
книги из ГПНТБ / Николич А.С. Поршневые буровые насосы
.pdfГ л а в a I I I
К О М П Е Н С А Т О РЫ Н Е Р А В Н О М Е Р Н О С Т И ПОДАЧИ
ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОДАЧИ И ДАВЛЕНИЯ НАГНЕТАНИЯ НА ПРОЦЕСС БУРЕНИЯ
Компенсаторы выполняют следующие четыре основные функции.
1.При установившемся режиме работы насоса компенсатор служит для преобразования неравномерного движения жидкости, вытесненной поршнями из насосных камер в нагнетательный кол лектор, в поток с меньшей степенью неравномерности в нагне тательном тракте буровой установки.
2.Всасывающий компенсатор . или всасывающий воздушный колпак уменьшает неравномерность движения промывочной жид кости во всасывающем трубопроводе, увеличивает всасывающую способность насоса, повышает наполнение цилиндров насоса про мывочным раствором, поднимает величину подачи насоса, стаби лизирует подачу промывочной жидкости в нагнетательную маги страль, уменьшает вибрации всасывающего и нагнетательного трубопроводов.
3.Свойством компенсатора является его способность стабили зировать давление в насосных камерах при всасывающем и нагнетательном ходе поршня, чем достигается более равномерная нагрузка на конструктивные элементы насоса.
4.При переводе насоса с холостого на рабочий ход компен сатор выполняет функцию накопления потенциальной гидравли ческой энергии, необходимой для преодоления статического напряжения сдвига пормывочного раствора, находящегося в на гнетательном тракте буровой установки, страгивания и разгона колонны промывочного раствора внутри бурильных труб и в сква жине от нулевой скорости до скорости установившегося движения
QCP
Fi
162
где |
Qc.p — подача промывочной жидкости; |
—площадь проход |
ного |
сечения. |
|
Транспортирование промывочной жидкости с значительными периодическими изменениями скорости движения связано с неже лательными в процессе бурения явлениями. Появляется вибрация напорного бурового рукава н колонны бурильных труб в сква
жине. |
Циклические |
изменения напряжений |
в деталях |
приводят |
|
к их |
усталостным |
разрушениям. |
Полезная |
мощность, |
которую |
можно |
передать на |
забой при |
переменном |
давлении, |
меньше |
мощности, передаваемой при постоянном давлении, кривая кото рого всеми своими точками ближе подходит к масимальному дав лению, допустимому по прочности труб, чем линия среднего дав ления неустановившегося движения, так как к наибольшему допу стимому давлению приближаются только максимумы кривой переменного давления, а ее минимумы существенно ниже.
При нестабильном потоке промывочной жидкости неравномерно Еращается ротор турбобура и долото на забое скважины. Колеба ния угловой скорости ротора турбобура совпадают по частоте с пульсацией подачи насосов, возникающей от непостоянства ско рости и давления промывочной жидкости в проточной части турбобура и далее в скважине. Колебания давления обычно зату хают в скважине, но могут неблагоприятно отразиться на проч ности ее стенок, вызвать изменения напряжений и усталостные явления в слагающих их породах, растрескивание и обвалы не устойчивых стенок, уход промывочной жидкости з пористые породы с низким пластовым давлением заполняющей их жидкости и дру гие осложнения.
ДИАГРАММЫ МГНОВЕННОЙ ПОДАЧИ ЖИДКОСТИ ИЗ НАСОСНЫХ КАМЕР
Источником неравномерности движения промывочной жидкости, нагнетаемой поршневым буровым насосом, является неравномер ность движения поршня в цилиндре при вращении трансмиссион ного и коренного валов с практически постоянной угловой ско ростью.
Кривошипно-ползунный механизм с бесконечной длиной шатуна
( Хт= |
— = — = 0 ) сообщает поршню движение со скоростью, |
из- |
||||||||
\ |
1 Ш |
со |
у |
|
(рис. 58, а), и ускорением, |
описываемым |
||||
меняющейся |
по синусоиде |
|||||||||
косинусоидой |
(рис. 58,6). |
Кривая |
изменения скорости поршня |
при |
||||||
отношении |
^ . ш = —=0,225 |
(рис. |
58, в) |
несколько |
отличается |
от |
||||
синусоиды. Абсцисса |
максимума |
скорости не совпадает |
с углом |
|||||||
|
|
|
|
|
*,=о |
л, |
|
|
|
|
поворота коренного |
вала Ф<?т а х = |
~ > как у синусоиды, а |
отвечает |
|||||||
несколько меньшему его значению Ф с т а х |
< — , |
соответствую- |
6* 163
щему нулевому значению ускорения (рис. 58, г). Величина макси мальной скорости несколько больше, чем при синусоидальном за коне изменения, т. е.
•^=0.2^0,3 ,1=0
Наибольшее ускорение в начале всасывающего хода поршня в цилиндре одностороннего действия при конечной длине шатуна
больше, чем |
при |
синусоидальном |
законе движения поршня, т. е. |
|||||||||
|
|
№ х ° - 2 + 0 ' 8 ) ^ о > ( « » - о - |
|
(Ю9) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
7 • |
- - |
* |
• |
|
|
i j |
|
|
|
|
|
|
|
' I - F ' i - |
|
\s |
|||
|
|
|
: :. •» •: |
> ; |
|
|
: / |
|||||
|
|
. , |
. . |
. / . |
. |
7l~. |
• |
t |
' |
|
/: |
|
|
|
|
7 |
• |
• ' |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
— |
/ |
—i— |
|||
|
• |
\ - — |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
—i. _ |
|
|
• > |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
rr |
|
|
tp |
|
ж |
|
|
|
|
||
|
|
S |
|
|
|
|
|
z |
A = 0,ZZ5 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Рис. |
58. |
Кривые |
изменения |
скорости |
|
(а) и |
ускорения |
|||||
(б) поршня в цилиндре насоса |
с |
кривошипно-ползун |
||||||||||
ным |
приводным |
механизмом |
для |
Л=0; |
(в), |
(г) |
—для |
|||||
?i=0,225 |
при равномерном |
вращении |
|
коренного |
вала. |
|||||||
В конце хода |
всасывания |
и в |
начале |
хода |
нагнетания |
|||||||
|
|
ктхо -^о -з )ф=я<К7Х г=о- |
|
( 1 1 0 ) |
Величина мгновенной подачи промывочной жидкости из опре деленной насосной камеры представляет собой произведение ско рости поршня на его площадь, т. е.
Q = vnFn. |
( I l l ) |
Поскольку площадь F„ поршня постоянная, мгновенная подача изменяется пропорционально величине скорости поршня и может быть изображена на графике той же кривой, что и скорость (см. рис. 58, а, в), но в соответственно измененном масштабе.
Площадь, заключенная между кривой подачи и осью абсцисс, представляет собой объем жидкости, вытесняемой поршнем или всасываемой в насосную камеру при объемном коэффициенте т]о=1,0.
164
Так, для насоса с одним цилиндром одностороннего действия при Х=0 объем всасываемой и подаваемой жидкости за один двойной ход поршня
30 |
|
30 |
я |
|
я |
|
п |
|
п |
|
|
||
J* Qdt = |
j vFdt = |
j > r |
sin cp |
dt = Fr cos <p = 2Fr. |
(112) |
|
b |
o |
b |
|
|
о |
|
Средняя величина подачи |
|
|
|
|||
|
|
l c p |
2л |
3,14 |
V |
' |
Отношение максимальной подачи к средней |
|
Qlmax Fr = 3,H .
Qicp Fr
Я
Отношение минимальной подачи к средней
_^imiiL = o. |
(114) |
Qicp
Для иасосов с числом цилиндров одностороннего действия больше двух кривую суммарной подачи получают сложением ординат кривых подачи отдельных цилиндров. Кривые мгновенной подачи, относящиеся к отдельным насосным камерам многоци линдрового насоса, смещены по оси абсцисс относительно друг друга на угол фо, соответствующий смещению кривошипов на ко ренном валу
|
|
|
|
|
|
Фог = |
— . |
|
|
|
|
(П5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
|
|
|
|
|
где z — число |
цилиндров. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Кривые суммарной подачи жидкости из цилиндров односто |
|||||||||||||
роннего действия при числе цилиндров насоса |
2 = 2-ь6 для шатуна |
||||||||||||
бесконечной длины (А,ш =0) по |
своему |
виду |
существенно |
отли |
|||||||||
чаются |
от |
аналогичных |
кривых |
для |
шатуна |
конечной |
длины |
||||||
(Яш = 0,225), нанесенных |
на рис. 59 соответственно |
слева и справа. |
|||||||||||
Для |
насоса |
с двумя |
цилиндрами |
одностороннего действия при |
|||||||||
Лш = 0 подача |
жидкости |
за один двойной ход поршня характери |
|||||||||||
зуется следующими |
параметрами: |
|
|
|
|
|
|
||||||
з |
о |
з |
о |
з |
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
я |
|
|
я |
|
|
я |
|
|
dt = 2Fr cos <p =4Fr, |
(116) |
|||
j' |
Qdt = 2 Г vFdt = |
2 ( Fr sin cp |
|||||||||||
|
|
|
|
Q |
|
- . i £ l |
= |
_ £ _ |
t |
|
|
(117) |
|
|
|
|
|
^ * c p |
2n |
|
|
1,57 |
|
|
v |
' |
165
1-5
Рис. 59. Диаграммы подачи для насосов с двумя — шестью цилиндрами одностороннего действия.
X равно: а — О; б — 0.225.
Для насоса с тремя цилиндрами одностороннего действия получаем:
w3 |
= 6Fr, |
|
(120) |
6Fr |
F — = |
— |
(121) |
*2зср — 2л, |
я |
1,05 |
' |
166
|
|
|
|
|
|
Fr |
1,05, |
|
|
(122) |
|
|
|
Фзср |
Frl |
1,05 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Qamin |
Fr sin 60° |
= 0,91. |
|
|
(123) |
||
|
|
|
|
|
Л-/1.05 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Результаты вычислений для 1—7 цилиндров одностороннего |
||||||||||
действия |
при |
Аш = 0 |
и |
Аш = 0,225 помещены в |
табл. |
18. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
18 |
|
Отношение |
максимальной |
и минимальной |
подач |
к средней для насосов с цилиндрами |
||||||
одностороннего действия при |
бесконечной |
( Х ш = |
0) и конечной ( А ш |
= 0,225) |
длине |
|||||
|
|
|
|
|
шатуна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Число цилиндров |
|
|
|
|
Показатель |
1 |
|
2 |
|
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
|
|
|
|||||||
ю |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,02 |
|
|
3,14 |
|
1,57 |
|
1,05 |
1 , П |
1,02 |
1,05 |
|
II |
у 2 |
0 |
|
0 |
|
0,91 |
0,79 |
0,96 |
0,91 |
0,98 |
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
*1 |
3,22 |
|
1,61 |
|
1,10 |
1,12 |
1,03 |
1,06 |
1,02 |
|
|
0 |
|
0 |
|
0,80 |
0,79 |
0,99 |
0,91 |
0,97 |
П р и м е ч а н и е . V , = Q. m a x / Q c p ; V , = Q. m l n / Q ,ср
Средняя величина подачи за оборот
QcP |
= Q i — , |
v |
я |
где Qi — подача из одного |
цилиндра; |
При Qi = 1,0 средняя подача
(124)
число цилиндров.
(125)
Формулы (124) и (125) справедливы как для приводного меха низма с л ш = 0, так и с Яш ¥=0.
Площадь на диаграмме, заключенная менаду линией средней подачи и расположенной выше кривой мгновенной подачи, пред ставляет собой объем избыточной подачи, а площадь, заключенная между линией средней подачи и расположенной ниже кривой мгновенной подачи, представляет собой объем жидкости, недо данной цилиндрами насоса.
Сумма объемов избыточной подачи за один оборот коренного вала равна сумме объемов жидкости, недоданной цилиндрами за тот же период.
В табл. 19, данные которой приведены с точностью, достаточ ной для практических целей, отношение i|j»!max (графы 2 и 3, верхняя строка) максимальной суммарной подачи к максимальной подаче одного цилиндра изменяется в пределах от 1,0 для насо-
167
Т а б л и ц а 19
Предельное отклонение скорости и ускорения суммарного потока для насосов с цилиндрами одностороннего действия при = 0 и Хш — 0,225
Число цилиндров
1
1
2
3
4
5
6
7
,,, |
(^тах)сум |
,.. |
( °тах)сум |
|||
в1 max |
, 0 |
. |
«Шах |
. |
-. |
|
|
V ^тахяцнл |
|
V |
тахмцпл |
||
ч , |
(^miii)cyM |
,.. |
( "тиОсум |
|||
v lmin |
r-Q |
г |
oimui — |
. |
• |
.- |
|
1 ^тахяцпл |
|
1 |
тахлцил |
||
|
|
? . щ = 0,225 |
Xш = 0 |
|
?.ш |
= 0,225 |
о |
|
3 |
4 |
|
|
5 |
1,0 |
|
1,03 |
1,0 |
|
|
1,235 |
0 |
|
0 |
1,0 |
|
0,765 |
|
1,0 |
|
1,03 |
1,0 |
|
|
1,235 |
0 |
|
0 |
1,0 |
|
0,765 |
|
1,0 |
|
1,05 |
0,5 |
|
|
0,62 |
0,87 |
|
0,76 |
0,5 |
|
|
0,62 |
1,41 |
|
1,42 |
1,0 |
|
|
1,0 |
1,0 |
|
1,0 |
1,0 |
|
|
1,0 |
1,62 |
1 |
1,63 |
0,5 |
|
|
0,62 |
1,53 |
j |
1,49 |
0,5 |
|
|
0,62 |
2,0 |
|
2,02 |
1,0 |
|
|
1,0 |
1,74 |
|
1,74 |
1,0 |
|
|
1,0 |
2,27 |
|
2,27 |
0,5 |
|
|
0,62 |
2,18 |
|
2,16 |
0,5 |
|
|
0,62 |
сов с 1—3 |
цилиндрами до |
2,27 для семицплнндровых насосов, |
а отношение |
яришии (графы |
2 и 3, нижняя строка) минимальной |
суммарной подачи к максимальной подаче одного цилиндра из
меняется от 0 для насосов с 1—2 цилиндрами |
до 2,18 для семи- |
|||||
цмлиидровых насосов. |
|
|
|
|
|
|
Кривые ускорений потока жидкости из одного цилиндра и |
||||||
суммарного |
потока из всех |
цилиндров одностороннего действия |
||||
в общий нагнетательный коллектор насоса |
при числе его цилинд |
|||||
ров г = 2 — 6 |
нанесены на графике (рис. 60). |
|
|
|
||
Показатели, помещенные в табл. 19 |
(графы 4 и |
5), свиде |
||||
тельствуют |
о том, что в |
насосах с четным |
числом |
цилиндров |
||
(при 2 ^ 2 ) |
максимальное |
и |
минимальное |
ускорение |
суммарного |
потока жидкости остается равным ускорению потока для одного цилиндра, т. е. увеличение числа цилиндров не изменяет величину ускорения.
168
При нечетном числе цилиндров (при ускорение суммар ного потока вдвое меньше, чем для одного цилиндра, и с увели чением числа цилиндров не уменьшается.
а б Рис. 60. Диаграммы ускорении суммарного пото
ка жидкости для насосов с двумя-шестыо ци линдрами одностороннего действия.
X равно: а — 0; б — 0,225.
Поршневые буровые насосы с цилиндрами двустороннего дей ствия известны одно-, двух- и трехцилиндрозые. Из них одноци линдровые выпускаются только прямодействующие гидропривод-
169
ные, величина подачи |
которых определяется подачей |
силового |
насоса и не изменяется на протяжении хода поршня, |
так как |
|
силовые насосы применяются с равномерной подачей. |
|
|
Приводные насосы |
с одним цилиндром двустороннего |
действия |
в бурении не применяются из-за чрезмерной пульсации их подачи (Qmax/Qcp= 1,61; Qmin/Qcp = 0), дважды за 1 оборот коренного вала обращающейся в нуль й достигающей максимума.
Рис. 61. Диаграммы мгновенной подачи жидкости для насоса с двумя цилинд рами двустороннего действия при различных отношениях.
e=dm/Dn: / — 0,325 : 2 — 0,342 ; 3 — 0,361; 4 — 0,383; 5 — 0,406 ; 6 — 0,433: 7 — 0.465; 3 — 0.5; 9 — 0,542; /0 — 0.591.
Максимальное ускорение суммарного потока всасываемой и нагнетаемой жидкости трехцилиндрового насоса вдвое меньше, чем четырех- и одноцилиндрового.
Приводимые ниже данные позволяют рассчитать газовый компенсатор для насоса любого типа. Однако подробно рассмат ривается насос с двумя цилиндрами двустороннего действия. На рис. 61 изображены диграммы мгновенной подачи жидкости из нагнетательных камер насоса с двумя цилиндрами двустороннего
действия со сменными цилиндровыми втулками десяти |
размеров |
|
при постоянном диаметре штока |
( £ ) т а х = 200 мм, £ > m i n =110 мм, |
|
d — 65 мм). |
|
|
Пунктиром показаны отдельные |
диаграммы подачи |
жидкости |
из четырех насосных камер при минимальном диаметре |
цилиндро- |
170
вой втулки. Сложение ординат дает диаграмму 10 суммарной подачи жидкости из четырех насосных камер при минимальном
диаметре |
цилиндровой |
втулки. |
|
|
|
|
|
|||
Каждой диаграмме |
мгновенной подачи |
соответствует |
линия |
|||||||
средней подачи от Q i c p |
до Qiocp- |
минимальной |
мгновенной |
подач |
||||||
Отношение |
максимальной |
и |
||||||||
к средней находится в следующих |
пределах: |
|
|
|
||||||
tlmax = |
— |
= |
1,0 < |
% m a x |
= |
— |
< Ipiomax |
~ |
l.OlD. |
|
|
Vlcp |
|
|
|
|
|
Vi'cp |
|
VIOcp |
(126) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
% m i „ = |
|
= |
0,73 < |
i|>imln = |
|
|
< ^ 1 0 m l n |
= |
= o,63. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(127) |
Наибольшие отклонения максимальной и минимальной мгновен ной подачи от средней происходит при минимальном диаметре сменной цилиндровой втулки.
Соответствующие теоретические отклонения давления нагнета ния от средней величины при наибольшем диаметре цилиндровой
втулки принимают следующие |
значения: |
|
|
|
|
|
||||||
_ P i r ^ |
= / _ 0 ш а ^ \ 2 = |
1 |
) 3 |
2 = 1 > 6 9 |
|
|
( 1 2 8) |
|||||
Plcp |
|
\ Qicp |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
jPimin.= |
/ |
Qlmin |
у |
= |
0 ( 7 3 |
2 |
= |
0 ; 5 4 |
_ |
|
|
( 1 2 9) |
Plcp |
\ |
Qicp |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Например, при среднем давлении нагнетания |
100 |
кгс/см2 об |
||||||||||
щая величина пульсации |
давления |
достигла |
бы |
при |
отсутствии |
|||||||
компенсатора 69+46=115 кгс/см2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Вместо расчета можно те же соотношения |
(128) |
и (129) |
||||||||||
величин пульсации определить |
|
по |
графику |
(рис. |
62, а) |
при из |
вестной величине среднего давления нагнетания для насосов с двумя цилиндрами двустороннего действия.
При расчете по формулам (128) и (129) не учитывается неуста новившийся характер потока, сжимаемость жидкости, упругость стенок трубы. Для насоса с двумя цилиндрами двустороннего дей ствия действительные отклонения давления, определенные осциллографированием, приблизительно на 20% меньше значений, полу чаемых по изложенной методике расчета.
Соответствующий график для определения соотношения состав ляющих общей пульсации давления для насоса с тремя цилиндрами двустороннего действия помещен на рис. 62,5. Действительные пульсации давления у этого насоса приблизительно на 25% больше вследствие большей частоты колебаний и более существенного поэтому влияния динамики потока.
171