帶緩沖功能鉆井泵組的結(jié)構(gòu)與試驗分析

蔡金萍，劉永勤，劉紀(jì)超，王 東，葛運春，王志忠，仲林華，吳 杰

帶緩沖功能鉆井泵組的結(jié)構(gòu)與試驗分析

蔡金萍1，劉永勤2，劉紀(jì)超1，王 東1，葛運春1，王志忠1，仲林華3，吳 杰4

（1.南陽二機石油裝備集團有限公司，河南 南陽，473006；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 油田建設(shè)工程分公司，天津300452；3.中石化華東石油工程有限公司 西部分公司，新疆 輪臺841600；4.川慶鉆探川西鉆探公司 青海項目部，青海 花土溝816400）

系統(tǒng)介紹了經(jīng)由液力變矩器驅(qū)動的TJBZ10A型鉆井泵組和經(jīng)由偶合器驅(qū)動的JBZ10N型鉆井泵組的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)參數(shù)及廠內(nèi)工業(yè)試驗情況。通過對這2種泵組試驗結(jié)果分析，得出調(diào)速型液力偶合器更適合于油田鉆井泵組的應(yīng)用。

鉆井泵；變矩器；偶合器

鉆井泵組是整個鉆機的心臟部分，鉆井泵將鉆井液以一定的壓力和流量輸送進(jìn)鉆具、鉆頭及環(huán)形空間，完成整個循環(huán)過程。不同井深和鉆井工藝對鉆井泵組的要求差異較大，其所用的鉆井泵是從發(fā)動機傳送的旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)動力，利用吸入閥和排出閥的配合，不斷進(jìn)行重復(fù)吸入和排出過程，使鉆井液被不斷地經(jīng)排出管送向井底［1］。鉆井泵在工作過程中承受的沖擊載荷較大，因此在鉆井泵組的傳動系統(tǒng)中配置具有緩沖沖擊載荷的元件，將會對發(fā)動機和鉆井泵起到較好的保護作用，有助于延長鉆井泵組的可靠性能和使用壽命。液力變矩器和調(diào)速型液力偶合器反車箱是鉆井泵組中的2種重要緩沖部件，在為烏克蘭和俄羅斯生產(chǎn)的鉆井泵組中分別配置了這2類緩沖部件，其裝配的典型泵組型號分別為TJBZ10A和JBZ10N。

1 鉆井泵組類型與結(jié)構(gòu)

1.1 TJBZ10A型泵組

TJBZ10A型鉆井泵組是將發(fā)動機、RGF1000型鉆井泵、液力變矩器［2］、封閉式鏈條箱、潤滑系統(tǒng)、灌注泵、吸入管匯、安全閥等安裝在1臺拖車上的拖掛鉆井泵組，其總裝圖如圖1。與其他傳統(tǒng)鉆井泵組相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、方便安裝、占地面積小、傳動平穩(wěn)、使用壽命長、操作維護便利、移運方便等特點，并能顯著降低工人勞動強度和作業(yè)風(fēng)險，符合HSE要求。

工作原理為：由CAT3512型發(fā)動機通過液力變矩器、球籠式萬向聯(lián)軸器、伊頓離合器、鏈條箱、傳動軸為鉆井泵提供動力。液力變矩器直接安裝到發(fā)動機上，通過1個熱交換器將多余的熱量傳給發(fā)動機，多余熱量隨發(fā)動機水箱一起被散熱；鏈條箱內(nèi)的鏈條采用強制潤滑；泵組的管匯系統(tǒng)包含了吸入管匯、安全放噴管匯和高壓泥漿排出管匯。

鉆井泵組主要技術(shù)參數(shù)為：額定泵沖140 min－1、最高泵壓（?110 mm 活塞缸套）34.5 MPa、最大排量（?170 mm 活塞缸套）40.36 L／s、輸入功率735 k W（1 000 hp）。

1.2 JBZ10N型泵組

JBZ10N型泵組與TJBZ10A型泵組的結(jié)構(gòu)組成類似，也以CAT3512型發(fā)動機作為動力，由氣馬達(dá)啟動，并配置消聲器裝置和具有高水溫、低油壓、飛車等特點的安全保護裝置及緊急停機裝置，柴油機配置全套直感式或本質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)儀表；變速箱采用YOFJ760-2.3FDF型偶合器反車減速箱；發(fā)動機的動力輸出后，經(jīng)偶合器反車減速箱通過萬向聯(lián)軸器驅(qū)動泥漿泵。由于采用偶合器反車減速箱傳遞動力，使整個傳動系統(tǒng)柔和、平穩(wěn)、緩沖、緩振，降低了柴油機和傳動部件的沖擊，對柴油機及傳動機構(gòu)也有過載保護作用，能提高柴油機和各傳動部件的壽命。鉆井泵組主要技術(shù)參數(shù)為：額定泵沖140 min－1、最高泵壓（?110 mm 活塞缸套）34.5 MPa、最大排量（?170 mm 活塞缸套）40.36 L／s、輸入功率735 k W （1 000 hp），總裝圖如圖2。

圖1 TJBZ10A型鉆井泵組

圖2 JBZ10N型鉆井泵組

2 關(guān)鍵部件性能

2.1 CAT3512型發(fā)動機

CAT3512型發(fā)動機是直噴式、增壓水冷、四沖程、12缸、170 mm缸徑、沖程191 mm的油田用柴油發(fā)動機，發(fā)動機的旋向為標(biāo)準(zhǔn)旋向（面向飛輪端為逆時針旋轉(zhuǎn)）。發(fā)動機的保護系統(tǒng)為液壓-機械停車保護（包括低油壓、高水溫、超速、進(jìn)氣關(guān)斷），并具有顯示儀表和緊急遠(yuǎn)程停車報警，而開關(guān)采用低油壓、高水溫連接到用戶的報警盤。采用氣啟動馬達(dá)，右側(cè)安裝，左側(cè)控制。CAT3512型發(fā)動機的額定功率是753 k W（1 025 hp），額定轉(zhuǎn)速是1 200 r／min。

2.2 C-300-100FH型液力變矩器

該變矩器采用單級設(shè)計。從原動機中吸收恒定的動力，自動持續(xù)地調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來滿足載荷的需求，有利于獲得優(yōu)化的整體性能，在載荷突變的情況下能保護發(fā)動機，并吸收發(fā)動機高頻振動，為整個傳動系統(tǒng)提供減振，這些優(yōu)點都有益于延長發(fā)動機和驅(qū)動部件的使用壽命。C-300-100FH型液力變矩器的額定輸入轉(zhuǎn)速為1 200 r／min，額定輸入功率為890 k W。

2.3 YOTFJ760-2.3FDF型調(diào)速型偶合器反車箱

YOTFJ760-2.3FDF型調(diào)速型液力偶合器是一種可調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速的液力原件，被置于原動機與工作機之間進(jìn)行動力傳遞，它能使原動機空載啟動，在輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下，能方便地使工作機實現(xiàn)無級調(diào)速，改變輸出功率的大小，實現(xiàn)節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟效益的目的［3］。

采用YOTFJ760-2.3FDF型偶合器反車箱傳遞動力可使整個傳動系統(tǒng)柔和平穩(wěn)，緩沖緩振，降低了柴油機和傳動部件的沖擊；同時，液力傳動對柴油機及傳動機構(gòu)有過載保護作用，提高了柴油機和各傳動部件的壽命。液力偶合器反車箱技術(shù)參數(shù)為：額定輸入轉(zhuǎn)速1 200 r／min、額定輸入功率1 200 k W、調(diào)速范圍0～500 r／min、偶合器滑差率≤4%、冷卻方式為風(fēng)冷、減速比2.3∶1。

2.4 RGF1000型鉆井泵

由各種泵的工作特點對比表明，鉆井泵比較適合用于上述工況，且應(yīng)用廣泛。其基本技術(shù)參數(shù)如下：

型式 臥式三缸單作用泥漿泵

額定輸入功率 735 k W（1 000 hp）

額定沖數(shù) 140 min－1

沖程×最大缸套直徑 254 mm×170 mm

齒輪型式 人字齒

傳動比 4.207∶1

最大排出壓力 34.5 MPa（?110缸套活塞）

最大排量 43.26 L／s

3 試驗結(jié)果及對比

根據(jù)上述設(shè)計思路組裝了TJBZ10A型鉆井泵組，于2010-11在南陽二機石油裝備集團有限公司進(jìn)行了加壓試驗。試驗最初將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速設(shè)定在1 180 r／min，此時測量RGF1000型鉆井泵的泵沖為172 min－1，遠(yuǎn)超過RGF1000型鉆井泵的額定泵沖140 min－1，這會加劇鉆井泵的磨損；最終將發(fā)動機的初始速度定為950 r／min，可保證鉆井泵的實際泵沖不超過鉆井泵的額定泵沖。結(jié)果如表1。

表1 TJBZ10A型泵組試驗結(jié)果

續(xù)表1

該鉆井泵中鏈條箱的傳動比為1.58∶1，傳動效率為97%。鉆井泵的效率取中間值0.8，因為該泵組配有灌注系統(tǒng)，鉆井泵的排量系數(shù)定為0.99。

2011-05，對JBZ10N型鉆井泵組進(jìn)行調(diào)速試驗和加壓試驗，結(jié)果如表2～3。

表2 JBZ10N型鉆井泵組調(diào)速試驗結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可知：偶合器可以使鉆井泵輸入軸轉(zhuǎn)速在0～545 r／min之間調(diào)整，并可以在0～130 min－1中任意調(diào)整鉆井泵泵沖。

表3 JBZ10N型鉆井泵組憋壓試驗結(jié)果

由表3可知，調(diào)速型偶合器反車箱最高功率效率達(dá)到83%。

2種泵組性能對比如表4。

表4 TJBZ10A型和JBZ10N型鉆井泵組性能對比

4 結(jié)語

液力變矩器在鉆井泵組中的使用能較好地緩沖傳動系統(tǒng)的振動沖擊，相應(yīng)延長鉆井泵組的使用壽命；但TJBZ10A型鉆井泵組的泵沖由于受負(fù)載的影響，在空負(fù)荷或者負(fù)荷較低的時候，鉆井泵的泵沖將超過鉆井泵的額定泵沖，這在較大程度上會縮短活塞缸套的更換周期，增加工人的勞動量。如果鉆井工藝有泵沖要求，這種泵組很難滿足要求。

調(diào)速型偶合器反車箱在鉆井泵組中的應(yīng)用中雖然緩沖沖擊的效果沒有液力變矩器的好，但能在較大程度上減少傳動系統(tǒng)的振動沖擊；其泵沖可以在零到設(shè)計值間任意調(diào)節(jié)，能滿足各種特殊鉆井工藝的要求；反車箱的功效遠(yuǎn)高于液力變矩器的效率；具有移運安全、成本低、運輸模塊少、使用壽命長、維修方便、環(huán)境適應(yīng)性強等特點。因此，調(diào)速型偶合器反車箱鉆井泵組更適合于油田鉆井需要。

［1］ SY／T 5138—1992，三缸單作用鉆井泵［S］.

［2］ 張惠林，李武幸，王維忠，等.柴油機與液力變矩器的參數(shù)匹配計算軟件開發(fā)［J］.石油礦場機械，2007，36（5）：54-57.

［3］ 趙國社.調(diào)速型液力偶合器的應(yīng)用研究［J］.中州煤炭，2008（3）：17-18.

TE926

B

1001-3482（2014）03-0087-03

2013-09-06

蔡金萍（1968-），女，山西靈石人，主要從事石油機械設(shè)計及管理工作，E-mail：cjp537＠126.com。