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)化為活塞的往復動力，利用吸入閥和排出閥的配合，不斷進行重復吸入和排出過程，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)安全型標準儀表；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)動機的旋向為標準旋向（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、進氣關斷），并具有顯示儀表和緊急遠程停車報警，而開關采用低油壓、高水溫連接到用戶的報警盤。采用氣啟動馬達，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，且應用廣泛。其基本技術參數(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行了加壓試驗。試驗最初將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速設定在1 180 r／min，此時測量RGF1000型鉆井泵的泵沖為172 min－1，遠超過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載的影響，在空負荷或者負荷較低的時候，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計及管理工作，E-mail：cjp537＠126.com。