蔡金萍，劉永勤，劉紀(jì)超，王 東，葛運(yùn)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(yàn)分析

蔡金萍1，劉永勤2，劉紀(jì)超1，王 東1，葛運(yùn)春1，王志忠1，仲林華3，吳 杰4

（1.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)有限公司，河南 南陽(yáng)，473006；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 油田建設(shè)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(tái)841600；4.川慶鉆探川西鉆探公司 青海項(xiàng)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(dòng)的TJBZ10A型鉆井泵組和經(jīng)由偶合器驅(qū)動(dòng)的JBZ10N型鉆井泵組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)及廠內(nèi)工業(yè)試驗(yàn)情況。通過(guò)對(duì)這2種泵組試驗(yàn)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(yīng)用。

鉆井泵；變矩器；偶合器

鉆井泵組是整個(gè)鉆機(jī)的心臟部分，鉆井泵將鉆井液以一定的壓力和流量輸送進(jìn)鉆具、鉆頭及環(huán)形空間，完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程。不同井深和鉆井工藝對(duì)鉆井泵組的要求差異較大，其所用的鉆井泵是從發(fā)動(dòng)機(jī)傳送的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)動(dòng)力，利用吸入閥和排出閥的配合，不斷進(jìn)行重復(fù)吸入和排出過(guò)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(guò)程中承受的沖擊載荷較大，因此在鉆井泵組的傳動(dòng)系統(tǒng)中配置具有緩沖沖擊載荷的元件，將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和鉆井泵起到較好的保護(hù)作用，有助于延長(zhǎng)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(chē)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(lèi)緩沖部件，其裝配的典型泵組型號(hào)分別為T(mén)JBZ10A和JBZ10N。

1 鉆井泵組類(lèi)型與結(jié)構(gòu)

1.1 TJBZ10A型泵組

TJBZ10A型鉆井泵組是將發(fā)動(dòng)機(jī)、RGF1000型鉆井泵、液力變矩器［2］、封閉式鏈條箱、潤(rùn)滑系統(tǒng)、灌注泵、吸入管匯、安全閥等安裝在1臺(tái)拖車(chē)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(jiǎn)單、方便安裝、占地面積小、傳動(dòng)平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)、操作維護(hù)便利、移運(yùn)方便等特點(diǎn)，并能顯著降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，符合HSE要求。

工作原理為：由CAT3512型發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)液力變矩器、球籠式萬(wàn)向聯(lián)軸器、伊頓離合器、鏈條箱、傳動(dòng)軸為鉆井泵提供動(dòng)力。液力變矩器直接安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)1個(gè)熱交換器將多余的熱量傳給發(fā)動(dòng)機(jī)，多余熱量隨發(fā)動(dòng)機(jī)水箱一起被散熱；鏈條箱內(nèi)的鏈條采用強(qiáng)制潤(rùn)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(shù)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(lèi)似，也以CAT3512型發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，由氣馬達(dá)啟動(dòng)，并配置消聲器裝置和具有高水溫、低油壓、飛車(chē)等特點(diǎn)的安全保護(hù)裝置及緊急停機(jī)裝置，柴油機(jī)配置全套直感式或本質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)儀表；變速箱采用YOFJ760-2.3FDF型偶合器反車(chē)減速箱；發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出后，經(jīng)偶合器反車(chē)減速箱通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)泥漿泵。由于采用偶合器反車(chē)減速箱傳遞動(dòng)力，使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)柔和、平穩(wěn)、緩沖、緩振，降低了柴油機(jī)和傳動(dòng)部件的沖擊，對(duì)柴油機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也有過(guò)載保護(hù)作用，能提高柴油機(jī)和各傳動(dòng)部件的壽命。鉆井泵組主要技術(shù)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(guān)鍵部件性能

2.1 CAT3512型發(fā)動(dòng)機(jī)

CAT3512型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的旋向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)旋向（面向飛輪端為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）。發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)為液壓-機(jī)械停車(chē)保護(hù)（包括低油壓、高水溫、超速、進(jìn)氣關(guān)斷），并具有顯示儀表和緊急遠(yuǎn)程停車(chē)報(bào)警，而開(kāi)關(guān)采用低油壓、高水溫連接到用戶(hù)的報(bào)警盤(pán)。采用氣啟動(dòng)馬達(dá)，右側(cè)安裝，左側(cè)控制。CAT3512型發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)設(shè)計(jì)。從原動(dòng)機(jī)中吸收恒定的動(dòng)力，自動(dòng)持續(xù)地調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來(lái)滿(mǎn)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(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，并吸收發(fā)動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)，為整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)提供減振，這些優(yōu)點(diǎn)都有益于延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(chē)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(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間進(jìn)行動(dòng)力傳遞，它能使原動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)，在輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下，能方便地使工作機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，改變輸出功率的大小，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的［3］。

采用YOTFJ760-2.3FDF型偶合器反車(chē)箱傳遞動(dòng)力可使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)柔和平穩(wěn)，緩沖緩振，降低了柴油機(jī)和傳動(dòng)部件的沖擊；同時(shí)，液力傳動(dòng)對(duì)柴油機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有過(guò)載保護(hù)作用，提高了柴油機(jī)和各傳動(dòng)部件的壽命。液力偶合器反車(chē)箱技術(shù)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(fēng)冷、減速比2.3∶1。

2.4 RGF1000型鉆井泵

由各種泵的工作特點(diǎn)對(duì)比表明，鉆井泵比較適合用于上述工況，且應(yīng)用廣泛。其基本技術(shù)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(dòng)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(yàn)結(jié)果及對(duì)比

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路組裝了TJBZ10A型鉆井泵組，于2010-11在南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)有限公司進(jìn)行了加壓試驗(yàn)。試驗(yàn)最初將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定在1 180 r／min，此時(shí)測(cè)量RGF1000型鉆井泵的泵沖為172 min－1，遠(yuǎn)超過(guò)RGF1000型鉆井泵的額定泵沖140 min－1，這會(huì)加劇鉆井泵的磨損；最終將發(fā)動(dòng)機(jī)的初始速度定為950 r／min，可保證鉆井泵的實(shí)際泵沖不超過(guò)鉆井泵的額定泵沖。結(jié)果如表1。

表1 TJBZ10A型泵組試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1

該鉆井泵中鏈條箱的傳動(dòng)比為1.58∶1，傳動(dòng)效率為97%。鉆井泵的效率取中間值0.8，因?yàn)樵摫媒M配有灌注系統(tǒng)，鉆井泵的排量系數(shù)定為0.99。

2011-05，對(duì)JBZ10N型鉆井泵組進(jìn)行調(diào)速試驗(yàn)和加壓試驗(yàn)，結(jié)果如表2～3。

表2 JBZ10N型鉆井泵組調(diào)速試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

由表3可知，調(diào)速型偶合器反車(chē)箱最高功率效率達(dá)到83%。

2種泵組性能對(duì)比如表4。

表4 TJBZ10A型和JBZ10N型鉆井泵組性能對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

液力變矩器在鉆井泵組中的使用能較好地緩沖傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)沖擊，相應(yīng)延長(zhǎng)鉆井泵組的使用壽命；但TJBZ10A型鉆井泵組的泵沖由于受負(fù)載的影響，在空負(fù)荷或者負(fù)荷較低的時(shí)候，鉆井泵的泵沖將超過(guò)鉆井泵的額定泵沖，這在較大程度上會(huì)縮短活塞缸套的更換周期，增加工人的勞動(dòng)量。如果鉆井工藝有泵沖要求，這種泵組很難滿(mǎn)足要求。

調(diào)速型偶合器反車(chē)箱在鉆井泵組中的應(yīng)用中雖然緩沖沖擊的效果沒(méi)有液力變矩器的好，但能在較大程度上減少傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)沖擊；其泵沖可以在零到設(shè)計(jì)值間任意調(diào)節(jié)，能滿(mǎn)足各種特殊鉆井工藝的要求；反車(chē)箱的功效遠(yuǎn)高于液力變矩器的效率；具有移運(yùn)安全、成本低、運(yùn)輸模塊少、使用壽命長(zhǎng)、維修方便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，調(diào)速型偶合器反車(chē)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(jī)與液力變矩器的參數(shù)匹配計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（5）：54-57.

［3］ 趙國(guó)社.調(diào)速型液力偶合器的應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)及管理工作，E-mail：cjp537＠126.com。