(長江大學工程技術學院機械系,湖北 荊州434023)
池勝高(江漢石油管理局第四機械廠,湖北 荊州434020)
鉆井過程中,在井眼內下入一層套管,并在套管與井壁的環形空間里灌注水泥漿進行封固稱為固井。灌注水泥漿是通過固井水泥車上的高壓柱塞泵等設備來完成的[1-2]。為了能將高壓和極低流速的液體送至泵的吸入管匯,保證泵液充足供應,并保持足夠高的液體流速使固體懸浮在液體泥漿內,避免有害的氣穴影響,確保柱塞泵無故障運行,必須配備一個好的增壓系統。增壓系統主要由初級吸入管、增壓泵/混合泵、次級吸入管、吸入壓力緩沖器、增壓壓力表組成。設計時應嚴格遵循各項技術規范。
下面,筆者以SGJ600-300型水泥車上SJ600S柱塞泵為例,探討了柱塞泵對增壓系統的設計要求。
在這些初級吸入管道內流動的液體僅受液體重力或大氣壓的作用,從液罐開始流動。它們一般是軟管或鋼管,接在液罐和增壓泵(灌注泵)或混合泵之間。其流速(柱塞泵最大流量時)不得超過4ft/s(1ft=0.3048m),以便使液體在自重和大氣壓下作用下能自由流動。其他的要求為:
1)軟管必須能防油、防化學腐蝕,為鋼芯編織。真空/排除軟管標定容量為30inHg/60psi(最?。?psi=6894.757Pa)。
2)如果使用鋼管,必須安裝管道導軌使這些管道水平或逐漸升高通向柱塞泵,以防止氣穴現象。為了防止氣穴,應使用偏心式異徑接頭并安裝成 “凸部下置”。所有的焊接接頭必須不漏氣和水。
3)系統的這部分管道應該盡可能的短(10ft或更短),應避免過多的轉彎。
一些油井作業需要2個離心泵,一個用來混合泥漿,另一個用來增壓柱塞泵。當使用2個離心泵時,必須符合以下要求:
1)當柱塞泵的吸入口保持30psi(69ft水柱)壓力時,必須能輸送柱塞泵最大流量的流體。
2)選用合適內徑的管道,以克服離心泵排出管和柱塞泵吸入口管道的沿程損失。
3)在大于15%效率的范圍內,必須能以一定的速度輸送所需的液體,保證柱塞泵所需的足夠液體加速度。
4)足夠的動力來輸送一定體積、壓力和比重液體或泥漿。
將液體從離心泵的排放口運送到系統另一端的管道稱為次級吸入管。這些管道安裝在增壓泵和柱塞泵吸入口之間,或者安裝在混合泵的排出口和混漿池入口之間。柱塞泵工作時,系統這部分液體的流速變化范圍應該在8~12ft/s。其他要求和對初級吸入管的要求相同。
由于柱塞泵為容積式泵,所以當液體停止和啟動時,每個吸入閥的下面會產生液體沖擊。如果不緩沖壓力,因液體沖擊而產生的壓力的變化會減小灌注泵的效率。當所有吸入閥開啟時,吸入壓力緩沖器有助于確保液體的加速度,有助于防止氣穴現象的發生,這樣會使泵的工作更加平穩。使用吸入壓力緩沖器的要求為:
1)吸入壓力緩沖器為氣囊型緩沖器,應該充入氮氣,最小壓力為100psi。
2)吸入壓力緩沖器應該安裝在液體通道的上游,以便液體內的固體不能沉積和堵塞氣囊。
3)為了獲得更高的效率,安裝應該盡可能靠近柱塞泵的吸入口。
4)按照制造商的推薦預先充氣(通常30%~40%預充壓力)。
系統中應一直裝有一個增壓壓力表。對它的要求是:
1)應該是一個充液的壓力為0~100psi的壓力表。
2)為了獲得最大的精確,應該將它安裝在離柱塞泵吸入口盡可能近的地方。
1)已知流量和管子的內壁橫截面積,計算流速:
2)已知所要求的流速和管子的內壁橫截面積,計算要保證這一流速的最大流量:
1)柱塞泵吸入口推薦的增壓壓力:最小為30psi(69ft水柱),最大為80psi(185ft水柱)。注意:增壓壓力必須大于泵送液體的蒸汽壓力。
2)在系統的 “自流部分”中,最大流速為4ft/s,所需要的4in吸入軟管數量分別為1、2、3、4、5;所需要的鋼管的內徑尺寸分別為4、5、6、8、10in。
3)在系統的 “加壓”部分中,最大流速為12ft/s,所需要的4in吸入軟管數量分別為1、2;所需要的鋼管的內徑尺寸分別為3、4、5in。
[1]秦玉磊,張連凱.軸向斜柱塞泵流量脈動理論建模與仿真研究 [J].石油和化工設備,2009(4):1641-1644.
[2]張國友.用于固井和酸化壓裂的TWS600S三缸柱塞泵 [J].石油機械,2004,32(9):55-56.