основные параметры
К основным параметрам бурового насоса относятся количество рабочих органов, диапазон диаметров поршней или цилиндровых втулок, мощность, максимальная идеальная и фактическая подача, предельное рабочее давление, максимальная частота двойных ходов, ход поршня или плунжера, масса, габаритные и присоединительные размеры.
ГОСТ Р 71010-2023 предусматривает 15 классов буровых насосов. Потребляемая мощность привода для этих классов составляет от 32 до 1900 кВт, а нормируемая выходная мощность насоса – от 25 до 1500 кВт.
Для классов 1–14 стандарт устанавливает минимально допустимые значения максимальной подачи от 9 до 45 л/с в зависимости от класса. Нормируемое максимальное давление на выходе составляет от 4 МПа для насосов 1-го класса до 40 МПа для 14-го класса. Для насосов 15-го класса максимальная подача и давление устанавливаются техническим заданием заказчика и подтверждаются расчётами и стендовыми испытаниями.
Подача поршневого или плунжерного насоса зависит от диаметра рабочего органа, длины хода, частоты ходов и числа цилиндров. Для одного и того же насоса изменение диаметра поршня или цилиндровой втулки позволяет изменять соотношение между подачей и допустимым рабочим давлением. При увеличении диаметра возрастает объём жидкости, вытесняемый за один ход, однако при ограниченной мощности привода уменьшается допустимое давление.
Требуемую подачу выбирают с учётом необходимости транспортирования выбуренной породы по затрубному пространству. Давление насоса должно быть достаточным для преодоления гидравлических потерь в элементах циркуляционной системы и создания требуемого перепада давления на долоте. Рабочая точка насоса определяется совместно расходом, давлением и располагаемой мощностью привода.
Пульсации подачи и давления
Подача поршневого или плунжерного насоса имеет периодический характер. Скорость рабочего органа изменяется в течение каждого хода, а всасывание и нагнетание осуществляются циклически, поэтому мгновенный расход отличается от среднего. Изменение расхода вызывает колебания давления во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.
В многоцилиндровых насосах рабочие циклы отдельных цилиндров сдвинуты по фазе. Благодаря этому увеличение подачи одного цилиндра частично компенсирует уменьшение подачи другого и суммарный поток становится более равномерным. Полностью устранить пульсации таким способом невозможно.
Характер неравномерности зависит от числа цилиндров и схемы действия насоса. В бурении получили распространение, в частности, дуплексные насосы двустороннего действия и триплексные насосы одностороннего действия. Для триплексной схемы характерна меньшая неравномерность выходного потока по сравнению с традиционным дуплексным насосом.
Для уменьшения пульсаций расхода, колебаний давления и динамической нагрузки на трубопроводы применяются гидрокомпенсаторы и другие компенсаторы пульсаций. Они принимают часть жидкости при повышении мгновенной подачи и возвращают её в поток при снижении подачи.
На работу всасывающей системы влияют гидравлическое сопротивление трубопровода, инерция движущейся жидкости и частота ходов насоса. Недостаточное давление на входе и чрезмерные потери во всасывающей линии ухудшают заполнение рабочих камер и снижают фактическую подачу. Для улучшения условий всасывания могут применяться подпорные насосы.
Эксплуатация и безопасность
Буровые насосы работают при циклических механических и гидравлических нагрузках и могут перекачивать жидкости с абразивными твёрдыми частицами. Поэтому элементы гидравлической части относятся к изнашиваемым узлам. Износу подвергаются, в частности, поршневые уплотнения, цилиндровые втулки, клапаны, седла клапанов и уплотнительные элементы.
Абразивный износ рабочей поверхности уплотнения поршня может приводить к появлению утечек и снижению герметичности рабочей камеры. Состояние гидравлической части поэтому непосредственно влияет на объёмную эффективность и фактическую подачу насоса.
Поскольку буровой насос относится к объёмным машинам, его нагнетательная система должна быть защищена от опасного повышения давления. ГОСТ Р 71010-2023 предусматривает наличие устройств стравливания давления, защитных кожухов движущихся частей, приборов контроля, блокировок и предохранительных устройств, гидрокомпенсатора и фильтра на нагнетательной линии.
Общие требования безопасности для объёмных возвратно-поступательных насосов устанавливаются также ГОСТ 31839-2012. Они охватывают механические опасности, давление, утечки рабочей среды, горячие поверхности, монтаж, эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт насосных агрегатов.
Техническое обслуживание включает контроль состояния гидравлической и приводной частей, систем смазки, поршней, втулок, клапанов, уплотнений и крепёжных соединений. Для триплексных и дуплексных насосов процедуры эксплуатации и обслуживания различаются вследствие отличий их кинематической и гидравлической схем.
ГОСТ Р 71010-2023 устанавливает также требования безопасности и охраны окружающей среды, правила контроля и испытаний, требования к транспортированию и хранению и общие указания по эксплуатации буровых насосов.
История
В течение длительного периода в нефтяном бурении основным типом возвратно-поступательного бурового насоса был дуплексный поршневой насос двустороннего действия. К концу 1960-х годов в технической литературе уже отдельно рассматривалось внедрение триплексных насосов одностороннего действия как нового направления развития бурового насосного оборудования.
Триплексные насосы получили широкое применение в бурении благодаря возможности создания высокого давления при сравнительно компактной конструкции и меньшей неравномерности подачи по сравнению с традиционными дуплексными насосами. При этом дуплексные насосы продолжили применяться наряду с ними, и профильная литература рассматривает эксплуатацию и обслуживание обоих типов.
Современная классификация не ограничивается дуплексными и триплексными конструкциями: ГОСТ Р 71010-2023 предусматривает также симплексные и мультиплексные буровые насосы.
Примечания
Литература Вадецкий Ю. В. Справочник бурильщика. – Москва: Издательский центр «Академия», 2008. Баграмов Р. А. Буровые машины и комплексы. – Москва: Недра, 1988. Guo B., Liu G. Applied Drilling Circulation Systems: Hydraulics, Calculations and Models. – Gulf Professional Publishing, 2011. – ISBN 978-0-12-381957-4. Petroleum Extension Service. Drilling Fluids, Mud Pumps, and Conditioning Equipment. – The University of Texas at Austin, 1998. – ISBN 0-88698-181-6. Collier S. L. Mud Pump Handbook. – Gulf Publishing Company, 1983. – ISBN 978-0-87201-568-5.
Категория:Буровое оборудование Категория:Насосы