鉆井泥漿泵冷循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)研究

呂小峰

（中國石油川慶鉆探工程有限公司厄瓜多爾分公司，四川 成都 610051）

鉆井作業(yè)是一項(xiàng)復(fù)雜、多工序的系統(tǒng)工程，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失效都將直接影響整個(gè)鉆井的進(jìn)度。如果出現(xiàn)故障，將會(huì)造成很大的難度，甚至?xí)?dǎo)致井下的復(fù)雜事故。鉆井液泵采用往復(fù)式泵，活塞在油缸套中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)式泵在工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。往復(fù)式泵的失效導(dǎo)致了幾十億元的經(jīng)濟(jì)損失。為了提高泥漿泵的工作質(zhì)量，減少鉆井作業(yè)的危險(xiǎn)性，冷卻循環(huán)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 鉆井泥漿泵冷循環(huán)系統(tǒng)工作原理及主要問題

1.1 鉆井泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)的工作原理

泥漿循環(huán)系統(tǒng)由泥漿泵、高壓泥漿管、軟管、水龍頭、鉆柱、泥漿控制裝置組成。功能：保持泥漿循環(huán)，清洗井筒底部，并將高壓泥漿的能量輸送至井筒底部。泥漿泵從泥漿池中抽取泥漿，經(jīng)地面泥漿管道、軟管和水龍頭將泥漿注射到鉆柱內(nèi)，再由鉆頭沖到井下，將鉆渣從鉆柱和井壁間的環(huán)形空間中帶走。

1.2 鉆井泥漿泵冷循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行中的主要問題

泥漿泵冷卻系統(tǒng)是指在泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對泵的缸套、活塞進(jìn)行冷卻，以保證泵的正常工作。該冷卻系統(tǒng)能有效地減少工作時(shí)的溫度，提高缸套和活塞的使用壽命。尤其是在高溫環(huán)境下，冷卻系統(tǒng)不能達(dá)到預(yù)期的效果，導(dǎo)致缸套和活塞的壽命減少。另外，由于頻繁更換氣缸套、活塞，造成鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)用大、作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

泥漿泵是油田生產(chǎn)不可缺少的機(jī)械設(shè)備，其工作時(shí)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力會(huì)使其燃燒。因此，泥漿泵的缸套內(nèi)部要進(jìn)行降溫。

泥漿泵工作條件復(fù)雜、條件苛刻，一般采用簡易的水槽來進(jìn)行冷卻。但在鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，泥沙、活塞的運(yùn)動(dòng)或者拆卸的時(shí)候，都會(huì)將泥沙和雜質(zhì)帶到冷卻水槽中，造成冷卻水的污染，影響泥漿泵的冷卻，并且將污水中的雜質(zhì)和微粒帶入水缸套中；造成活塞拉傷，極大地減少了泥漿泵的缸套、活塞的使用壽命。頻繁地更換缸套、活塞會(huì)使工作效率下降，甚至?xí)鹕a(chǎn)事故。

2 鉆井泥漿泵冷循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

針對我國西北地區(qū)降雨量小、溫度較高、缺水較為典型的地域特征，為確保鉆機(jī)鉆井液泵冷卻循環(huán)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定、提高經(jīng)濟(jì)效益，必須對其進(jìn)行改造。以下是對其優(yōu)化改進(jìn)途徑的分析與論述。

針對泥漿泵冷循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種鉆井液泵的循環(huán)、過濾裝置，該裝置能有效地保證鉆井液的清潔性，防止鉆井液中的異物侵入而造成鉆桿堵塞、刺穿，從而延長泥漿泵缸套和活塞的使用壽命。

對鉆井液循環(huán)過濾器的優(yōu)化改造后，該設(shè)備由一體化水池組成，該水池設(shè)有渾水池、凈水池、沉淀池；第一濾池和一個(gè)第二濾池，該渾池在該水箱的左邊，該渾濁池的上部開口，該渾濁池在該渾濁池的下面；在該渾槽的右邊設(shè)置了一個(gè)可移動(dòng)的、可移動(dòng)的、在該渾槽和該渾槽之間的、凈水池上部設(shè)置一封閉罩，其封閉面的水平比水箱的上端開口低，在渾水池和凈水池間設(shè)置一可移動(dòng)的二級濾網(wǎng)，該凈水塘中裝有一臺潛水機(jī)；潛水泵的輸油管道通過密封圈與鉆頭或鉆頭連接。

在沉降槽的底面設(shè)置斜坡。在沉降槽的底部，在斜坡的底部設(shè)置了一個(gè)排水閥門。這個(gè)斜率是5°。該密封罩在其上的出水口具有防灰塵、防雨的橡膠圈。

該方案經(jīng)過一次過濾和一次潛水泵自帶的一次濾網(wǎng)過濾，有效地保證了泥漿泵冷卻水的凈化；為了避免鉆井液中的異物對鉆桿產(chǎn)生卡阻、刺穿，保證鉆井液的連續(xù)、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行，提高了鉆井液的產(chǎn)量和使用年限；第一次和二次濾芯可分離，便于清潔，可有效地處理邊遠(yuǎn)區(qū)域的鉆井機(jī)工作中更換水源困難；沉降槽采用斜面結(jié)構(gòu)，保證了污水的完全排放和清潔。

如在圖1 中所示，一種泥漿泵的冷卻水循環(huán)過濾裝置，它包含一個(gè)整體的水池，該水池具有一個(gè)渾水池1、一個(gè)凈水池2 和一個(gè)沉淀池3；第一濾網(wǎng)4 和位于水箱1 的左側(cè)的上部開口的渾池1，以及設(shè)置在渾水罐1 下面的沉淀池3；一可移除的第一濾網(wǎng)設(shè)置在沉淀池3 和渾池1 之間，該凈池2 位于渾池1 的右邊，并且該凈池2 的頂部設(shè)置有一個(gè)蓋子21，并且該蓋子21的高度比該水槽的頂點(diǎn)低；該渾槽1 和該凈槽2 之間設(shè)置有一可移除的第2 濾網(wǎng)4，該凈槽中設(shè)置有一潛水泵101，該潛水機(jī)101 的輸出管線通過該蓋子與該鉆井筒的柱塞桿或套筒端口相連接，并將清水注入氣缸套中以進(jìn)行冷卻。

圖1 泥漿泵冷卻水循環(huán)過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中的凈水槽占了整個(gè)洗槽的右邊，從圖2 可以看出，凈水槽在水槽的右邊，而整個(gè)水槽的底部是一個(gè)沉淀池。在沉淀室3 的底部設(shè)置一個(gè)斜坡，在斜率低的一側(cè)的最低點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)排水閥門31，該排水閥門31的斜率是5 度。沉淀池采用斜坡設(shè)計(jì)，容易徹底清除淤泥，清洗時(shí)先將濾網(wǎng)取下，用清水沖刷沉淀池；十分方便。在密封罩21 的安裝和排出管上設(shè)置有防水、防塵的橡膠套。避免在工作時(shí)產(chǎn)生的污物和污物進(jìn)入凈水槽。

圖2 泥漿泵冷卻水循環(huán)過濾系統(tǒng)布置示意圖

改造后的新型泥漿泵的冷循環(huán)系統(tǒng)在工作時(shí)，采用潛水泵將凈水池中的清水抽入泥漿泵的缸套中進(jìn)行冷卻，工作中活塞向后退時(shí)，污水會(huì)被排出；經(jīng)過一次過濾，經(jīng)過二次沉淀、三次過濾；通過四次濾網(wǎng)102 一次，保證了泵內(nèi)冷卻水的純度，避免了鉆井液中的雜質(zhì)堵塞，保證了鉆井液的連續(xù)、穩(wěn)定、可靠工作。

3 改進(jìn)前后鉆井泥漿泵冷循環(huán)系統(tǒng)對比

3.1 改進(jìn)前后鉆井泥漿泵冷循環(huán)系統(tǒng)冷卻效果模擬分析

為更好地改善鉆井泥漿泵前、后循環(huán)的變化，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行冷卻效果的數(shù)值模擬，TRNSYS 是一種能較好地模擬改進(jìn)前后的冷卻效果的動(dòng)態(tài)仿真軟件。

目前，理論分析法、系統(tǒng)辨識法、模型分析法等三種分析方法，其中理論分析法是模型分析法。本文采用了一種基于系統(tǒng)識別的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，該方法可以對復(fù)雜的物體進(jìn)行建模，并對其進(jìn)行了建模，并將其與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合。鉆井泥漿泵冷卻循環(huán)系統(tǒng)的工作效率必須通過高斯定理分析泵體的排放來判定。同時(shí)，對鉆井液泵冷卻循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并對其進(jìn)行了理論分析，并對其參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地記錄，確保了鉆井液泵冷卻循環(huán)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定；既能確保較好的經(jīng)濟(jì)效益，又能較方便地進(jìn)行后期的鉆井液循環(huán)冷卻。

為使鉆井液泵冷卻循環(huán)系統(tǒng)得到更好地改善，必須把常規(guī)的循環(huán)冷卻水和經(jīng)過改良的循環(huán)相比較。在進(jìn)行對比時(shí)，可以采用電腦技術(shù)來有效地模擬出冷卻效果，并建立一個(gè)動(dòng)態(tài)的操作模型，從而分析出經(jīng)過改造后的鉆井液泵的制冷循環(huán)效果。在圖3 中，方形表示了改進(jìn)以前的鉆井液泵冷卻循環(huán)操作方式，而三角形表示隨后的改進(jìn)；而且，分散的效果越差，密度也就越大。從這一點(diǎn)上可以看出，經(jīng)過改造的鉆井液泵的冷卻循環(huán)系統(tǒng)的工作性能是十分顯著的。此外，通過對鉆井液泵的冷卻循環(huán)，可以在一定程度上減少系統(tǒng)的失效，提高系統(tǒng)的工作效率；達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效果，減少員工的工作強(qiáng)度。

圖3 TRNSYS 軟件模擬結(jié)果

圖中方形部分表示改進(jìn)之前的鉆井液泵冷卻循環(huán)，藍(lán)色表示改進(jìn)后的鉆井液泵冷卻循環(huán)，按照模擬軟件的一致性，分散程度越低，代表性越差。結(jié)果表明，改進(jìn)后的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)具有較好的制冷效果。

3.2 鉆井液泵改造前后冷卻循環(huán)系統(tǒng)的比較

在鉆井液改造前，鉆機(jī)采用噴射水泵對儲罐進(jìn)行水循環(huán)，頻繁的高溫會(huì)縮短鉆機(jī)的缸套、活塞的使用壽命，提高工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；增加了鉆機(jī)的費(fèi)用，在泥漿泵的平均工作時(shí)間達(dá)到100h 后，缸套或活塞將會(huì)發(fā)生故障，換成大循環(huán)后的水；泥漿泵的工作時(shí)間平均為300h。

4 結(jié)語

針對目前油田中、晚期階段的特點(diǎn)，提出了改進(jìn)后的鉆井液泵冷卻循環(huán)系統(tǒng)的工作模式，并進(jìn)行了前后工作效率分析、冷卻效果計(jì)算機(jī)模擬對比、現(xiàn)場應(yīng)用，證明了改進(jìn)后的鉆井液循環(huán)比改進(jìn)前的鉆井液循環(huán)更好，提高了鉆井液泵的冷卻循環(huán)，延長了缸套和活塞的使用壽命，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；可減少油缸套筒、活塞的更換，為3 個(gè)鉆井機(jī)的噴射泵節(jié)省了現(xiàn)場建設(shè)成本。