1、1摘 要钻探用泵是钻探设备的重要组成部分之一。钻探用泵主要是洗孔用泵，在我国地矿部的部颁标准定为泥浆泵，泵的形式定为往复式泵。在钻探施工中，泥浆泵担负着向孔内输送清洗液，并能使其在孔内循环的作用。在某些特种工序中还用泥浆泵向孔内灌注水泥浆等物质。泥浆泵是石油矿场钻井作业中的关键设备之一，它的性能、结构、可靠性、适应性、经济性以及使用寿命，直接影响着钻井质量的好坏。泥浆泵是往复泵的一种。本人所设计的泥浆泵是卧式三缸单作用往复式活塞泵，它是通过活塞部件的往复运动，引起密闭的工作腔室容积变化，从而形成腔室内外压力差变化，以吸入和排出液流实现能量转换的。该卧式三缸单作用泵在生产实践中得到了广泛的应用。
2、关键词： 泥浆泵 ，往复泵，钻井 2ABSTRACTThe drilling pump is one important part of drilling equipment. The drilling pumps are mainly used to wash hole, in our country geology and mining depart- ment proclaimed the standard decides as the mud pump, the form of the pumps designed as the reciprocating pump. In the d
3、rilling construction, the mud pump is used to transport the cleaning liquid to the hole, and make it at the hole continual recycling. Also using the mud pump in certain special working procedures to pour matter and cement mortar to the hole. A mud pump is one of the critical equipments for petroleum
4、 drilling operations, the performance, structure, reliability, suitability, cost and service life of a mud pump will directly affect the drilling operations. The mud pump is a kind of the reciprocating pump. The pump designed myself is three plunger reciprocating pump, it is through the piston part
5、reciprocal motion, causes the airtight work cavity room volume change, thus forms the pressure of the cavity room in side and outside different, and discharges the energy by the inspiration. The successful development of the pump produces a good profit for our factory, and plays an important active
6、role in oil field development and full use of the resources.Keyword：mud pump , reciprocating pump, drilling.3第一章 绪论1.1 往复泵的应用与发展往复泵是最早出现的泵类机械，曾在工业界广泛使用。19世纪末和20世纪初，德国的魏斯特法尔(M.WestPha1)和贝尔格(H. Berg)等人曾对往复泵技术基础理论的研究做出了杰出的贡献。贝尔格的活塞泵一书是当时关于往复泵原理和设计的权威性著作。这本著作中有关泵阀运动的分析和公式，吸入、排出过程中液缸内压力变化的规律，吸入管中的惯性水头值计算
7、等至今仍被引用。但在20世纪中，后起的离心泵、转子泵等在许多应用领域取代了往复泵。 其主要原因就是它们的结构简单，通用性强。受此影响，往复泵的技术基础理论和没计、制造技术的研究发展工作长期停滞不前，特别是在基础理论方面，往复泵无论是与内燃机、活塞式压缩机等往复式机械相比，还是与离心系等动力式泵相比，其差距都是相当大的。但是，往复泵所具有的一些性能上的特点和优点是其它类型泵无法比拟的。因而它的应用也不可被取代。除了上面提到的在泵压变化的条件下可实现排量恒定外，还有能在严苛条件下泵送特种介质(腐蚀性、磨砺性、高粘度、离密度、高温等)，效率高，排出压力高等特点。这些特点决定了往复泵将在下列领域保留它
8、的应用：(1)在化工厂中用于泵送特种介质；(2)用于矿业生产中输送煤浆、金属矿浆等，包括远距离输送作业；(3)用于石油、天然气矿场的钻井、固井、压裂、注水等作业；(4)石化、药品、食品等生产流程中的配料计量泵；(5)为水压机等锻压机提供动力的高压液压泵。在以上几种应用场合中，不但所要求的排量、压力、功率和驱动、传动型式相差甚远，而且为适应各种不同的特种介质和性能要求，泵的液力端结构设计差别很大。从这个意义上来说，往复泵在今日已不再是一种“通用机4械”了。一方面各应用领域内生产产品、工艺规模的发展变化，使各类往复系统更好地适应和满足生产部门的需要；另一方面各类往复泵之间仍需要相互借鉴和启发。在本
9、世纪后半叶，由于应用往复泵的资源开发、石油化工及其它化工、重型机器制造等工业部门的发展需要，往复泵的基础理论与研究和新产品开发工作又受到一定程度的重视。主要研究成果大多以该应用领域用泵，如计量泵、钻井泥浆泵、化工用泵等专著的形式出现。针对往复杂、制造成本高的特点，要努力提高各类往复泵的标准化和通用化水平。模块化设计是一个方向，即以最少数量的液力端和传动端的模块组合成适应范围极广的变型泵结构夏产品。还可以用同一尺寸的液力端改变材料后适应不问的介质和压力，相同的传动端并联成不同缸数的泵，等等。在提高标液化和通用化程度的基础上：普及CADCAM技术的应用，加强可靠性的研究。提高曲轴、缸体、泵壳等复杂
10、形状零部件的设计、工艺水平，提高轴承、密封件等基础元件的质量，提高装配工艺水平。还应指出，往复泵多用来泵送特种介质，这是它的优势所在，但由此产生的问题是液力端零件，特别是易损件的寿命较低，因此，重视液力端水力过程机制的研究及其零件失效原因的研究，提高零件的使用寿命，减少停机修理时间，合理安装与维护也是进一步发挥往复泵特长的重要课题。1.2 泥浆泵的发展情况到目前为止，使用泥浆泵钻井己有一百多年的历史。早期的泥浆泵的功能仅在于循环泥浆、冷却井底、携带岩屑和在井壁形成泥饼。在四十年代末，采用了喷射式钻井，以及后来的井下动力钻具钻井，利用高压泥浆的冲蚀力辅助破碎岩石可以加快钻井速度，利用泥浆的动力驱
11、动井下涡轮钻具也可以旋转钻井，从而扩大了泥浆泵的功能和使用范围。5泥浆泵早期的典型结构是双缸双作用泵，这种泵使用时比较可靠，但是体积和重量都较大，效率低，压力波动大。随着钻井井深的增加和套管层次的增多，对钻井泵的排量和泵压提出了愈来愈高的要求。这也导致了泵功率的急剧加大，泵的重量和外形尺寸也随之增加。为减轻泵重，当时在双缸泵的设计上较大的改进是以钢代铁和减小泵宽。以钢带铁是用钢板焊接的泵壳代换铸铁泵壳，并将一些零件改用优质合金钢制造;减小泵宽是应用大直径的滚动轴承作连杆大端支撑，摒弃悬臂曲拐轴设计。这样，两缸中心距明显缩小。这些都是50年代双缸泵的主要改进之处。当然，除此之外在细节结构上也有不
12、少改进。尽管在50-60年代喷射钻井工艺本身提出了 Pa的泵压5210要求，但双缸泵的实际持续工作泵压只能达到 Pa左右。限制泵压提510高的主要因素是活塞橡胶皮碗的寿命。双缸双作用泵的活塞是“捂”在缸体里的，冷却散热条件极差。尽管冲次不高，但在高压下由于活塞皮碗与缸套的摩擦，仍将产生100上下的温度:再加上与缸套间的各种磨损作用，皮碗很快老化破裂，不能保证钻井作业的正常进行和使用的合理寿命。但这种单向活塞和敞口缸套的结构给吸入带来了特殊的问题，即三缸泵的吸入过程中，只要缸内压力低于当地大气压，空气就可能从活塞背后侵入液缸而破坏正常吸入。所以，在原则上三缸泵应配置灌注泵，这也是国外通常的做法。
13、三缸单作用泥浆泵的优点在于体积小、重量轻、效率高、压力波动小，特别适用于钻井。三缸单作用泥浆泵经过三十多年的不断改进和完善，在性能上、结构上、可靠性、适应性与经济性等方面，已经走向成熟，使用效果也很显著。在我国，第一台泵是五十年代诞生的，为双缸泵。在七十年代，由于钻井工艺的试验和推广，引进国外三缸泵及技术。从此开始了三缸泵的研制工作，它在短短的数年中取代了双缸泵，成为提高喷射钻井水平的关键设备。1.3 泥浆泵的作用和特点：6在使用旋转钻井法钻石油、天然气井的作业中，钻井往复泵用于泵送钻井液泥浆，使其循环流动进行冲井。所以钻井泵通常被称为泥浆泵。按其工作重要性，又被比拟为“钻机的心脏”。泥浆循环
14、是旋转钻井过程中的关键作业，主要有以下作用:1、清除井底的岩屑并将其经由环形空间携至地面；2、在井壁上造泥饼，防止井壁坍塌；3、平衡或控制已钻开的井段中的油、气、水层压力，防止井喷；4、处理井下复杂情况。如遇裂缝地层时泵入堵漏材料，遇卡钻时泵入原油、柴油解卡等。5、冷却钻头，润滑旋转的钻柱。与目前在工业生产中实际应用较广泛的其他往复泵相比，地质钻探用泥浆泵的作业条件有所不同，主要有以下几个方面:1、排量和功率大。在机动往复泵中，常用的化工用泵、计量泵、高压液压泵等的排量为2-20L/s，功率至多550kw。钻井中为保证泥浆在环形空间中有足够的上返速度和钻头上有足够的压力降，一般要求钻井泵单泵有
15、30-50L/s的排量;而功率最大的钻井泵已达1481kw。2、 钻井泵持续工作于野外，并经常移运。安装时不可能配有讲究的基础。所谓“泵房”最多不过是一架简易的顶棚。环境条件与维护保养非常差。这种条件不但无法与固定厂房里的泵相比，甚至也不能和固井压裂泵相比:固井压裂泵虽然也在井场工作，但可以较稳固地安装在重型汽车上，在野外工作数小时后即可驶回基地检修。3、 钻井泵输送的介质是泥浆，其中含有碱、酸、硫化氢等腐蚀成分和细小的岩屑及大量未知的杂质。因此，钻井泵液力端的零件在工作时经受介质7的腐蚀，磨砺和冲蚀。在上述的基本工作条件工作又为钻井泥浆泵的设计带来以下的特点:1、冲次低。中、大功率双缸钻井泥
16、浆泵的冲次为60-65/min，三缸泵的使用冲次为90-120/min。在机动往复泵中是最低的。冲次难以提高的首要原因在于钻井泵的功率和排量很大，且安装条件又差，故对对冲次提高而引起的冲击、振动较为敏感:此外，易损件的寿命和吸入条件也是限制冲次提高的重要因素。2、钻井泥浆泵不仅排量大，而且泥浆有一定的粘度。有时还需在泥浆中混入纤维状或片、粒状的堵井漏材料。因此，钻井泵除要求吸入、排出管线有较大的流道面积外，还要求有相当大的阀座孔流道面积和阀升程。钻井泵的阀座孔流道直径为100mm左右，阀升程为20mm左右，这比其它种类的往复泵要大的多。这一特点首先决定了钻井泵的泵阀开启、关闭滞后角较大，一般在
17、10度-20度，这对容积效率和吸入管中的惯性水头值有很大的影响。其次，阀盘直径大，其上受的总液压力也大。其结果，一是恶化了面积有限的阀体-阀座接触面的受载;二是阀体为具有足够的强度必须做得较厚实，增大了它的质量和惯性，这也是不利于提高泵速的因素之一。3、外形尺寸大。泵的排量决定于冲次、活塞直径和冲程长度，钻井泵的排量大而冲次低，因而必须加大活塞和加长冲程。按它的外形尺寸和重量，钻井泵为往复泵中的巨型泵。4、钻井泵是在环境条件很差的野外作业，它的某些结构设计也反映了这一特点。主要一点是在传动端全部采用滚动轴承而避免采用由液体润滑的高比压滑动轴承。在曲轴连杆部件中，由于不采用滑动轴承，曲轴只能在两
18、端简支，三个曲轴之间没有支点。这一方面减弱了曲轴的强度和刚度，另一方面又将泵内减速齿轮置于曲柄之间而不是靠近轴承。而在一般减速箱的设计中，要求齿轮尽可能靠近轴承，以保证较好的啮合。85、由于钻井泵输送的介质具有腐蚀性和较强的磨砺性,再加上矿场维护保养条件很差,钻井泵液力端的易损件寿命比之其它行业应用的往复泵都要低。1.4 钻探工作对钻井泵性能的要求钻探工作队钻井泵的要求主要有以下几点：1.钻井泵的排量要能简便、迅速地在较大范围进行调节，最好能实现无级调节;2.钻井泵的排出压力也要能在较大范围进行调节;3.当根据钻进工艺规程将泵量调定以后，它不能随泵的排出压力的变化而发生变化;4.工作可靠、易损
19、件寿命长、便于维修保养;5.要能适应不利条件下的工作;6.运移性要好.1.5 修井作业简介在油井自喷或抽油过程中，常会发生一些油井或设备故障，造成油井减产，甚至停产。为了恢复油井的正常生产，必须采取相应的措施，排除故障，有时，由于井况发生变化，需要对井下设备进行更换，以调整油井参数。这种排除故障或调整油井参数，恢复油井正常生产等作业，称作修井。所用的一切设备或工具，称为修井设备或工具。破坏油井正常生产的井下故障很多，一般由两方面原因所引起:一是油井本身故障，如井下砂堵，井内严重结蜡、结盐，油层堵死，渗透率降低，油管断裂、脱扣和渗漏，套管挤扁、断裂和渗漏等;二是采油设备本身的故障，如抽油泵游动阀
20、磨损或卡死，抽油杆弯曲、断裂或脱扣等。所有这些故障均可导致油井减产或停产，必须进行修井作业。9修井作业的内容主要有以下几个方面:1、更换抽油杆、油管和深井泵。2、清除沙堵(捞砂或冲砂)和防砂(造人工井壁等)。3、清除蜡堵或蜡卡。 4、封堵外来水(上层水或下层水)和本层水，一般可采用挤水泥或下附加套管然后注水泥的办法予以隔绝。5、修补套管。6、打捞。 7、回采上部或下部生产层.修井作业方式可以归纳为三大类:1、起下作业。如油管、抽油杆、深井泵等井下设备及工具的起下，以及抽汲、捞砂、机械清蜡的起下等2、液体循环作业。如冲砂、热洗、挤水泥及循环泥浆等。3、旋转作业。如钻水泥塞，钻沙堵，以及扩孔、重钻
21、、加深和修补套管等。完成上述作业的设备，也基本上分为起下设备(如通井机、轻型修井机等)，冲洗设备(如洗并机、水泥车、锅炉车等)，以及配备有起升系统、旋转系统和循环系统的中型、重型修井机等。这些设备大多数都是由一些与钻机相类似的机组组成。不同的是这些设备所需的功率相对较小，机动性较高，一般都固装于汽车、拖拉机或拖车上。1.6 设计的提出及设计说明书的主要工作泥浆泵是石油矿场钻井作业中的关键设备之一，它的性能、结构、可靠性、适应性、经济性以及使用寿命，直接影响着钻井质量的好坏。本课题的目的就是设计出一种能够满足生产实践要求的泥浆泵，并对其主要零部件特别是油田作业时易产生失效的零部件如曲轴、齿轮等进
22、行相应的强度校核。101.7 本章小结本章介绍了泥浆泵的作用和特点、发展情况以及修井作业的工作内容和作业方式。提出了设计题目及设计说明书的主要内容，从而为设计出BW-100型卧式三缸单作用泥浆泵打下了一定的基础。第二章 泥浆泵的运动机理2.1 引言泥浆泵是地质钻探设备的心脏，它是固井、压裂、酸化等作业中的关键设备之一，它在石油化工、煤气化工工程、电站、矿山开采、船舶等行业中也起着重要作用。泥浆泵属于往复泵，往复泵的突出优点是:高泵压，泵压不随流量(排量)变化，泵的效率高、并且不随流量变化，能输送高粘度、高含砂量及含磨砺性固体颗粒的液体.同其它类型泵相比，往复泵的缺点是:流量比较小，瞬时流量和泵压是脉动的，泵的体积大，易损件较多，维修工作量大。尽管往复泵有上述不足，但是，这并不意味着往复泵有全部被其它类型泵所取代的趋势。今后往复泵发展的趋势是:充分发挥往复泵配套性强，适应介质广泛的优势，充分发挥往复泵在流量较小而排出压力很高时整机效率高及运转性能好的优势，充分发挥往复泵的流量与排出压力无关的优势.当然，要使往复泵不断发展，不仅要充分发挥它的优势，而且还要不断地克服它的缺点。BW-100型泥浆泵是三缸单作用泵，对单作用泵来说其工作原理可下图简化说
