帶緩沖功能鉆井泵組的結構與試驗分析

蔡金萍，劉永勤，劉紀超，王 東，葛運春，王志忠，仲林華，吳 杰

帶緩沖功能鉆井泵組的結構與試驗分析

蔡金萍1，劉永勤2，劉紀超1，王 東1，葛運春1，王志忠1，仲林華3，吳 杰4

（1.南陽二機石油裝備集團有限公司，河南 南陽，473006；2.中海油能源發展股份有限公司 油田建設工程分公司，天津300452；3.中石化華東石油工程有限公司 西部分公司，新疆 輪臺841600；4.川慶鉆探川西鉆探公司 青海項目部，青海 花土溝816400）

系統介紹了經由液力變矩器驅動的TJBZ10A型鉆井泵組和經由偶合器驅動的JBZ10N型鉆井泵組的結構特點、技術參數及廠內工業試驗情況。通過對這2種泵組試驗結果分析，得出調速型液力偶合器更適合于油田鉆井泵組的應用。

鉆井泵；變矩器；偶合器

鉆井泵組是整個鉆機的心臟部分，鉆井泵將鉆井液以一定的壓力和流量輸送進鉆具、鉆頭及環形空間，完成整個循環過程。不同井深和鉆井工藝對鉆井泵組的要求差異較大，其所用的鉆井泵是從發動機傳送的旋轉動力轉化為活塞的往復動力，利用吸入閥和排出閥的配合，不斷進行重復吸入和排出過程，使鉆井液被不斷地經排出管送向井底［1］。鉆井泵在工作過程中承受的沖擊載荷較大，因此在鉆井泵組的傳動系統中配置具有緩沖沖擊載荷的元件，將會對發動機和鉆井泵起到較好的保護作用，有助于延長鉆井泵組的可靠性能和使用壽命。液力變矩器和調速型液力偶合器反車箱是鉆井泵組中的2種重要緩沖部件，在為烏克蘭和俄羅斯生產的鉆井泵組中分別配置了這2類緩沖部件，其裝配的典型泵組型號分別為TJBZ10A和JBZ10N。

1 鉆井泵組類型與結構

1.1 TJBZ10A型泵組

TJBZ10A型鉆井泵組是將發動機、RGF1000型鉆井泵、液力變矩器［2］、封閉式鏈條箱、潤滑系統、灌注泵、吸入管匯、安全閥等安裝在1臺拖車上的拖掛鉆井泵組，其總裝圖如圖1。與其他傳統鉆井泵組相比，具有結構簡單、方便安裝、占地面積小、傳動平穩、使用壽命長、操作維護便利、移運方便等特點，并能顯著降低工人勞動強度和作業風險，符合HSE要求。

工作原理為：由CAT3512型發動機通過液力變矩器、球籠式萬向聯軸器、伊頓離合器、鏈條箱、傳動軸為鉆井泵提供動力。液力變矩器直接安裝到發動機上，通過1個熱交換器將多余的熱量傳給發動機，多余熱量隨發動機水箱一起被散熱；鏈條箱內的鏈條采用強制潤滑；泵組的管匯系統包含了吸入管匯、安全放噴管匯和高壓泥漿排出管匯。

鉆井泵組主要技術參數為：額定泵沖140 min－1、最高泵壓（?110 mm 活塞缸套）34.5 MPa、最大排量（?170 mm 活塞缸套）40.36 L／s、輸入功率735 k W（1 000 hp）。

1.2 JBZ10N型泵組

JBZ10N型泵組與TJBZ10A型泵組的結構組成類似，也以CAT3512型發動機作為動力，由氣馬達啟動，并配置消聲器裝置和具有高水溫、低油壓、飛車等特點的安全保護裝置及緊急停機裝置，柴油機配置全套直感式或本質安全型標準儀表；變速箱采用YOFJ760-2.3FDF型偶合器反車減速箱；發動機的動力輸出后，經偶合器反車減速箱通過萬向聯軸器驅動泥漿泵。由于采用偶合器反車減速箱傳遞動力，使整個傳動系統柔和、平穩、緩沖、緩振，降低了柴油機和傳動部件的沖擊，對柴油機及傳動機構也有過載保護作用，能提高柴油機和各傳動部件的壽命。鉆井泵組主要技術參數為：額定泵沖140 min－1、最高泵壓（?110 mm 活塞缸套）34.5 MPa、最大排量（?170 mm 活塞缸套）40.36 L／s、輸入功率735 k W （1 000 hp），總裝圖如圖2。

圖1 TJBZ10A型鉆井泵組

圖2 JBZ10N型鉆井泵組

2 關鍵部件性能

2.1 CAT3512型發動機

CAT3512型發動機是直噴式、增壓水冷、四沖程、12缸、170 mm缸徑、沖程191 mm的油田用柴油發動機，發動機的旋向為標準旋向（面向飛輪端為逆時針旋轉）。發動機的保護系統為液壓-機械停車保護（包括低油壓、高水溫、超速、進氣關斷），并具有顯示儀表和緊急遠程停車報警，而開關采用低油壓、高水溫連接到用戶的報警盤。采用氣啟動馬達，右側安裝，左側控制。CAT3512型發動機的額定功率是753 k W（1 025 hp），額定轉速是1 200 r／min。

2.2 C-300-100FH型液力變矩器

該變矩器采用單級設計。從原動機中吸收恒定的動力，自動持續地調節輸出轉矩和轉速來滿足載荷的需求，有利于獲得優化的整體性能，在載荷突變的情況下能保護發動機，并吸收發動機高頻振動，為整個傳動系統提供減振，這些優點都有益于延長發動機和驅動部件的使用壽命。C-300-100FH型液力變矩器的額定輸入轉速為1 200 r／min，額定輸入功率為890 k W。

2.3 YOTFJ760-2.3FDF型調速型偶合器反車箱

YOTFJ760-2.3FDF型調速型液力偶合器是一種可調節輸出轉速的液力原件，被置于原動機與工作機之間進行動力傳遞，它能使原動機空載啟動，在輸入轉速不變的情況下，能方便地使工作機實現無級調速，改變輸出功率的大小，實現節能降耗、提高經濟效益的目的［3］。

采用YOTFJ760-2.3FDF型偶合器反車箱傳遞動力可使整個傳動系統柔和平穩，緩沖緩振，降低了柴油機和傳動部件的沖擊；同時，液力傳動對柴油機及傳動機構有過載保護作用，提高了柴油機和各傳動部件的壽命。液力偶合器反車箱技術參數為：額定輸入轉速1 200 r／min、額定輸入功率1 200 k W、調速范圍0～500 r／min、偶合器滑差率≤4%、冷卻方式為風冷、減速比2.3∶1。

2.4 RGF1000型鉆井泵

由各種泵的工作特點對比表明，鉆井泵比較適合用于上述工況，且應用廣泛。其基本技術參數如下：

型式 臥式三缸單作用泥漿泵

額定輸入功率 735 k W（1 000 hp）

額定沖數 140 min－1

沖程×最大缸套直徑 254 mm×170 mm

齒輪型式 人字齒

傳動比 4.207∶1

最大排出壓力 34.5 MPa（?110缸套活塞）

最大排量 43.26 L／s

3 試驗結果及對比

根據上述設計思路組裝了TJBZ10A型鉆井泵組，于2010-11在南陽二機石油裝備集團有限公司進行了加壓試驗。試驗最初將發動機的轉速設定在1 180 r／min，此時測量RGF1000型鉆井泵的泵沖為172 min－1，遠超過RGF1000型鉆井泵的額定泵沖140 min－1，這會加劇鉆井泵的磨損；最終將發動機的初始速度定為950 r／min，可保證鉆井泵的實際泵沖不超過鉆井泵的額定泵沖。結果如表1。

表1 TJBZ10A型泵組試驗結果

續表1

該鉆井泵中鏈條箱的傳動比為1.58∶1，傳動效率為97%。鉆井泵的效率取中間值0.8，因為該泵組配有灌注系統，鉆井泵的排量系數定為0.99。

2011-05，對JBZ10N型鉆井泵組進行調速試驗和加壓試驗，結果如表2～3。

表2 JBZ10N型鉆井泵組調速試驗結果

由表2數據可知：偶合器可以使鉆井泵輸入軸轉速在0～545 r／min之間調整，并可以在0～130 min－1中任意調整鉆井泵泵沖。

表3 JBZ10N型鉆井泵組憋壓試驗結果

由表3可知，調速型偶合器反車箱最高功率效率達到83%。

2種泵組性能對比如表4。

表4 TJBZ10A型和JBZ10N型鉆井泵組性能對比

4 結語

液力變矩器在鉆井泵組中的使用能較好地緩沖傳動系統的振動沖擊，相應延長鉆井泵組的使用壽命；但TJBZ10A型鉆井泵組的泵沖由于受負載的影響，在空負荷或者負荷較低的時候，鉆井泵的泵沖將超過鉆井泵的額定泵沖，這在較大程度上會縮短活塞缸套的更換周期，增加工人的勞動量。如果鉆井工藝有泵沖要求，這種泵組很難滿足要求。

調速型偶合器反車箱在鉆井泵組中的應用中雖然緩沖沖擊的效果沒有液力變矩器的好，但能在較大程度上減少傳動系統的振動沖擊；其泵沖可以在零到設計值間任意調節，能滿足各種特殊鉆井工藝的要求；反車箱的功效遠高于液力變矩器的效率；具有移運安全、成本低、運輸模塊少、使用壽命長、維修方便、環境適應性強等特點。因此，調速型偶合器反車箱鉆井泵組更適合于油田鉆井需要。

［1］ SY／T 5138—1992，三缸單作用鉆井泵［S］.

［2］ 張惠林，李武幸，王維忠，等.柴油機與液力變矩器的參數匹配計算軟件開發［J］.石油礦場機械，2007，36（5）：54-57.

［3］ 趙國社.調速型液力偶合器的應用研究［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，山西靈石人，主要從事石油機械設計及管理工作，E-mail：cjp537＠126.com。