石油矿场用往复泵发展现状分析及研究方向探讨

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)胜利石油管理局钻井工艺研究院 作者:刘海东

  往复泵作为一种常见的流体机械,是一种高压容积式泵,在石油矿场有着广泛的应用,详细分析了石油矿场主要使用的往复泵的发展历程、发展现状以及技术性能,重点分析了曲柄连杆机构往复泵、液压驱动往复泵两种类型,还主要阐述了一种新型无压力脉动、恒流量凸轮机构往复泵的技术优势。指出未来一段时期往复泵应该侧重于易损件寿命的提高、侧重于自动控制技术的应用、侧重于故障诊断技术的应用,以提高往复泵的可靠性和连续运行效率;就技术性能而言,无压力脉动恒流量往复泵将是未来一段时期重点的发展方向。

  往复泵在石油矿场上应用非常广泛。它常常用在高压下输送高粘度、大密度和高含砂量的液体,而流量相对较小。按用途的不同,石油矿场用往复泵往往被冠以相应名称,例如:在钻井工程中,为了携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力,用于向井底输送和循环钻井液的往复泵,称作钻井泵或泥浆泵;为了固化井壁,向井底注入高压水泥的往复泵,称作固井泵;为了造成油层的人工裂缝,提高原油产量和采收率,用于向井底注入含有大量固体颗粒的液体或酸碱液体的往复泵,称作压裂泵;在采油过程中,用于在井内抽汲原油的往复泵称作抽油泵,等等。

  石油工业的发展对往复泵提出了更高的要求,主要是压力越来越高,功率越来越大,而制造和维修成本要低,体积和重量不能过大。由于石油矿场用往复泵的工作条件都十分恶劣,提高其易损件(主要是泵阀、活塞和缸套等)的工作寿命,就成为往复泵设计、制造和选择使用中迫切需要解决的问题。近年来,国内外在往复泵的理论和试验研究、设计制造和选择使用等方面,做了许多工作,特别是三缸单作用往复泵在石油钻井中的推广使用,为提高钻井速度创造了有利的条件。

1、机械式往复泵的发展现状、技术性能及发展前景

  往复泵是最早出现的泵类机械,曾在工业届广泛应用。19世纪末和20世纪初,德国的魏斯特法尔(M.Westphal)和贝尔格(H.Berg)等人曾对往复泵技术基础理论的研究作出了杰出的贡献。贝尔格《活塞泵》一书是当时关于往复泵原理和设计的权威性著作。该书中有关泵阀运动的分析和公式、吸入与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结构简单,通用性强。受此影响,往复泵的技术基础理论和设计、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,还是与离心泵等动力式泵相比,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。除了上面提到的可实现恒流量外,还能在严苛条件下输送特种介质(腐蚀性、磨砺性、高粘度、高密度、高温)、效率高、排出压力大等特点。这些特点决定了往复泵在许多领域保留它的应用。但在不同的场合所要求的流量、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,泵的结构设计型式差别很大。从这个意义上说,往复泵在今日已不再是通用机械了。因此应注意两方面:一方面要注意各应用内生产产品、工艺规模的发展变化,使各类往复泵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20世纪后半叶,为使往复泵适应资源开发、石油、化工及重型机器制造等工业部门的发展需要,往复泵的基础理论研究和新产品开发又受到一定程度的重视。主要研究成果大多以该领域用泵,如计量泵、钻井泥浆泵、化工用泵等专著形式出现。例如我国自行研制的SL系列中速钻井泵为卧式三缸单作用活塞泵,主要用于高压喷射钻井,增强破岩、携岩效果,提高钻井速度,该系列泵采用较长冲程、较低泵速的优选参数,在钻井液密度小于l.5×103kg/m3、海拔500m以下,吸入管线长度小于3.5m 时可以自然吸入,不配备灌注泵,吸入效率在0.9~0.95之间,为我国发展钻井工艺技术提供了关键的设备,被国家经贸委批准为首批替代国外进口产品,特别是为我国发展高压喷射钻井工艺技术作出了巨大贡献,大大提高了我国快速优化钻井工艺水平。目前国内几乎所有油田都有SL系列中速钻井泵,到20世纪30年代几乎占70%以上。

  从往复泵的传动结构来说,国内外石油矿场用往复泵如钻井泵、注水泵、压裂泵、水泥泵,均为曲柄连杆机构传动的传统泵。由此机构所决定的运动特性,最突出的是两点,即排出端流量与压力不稳定,需要附加排出预压空气包(减震器);吸入端存在流体加速度惯性损耗,在泵速高时需要附加灌注泵。特别是当介质为假塑性流体(如聚合物溶液)粘度较大,而又不希望通过吸入灌注泵和液流加速度所引起多次剪切稀释时,则传统往复泵不能很好地满足现场工艺要求。

  从往复泵的液力端动密封型式来说,有活塞式、柱塞式两种,一般来说,高中压小流量往复泵,以高泵速、柱塞式为主;高中压大流量往复泵,以中等泵速活塞式为主;中低压大流量泵一般以离心泵为主。如石油矿场所需要的低、中等流量、低、中等泵压(10~30MPa)的泵,并要求有良好的吸入性能,体积、重量较小,而且有良好的机动性能和可靠性时,若用曲柄连杆机构传动的传统往复泵,上述要求往往互相矛盾。例如,要求体积小,则泵速高;泵速高则吸入性能差、可靠性低。所以目前出现的恒流量往复泵,可以实现将瞬变流量改变为恒流量,取消排出预压空气包,取消吸入灌注泵,符合石油矿场实际情况。与传统的曲柄连杆机构往复泵相比,其主要特征是采用较高泵速,以减小体积并具有较低的加速度;排出端叠加流量恒定,以实现低脉动;吸入端叠加加速度为零,以实现良好的吸入性能。

  自1901年第一台双缸双作用活塞式往复泵在美国得克萨斯州的斯宾尔托普(SPINDLETOP)投入应用并成功钻出具有商业价值的石油井以来,往复泵在石油工业上应用已经经历了一个多世纪的发展。随着钻井工艺的需求和机械制造业的发展,逐步开发了系列三缸单作用往复泵。它与双缸双作用活塞式往复泵相比,泵压高、重量轻、易损件少、机械效率高,流量不均匀程度大大减小。如今,广泛使用的是以曲柄连杆机构为典型传动方式的三缸或多缸单作用往复泵。此传动方式简单可靠,量大面广。从小型实验室计量泵到超过1000kW的大功率石油钻井泵以及注水、压裂、固井、输液等往复泵,几乎均此传动方式所覆盖,可谓独领风骚、经久不衰,以致给人们留下认识上的惯性,即只要一涉及到往复泵,往往自然而然地把曲柄连杆机构这种传动方式作为不容置疑、非此莫属的前提条件,从往复泵的诞生直到今天,也都采用的这种结构或其变形结构,运动规律都是类似于正弦或余弦运动曲线的简谐运动的变形。

  多年来,人们对这种传统往复泵的理论研究与试验研究系统完整,揭示其运动规律与动力特性、水力特性,对发展生产技术起到了积极重要的作用。人们在对传统往复泵工作机理研究逐步深入并取得了积极成果的同时,也开始认识到传统曲柄连杆机构所决定的运动与动力特性局限了往复泵的应用范畴及其发展。传统的曲柄连杆机构形式传动的往复泵,其柱塞(或活塞)的运动近似于正弦或余弦曲线的规律变化。在此前提下,流量是瞬变的,形成排出系统和吸入系统的压力脉动,柱塞(或活塞)加速度是瞬变的,造成吸入系统惯性也是瞬变的,且泵速越高,加速度越大,惯性损失也越大,且最大值刚好发生在吸入过程的始点,恶化了往复泵的自吸性能,恶化了泵阀、柱塞、柱塞密封圈等运动密封件的工作条件,限制了往复泵的使用范围及发展。过去广大科研人员从理论到实践采取了多种积极的措施来改善往复泵的吸入条件、流量与压力的波动。所以,传统的往复泵往往需配注吸入灌注泵、吸入缓冲器和排出预压空气包。这些配套设备的使用,在一定程度上缓解了这些矛盾,但没有从根本上解决问题。从理论上讲,传统的往复泵是很难自吸的,只是从参数设计及上述配套设备来改善它的运动特性和动力特性所带来的后果。过去甚至现在仍然有许多科研人员在空气包的配置及其理论上、灌注泵的配套设计及理论基础上进行苦苦研究,并且都建立了相应的一套理论,目的都是减轻吸入与排出管内液流加速度所带来的不利影响,他们都没有从产生这一后果的本质方面即动力端入手,所以从根本上没有消除。采用曲柄连杆为传动方式的往复泵,无论从理论还是实践都无法消除液流加速度。输送的介质在吸入与排出管线中总是受到冲击和振动,属于非均匀稳定流动。另外,灌注泵的使用还受许多矿场条件和自然因素等种种条件限制,灌注泵的质量、寿命、性能如何、能否与主泵完全匹配都直接影响着主泵的正常工作,也影响着正常生产。虽然传统往复泵的适用范围广,能在多种工况条件下运行输送多种介质。但在某些特殊场合下,特别是介质为假塑性流体如聚合物溶液等,粘度较大。传统往复泵如不用灌注泵,将无法正常运行,但由于工艺措施要求,聚合物溶液在泵进、出口粘度相差不大(如5000ppm聚合物母液,降解率要求不大于5%),

  在此场合下,这种传统曲柄连杆往复泵难以圆满地承担此任。而恒流量往复泵的诞生,能很好地满足现场工艺要求。

  实现恒流量的一种方式是仍然采用机械传动方式,只是须改变动力端的结构和传动方式。目前,国内只有中石化胜利石油管理局钻井工艺研究院研制成功了以凸轮传动方式代替曲柄连杆机构的恒流量往复泵。该类型泵已经在现场广泛推广应用于三次采油注聚合物溶液和注水。但对于理论研究仍然处于摸索阶段,有些认识仍然存在模糊而不能将有关结论完全确定。所以仍然需要将研究进一步开展,逐步使理论分析和实验研究趋于丰富和完善。

2、液压驱动往复泵的国内外发展概况

  液压驱动往复泵的研制工作在国外开展的比较早。20世纪70年代初,美国哈利伯顿公司就研制出了HT-1000型液压驱动高压压裂泵。HT-1000型液压驱动高压压裂泵的排出压力可达140MPa,冲程长度为1.524m,水功率最大可达1524kW,泵由三套油缸和泵缸组成,其工作特点是考虑了高压下液体可压缩的影响,增加了预压过程。当泵的两个缸分别在吸入和排出过程中时,泵的第三个缸同时做预压过程,即做缓慢的压缩动作,使液缸内的压力提高至排出压力,然后再开始正式的排出过程。如没有预压过程,则泵在由吸入过程突然转变为排出过程时,由于液体可压缩以及零件受载变形等因素的影响,短时间内泵没有液体排出将引起剧烈振动。由于采用液压驱动,而且增加了预压过程,HT-1000型高压压裂泵的排出压力波动很小,当排出压力为105.5MPa时,其压力波动只有2.1~3.8MPa,而一般机动往复泵在同样排出压力下,压力波动可达17.58MPa。HT-1000型高压压裂泵由于采用了长冲程、低冲次的工作方式并用液压驱动代替了机械驱动,可以降低泵零部件的动载荷,也减轻了泵的重量,提高了泵阀、密封件等易损件的寿命和工作可靠性。这种泵可以用于泵送含砂量很高的压裂液,试验时曾用砂径6.2mm、含砂量约1.8~2.4kg/L的压裂液,其工作状态良好,而且,它还可以满足深部地层和超深部地层的水力压裂的需要,在深度为4000~4500m 的油井中取得了较好的效果。

  HT-1000型高压压裂泵的缺点是外型尺寸太大,控制系统复杂:它的长度为7.01m,宽度为1.068m,高1.778m,重量达7.257t。1985年,美国又研制出了一种液压驱动三缸单作用泵,它没有齿轮和曲柄、连杆机构,由一台柴油机或电动机带动一台变量液压泵,用于驱动3个工作缸,工作缸活塞通过活塞杆带动钻井泵液缸工作。这种液压钻泵不仅使用可靠,而且可以灵活组合使用。2台三缸泵可以串联使用以提高泵压,也可以并联使用以提高排量,使用非常方便。

  近些年来,随着国外液压技术的迅猛发展,液压元件的质量和性能都有很大提高,给液压驱动往复泵的发展提供了良好的条件,国外很多石油机械生产厂商相继推出了各种类型和用途的液压驱动往复泵。挪威MH 公司推出了名为Mudmaster的液压钻井泵,它的输入功率为1588kW,以双缸单作用泵作为基本单元,组成四缸或六缸液压钻井泵。这种泵的结构很有特点:活塞的背部直径较大,顶部的小液缸活塞用于吸入行程。每个单元泵包括两个泵缸活塞组,装有常规钻井泵阀。活塞在下行程时,排出钻井液的压力可达34.5MPa,活塞加大部分作用于环形容积,把经过单流阀供给的清洗液通过活塞的下部清洗活塞的下部。活塞在上行程时完成吸入功能,同时清洗液通过单流阀充满环形空间。利用液压控制系统保持钻井泵两个单元协调运动。Mudmaster液压钻井泵的缺点是冲洗液对钻井液有稀释作用,会影响钻井液的性能。

  瑞典HK工程公司与挪威Norcem 海洋研究所共同研制了一种立式液压钻井泵,它属于由变量液压泵驱动的双缸单作用活塞泵,无齿轮、曲柄滑块机构,结构先进、新颖。这种单元泵的排量为15.14L/s,泵的排出压为34.4MPa,每台钻机配4台单元泵,总重量为12.5t。我国在液压驱动往复泵的研制方面搞的比较晚,但也做了大量的工作,先后制造出了几种不同类型的液压驱动往复泵。北京航空航天大学对液压驱动往复泵进行了详细研究,并设计出了一套称为“低频大振幅自动往复液压泥浆泵”,其工作原理是:它的油缸与泥浆活塞连在一起,用液压活塞杆直接驱动泥浆活塞,使液压泵输出的压能直接转换成泥浆的高压能。这种泥浆泵的传动链短,工作效率较高;液压活塞与泥浆活塞的运动方向一致,同轴线往复运动,可将功率损失降到最低值;泥浆输出近似等流量输出,较为理想;采用液压变量泵,可方便实现无级调速;液压系统具有安全溢流功能,使装置的结构近一步简化;泵的体积和重量大大减小,经济效益高。

  新疆克拉玛依双环实业开发公司研制出了一种卧式双缸单作用双向液压泥浆泵,它的结构是完全对称的。这里“双向”是指液压活塞在进程和回程两个运动方向均为全功率输出。对两个活塞的一推一拉,实现了排出和吸入泥浆液的功能。它的液压活塞在大部分行程里是匀速运动的,除了在两端换向瞬间有压力波动外,其余时间里的流量是非常平稳的,而且由于它配置了泥浆液补偿装置,在两端换向时,使它的压力波动可控制在20%以内。

  天津理工学院与石油物探局机械厂合作,研制成功了YNB-20型单缸双作用液压泥浆泵,它由带单缸双作用活塞杆的气缸驱动,其液压系统装有液控自动换向装置。它的输出压力为20MPa,冲次为82min-1,泥浆输出流量为300L/min,传动功率为15kW。

  目前的资料表明,尽管液压驱动往复泵出现了多种形式,但人们并没有从理论上对液压驱动往复泵进行细致的分析、研究,有关液压驱动往复泵的理论还很缺乏,人们对液压驱动往复泵的认识只限于对它的性能参数的测试上,人们在设计、制造、使用时缺乏足够的理论、试验依据。液压往复泵也有其它许多缺点。如液压件特别是液压阀性能、可靠性都难以过关,从而使得整机的可靠性大大降低,效率低、发热情况严重等。另外,各缸换向时难以衔接好,使得压力和流量波动有时较大,液压系统和泵液力端系统内部都存在较大的液力冲击。所以该类型泵目前仍处与试验研究阶段,尚需做大量的工作。特别是要通过对液压驱动往复泵的理论、试验研究,探索有关液压驱动往复泵的理论,为液压驱动往复泵的设计、制造、使用提供理论、试验依据是亟待解决的问题。所以难以大面积推广应用。

3、往复泵的发展趋势与研究方向

  随着石油钻采工艺的发展,对往复泵的要求也越来越高,这对从事往复泵研究、设计和加工制造人员提出了更新的课题,也推动了往复泵向更高、更深的领域发展。今后一段时期,石油矿场用往复泵主要发展趋势和研究方向如下:

  (1)针对往复泵结构复杂、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动力端的模块组合成适应范围极广的变型产品。还可以用同一尺寸的液力端改变材料后适应不同的介质和压力,相同的传动端并联成不同缸数的泵,等等。

  (2)在提高标准化和通用化的基础上,普及CAD/CAM 技术的应用,加强可靠性的研究。提高动力端、缸体、泵壳、阀箱等复杂零部件的设计、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,往复泵多用于输送特种介质,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,也是进一步发挥往复泵特长的重要课题。

  (3)随着钻采工艺技术发展的需要和适应不同工况的要求,应进一步深入加强对往复泵的机理研究,在此基础上研究新型往复泵。特别是恒流量往复泵的诞生,就是为了解决油田三次采油工艺技术的生产需要而研制成功的,今后应该加强无脉动恒流量钻井泵的研制。这进一步说明往复泵的研究应随着生产需要的发展而不断发展。

  (4)就恒流量往复泵而言,其实现形式有多种多样,但主要形式仍然是两种:液压驱动恒流量往复泵和凸轮传动恒流量往复泵。前者易于实现长冲程低冲次,后者易于实现较短冲程较高冲次,二者在不同场合各有优缺点,应各扬其长,相互借鉴、相互补充。尽管这两种恒流量往复泵在现场都有一定数量的使用,但共同的问题是二者的可靠性仍然不高,与传统的曲柄连杆机构往复泵相比有一定的差距。主要原因是目前对恒流量往复泵的机理研究和实现形式研究仍然比较缺乏。所以应加强这方面的工作。

  (5)就凸轮传动机构恒流量往复泵与曲柄连杆机构往复泵相比而言,由于凸轮传动机构恒流量往复泵解决了传统的曲柄连杆机构往复泵无法解决的压力与流量波动问题,改变了往复泵的水力特性与动力特性,减少的波动能至少是传统往复泵波动能量的80%,且效率较高,结构新颖,性能优良,吸入灌注泵、吸入缓冲器和排出预压空气包等配套设备将不复存在,大大减少了设备制造费用而且简化了工艺流程,可广泛用于油田常压注水、增压注水、注粘土胶的堵水工艺以及注聚合物的驱油工艺。尤其在注聚合物的驱油工艺中,由于对聚合物的低剪切性和高的粘度保留率,因此具有更明显的优势。这种恒流量往复泵的研制成功,不仅解决了注聚驱油工艺中注入泵的关键问题,为油田实施控水稳油工程稳定原油产量发挥了重要作用,取得了显著的经济效益和社会效益。同时还拓宽了往复泵研究与开发的新领域,填补了我国石油矿场恒流量往复泵的空白。所以往复泵的发展方向应是恒流量往复泵。

  多年来人们对曲柄连杆机构往复泵的研究比较深入,理论和实验手段比较完善,积累了丰富的设计、制造和使用经验,但对恒流量往复泵的研究比较晚,理论和实验手段均不完备,有必要进一步加强开展对该类型泵的理论研究,为实际制造和使用提供理论指导。所以凸轮传动机构恒流量往复泵与曲柄连杆机构往复泵在相当长的历史阶段内必将长期共存,并按技术特征、工况条件、工艺要求、经济效益来划分其各自的领域,各扬其长,各得其所、互相补充、共同发展。

  (6)恒流量往复泵通过采用凸轮传动装置作为动力端,改变了柱塞的运动规律,使吸入与排出总管线无液流加速度和液流惯性损失,自吸性能好,泵阀的工况大大改善,提高了易损件的寿命。但其动力端的可靠性仍然需要进一步提高,所以应加强动力端凸轮传动机构的研究,特别应该根据目前我国实际的制造水平和热处理工艺技术,研究出切实可行的具有较高可靠性的动力端,从而提高整机的可靠性。在相同参数下,凸轮传动机构恒流量往复泵动力端结构尺寸要比曲柄连杆机构往复泵要大,所以应引入优化设计方法来设计恒流量往复泵。

  (7)就凸轮传动机构恒流量往复泵而言,凸轮的设计制造是关键。所以应该加强凸轮的CAD和CAM 技术研究,提高凸轮传动的可靠性和准确性。

  (8)在参数设计上,既要借鉴传统往复泵的设计经验,又要根据凸轮传动的特殊性来统筹兼顾综合考虑。一般来说,在中速和较低泵速下,往复泵的可靠性程度较高,所以“适当增长冲程长度、合理降低冲次”的技术路线仍是切合实际和具有现实意义的。虽然恒流量往复泵总管内无液流加速度和惯性损失,可以合理提高泵速,但缸内仍然有比曲柄连杆机构往复泵小25%的液流加速度,所以盲目提高泵速也将引起缸内的汽化和水击并使工况恶化,同样也会使得液力端易损件寿命降低。但冲次的提高可以减小柱塞力,降低凸轮与滚轮的接触应力提高其疲劳强度,从而减小动力端尺寸和改善凸轮与滚轮摩擦副的运转工况,提高其寿命。同时冲次的提高可以适当缩短冲程长度,从而可以减小凸轮的尺寸,也能够减小动力端的尺寸。从这一点上讲,冲次的提高是大大有利的。因此,凸轮传动机构恒流量往复泵的参数设计原则是“适当缩短冲程长度、合理提高额定泵速”。使恒流量往复泵的适用领域一方面突破传统的“中低泵速”运行的限制,另一方面又能控制在“较高泵速”的范围内,而绝不是毫无控制地谈论什么“泵速越高越好”,以免走向反面。

  (9)针对三次采油注聚合物驱油工艺技术的广泛应用,应加强泵送聚合物溶液过程机理研究,特别是往复泵的性能对泵送聚合物溶液这种假塑性非牛顿流体的性能影响,从而提高其粘度保留率,降低工艺这种工艺成本,提高驱油效果,为我国稳定陆上原油产量作出贡献。

4、结论

  往复泵作为一种常见的流体机械,在石油、石化等行业有着广泛的推广应用,但随着我国石油石化工业的发展,对于输送不同流体介质和不同工况条件而言,对往复泵的性能提出了更加高的要求,从往复泵的发展历程和发展趋势看,未来一段时期石油矿场往复泵要侧重于易损件寿命的提高、侧重于自动控制技术的应用、侧重于故障诊断技术的应用,以提高往复泵的可靠性和连续运行效率;就技术性能而言,无压力脉动恒流量往复泵将是未来一段时期重点的发展方向,经过已经研制成功样机并在采油领域得到应用,但其可靠性和加工制造的精度,也需要进一步提高。这种无脉动恒流量往复泵有着传统曲柄连杆机构往复泵无法比拟的技术优势,今后应该侧重于大功率、高压力、大排量方向发展,侧重于向大功率的无脉动恒流量钻井泵的研制,为我国超高压喷射钻井以及依靠钻井液流体传递信号的先进测量仪器(MWD\LWD等)提供可靠的技术保障。

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