Типы насосов и их классификация
Требования к промывочным насосам определяются геолого-техническими условиями их эксплуатации: физико-механическими свойствами буримых пород, глубиной, диаметром и назначением скважины, типом породоразрушающего инструмента и т. д.
Величины подачи промывочной жидкости Q и напора Н бурового насоса обусловливаются рядом факторов и в процессе углубления скважины могут меняться в широких пределах. Следовательно, буровой насос должен обеспечивать возможность простого и быстрого регулирования подачи и напора в зависимости от параметров технологического режима бурения. При этом одним из основных требований является обеспечение независимости подачи от давления (наличие жесткой на-порно-расходной характеристики Q-H).
Необходимость постоянной и равномерной очистки забоя, выноса и поддержания шлама во взвешенном состоянии приводит к требованию минимальной пульсации потока, так как неравномерность потока может привести к нарушению нормального процесса бурения и ухудшению состояния стенок скважины. Помимо этого пульсирующий поток промывочной жидкости вызывает гидравлические удары, что сокращает срок службы элементов насоса и напорной магистрали, а также является одной из причин вибрации бурильной колонны.
Особые требования предъявляются к всасывающей способности буровых насосов. При определении необходимой вакуумметрической высоты всасывания следует учитывать возможное расположение насоса на площадке передвижной или самоходной буровой установки, высота которой достигает 1,5 м и уровень промывочной жидкости в отстойнике в пределах 0,5 - 1,5 м ниже поверхности земли. Таким образом, минимальная высота всасывания с учетом сопротивления во всасывающей линии может составить 4,5 - 5 м вод. ст. при условии обеспечения устойчивой работы насоса на утяжеленных растворах повышенной вязкости.
Характерная особенность работы промывочных насосов при бурении скважин определяется разнообразными свойствами перекачиваемой жидкости, содержащей твердые частицы разбуриваемой породы и металла, что предъявляет повышенные требования к износостойкости узлов и деталей гидравлической части насоса. Поскольку избежать абразивного износа элементов промывочных насосов невозможно, так как он возникает не только в местах трения сопряженных деталей, но и в местах движения потока жидкости, содержащей абразивные частицы, необходимо обеспечить возможность оперативной замены быстроизнашивающихся деталей.
Необходимо также учитывать, что бурение геологоразведочных скважин часто осуществляется в труднодоступных районах, где транспортировка оборудования затруднена, что выдвигает требование минимальных габаритов и массы насоса и отдельных его узлов.
Таким образом, требования к промывочным насосам возможно разделить на две группы. К первой относятся требования, определяющие эффективность непосредственно процесса бурения: обеспечение стабильной подачи необходимого количества жидкости, постоянство подачи, минимальная пульсация потока, достаточная всасывающая способность. Ко второй - удобства эксплуатации насосов, затраты времени и средств на их ремонт, обслуживание и транспортировку.
Анализ требований, предъявляемых к насосам для подачи промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин, показывает, что ни один из существующих типов полностью не удовлетворяет всему комплексу перечисленных выше требований.
Основному требованию - независимости производительности от давления - удовлетворяют насосы объемного типа: поршневые (плунжерные), шестеренчатые и винтовые.
Буровые насосы должны обладать повышенной износоустойчивостью при перекачивании жидкостей, содержащих абразивные примеси. Полностью исключить абразивный износ при применении указанных типов насосов не представляется возможным, но компенсировать возникающие в результате износа зазоры практически проще в насосах с возвратно-поступательным движением рабочего органа (поршня, плунжера).
Насосы такого типа в отличие от центробежных обладают способностью к самовсасыванию и дают возможность создания любого напора, величина которого определяется параметрами насосной установки, мощностью двигателя и прочностью агрегата.
Центробежный насос может применяться при бурении только мелких скважин, когда нет необходимости в высоких давлениях промывочной жидкости.
Прямая зависимость подачи поршневого насоса от числа оборотов коленчатого вала позволяет в широких пределах регулировать его производительность.
Поршневые насосы могут быть использованы для перекачивания жидкостей с различными физическими свойствами (даже с высокой вязкостью и большим содержанием твердой взвеси), чего нельзя достигнуть при применении шестеренчатых насосов.
Применение в насосе трехпоршневой (трехплунжерной) системы обеспечивает допустимую при бурении скважин степень пульсации потока закачиваемой промывочной жидкости.
Таким образом, поршневые (плунжерные) насосы максимально отвечают основным требованиям бурового процесса и поэтому получили широкое распространение при бурении геологоразведочных скважин.
В табл.43 приведена укрупненная классификация насосов, применяемых на буровых работах при поисках и разведке твердых полезных ископаемых.
Таблица 43. Классификация буровых геологоразведочных насосов
|
Тип вытеснителя |
Поршневой |
Плунжерный | |
|
Исполнение |
Горизонтальное | ||
|
- |
Вертикальное | ||
|
Кратность действия |
Одинарного | ||
|
Схема гидроблоков |
Прямоточная | ||
|
Способ приведения в действие |
Прямодействующие |
- | |
|
Приводные | |||
|
Способ регулирования |
Нерегулируемые | ||
|
Ступенчатое |
Сменой втулок цилиндра | ||
|
Бесступенчатое |
Изменением длины хода | ||
|
Тип привода |
Электрический | ||
В настоящее время как в России, так и за рубежом осуществлён переход на быстроходные плунжерные и, в частности, трехплунжерные насосы простого действия. Это связано с повсеместным распространением алмазного бурения и, соответственно, сооружения скважин малого диаметра. В этих условиях при сравнительно небольших подачах промывочной жидкости требуется высокое давление.
Кроме того, за последние годы значительно повысились требования к безопасности и надёжности буровых насосов.
В этой связи, сравнивая показатели работы поршневых двухцилиндровых насосов двойного действия и трехплунжерных простого действия, можно отметить, что последние имеют целый ряд преимуществ, в частности, в поршневом насосе одно из уплотнений (уплотнение поршня) всегда расположено в глубине гидравлического блока (гидроблока). Поэтому его состояние и работоспособность не поддаются прямому контролю, и об их работоспособности можно судить только косвенно - по величине подачи и развиваемому ими давлению. Для осмотра или замены уплотнений приходится производить трудоёмкую операцию разборки и сборки гидроблока.
Вероятность снижения подачи при износе уплотнений даже в самой начальной его стадии усугубляется при высоких давлениях, возникающих при бурении глубоких скважин малого диаметра алмазными коронками, когда количество жидкости, поступающей в скважину, может доходить до 15-30 л/мин. При этом снижение подачи вызывает ускоренный износ породоразрушающего инструмента (повышенный расход алмазов), а иногда приводит к серьёзным авариям (прижогу коронок).
Плунжерный насос имеет вдвое меньшее количество уплотнений, приходящихся на один вытеснитель, причём по мере износа возможна их регулировка. Диаметр плунжера принимается обычно меньше, чем у поршня, поэтому соответственно меньше нагрузка на коленчатый вал, что также благоприятно сказывается на снижении массовых характеристик насоса. Степень неравномерности подачи у насосов типа "дуплекс" составляет 42%, что делает его работу на буровой невозможной без применения громоздкого, имеющего значительную массу напорного воздушного колпака. Трехплунжерные насосы имеют неравномерность до 24% и поэтому в подавляющем большинстве случаев эксплуатируются без воздушного колпака.
Трехплунжерный насос имеет шесть клапанов, а поршневой "дуплекс" восемь и, следовательно, при прочих равных условиях, плунжерный насос более надежен в работе.
Очень важным является то, что плунжерные насосы, созданные в последние годы, более быстроходны (до 400-500 ходов/мин), что позволяет уменьшить массу насоса и габаритные размеры при тех же величинах подачи и давления.
В поршневых насосах повышение быстроходности приводит к ускорению износа неконтролируемых уплотнений и нарушению стабильности подачи. Именно поэтому в существующих насосах "дуплексах" число ходов в минуту не превышает, как правило, 100-120.
Для насосов одинарного действия легко осуществляется так называемая прямоточная рабочая камера, когда всасывающие и нагнетательные клапаны расположены непосредственно на одной вертикальной оси и поток жидкости практически имеет прямой ход в нагнетательный клапан. Прямоточное расположение позволяет снизить до минимума объем вредного пространства, обеспечить эффективную канализацию воздуха, попадающего в рабочую камеру или выделяющегося в ней, и, следовательно, повысить объемный коэффициент насоса и его экономичность.
Разнообразие техники и технологии бурения скважин, широкое внедрение алмазного бурения при высоких частотах вращения снаряда, множество конструкций скважин и геологических разрезов, применение комбинированного оборудования и инструмента, когда в процессе сооружения одной скважины применяются шарошечные долота, твердосплавные и алмазные коронки - все это предъявляет требования к насосам в части обеспечения широких диапазонов изменения подачи промывочной жидкости. В связи с этим в отечественной и зарубежной практике в последнее время появились насосы с оперативным регулированием подачи.
Известно несколько способов регулирования подачи:
- путём изменения числа ходов вытеснителя при помощи коробки передач. Последняя может быть встроена в механическую часть насоса (НБ-80/6,3 и др.) или вынесена в виде отдельного узла;
- путём изменения хода поршня или плунжера;
- путём комбинированного применения коробки передач и смены поршня или плунжера (насосы НБ-160/6,3);
- путём изменения длины хода и числа ходов поршня или плунжера.
Регулирование подачи насоса с помощью коробки передач имеет определенные преимущества перед другими способами за счет простоты, надежности, оперативности, а также возможности широкого диапазона изменения скорости, а, следовательно, и подачи насоса. Кроме того, применение коробки передач позволяет унифицировать оборудование.
Регулирование подачи путём изменения длины хода вытеснителя может
осуществляться с помощью кулисного механизма или перемещением кривошипного
пальца в эксцентрике. Такая система технологически целесообразна, так как
позволяет бесступенчато изменять количество жидкости, подаваемой на забой.
Однако при этом способе регулирования подачи существенно увеличивается объем
"вредного пространства", что отрицательно влияет на всасывающую способность
насоса. Этот способ не получил широкого распространения также и из-за сложности
механизмов регулирования. Опыт эксплуатации ряда отечественных и зарубежных
плунжерных насосов, подача которых регулируется изменением числа ходов с помощью
коробки передач, показал, что они наиболее удобны и оперативны в работе, а также
обладают высокой надёжностью.
