[发明专利]设置有T型泵头的钻井泵及其增压方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种设置有T型泵头的钻井泵及其增压方法。

背景技术

往复泵在石油工业中的应用很广泛，石油矿场上常需要在高压下输送高粘度、大比重和高含沙量的液体，而流量相对不大，从各种泵的工作特点对比中表明，往复泵比较适用于这种情况。往复泵在钻井时用作循环泥浆和注入固井水泥。在采油时，用作原油输送、洗井、注水及地层压裂。抽油设备中的深井泵也是一种特殊结构的往复泵。所以，往复泵是石油通用的和关键的设备之一。

根据泵的结构特征和作用的不同，可分为三个基本类型。(1)容积式泵：依靠包容液体的密封工作空间周期性的变化，把能量周期性地传递给液体，使液体的压力增加到将液体强行排出。(2)叶轮式泵：依靠旋转的叶轮对液体的动力作用，把能量连续地传递给液体，使液体的速度能和压力能的能量增加，随后通过压出室将大部分速度能转换为压力能。(3)其他类型泵。

随着钻采深度的增加，对钻机以及与其相配套的其它设备要求越来越高。目前国内外钻井泵结构按高压吸入阀与排出阀的位置可以划分为三种：一是吸入阀与排出阀都安装在阀箱内，且两阀处于同一轴线上，与缸套的轴线垂直。此类阀箱叫I型。二是一阀安装在阀箱内，一阀安装在阀箱外，且两阀与缸套的轴线垂直。此类阀箱叫L型。三是吸入阀与排出阀安装位置的轴线相互垂直，且吸入阀与缸套处于同一轴线上，构成T字型液流通道。

利用钻井泵钻井已有100多年的历史。在这100多年中钻井泵不断改进不断发展。钻井泵的发展历史以1901年美国德克萨斯州的Spindletop钻出的336m深的有商业价值的石油井为起点。这也是近代油气井旋转钻井史的起点。当时，钻井使用的钻井泵是双缸双作用活塞式蒸汽泵，泵压为17.3×105Pa。这种泵不是专门为泥浆泵设计的，而是一般的供水泵。

1917年生产的蒸汽泵已经是专门设计的钻井泵了。这种泵的泵头即是今天双缸双作用钻井泵液力端的雏型。其主要不同之点在于当时的泵阀还是平板阀。这种泵一直使用到30年代。

蒸汽泵的动力来自锅炉产生的蒸汽。但在矿场，锅炉的使用和运输都不方便。因此，蒸汽钻井泵逐渐被内燃机驱动的机动泵所代替。在二十世纪三十年代中最大的双缸双作用机动泵为1926年生产的。其活塞直径为170mm，冲程为457mm，功率为110-147Kw，最高泵压可达(100-125)×105Pa。这种泵的设计和现在的双缸双作用泵已经相当接近了。其液力端已经使用了锥形阀，传动端内有斜齿的减速齿轮、偏心轴、连杆和十字头，采用了密闭的飞溅润滑，液力端排出管装有空气包。但连杆大端还使用滑动轴承。

到30年代中期，由于泵的载荷越来越大，钻井泵才采用了全滚动轴承设计。但当时没有大直径的滚动轴承，所以主轴多采用悬臂式曲拐轴方案，连杆大端的滚动轴承内圈定在曲拐销上。

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。二战后，泥浆性能有所改进，同时开展了喷射钻井技术的研究和发展工作。这时钻井作业者主要要求提高泵压。从40年代末到50年代中期，喷射钻井的研究和实践提出了150-210×105Pa的泵压要求。40年代末钻井泵的功率，达到了600Kw。同时，大部分公司把泵的最大冲程长度降回到457mm(18in)。

50年代双缸泵随着泵功率的急剧加大，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。以钢代铁是用钢板焊接的泵壳，并将一些零件改用优质合金制造；减小泵宽是应用大直径的滚动轴承作连杆大端支承，拚弃悬臂曲拐轴的方案而采用两端简支的偏心轮轴设计。这样，两缸中心距明显缩小。

60年代初，急需设计和制造一种泵压能适应喷射钻井工艺要求，同时体积小、重量轻，能满足当时海洋、沙漠钻井的安装运输条件的钻井泵。各公司都作了大量的研究工作。其中目标比较集中的是将用于固井压裂的三缸柱塞泵改型为钻井泵，因为它正好能满足上述要求。在研制的开始阶段，问题仍然发生在机械能转换为液体压力能的为边界面上——在泥浆介质中柱塞及柱塞密封的寿命过低。在这时，一组“单作用活塞-敞口缸套-喷淋水”的设计起了关键的作用。它使钻井泵史上代表一个新时代——三缸单作用活塞式钻井泵的诞生。与双缸双作用泵相比，三缸单作用泵具有体积小、重量轻、效率高、流量均匀、压力波动小以及拆装维修方便；由于三缸单作用泵，曲柄互成120°，动力端受力均匀。排量系数为0.141，小于双缸和四缸单作用泵，排量均匀，并且有结构简单等优点。在广泛的应用中显示出良好的经济效益，已经在国内外的深井钻进中逐渐取代双缸双作用泵。