Буровые насосы. Назначение, устройство, особенности конструкции, подбор

Большинство способов бурения требует промывки скважин в процессе её углубки. Основным назначением промывки является удаление с забоя и из ствола скважины продуктов разрушения горных пород и бурового инструмента, охлаждение породоразрушающего инструмента, поддержание устойчивого состояния стенок скважины. Подача промывочной жидкости в скважину в процессе её промывки осуществляется при помощи насосов, которые входят в состав буровой установки. При бурении скважин гидроударниками, турбобурами, винтовыми двигателями насосы являются дополнительно ещё и приводом перечисленных забойных машин.

Требования к буровым насосам определяются условиями их эксплуатации: физико–механическими свойствами горных пород; глубиной, диаметром и назначением скважин; типом породоразрушающего инструмента и т.д.

Буровой насос должен обеспечивать возможность простого и быстрого регулирования в широком диапазоне подачи и напора в зависимости от параметров технологического режима бурения. При этом одним из основных требований процесса бурения является обеспечение независимости подачи (расхода) от давления, т.е. насос должен иметь жесткую напорно-расходную характеристику «Q – Н».

Для обеспечения постоянной и равномерной очистки забоя, выноса и поддержания шлама во взвешенном состоянии насос должен обеспечивать минимальную пульсацию потока, т.к. неравномерность потока может привести к нарушению нормального процесса бурения и ухудшению состояния стенок скважины. Кроме того, 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. Вибрации, в свою очередь, приводят к заметному снижению ресурса работы бурильных труб.

Важным показателем работы насоса является высота всасывания жидкости, которая зависит от температуры всасываемой жидкости, высоты местности над уровнем моря, удельного веса и вязкости, сопротивлений движению жидкости во всасывающей магистрали и других факторов.

Особенностью работы промывочных насосов при бурении скважин является разнообразный характер перекачиваемой жидкости, содержащей твёрдые частицы, различные химические реагенты, что определяет повышенные требования к износостойкости узлов и деталей гидравлической части насоса. Кроме того, насос должен иметь минимальные габаритные размеры, небольшую массу, т.к. бурение геологоразведочных скважин часто ведётся в труднодоступных районах, где транспортировка оборудования затруднена.

Анализ требований, предъявляемых к буровым насосам, показывает, что ни один из существующих типов насосов не удовлетворяет в полной мере всему комплексу перечисленных требований. Однако основному требованию – независимости производительности от давления, удовлетворяют насосы объёмного типа: поршневые, плунжерные, винтовые и шестеренчатые.

Наибольшее распространение в отечественной и зарубежной практике бурения геологоразведочных скважин получили поршневые насосы двойного действия и плунжерные насосы одинарного действия, т.к. они в лучшей степени отвечают основным требованиям технологии бурения скважин.

Поршневые насосы обладают большой универсальностью: они могут быть использованы для перекачивания воды, эмульсионных и глинистых растворов с большим удельным весом, высокой вязкостью и значительным содержанием твёрдой фазы. Поршневые насосы имеют теоретическую подачу, не зависящую от создаваемого напора, обеспечивают достаточную для условий бурения равномерность подачи.

Насосы этого типа обладают свойством самовсасывания, т.е. при незаполненной жидкостью гидравлической системе, они способны создавать достаточно большое разряжение и засасывать жидкость из ёмкости, расположенной ниже насоса.

Поршневой насос состоит из двух частей: механической и гидравлической (рис. 3.29). В состав механической части входит привод (электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания), приводной шкив 1, редуктор (2, 3), шатунно-кривошипный механизм (4, 5, 6). Основными элементами гидравлического блока являются цилиндры 11, поршни 8, штоки 7, всасывающие 10 и нагнетательные 9 клапаны, воздушный колпак 12, регулировочный кран 13, предохранительный клапан 14, храпок 17 с обратным клапаном 18. Все основные узлы насоса смонтированы на общей раме 19. Шатунно-кривошипная система сообщает возвратно–поступательное движение штокам и поршням насоса со сдвигом по фазе на 180°. При движении поршня вправо в левой рабочей камере цилиндра создаётся разряжение, вследствие чего нагнетательный клапан 9 закрывается, а жидкость под действием атмосферного давления перемещается по всасывающей линии 15 и, подняв всасывающий клапан 10, поступает в цилиндр. При обратном ходе поршня давление в рабочей камере повышается, всасывающий клапан 10 закрывается, а жидкость через нагнетательный клапан 9 выталкивается в напорную магистраль. Аналогичная работа совершается при движении поршней и в правой рабочей камере. Таким образом, за один оборот шатунно–кривошипной системы в каждом цилиндре совершается два всасывания и два нагнетания.

В
нагнетательную камеру или нагнетательную магистраль встраивается пружинный, дифференциальный предохранительный клапан 14, который настраивают в заводских условиях на максимально допустимое давление в нагнетательной линии. При превышении этого давления предохранительный клапан открывается и происходит слив жидкости.

Для выравнивания потока промывочной жидкости и её давления, а также для ослабления гидравлических ударов, в нагнетательную ли-нию включают воздушный колпак 12 (компенсатор), который представляет собой стальной цилиндр или сферическую ёмкость. Верхняя часть колпака заполнена воздухом. Чем больше давление в нагнетательной системе, тем больший объём будет занимать жидкость в баллоне и тем больше будет сжат воздух. При уменьшении скорости движения поршня к концу его хода снижается также скорость движения жидкости и давление в нагнетательной магистрали. В это время находящаяся под давлением в баллоне жидкость будет вытесняться сжатым воздухом в нагнетательную магистраль, компенсируя уменьшение подачи жидкости поршнем и т.д.

В насосах, имеющих малую длину хода поршня и большое количество ходов в единицу времени, воздушные баллоны отсутствуют, так как при работе таких насосов пульсация потока весьма незначительна. Для контроля давления в нагнетательной магистрали установлен манометр 16.

Поршневые насосы находят широкое применение при бурении скважин твердосплавным ПРИ и шарошечными долотами с использованием вязких промывочных жидкостей, а также при работе с гидроударниками, турбобурами, винтовыми двигателями. В настоящее время отечественная промышленность выпускает несколько типоразмеров поршневых насосов, используемых для комплектования буровых установок на твёрдые полезные ископаемые.