固井水泥車柱塞泵對增壓系統的設計要求

(長江大學工程技術學院機械系，湖北 荊州434023）

池勝高(江漢石油管理局第四機械廠，湖北 荊州434020）

鉆井過程中，在井眼內下入一層套管，并在套管與井壁的環形空間里灌注水泥漿進行封固稱為固井。灌注水泥漿是通過固井水泥車上的高壓柱塞泵等設備來完成的[1-2]。為了能將高壓和極低流速的液體送至泵的吸入管匯，保證泵液充足供應，并保持足夠高的液體流速使固體懸浮在液體泥漿內，避免有害的氣穴影響，確保柱塞泵無故障運行，必須配備一個好的增壓系統。增壓系統主要由初級吸入管、增壓泵／混合泵、次級吸入管、吸入壓力緩沖器、增壓壓力表組成。設計時應嚴格遵循各項技術規范。

下面，筆者以SGJ600-300型水泥車上SJ600S柱塞泵為例，探討了柱塞泵對增壓系統的設計要求。

1 對初級吸入管的要求

在這些初級吸入管道內流動的液體僅受液體重力或大氣壓的作用，從液罐開始流動。它們一般是軟管或鋼管，接在液罐和增壓泵(灌注泵）或混合泵之間。其流速(柱塞泵最大流量時）不得超過4ft／s（1ft＝0．3048m），以便使液體在自重和大氣壓下作用下能自由流動。其他的要求為：

1）軟管必須能防油、防化學腐蝕，為鋼芯編織。真空／排除軟管標定容量為30inHg／60psi（最小）（1psi＝6894．757Pa）。

2）如果使用鋼管，必須安裝管道導軌使這些管道水平或逐漸升高通向柱塞泵，以防止氣穴現象。為了防止氣穴，應使用偏心式異徑接頭并安裝成 “凸部下置”。所有的焊接接頭必須不漏氣和水。

3）系統的這部分管道應該盡可能的短(10ft或更短），應避免過多的轉彎。

2 對增壓泵／混合泵的要求

一些油井作業需要2個離心泵，一個用來混合泥漿，另一個用來增壓柱塞泵。當使用2個離心泵時，必須符合以下要求：

1）當柱塞泵的吸入口保持30psi（69ft水柱）壓力時，必須能輸送柱塞泵最大流量的流體。

2）選用合適內徑的管道，以克服離心泵排出管和柱塞泵吸入口管道的沿程損失。

3）在大于15%效率的范圍內，必須能以一定的速度輸送所需的液體，保證柱塞泵所需的足夠液體加速度。

4）足夠的動力來輸送一定體積、壓力和比重液體或泥漿。

3 對次級吸入管的要求

將液體從離心泵的排放口運送到系統另一端的管道稱為次級吸入管。這些管道安裝在增壓泵和柱塞泵吸入口之間，或者安裝在混合泵的排出口和混漿池入口之間。柱塞泵工作時，系統這部分液體的流速變化范圍應該在8～12ft／s。其他要求和對初級吸入管的要求相同。

4 對吸入壓力緩沖器的要求

由于柱塞泵為容積式泵，所以當液體停止和啟動時，每個吸入閥的下面會產生液體沖擊。如果不緩沖壓力，因液體沖擊而產生的壓力的變化會減小灌注泵的效率。當所有吸入閥開啟時，吸入壓力緩沖器有助于確保液體的加速度，有助于防止氣穴現象的發生，這樣會使泵的工作更加平穩。使用吸入壓力緩沖器的要求為：

1）吸入壓力緩沖器為氣囊型緩沖器，應該充入氮氣，最小壓力為100psi。

2）吸入壓力緩沖器應該安裝在液體通道的上游，以便液體內的固體不能沉積和堵塞氣囊。

3）為了獲得更高的效率，安裝應該盡可能靠近柱塞泵的吸入口。

4）按照制造商的推薦預先充氣(通常30%～40%預充壓力）。

5 對增壓壓力表的要求

系統中應一直裝有一個增壓壓力表。對它的要求是：

1）應該是一個充液的壓力為0～100psi的壓力表。

2）為了獲得最大的精確，應該將它安裝在離柱塞泵吸入口盡可能近的地方。

6 其他設計要求

6．1 對流速的計算

1）已知流量和管子的內壁橫截面積，計算流速：

2）已知所要求的流速和管子的內壁橫截面積，計算要保證這一流速的最大流量：

6．2 對增壓系統工作參數的要求

1）柱塞泵吸入口推薦的增壓壓力：最小為30psi（69ft水柱），最大為80psi（185ft水柱）。注意：增壓壓力必須大于泵送液體的蒸汽壓力。

2）在系統的 “自流部分”中，最大流速為4ft／s，所需要的4in吸入軟管數量分別為1、2、3、4、5；所需要的鋼管的內徑尺寸分別為4、5、6、8、10in。

3）在系統的 “加壓”部分中，最大流速為12ft／s，所需要的4in吸入軟管數量分別為1、2；所需要的鋼管的內徑尺寸分別為3、4、5in。

[1]秦玉磊，張連凱．軸向斜柱塞泵流量脈動理論建模與仿真研究 [J]．石油和化工設備，2009（4）：1641-1644．

[2]張國友．用于固井和酸化壓裂的TWS600S三缸柱塞泵 [J]．石油機械，2004，32（9）：55-56．