带缓冲功能钻井泵组的结构与试验分析

蔡金萍，刘永勤，刘纪超，王 东，葛运春，王志忠，仲林华，吴 杰

带缓冲功能钻井泵组的结构与试验分析

蔡金萍1，刘永勤2，刘纪超1，王 东1，葛运春1，王志忠1，仲林华3，吴 杰4

（1.南阳二机石油装备集团有限公司，河南 南阳，473006；2.中海油能源发展股份有限公司 油田建设工程分公司，天津300452；3.中石化华东石油工程有限公司 西部分公司，新疆 轮台841600；4.川庆钻探川西钻探公司 青海项目部，青海 花土沟816400）

系统介绍了经由液力变矩器驱动的TJBZ10A型钻井泵组和经由偶合器驱动的JBZ10N型钻井泵组的结构特点、技术参数及厂内工业试验情况。通过对这2种泵组试验结果分析，得出调速型液力偶合器更适合于油田钻井泵组的应用。

钻井泵；变矩器；偶合器

钻井泵组是整个钻机的心脏部分，钻井泵将钻井液以一定的压力和流量输送进钻具、钻头及环形空间，完成整个循环过程。不同井深和钻井工艺对钻井泵组的要求差异较大，其所用的钻井泵是从发动机传送的旋转动力转化为活塞的往复动力，利用吸入阀和排出阀的配合，不断进行重复吸入和排出过程，使钻井液被不断地经排出管送向井底［1］。钻井泵在工作过程中承受的冲击载荷较大，因此在钻井泵组的传动系统中配置具有缓冲冲击载荷的元件，将会对发动机和钻井泵起到较好的保护作用，有助于延长钻井泵组的可靠性能和使用寿命。液力变矩器和调速型液力偶合器反车箱是钻井泵组中的2种重要缓冲部件，在为乌克兰和俄罗斯生产的钻井泵组中分别配置了这2类缓冲部件，其装配的典型泵组型号分别为TJBZ10A和JBZ10N。

1 钻井泵组类型与结构

1.1 TJBZ10A型泵组

TJBZ10A型钻井泵组是将发动机、RGF1000型钻井泵、液力变矩器［2］、封闭式链条箱、润滑系统、灌注泵、吸入管汇、安全阀等安装在1台拖车上的拖挂钻井泵组，其总装图如图1。与其他传统钻井泵组相比，具有结构简单、方便安装、占地面积小、传动平稳、使用寿命长、操作维护便利、移运方便等特点，并能显著降低工人劳动强度和作业风险，符合HSE要求。

工作原理为：由CAT3512型发动机通过液力变矩器、球笼式万向联轴器、伊顿离合器、链条箱、传动轴为钻井泵提供动力。液力变矩器直接安装到发动机上，通过1个热交换器将多余的热量传给发动机，多余热量随发动机水箱一起被散热；链条箱内的链条采用强制润滑；泵组的管汇系统包含了吸入管汇、安全放喷管汇和高压泥浆排出管汇。

钻井泵组主要技术参数为：额定泵冲140 min－1、最高泵压（ø110 mm 活塞缸套）34.5 MPa、最大排量（ø170 mm 活塞缸套）40.36 L／s、输入功率735 k W（1 000 hp）。

1.2 JBZ10N型泵组

JBZ10N型泵组与TJBZ10A型泵组的结构组成类似，也以CAT3512型发动机作为动力，由气马达启动，并配置消声器装置和具有高水温、低油压、飞车等特点的安全保护装置及紧急停机装置，柴油机配置全套直感式或本质安全型标准仪表；变速箱采用YOFJ760-2.3FDF型偶合器反车减速箱；发动机的动力输出后，经偶合器反车减速箱通过万向联轴器驱动泥浆泵。由于采用偶合器反车减速箱传递动力，使整个传动系统柔和、平稳、缓冲、缓振，降低了柴油机和传动部件的冲击，对柴油机及传动机构也有过载保护作用，能提高柴油机和各传动部件的寿命。钻井泵组主要技术参数为：额定泵冲140 min－1、最高泵压（ø110 mm 活塞缸套）34.5 MPa、最大排量（ø170 mm 活塞缸套）40.36 L／s、输入功率735 k W （1 000 hp），总装图如图2。

图1 TJBZ10A型钻井泵组

图2 JBZ10N型钻井泵组

2 关键部件性能

2.1 CAT3512型发动机

CAT3512型发动机是直喷式、增压水冷、四冲程、12缸、170 mm缸径、冲程191 mm的油田用柴油发动机，发动机的旋向为标准旋向（面向飞轮端为逆时针旋转）。发动机的保护系统为液压-机械停车保护（包括低油压、高水温、超速、进气关断），并具有显示仪表和紧急远程停车报警，而开关采用低油压、高水温连接到用户的报警盘。采用气启动马达，右侧安装，左侧控制。CAT3512型发动机的额定功率是753 k W（1 025 hp），额定转速是1 200 r／min。

2.2 C-300-100FH型液力变矩器

该变矩器采用单级设计。从原动机中吸收恒定的动力，自动持续地调节输出转矩和转速来满足载荷的需求，有利于获得优化的整体性能，在载荷突变的情况下能保护发动机，并吸收发动机高频振动，为整个传动系统提供减振，这些优点都有益于延长发动机和驱动部件的使用寿命。C-300-100FH型液力变矩器的额定输入转速为1 200 r／min，额定输入功率为890 k W。

2.3 YOTFJ760-2.3FDF型调速型偶合器反车箱

YOTFJ760-2.3FDF型调速型液力偶合器是一种可调节输出转速的液力原件，被置于原动机与工作机之间进行动力传递，它能使原动机空载启动，在输入转速不变的情况下，能方便地使工作机实现无级调速，改变输出功率的大小，实现节能降耗、提高经济效益的目的［3］。

采用YOTFJ760-2.3FDF型偶合器反车箱传递动力可使整个传动系统柔和平稳，缓冲缓振，降低了柴油机和传动部件的冲击；同时，液力传动对柴油机及传动机构有过载保护作用，提高了柴油机和各传动部件的寿命。液力偶合器反车箱技术参数为：额定输入转速1 200 r／min、额定输入功率1 200 k W、调速范围0～500 r／min、偶合器滑差率≤4%、冷却方式为风冷、减速比2.3∶1。

2.4 RGF1000型钻井泵

由各种泵的工作特点对比表明，钻井泵比较适合用于上述工况，且应用广泛。其基本技术参数如下：

型式 卧式三缸单作用泥浆泵

额定输入功率 735 k W（1 000 hp）

额定冲数 140 min－1

冲程×最大缸套直径 254 mm×170 mm

齿轮型式 人字齿

传动比 4.207∶1

最大排出压力 34.5 MPa（ø110缸套活塞）

最大排量 43.26 L／s

3 试验结果及对比

根据上述设计思路组装了TJBZ10A型钻井泵组，于2010-11在南阳二机石油装备集团有限公司进行了加压试验。试验最初将发动机的转速设定在1 180 r／min，此时测量RGF1000型钻井泵的泵冲为172 min－1，远超过RGF1000型钻井泵的额定泵冲140 min－1，这会加剧钻井泵的磨损；最终将发动机的初始速度定为950 r／min，可保证钻井泵的实际泵冲不超过钻井泵的额定泵冲。结果如表1。

表1 TJBZ10A型泵组试验结果

续表1

该钻井泵中链条箱的传动比为1.58∶1，传动效率为97%。钻井泵的效率取中间值0.8，因为该泵组配有灌注系统，钻井泵的排量系数定为0.99。

2011-05，对JBZ10N型钻井泵组进行调速试验和加压试验，结果如表2～3。

表2 JBZ10N型钻井泵组调速试验结果

由表2数据可知：偶合器可以使钻井泵输入轴转速在0～545 r／min之间调整，并可以在0～130 min－1中任意调整钻井泵泵冲。

表3 JBZ10N型钻井泵组憋压试验结果

由表3可知，调速型偶合器反车箱最高功率效率达到83%。

2种泵组性能对比如表4。

表4 TJBZ10A型和JBZ10N型钻井泵组性能对比

4 结语

液力变矩器在钻井泵组中的使用能较好地缓冲传动系统的振动冲击，相应延长钻井泵组的使用寿命；但TJBZ10A型钻井泵组的泵冲由于受负载的影响，在空负荷或者负荷较低的时候，钻井泵的泵冲将超过钻井泵的额定泵冲，这在较大程度上会缩短活塞缸套的更换周期，增加工人的劳动量。如果钻井工艺有泵冲要求，这种泵组很难满足要求。

调速型偶合器反车箱在钻井泵组中的应用中虽然缓冲冲击的效果没有液力变矩器的好，但能在较大程度上减少传动系统的振动冲击；其泵冲可以在零到设计值间任意调节，能满足各种特殊钻井工艺的要求；反车箱的功效远高于液力变矩器的效率；具有移运安全、成本低、运输模块少、使用寿命长、维修方便、环境适应性强等特点。因此，调速型偶合器反车箱钻井泵组更适合于油田钻井需要。

［1］ SY／T 5138—1992，三缸单作用钻井泵［S］.

［2］ 张惠林，李武幸，王维忠，等.柴油机与液力变矩器的参数匹配计算软件开发［J］.石油矿场机械，2007，36（5）：54-57.

［3］ 赵国社.调速型液力偶合器的应用研究［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，山西灵石人，主要从事石油机械设计及管理工作，E-mail：cjp537＠126.com。