鉆井泥漿泵冷循環系統的優化改進研究

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）

鉆井作業是一項復雜、多工序的系統工程，任何一個環節的失效都將直接影響整個鉆井的進度。如果出現故障，將會造成很大的難度，甚至會導致井下的復雜事故。鉆井液泵采用往復式泵，活塞在油缸套中作往復運動，往復式泵在工業生產中起著舉足輕重的作用。往復式泵的失效導致了幾十億元的經濟損失。為了提高泥漿泵的工作質量，減少鉆井作業的危險性，冷卻循環是關鍵環節。

1 鉆井泥漿泵冷循環系統工作原理及主要問題

1.1 鉆井泥漿泵循環系統的工作原理

泥漿循環系統由泥漿泵、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，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，經地面泥漿管道、軟管和水龍頭將泥漿注射到鉆柱內，再由鉆頭沖到井下，將鉆渣從鉆柱和井壁間的環形空間中帶走。

1.2 鉆井泥漿泵冷循環系統運行中的主要問題

泥漿泵冷卻系統是指在泥漿泵運轉時，對泵的缸套、活塞進行冷卻，以保證泵的正常工作。該冷卻系統能有效地減少工作時的溫度，提高缸套和活塞的使用壽命。尤其是在高溫環境下，冷卻系統不能達到預期的效果，導致缸套和活塞的壽命減少。另外，由于頻繁更換氣缸套、活塞，造成鉆機作業費用大、作業效率低、勞動強度大。

泥漿泵是油田生產不可缺少的機械設備，其工作時活塞的往復運動產生的摩擦力會使其燃燒。因此，泥漿泵的缸套內部要進行降溫。

泥漿泵工作條件復雜、條件苛刻，一般采用簡易的水槽來進行冷卻。但在鉆機運轉的過程中，泥沙、活塞的運動或者拆卸的時候，都會將泥沙和雜質帶到冷卻水槽中，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、活塞會使工作效率下降，甚至會引起生產事故。

2 鉆井泥漿泵冷循環系統優化改造設計

針對我國西北地區降雨量小、溫度較高、缺水較為典型的地域特征，為確保鉆機鉆井液泵冷卻循環系統的工作穩定、提高經濟效益，必須對其進行改造。以下是對其優化改進途徑的分析與論述。

針對泥漿泵冷循環系統，設計了一種鉆井液泵的循環、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。

對鉆井液循環過濾器的優化改造后，該設備由一體化水池組成，該水池設有渾水池、凈水池、沉淀池；第一濾池和一個第二濾池，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；在該渾槽的右邊設置了一個可移動的、可移動的、在該渾槽和該渾槽之間的、凈水池上部設置一封閉罩，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置一可移動的二級濾網，該凈水塘中裝有一臺潛水機；潛水泵的輸油管道通過密封圈與鉆頭或鉆頭連接。

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

該方案經過一次過濾和一次潛水泵自帶的一次濾網過濾，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生卡阻、刺穿，保證鉆井液的連續、平穩、可靠地運行，提高了鉆井液的產量和使用年限；第一次和二次濾芯可分離，便于清潔，可有效地處理邊遠區域的鉆井機工作中更換水源困難；沉降槽采用斜面結構，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過濾裝置，它包含一個整體的水池，該水池具有一個渾水池1、一個凈水池2 和一個沉淀池3；第一濾網4 和位于水箱1 的左側的上部開口的渾池1，以及設置在渾水罐1 下面的沉淀池3；一可移除的第一濾網設置在沉淀池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 的頂部設置有一個蓋子21，并且該蓋子21的高度比該水槽的頂點低；該渾槽1 和該凈槽2 之間設置有一可移除的第2 濾網4，該凈槽中設置有一潛水泵101，該潛水機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行冷卻。

圖1 泥漿泵冷卻水循環過濾系統結構示意圖

圖1中的凈水槽占了整個洗槽的右邊，從圖2 可以看出，凈水槽在水槽的右邊，而整個水槽的底部是一個沉淀池。在沉淀室3 的底部設置一個斜坡，在斜率低的一側的最低點上設置一個排水閥門31，該排水閥門31的斜率是5 度。沉淀池采用斜坡設計，容易徹底清除淤泥，清洗時先將濾網取下，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置有防水、防塵的橡膠套。避免在工作時產生的污物和污物進入凈水槽。

圖2 泥漿泵冷卻水循環過濾系統布置示意圖

改造后的新型泥漿泵的冷循環系統在工作時，采用潛水泵將凈水池中的清水抽入泥漿泵的缸套中進行冷卻，工作中活塞向后退時，污水會被排出；經過一次過濾，經過二次沉淀、三次過濾；通過四次濾網102 一次，保證了泵內冷卻水的純度，避免了鉆井液中的雜質堵塞，保證了鉆井液的連續、穩定、可靠工作。

3 改進前后鉆井泥漿泵冷循環系統對比

3.1 改進前后鉆井泥漿泵冷循環系統冷卻效果模擬分析

為更好地改善鉆井泥漿泵前、后循環的變化，采用計算機進行冷卻效果的數值模擬，TRNSYS 是一種能較好地模擬改進前后的冷卻效果的動態仿真軟件。

目前，理論分析法、系統辨識法、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識別的方法進行了驗證，該方法可以對復雜的物體進行建模，并對其進行了建模，并將其與實測數據進行了擬合。鉆井泥漿泵冷卻循環系統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，對鉆井液泵冷卻循環系統進行了改進，并對其進行了理論分析，并對其參數進行了詳細地記錄，確保了鉆井液泵冷卻循環系統的工作穩定；既能確保較好的經濟效益，又能較方便地進行后期的鉆井液循環冷卻。

為使鉆井液泵冷卻循環系統得到更好地改善，必須把常規的循環冷卻水和經過改良的循環相比較。在進行對比時，可以采用電腦技術來有效地模擬出冷卻效果，并建立一個動態的操作模型，從而分析出經過改造后的鉆井液泵的制冷循環效果。在圖3 中，方形表示了改進以前的鉆井液泵冷卻循環操作方式，而三角形表示隨后的改進；而且，分散的效果越差，密度也就越大。從這一點上可以看出，經過改造的鉆井液泵的冷卻循環系統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，可以在一定程度上減少系統的失效，提高系統的工作效率；達到較好的經濟效果，減少員工的工作強度。

圖3 TRNSYS 軟件模擬結果

圖中方形部分表示改進之前的鉆井液泵冷卻循環，藍色表示改進后的鉆井液泵冷卻循環，按照模擬軟件的一致性，分散程度越低，代表性越差。結果表明，改進后的鉆井液循環系統具有較好的制冷效果。

3.2 鉆井液泵改造前后冷卻循環系統的比較

在鉆井液改造前，鉆機采用噴射水泵對儲罐進行水循環，頻繁的高溫會縮短鉆機的缸套、活塞的使用壽命，提高工人的勞動強度；增加了鉆機的費用，在泥漿泵的平均工作時間達到100h 后，缸套或活塞將會發生故障，換成大循環后的水；泥漿泵的工作時間平均為300h。

4 結語

針對目前油田中、晚期階段的特點，提出了改進后的鉆井液泵冷卻循環系統的工作模式，并進行了前后工作效率分析、冷卻效果計算機模擬對比、現場應用，證明了改進后的鉆井液循環比改進前的鉆井液循環更好，提高了鉆井液泵的冷卻循環，延長了缸套和活塞的使用壽命，減輕了工人的勞動強度；可減少油缸套筒、活塞的更換，為3 個鉆井機的噴射泵節省了現場建設成本。