第四章 钻机的循环系统

12 钻机的循环系统包括：钻井泵、钻井液池、钻井液槽(罐)、地面管汇、钻井液净化设备、钻井液调配设备。钻井泵是钻机循环系统的核心设备，是循环系统的工作机。目前国内外石油钻机中采用的钻井泵都是往复式液压泵。习惯上也把钻井泵称为往复泵。钻机循环系统采用往复泵，就是为整套钻机提供高压钻井液。往复泵在石油矿场上应用非常广泛。它常常用于高压下输送高粘度、大密度和高含砂量的液体，而流量相对较小。例如：钻井泵、固井泵(也叫水泥泵)、压裂泵、注水泵、采油泵等都是在石油矿场常用的往复泵。与叶片泵、离心泵等相比，往复泵具有较高的工作效率和良好的运行性能。3 如下图所示，往复泵是一种典型的容积式泵。由于活塞(或柱塞)的往复运动，使得包容液体的密封工作空间容积产生周期性变化来进行吸排液体，从而把活塞(或柱塞)运动的机械能转变成为液体的压力能。4在钻井过程中，需要携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，这种用于向井底输送和循环钻井液的往复泵，被称为钻井泵或泥浆泵。5三缸单作用钻井泵67双缸双作用钻井泵8 为了造成油层的人工裂缝，提高原油产量和采收率，用于向井内注入含有大量固体颗粒的液体或酸碱液体的往复泵，称为压裂泵。910 在采油过程中，用于在井内抽汲原油的往复泵，称为抽油泵。111.往复泵的基本构成 如图4-1所示，往复泵由以下两个基本部分组成。（1）液力部分(或称液力端)包括活塞、液缸、泵阀等部件。液力端的作用是把机械能转换成液体能。（2）动力部分(或称动力端)包括曲柄、连杆、十字头、活塞杆等部件。动力端的作用是进行运动形式的转换。图图4-1 4-1 往复泵工作示意图往复泵工作示意图122.往复泵的工作原理及过程分析 图4-1所示，为卧式单缸单作用往复泵工作示意图。工作时，动力机通过皮带，传动轴，齿轮等传动部件带动主轴及固定于其上的曲柄旋转。活塞杆由曲柄连杆机构带动，使曲柄的旋转运动转变成为活塞的往复直线运动；当曲柄从水平位置自左向逆时针旋转时，活塞向右边(即泵的动力端)移动，缸内容积的扩大，液缸内便形成一定的真空度，而吸入池中的液体在液面压力Pa的作用下，经吸入管推开吸入阀，进入液缸内，直到活塞移到右死点位置为止。这一过程称为液缸的吸入过程；13 曲柄继续转动，活塞开始向左(即泵的液力端)移动，缸套内液体受到挤压，压力升高，吸入阀关闭，直到缸内压力升高到大于排出管线上的压力，排出阀被推开，液体经排出阀和排出管排出，直到活塞移到左死点为止。这一过程称作液缸的排出过程。单作用和双作用：曲柄旋转一周，活塞往复运动一次。单作用泵的液缸完成一次吸入和排出过程；双作用泵的液缸完成两次吸入和排出过程。活塞的冲程：在吸入和排出过程中，活塞移动的距离以S表示，称作活塞的行程(亦称为活塞的冲程)。若曲柄半径用r表示，则活塞的冲程S与曲柄半径r r之间的关系为：S S2r2r。14 石油矿场用往复泵可按以下五种方式分类。1.按缸数分为:单缸泵、双缸泵、三缸泵、四缸泵等。2.按工作件的式样分为:活塞泵和柱塞泵。3.按作用方式分为:单作用泵和双作用泵。（1）单作用泵：单作用式泵如图41所示，其活塞只有其中一面作为工作面。活塞在液缸内往复运动一次，该液缸完成一次吸入和一次排出过程。15（2）双作用泵：如图42所示，活塞的两面均为工作面。液缸被活塞分成两个工作室，无活塞杆的为前工作室，有活塞杆的为后工作室，每个室都有吸入和排出阀。活塞往复运动一次，其液缸完成吸入过程和排出过程各二次。图图4-2 4-2 双作用往复泵液缸示意图双作用往复泵液缸示意图164.按液缸的布置方式及其相互位置分为:卧式泵、立式泵、V形泵、星形泵。5.按传动或驱动方式分为:机械传动泵、蒸汽驱动泵、液压驱动泵、手动泵。通常以泵的上述主要特点来区分各种不同类型的泵，如单缸单作用立式柱塞泵、双缸双作用卧式活塞泵、三缸单作用柱塞泵等。17柱塞泵示意图柱塞泵示意图184.2.1 活塞的运动规律 若往复泵的动力端不同，则活塞的运动规律也不同。石油矿场用往复泵的动力端大多采用曲柄连杆机构。如图4-3所示。现以此为例来分析活塞的运动规律。图图4-3 4-3 往复泵活塞运往复泵活塞运动示意图动示意图19 往复泵活塞运动的位移x、速度u和加速度a为：（4-1）（4-2）（4-3）式中 r曲柄长度；曲柄的角速度；曲柄转角。活塞由液力端向动力端运动时，=0；活塞由动力端向液力端运动时，=2。从上述公式说明，往复泵活塞的运动速度和加速度分别近似地按正弦和余弦规律变化。当=时，活塞处于右死点位置；当=0和2时，活塞处于左死点位置。当=0时，上述公式中的正负号取上面的；当=2时，上述公式中的正负号取下面的。cosrasinru)cos1(rx2 20 泵的流量是指，单位时间内泵通过管道所输送的液体量。流量通常以单位时间内，所输送的液体体积来表示，称为体积流量，用符号Q表示，单位为L/s 或m3s、m3th 往复泵在单位时间内，理论上应输送的液体体积，称作泵的理论平均流量。往复泵的流量与活塞工作面积F，活塞冲程S以及冲程次数有关。对于单作用泵：Q QththiFSniFSn (44)对于双作用泵：Q Qththi(2F-f)Sni(2F-f)Sn (45)21 在公式(4-4)和(4-5)中:Qth理论平均流量，m3/min；S冲程，m；i液缸个数；F活塞面积，m2；n曲柄转速，r/min；f活塞杆截面积，m2。2.实际平均流量Q 泵在实际工作中由于存在：吸入阀和排出阀一般不能及时关闭；密封处可能有高压液体泄漏；液缸中或液体中可能混有空气而降低吸入充满度，等等原因。所以，往复泵的实际平均流量要低于理论平均流量。即 QQth （4-6）式中 流量系数，它反映泵内泄露损失的大小。一般取。22【关于流量系数的分析】往复泵的实际工作过程与理论工作过程有一定的差异，而使泵实际流量小于理论流量，具体分析如下：吸入过程：在排出终了和吸入开始的瞬间，排出阀由于滞后不能及时关闭，余隙容积(活塞在前死点位置时的工作腔容积)中的液体压力仍等于排出压力。因此，当活塞向右移动时，工作腔内的液体压力不可能骤降，而是逐渐下降，使排出阀关闭。泵内压力低于吸入管线压力时，吸入阀开启，液体才开始吸入，所以泵的实际吸入行程要比理想的短。23 此外，在吸入过程中存在着高压液体通过已关闭的排出阀密封面向工作腔的泄漏（对于双作用泵，还存在另一工作腔的高压液体通过活塞密封面向低压侧的泄漏)；外界空气通过密封不严密处进入工作腔；溶解在液体中的气体因压力降低而析出以及液体吸入时带进来的气体，这些都占据了一定的工作腔容积，使实际吸入的液体小于行程容积，造成容积损失。排出过程：在排出开始瞬间，吸入阀由于滞后也不能及时关闭，以及液体在高压下的可压缩性(特别是工作腔内含有气体则更为明显)，使工作腔内的液体压力不可能骤增，而是逐渐升高，直至吸入阀关闭，腔内压力大于排出管线压力之后，排出阀开启，液体才开始排出。实际排出行程也要比理论行程短，在排24出过程中也存在高压液体通过吸入阀密封面以及活塞，填料箱等密封处向低压侧的泄漏，使实际排出的液体量小于行程容积。综上所述，导致实际流量小于理论流量的主要原因是：吸入和排出过程开始阶段的冲程损失，压缩液体和气体等引起的冲程损失和各密封处的漏失损失。即，一方面由于实际进泵液体小于理论流量，另一方面由于进泵后获得能量的液体存在漏失。25cm 对于单作用泵：QcmFu (47)即 QcmFrsinm (48)公式中下标m表示曲柄或液缸的顺序编号1、2、3等。从公式可知，当m=0，2时，活塞处于死点位置，此时刻，其瞬时流量都为零。对于单作用泵：QcfmFrsinm (49)Qcam(F-f)rsinm (410)公式中号如何选取：当m=0时，公式前取+号；当m=2时，公式前取-号。26 实际上，往复泵一般都是由几个液缸组成，整台泵的瞬时流量由同一时刻各液缸瞬时流量叠加而成。计算整台泵的瞬时流量时，要根据各曲轴间的角相位差决定公式中的角参数。4.往复泵的流量曲线及其应用 往复泵在工作时，在曲柄旋转一周(2)内，各液缸(或工作室)及泵的瞬时流量按一定规律变化。（1）流量曲线 如果以曲柄转角为横坐标，流量为纵坐标，即可作出泵的瞬时流量和平均流量随曲柄转角变化的曲线，称之为泵的流量曲线。它直观地反映出了整台泵与液缸或工作室瞬时流量之间的关系，及其随曲柄转角的变化关系。27图图4-4 4-4 单缸单作用泵流量曲线单缸单作用泵流量曲线28图图4-5 4-5 单缸双作用泵流量曲线单缸双作用泵流量曲线29图图4-6 4-6 双缸单作用泵流量曲线双缸单作用泵流量曲线30图图4-7 4-7 双缸双作用泵结构简图及流量曲线双缸双作用泵结构简图及流量曲线31图图4-8 4-8 三缸单作用泵结构简图及流量曲线三缸单作用泵结构简图及流量曲线32 图4-4、图4-5、图4-6、图4-7和图4-8分别是单缸单作用泵、单缸双作用泵、双缸单作用泵、双缸双作用泵和三缸单作用泵的流量曲线。（2）流量曲线的应用 可判断泵流量的均匀程度。通过流量曲线可以找到理论流量的最大值Qmax、最小值Qmin及理论平均流量Qth。任何类型的往复泵，在曲柄转动一周的过程中，其理论瞬时流量都是变化的。在往复泵的运行中，总希望泵的流量均匀，工作平稳。故引入了泵的流量不均度，来衡量泵的流量不均匀程度。往复泵的流量不均度Q为：(Qmax-Qmin)与Qth的比值。即 Q(Qmax-Qmin)/Qth （4-11）33 显然，对于不同类型的往复泵，其流量不均度是不一样的，它们皆可由流量曲线求得。几种往复泵的流量不均度如下：单缸单作用泵3.14;单缸双作用泵1.85;双缸单作用泵1.57;双缸双作用泵0.48;三缸单作用泵；四缸单作用泵。比较而言，三缸单作用泵工作更平稳。可确定泵输送的液体体积。用A表示曲线与横坐标轴围成的面积，V表示泵所输送的液体体积，则流量体积V与面积A有如下关系：VA/（4-12）可检验曲柄布置是否合理。从流量曲线可发现各液缸瞬时流量叠加是否合理，从而检验曲柄布置方案的合理性。34 1.往复泵流量不均匀的危害 往复泵瞬时流量的脉动，引起吸入管路和排出管路中液体的不均匀流动，从而产生了加速度和惯性力，增加了泵的吸入和排出阻力。将将导致的危害性有：降低泵的吸入性能；引起管路压力脉动及管路振动；破坏泵的稳定运行。2.解决方案 合理布置曲柄的位置。采用多缸泵或无脉动泵。目前多使用三缸单作用泵。缩短管路长度，增大内径，减小往复次数(即冲数)。设置空气包。储存和释放液体，使脉动程度降低。35 往复泵的扬程：单位质量(或重量)的液体经过泵后增加的能量，用单位J/kg或J/N表示，也可用m液柱表示。液体的位置水头、压力水头和速度水头分别表示单位重量液体所具有的位能、压能及动能大小。它们之和是液体的总水头，即单位重量液体所具有的总能量。361.泵的扬程用下式表示：（4-13）式中 pA、pB分别为吸入罐和排出罐的液面压力，Pa；cA、cB分别为吸入罐和排出罐液面上液体的流速，m/s；Z为吸入罐与排出罐液面总高度差，Z=Z1+Z0+Z2，m；Z1为吸入罐断面处至吸入罐液面的高度差，m；Z2为排出罐断面处至排出罐液面的高度差，m；Z0为真空表与压力表的高度差，m；h为吸入管和排出管段内总的水力损失，m。hgccgppZHABAB22237 当pA=pB，cA0，cB0，且pA=pB 时，则(4-13)变为：H HZ+hZ+h （4-14）2.泵的有效扬程可直接根据表压读数计算，即 （4-15）式中 pv为吸入口处真空表的读数；pg为排出口处压力表的读数。在工程实际计算时，由于pv和Z0相对很小，可略去不计，通常直接用表压力代表泵的有效扬程。即 HpHpg g/g/g0ZgpgpHvg381.泵的有效功率 往复泵的功率：单位时间内液体由泵所获得的总能量，即为泵的输出功率(有效功率)。可表示为 NO=gQH/1000 （4-16）式中 NO输出功率，Kw；被输送液体的密度，kg/m3；Q泵的实际平均流量，m3/s。2.泵的效率 泵的总效率为 =NO/Ni （4-17）式中 为泵的总效率；Ni为输入功率，且NiNO。泵组所需的动力机功率为：Np=Ni/tr=NO/(tr)（4-18）391.机械效率 泵的机械效率为 m=(Ni-Nm)/Ni （4-19）2.容积效率 泵的容积效率为 v=Q/(Q+Q)（4-20）式中 为泵的总效率；Ni为输入功率，且NiNO。3.水力效率 泵的水力效率为 h=H/(H+hb)（4-21）4.总效率 泵的总效率为 =NO/Ni=mvh （4-22）泵的总效率可由试验测定。一般情况下，可取。40 1.瞬时流量不均匀；2.具有自吸能力。往复泵所以能从吸入池中吸入液体，是由于活塞在液缸内运动，使缸内压力低于吸入池液面上的压力，在压力差的作用下液体流进液缸。液缸内的吸入压力不能无限制地降低。因为当吸入压力小于或等于液体在该温度下的汽化压力时，部分液体就会在缸内开始汽化，其结果将使泵的充满系数降低，甚至产生气蚀现象。严重的气蚀将导致水击，使泵不能正常工作，甚至损坏泵的零部件。所以，应使液缸内的最小吸入压力始终大于液体的汽化压力。41 3.排出压力与结构尺寸和转速无关。往复泵的流量几乎与排出压力无关，不能用关闭出口阀调节流量，否则将引起动力机过载或泵的损坏。往复泵一般都设有安全阀，当泵压超过一定限制时，就会自动打开泄压。4.泵阀运动滞后于活塞运动。活塞速度越快，滞后现象就越严重，所以提高泵速受限制。5.适用于高压、小流量和高粘度的液体。如表所列，是几种液体在不同温度下的汽化压力。42 往复泵的特性曲线：是表示泵的流量、功率、效率等参数与压力之间的关系曲线。往复泵在单位时间内排出的液体体积取决于活塞或柱塞的截面积A，冲程长度S、冲次n以及缸数i，而与往复泵的排出压力无关。43 如图4-9所示。若以横坐标表示泵的流量Q，以纵坐标表示压力p，则泵的理论特性曲线(p-Q曲线)应是垂直于横坐标的直线（实线）。实际上，随着泵压的提高，泵的漏失量将增加，即流量系数要相应变小，所以泵的流量随着泵压的升高略有减小，即p-Q曲线略有倾斜，如图4-9中的虚线所示。图图4-9 4-9 往复泵特性曲线往复泵特性曲线44 对钻井泵而言，其泵压是随井深增加而加大的，因此当井深增加时，即使缸套和泵冲数都不变，泵流量亦将有所减小。实际上，泵的冲数决定于动力机转速和机械传动比，当机械传动比一定时，如果动力机驱动特性较硬(如柴油机直接驱动泵)，泵冲数基本上不受泵压变化的影响，泵的流量如图4-9所示。若动力机驱动的特性较软(如液力变矩器驱动泵)，随着泵压的变化，泵的冲数随之变化，其流量自动调节，以保证往复泵在一定范围内接近恒功率工作，此时泵的p-Q曲线接近双曲线。45 泵必须和管路组成一定的输送系统，才能输送液体，在输送的过程中，液体遵守质量守恒和能量守恒这两个基本规律，即是说，单位时间内由泵所输送的液体的流量Q等于流过管路任一断面的液体量Q。同时，泵所提供给液体的能量H全部消耗在管路的能量损失和提高液体静压能上。即 HH。H为单位质量液体流过管路的能量损失及液体的静扬程之和。若用Hpot表示静扬程，则H=Hpoth。h是单位质量液体流过管路的能量损失，可表达为 h=kQ2 （423）对于固定管路，k为常数。则管路特性为 H=HpotkQ2 （424）46 将（4-24）式中的扬程转换为压力降。则以压力降表示的管路特性即为 pgHpotgkQ2 （425）式中 为流体的密度，kg/m3；g为重力加速度，N/kg。以流量Q为横坐标，压力降p为纵坐标，就可作出往复泵的管路特性曲线。往复泵的管路特性曲线为一抛物线。图4-10为往复泵与管路联合工作的特性曲线。图图4-10 4-10 往复泵与管路联合工往复泵与管路联合工作的特性曲线作的特性曲线47 从图4-10的曲线可知，当流量不变，管路发生变化时，k将随之发生变化，管路压力将发生变化；当管路系统一定是，流量发生变化时，管路压力也将发生变化。这说明：往复泵给出的压力总是与负载(指管路阻力)直接相关，负载增大，泵压升高。反之，泵压就下降。48 对于钻井泵来说，由于井深是不断变化的，而排出管路长度LI随之改变，h不断增大，即k随井深变化而变化。通常钻井泵的吸入池和排出池是共用的，因此，静压头为零。图4-11为不同井深时钻井泵的管路特性曲线。图图4-11 4-11 不同井深时不同井深时钻井泵钻井泵的的管路特性曲线管路特性曲线491.钻井泵的工况点 将泵的特性曲线按同样的比例绘制在管路特性曲线图上，即得到泵与管路联合工作特性曲线。泵特性曲线和管路特性曲线的交点即泵的工作点。如图4-12所示，当流量为Q1时，不同井深LI的工作点分别为A1、A1、A1”；当流量为Q2时，工况点则为A2、A2、A2”。图图4-12 4-12 钻井泵与管路联合工钻井泵与管路联合工作的特性曲线作的特性曲线50 由图4-12中还可以看出，在井深一定时，泵流量不同，管中消耗的压力亦不同。如泵流量从Q2降到Q1，泵的工作点则从A2、A2、A2”变为A1、A1、A1”，泵压下降。同样，在泵流量一定的情况下，井深增加(如从L1曲线变为L3曲线)，泵压也随之升高。图图4-12 4-12 钻井泵与管路联合工钻井泵与管路联合工作的特性曲线作的特性曲线512.钻井泵的临界特性 在往复泵的设计和使用过程中，一般受到两种条件限制。一是泵的最大冲次的限制。对钻井泵来说，冲次过高，不仅会加速活塞和缸套的摩擦，使吸入条件恶化，降低使用效率，还会使泵阀产生严重的撞击，大大缩短泵阀寿命。因此，钻井泵如要正常工作，其冲次就不能超过允许值。所谓泵的临界工作特性曲线，即是泵正常工作的限制曲线，泵的工作点不能超越该曲线，否则不能保证泵正常工作，在临界特性曲线上通常还根据井身结构及钻具组合绘出各种井深时的管路特性曲线。52（1）以泵的活塞杆、曲柄、连杆机构等传动零件的强度极限为泵的临界工作条件。在这种情况下，主要应限制活塞力pF不超过某一常数。对泥浆泵来说，选用不同直径的缸套，借以达到控制活塞力与调节泵的流量的目的。（2）以发动机功率作为泵工作的临界条件。这是当发动机(一部或数部)所能提供的最大有效功率小于泵的设计功率时，所应考虑的问题。在这种情况下，泵的强度是可以保证的，泵压和流量取决于发动机实际所能提供的有效功率N，即按pQN来选取泵压和流量。53（3）以排出管线的耐压强度为临界条件。这种情况下，主要是限制小直径缸套时泵的压力。如图413所示。管线允许的最大压力为p0因此，在流量为Q5时，泵压只能增高到p0为止，不能增高到p5。若再继续钻进，泵压升高，管线可能破裂(特别是橡胶水龙带)。54 图4-13所示,以Q为横坐标，p为纵坐标，分别作出每一级缸套(设为5级缸套)下的泵特性曲线。并在其上标定各级缸套极限工作压力点1，2，5，折线1-1“-2-2”-3-3“-4-4”-5为该泵的临界工作特性曲线。图图4-13 4-13 机械传动钻井泵的临界特性曲线机械传动钻井泵的临界特性曲线NN55 这些点在虚线所示的双曲线n0上，双曲线是按NpQ常数绘制的，是泵的等功率曲线。井的深度不同，其管路特性曲线不同。例如在某井深时，其管路特性曲线为Ox，随着井深增加,Ox线逐渐上移，比如移到Oy位置，则变为另一条管路特性曲线。图图4-13 4-13 机械传动钻井泵的临界特性曲线机械传动钻井泵的临界特性曲线NN56 若继续钻进，井深将继续增加，泵仍以最大直径（1）的缸套工作，则压力将高于P1即超过临界点1，泵的传动零件强度所不允许。图图4-13 4-13 机械传动钻井泵的临界特性曲线机械传动钻井泵的临界特性曲线NN57 为了使泵不过载，必须改用较小直径(2)缸套工作。使泵在流量Q2下工作。这样泵的工作点过渡到b点。从b点开始，工作点沿b2逐渐移到2点后，又必须换用更小直径3缸套工作等等。图图4-13 4-13 机械传动钻井泵的临界特性曲线机械传动钻井泵的临界特性曲线NN583.钻井泵临界特性曲线的应用 临界特性曲线对泵的使用和设计都是有实际指导意义的，它主要表现在:(1)根据泵的特点，合理的控制流量和泵压，以保证泵工作正常。(2)采取有效措施，尽可能的提高泵的功率利用率。(3)为泵的强度设计提供了理论根据。当所选发动机功率完全可以满足泵的功率要求时。应以泵的活塞杆、曲柄连杆机构强度极限决定流量和最高泵压，即保证pF常数。当发动机功率小于泵的设计功率时，应以发动机实际功率决定流量和最高泵压。各级缸套的直径(或截面积)以及相应的最高压力，应按等强度原则设计。59 往复泵与一定的管路系统组成统一的装置后，其工况点一般也是确定的。有时为了某些需要，希望人为地调节泵的流量，以改变工况，称之为性能调节泵。1.流量调节 钻井泵常用的调节流量的方法有以下几种：（1）更换不同直径的缸套 各种钻井泵的缸套一般分为数级，各级缸套的流量参见表4-1，4-2。根据需要选用不同直径的缸套就可以得到不同的流量。60表表4-14-161表表4-24-262（2）调节泵的冲次 动力机与钻井泵之间一般设有变速机构，调节泵的冲次可以采用改变动力机输出速度的办法。如柴油机直接驱动泵，可在柴油机额定转速n额与最小转速n小之间调节柴油机输出速度，使泵的冲次在最大冲次与最小冲次之间变化，达到调节流量的目的。应该注意，在调节过程中，必须使泵压不超过该级缸套的极限压力。（3）减少泵的工作室 深井段的井径往往较小，为了尽量减小循环损失，一般希望泵的流量较小，在其它调节方法不能满足要求时，现场有时采用减少泵工作室的方法：打开阀箱，取出一个或几个排出阀或吸入阀，使有的工作室不参加工作，从而减小流量。该法的缺点是加剧了流量和压力的脉动。63（4）旁路调节 在泵的排出管线上并联一根旁通管路。打开并调节旁路阀门，就可以调节排出管线上的流量。旁路调节还是钻井泵中常用的紧急降压的手段。（5）调节泵的冲程 在其它条件不变的情况下，改变往复泵活塞的移动距离，使活塞每一转的行程容积发生变化，从而达到流量调节的目的。2.往复泵的并联运行 为了满足较大的流量需要，如开钻时钻大直径井眼，现场亦常使钻井泵并联工作。往复泵并联工作时，以同一管线向外输送液体。64 往复泵的并联运行有如下特点：（1）排出管路中的总流量为同时工作的各泵流量之和。即 QQ1+Q2+（2）当各泵的吸入管路大致相同，各泵排出口至排出管路交汇点距离很小时，对于在高压力下工作的往复泵，可以近似地认为：各泵的工作压力相同。即 pp1p2（3 3）泵组输出的总水力功率为同时工作各泵输出的水力功率之和。即 NN1N265（4）在管路特性一定的条件下，由于并联后总流量增加，故并联后的泵压大于每台泵在该管路下单独工作时的泵压。即 ppI，(I1，2，)泵并联工作的目的在于加大流量，因此应注意并联工作时的总压力p必须小于各泵在用缸套的极限压力。此外，各泵冲次应不超过额定值。66 目前，钻机循环系统普遍采用三缸单作用活塞式往复泵。671.三缸单作用泵的主要优点（1）缸径小、冲程短、冲次高、体积小、质量轻。（2）泵的流量均匀，压力波动小。（3）活塞单面工作，可对缸套和活塞进行冷却和润滑。（4）拆装方便，活塞杆无需密封，工作寿命长。（5）易损件少，费用低。（6）机械效率高。机械效率为90%，容积效率：使用清水时为97%，使用钻井液时为95%。682.三缸单作用泵的主要缺点（1）由于活塞线速度高，则自吸能力相对较差，容易产生吸入汽蚀现象。（2）若活塞与缸套配合之处有松动，则空气有可能进入液缸，从而导致工作不平稳，降低容积效率。3.三缸单作用泵的代号 三缸单作用钻井泵已经标准化，有统一代号。代号形式：3NB其中：3NB为三缸单作用钻井泵代号，中间框为额定输入功率代号，右边框为变型代号。例如型号：3NB-1300和SL3NB-1300A，都是三缸单作用钻井泵，其输入功率为1300hp(马力)或960kW。第二个型号中的附加符号SL是汉语拼音胜利的字头，A表示改型设计。691.动力端（1）传动轴总成。（2）曲轴总成。（3）十字头总成。2.液力端 三缸单作用泵每个液缸只有一个吸入阀和一个排出阀。其泵头形式主要有三种：（1）L形泵头。检修和维护方便，自吸能力较差。（2）I形泵头。有利于自吸，检修比较困难。（3）T形泵头。结构紧凑，漏失相对多一些。701.活塞缸套总成 活塞和缸套是易损件。2.介杆密封总成 密封件易损坏。介杆密封形式主要有两种:跟随式介杆密封装置和全浮动式介杆密封装置。3.泵阀 泵阀受到含有磨砺性颗粒液流的冲刷，会产生磨砺性磨损；阀盘滞后下落，会产生冲击性磨损。是易损件。常用的泵阀有三种：球阀、平版阀、盘状锥阀。提高泵阀寿命的方法有：保证阀隙流速不要过大；控制泵的冲次；阀体和阀座采用优质合金钢；保证正常的吸入条件；净化工作液体。714.空气包 往复泵工作过程中，由于结构和工作特点必然产生流量和压力的波动，除了使泵的效率降低，吸入性能恶化，泵和管线使用寿命缩短外，还将降低往复泵的使用效果。在钻井过程中钻井液流量和压力的波动，将降低泥浆携带岩屑的能力，甚至导致井壁坍塌和漏失。因此，为了改善往复泵的工作条件，须将压力波动降低到容许范围内，尽可能地减小因流量和压力波动而对往复泵工作造成的影响。应用空气包可大幅度降低流量和压力波动。（1）空气包的安装 目前常用的办法是在泵的吸入口和排出口处配置空气包。空气包应尽可能安装在靠近泵的液缸处，装在吸入口附近的称为吸入空气包，装在排出口附近的称为排出空气包。7273（2）空气包的工作原理 吸入空气包和排出空气包都是一个内部充以一定压力的氮气或空气的密闭容器，其基本功能是利用气体的可压缩性，随着吸入压力或排除压力的变化，自动的向泵或排出管线供给液体，或者储存一部分来自吸入管线或泵的液体，使吸入总管内或排除总管内液流均匀，惯性力减小，从而降低压力波动。排出空气包的工作原理与吸入空气包类似。在排出过程开始阶段，活塞加速，泵流量增大，大于平均流量部分进入空气包，使排出总管中的液体不至于被加速。而到排出末尾，活塞减速，泵流量减小，空气包内液体自动补充到排出管中，使排出总管内液体流速平稳。从而减小了排出总管内的惯性水头，使排出总管内的压力波动幅值降低。74图图4-144-14（3）空气包的结构形式 空气包的结构形式主要有三类：球形橡胶气囊预压式、圆筒形橡胶预压式和矩形橡胶气囊预压式。图4-14为球形橡胶气囊预压式空气包。球形空气包是目前应用较为广泛的一种预压式空气包。75（4）空气包的充气压力 空气包空气包有常压式和预压式，一般为预压式。空气包气囊内一般充入惰性气体，如淡气或空气，充气预压力的大小根据泵的工作压力而定。对于钻井泵排出空气包，充气压力一般为47MPa。5.安全阀 往复泵一般都在高压下工作，为了保证安全，在排出口处装有安全阀，以便将泵的极限控制在允许范围内。常用的安全阀有：销钉件剪切式、膜片式和弹簧式等。76 良好的钻井液净化设备，可提高钻井速度，保证井下安全，降低钻井泵易损件消耗，改善工人劳动强度，降低钻井成本，并使下套管和电测畅通无阻。77 目前，常用的钻井液净化装置有：两级净化和三级净化处理系统。钻井液振动筛是固控系统中的关键设备。自井筒中返回的钻井液首先进入振动筛中，清除掉较大的固体可颗粒。石油矿场中使用的振动筛多为多轴惯性振动筛。它主要由筛箱、筛网、隔振弹簧及激振器等组成。钻井液振动筛中最易损坏的是筛网。振动筛有：钢丝筛网、塑料筛网、带孔筛板等。常用的是不锈钢丝筛网。筛网以目表示其规格，目数即单位尺寸内的网眼数。目数越大，表示网眼越小。78 水力旋流器装在振动筛之后，用以清除钻井液中较小颗粒的固相。离心分离机主要用于回收加重钻井液中的重晶石，以及非加重钻井液的液体或化学药剂。目前，石油矿场使用的离心分离机主要有三类：转筒式离心分离机；沉淀式离心分离机；水力涡轮式离心分离机。79