книги из ГПНТБ / Николич А.С. Поршневые буровые насосы

А. с. н и к о л и ч

ПОРШНЕВЫЕ БУРОВЫЕ НАСОСЫ

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н Е Д Р А > М О С К В А 1973

УДК 622.276.53

Николич А. С. Поршневые буровые насосы. М., «Недра», 1973, 224 с.

Кинга содержит основы теории поршневого бурового насоса, применяемого для нагнетания глинистого раствора при бурении нефтяных и газовых скважин; изложены общие вопросы герметологии поршневых насосов для абразивосодержащих сред и некоторые за­ дачи теории надежности буровых насосов и насосных установок; эсвещены возможные пути дальнейшего совершенствования поршне­ вого бурового насоса и методов его использования при бурении; рас­ смотрено влияние условий эксплуатации на интенсивность изнаши­ вания насосов.

Книга рассчитана на инженерно-технических и научных работ­ ников, связанных с производством и занимающихся исследованием и эксплуатацией поршневых насосов. Она может служить пособием для студентов нефтепромысловых и гндромашиностроительных спе­ циальностей вузов.

Таблиц 29, иллюстраций 84.

В В Е Д Е Н И Е

Принцип действия поршневого насоса известен более двух ты­ сяч лет. Поршень, перемещающийся поступательно, вытесняет жид­ кость в нагнетательный трубопровод из цилиндра, вновь заполняе­ мого через всасывающий трубопровод следующей порцией жид­ кости при возвращении поршня в исходное положение.

За время своего существования поршневой насос прошел слож­ ный путь технического совершенствования и нашел широкое при­ менение, в частности во вращательном бурении нефтяных и газо­ вых скважин.

Насосы иного принципа действия — динамические, лопастные, ротационные и другие — оказались непригодными для нового тех­ нологического процесса, потому что рабочие органы их гидравли­ ческой части подвергаются интенсивному изнашиванию, вызван­ ному специфическими свойствами, присущими нагнетаемой в сква­ жину промывочной жидкости — абразивосодержащего вязко-пла­ стического утяжеленного глинистого раствора, включающего нефть, газы и химреагенты.

Для достижения необходимой равномерности движения жид­ кости в подводящем и отводящем трубопроводах насосы применя­

подачи. Вместе с тем увеличение числа цилиндров и насосных ка­ мер усиливает изнашивание, усложняет конструкцию механизма главного движения и блока цилиндров, а чрезмерное увеличение заметно повышает стоимость как изготовления, так и эксплуата­ ции насоса.

3

Г л а в а I

О Б Щ И Е С В Е Д Е Н И Я О ПОРШНЕВЫХ БУРОВЫХ НАСОСАХ

РАЗВИТИЕ НАСОСОСТРОЕНИЯ

Бурный рост нефтяной промышленности в технически развитых странах, особенно в последние десятилетия, сопровождается совер­ шенствованием поршневого бурового насоса.

Приводная мощность наиболее крупных поршневйх буровых насосов возросла с 850 л. с. в 1952 г. до 1750 л. с. в 1972 г., т.е. более чем в 2 раза. Наибольшее давление нагнетания увеличилось соответственно с 180 кгс/см2 до 400 кгс/см2 . В связи с тем, что диа­ метры обычных скважин не увеличились, подача насосов за это время существенно не изменилась.

Технический уровень насосостроения в 1970 г. может быть оха­ рактеризован основными параметрами поршневых буровых насо­ сов с двумя цилиндрами двустороннего действия (табл. 1).

Дальнейшее повышение мощности насосов с двумя цилиндрами двустороннего действия .связанное с чрезмерным увеличением их веса и размеров, заметно тормозится возможностями транспорти­ рования как в пределах площади разрабатываемого месторожде­ ния, так и вне ее.

Ежегодное увеличение наибольшей мощности выпускаемых на­ сосов в среднем на 4% объясняется не только тем, что происходит повышение давления нагнетания, связанное с ростом глубины за­ легания вновь разведываемых и эксплуатируемых месторождений, но н стремлением применять насосы со значительным запасом по давлению и мощности. Кроме того, в составе буровой установки часто используют один основной насос в сочетании с одним резер­ вным, в то время как раньше почти всегда использовали два ос­ новных насоса с одним или двумя резервными. Постояннная одно­ временная работа двух основных насосов половинной мощности требует размещения большего числа насосов на буровой площад­ ке, что усложняет буровую установку и вдвое увеличивает общее

5

Т а б л и ц а 1

Техническая характеристика поршневых буровых насосов для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения нефтяных и газовых скважин

Пр и м е ч а н и е . 1. При к.п.д. 85?i.

2.При обычном коэффициенте 1,0.

число расходуемых сменных деталей при одинаковом их сроке службы, не зависящем от числа насосов, а определяемом давле­ нием нагнетания, которое в обоих случаях одинаково. Применение двух достаточно мощных насосов, с помощью каждого из кото­ рых возможно бурение основной части ствола скважины на опти-

Рис. 1. Схемы нефтебуровых насос­ ных установок.

а — с последовательным соединением на­ сосов: б—с параллельным соединением

насосов малой мощности: в — со 100%-ным резервированием.

мальном режиме, позволяет работать одним из них, а другой дер­ жать в резерве. Работающий насос при использовании нагнета­ тельного манифольда с обратными клапанами может быть заме­ нен немедленно включаемым вместо него отремонтированным ре­ зервным насосом-дублером без перерыва в бурении. Продолжи­ тельность ремонта насосов (существенно меньшая, чем срок служ­ бы сменных деталей) не влияет, как правило, на общий баланс времени бурения, так как изношенные детали на резервном

6

насосе заменяют на буровой площадке при работе на скважину основного полностью исправного насоса. Принимая во внимание прерывный характер технологического процесса бурения с пауза­ ми для замены долота, надежность бурового насоса целесообразно оценивать не по суммарной долговечности его работы с учетом тех­ нологических остановок и ремонтов, а по безотказности в течение заданного времени службы долота на забое скважины, когда от­ каз насоса может вызвать аварию в результате прекращения про­ мывки.

Рассмотрим, например насосную установку, включающую два последовательно соединенных насоса (рис. 1, а). Пусть вероят­ ность отказа каждого из них в течение времени одного долбления или выполнения другой подобной производственной задачи, тре­ бующей непрерывного функционирования насоса, составляет соот­ ветственно р\ и ро. Одним из основных количественных показа­ телей надежности насоса при этом является вероятность его бе­ зотказной работы в течение заданного периода, равная (1—р\) для первого и (1—рг) для второго.

Вероятность отказа обоих насосов равна произведению Р\Р2- Вероятность безотказной работы обоих насосов равна (1—р\) X Х(1—p<i). Вероятность отказа первого насоса и безотказной рабо­ ты второго составляет р\(\—рг), а безотказной работы первого и отказа второго насоса равна (1—Р\)Рч-

что легко проверяется при раскрытии скобок.

Обозначая вероятность безотказной работы обоих насосов при

При последовательном соединении k насосов вероятность их совместной безотказной работы, являющаяся основным количе­ ственным показателем надежности насосной группы буровой уста­ новки, определяется выражением

работающих насосов влечет за собой понижение надежности насос­ ной установки. Например, при Pi = P2=0,2 по формуле (1) полу­ чаем значение рассматриваемого показателя надежности установки

Формула (1) справедлива и для параллельного гидравлическо­ го соединения маломощных насосов, если считать, что отказ одного

7

из них приводит к отказу насосной установки, так как подача жидкости остальными насосами недостаточна для эффективного бурения.

Если при параллельном гидравлическом соединении двух насо­ сов половинной мощности (рис. 1,6) считать отказом аварийную обстановку прекращения промывки в результате остановки обоих насосов, а отказ одного насоса не рассматривать как отказ уста­ новки, то величина принятого показателя ее надежности

РР2 = (1 —Pi) (1 — ft) + Pi (1 —Р2 ) + (1 — Pi) Pa = 1 — PiPt-

При параллельном соединении /е насосов в рассматриваемом случае вероятность безотказной работы или надежность насосной установки

Увеличение числа параллельно работающих насосов в данном случае влечет за собой повышение надежности насосной установки.

=/?з = 0,2 получаем Р р 3 = 0,992.

Если отказом установки считать отказ первого насоса и без­ отказную работу второго, то надежность установки

Рр= l _ P l ( l _ p 2 ) = 1—0,2-0,8 = 0,84.

Достижение высокой надежности представляет собой сложную техническую задачу, разрешаемую методами резервирования, вы­ бора надежных элементов, облегчения режимов, синтеза оптималь­ ных конструктивных схем, прогнозирования и профилактического ремонта, а также другими путями. В частности, методом резерви­ рования замещением отказавших элементов в пренебрежимо малое время можно достичь следующих результатов. Надежность насос­ ной установки, оцениваемая вероятностью безотказной работы в течение заданного времени, определяется при этом по формуле

т

ценно замещающих основные в пренебрежимо малое время. Отка­

Пусть А=1 , / и = 1 , Р = 0,8. Нетрудно вычислить, пользуясь фор­ мулой (3), что вероятность безотказной работы резервированной системы (рис. l.s) равна 0,96, причем эффективный режим буре-

8

ния поддерживается при работе одного насоса. Рассматриваемый показатель надежности схем а, б, в (см. рис. 1) в условиях приме­ ра равен 0,64; 0,84; 0,96 или при Р = 0,9 соответственно составляет 0,81; 0,91; 0,99.

Данные многолетнего наблюдения показывают, что соотноше­ ния расхода отдельных видов изнашиваемых деталей гидравличе­ ской части поршневых буровых насосов, работающих в среде абра­

цилиндрами двустороннего действия, имеющими восемь клапанов, два поршня, два штока поршня и две втулки цилиндра, можно получить показатели расхода поршней на одну деталь соответст­ вующего вида как безразмерные коэффициенты

сохраняющие в рассматриваемом интервале стабильное значение.

9