Устройство и принцип работы буровых насосов

Буровые насосы — циркуляционное оборудование монтируемое на буровые установки, посредством которого обеспечивается подача и откачка бурового раствора из разрабатываемой скважины. Без использования таких насосов бурение будет невыполнимым из-за массивного загрязнения скважины и постоянных обвалов ее стенок.

В данной статье рассмотрен принцип работы, устройство и технические характеристики буровых насосов. Мы изучим рынок на предмет наиболее распространенных моделей данного оборудования и представим рекомендации по его выбору.

1 Конструктивное устройство и принцип работы

Буровой насос обеспечивает подачу и циркуляцию раствора в скважине, который в свою очередь поднимает шлам (разбуриваемую породу) на ее поверхность, тем самым очищая дно забоя. В зависимости от конструктивного исполнения все агрегаты делятся на 2-ух и 3-ех поршневые. В современной буровой промышленности повсеместно эксплуатируются насосы на 3 поршня, так как они имеют значительное преимущество в производительности и равномерности напора подачи.

Типовая конструкция бурового насоса состоит из двух зафиксированных на общей раме частей — механической и гидравлической. Механическая часть состоит из таких узлов как распределительный блок, редуктор, кривошипный механизм, приводной шкив, мотор и трансмиссионный вал. Гидравлическая оснастка представлена блоком из 2-ух либо 3-ех клапанов, цилиндропоршневой группы, компенсатора давления, предохранительного клапана и блока охлаждения.

Процесс работ оборудования состоит из трех этапов:

1. От мотора к валу через трансмиссию поступает вращательное движение.
2. В механической части бурового насоса кривошипное устройство и система шатунов преобразуют вращательный момент в возвратно-поступательное движение.
3. Перемещающийся внутри цилиндра поршень создает зону пониженного давления, в которую засасывается буровой раствора, после чего повышается давление внутри подающего трубопровода, клапан подачи открывается и раствор выталкивается из цилиндра.

Схема типовой компоновки бурового насоса

Производительность современных агрегатов поршневого типа варьируется в диапазоне 50-1500 л/мин. При этом они обеспечивают равномерную подачу раствора, не зависимо от рабочего напора. Среди преимуществ поршневого оборудования — возможность работы с жидкостями повышенной вязкости, содержащими крупные механические примеси.

Помимо поршневых агрегатов, в которых вытеснитель имеет дисковидную форму, также существуют плунжерные насосы, устройство которых предусматривает наличие внешнего сальника. Такое оборудование классифицируется как насос простого действия — в течение одного вращательного оборота вала всасывание и подача рабочей среды происходит 1 раз, тогда как в поршневой технике — два раза. Ввиду меньшей производительности плунжерные агрегаты распространены крайне слабо. к меню ↑

Буровые насосы применяются в сфере нефтегазодобывающей промышленности и строительстве (бурение скважин под сваи, укрепление рельефа), что предполагает их использование в достаточно жестких условиях эксплуатации. Основным нормативным стандартом, в котором приведены требования к данному оборудованию, является ГОСТ №6031-81, согласно которому насос должен соответствовать следующим критериям:

• быть надежным и долговечным, безопасным в работе на предельных нагрузках;
• иметь возможность установки с левым и правым расположением двигателя;
• конструкция должна быть сборной, что облегчает транспортировку крупногабаритного оборудования на большие расстояния;
• давление подачи жидкости должно регулироваться в широком диапазоне, но при этом крайне важным является сохранение одинакового напора жидкости при любом объеме подачи, так как пульсации значительно усложняют бурение, являясь причиной обвала стенок скважины;
• обязательно наличие на всасывающем и подающем патрубке механических фильтром, удаляющих из раствора особо крупные механические примеси;
• все узлы агрегата, взаимодействующие с подающимся с раствором, должны быть износоустойчивыми, также необходима возможность оперативной замены вышедших из строя деталей.

Отметим, что наиболее подверженной износу частью конструкции является клапан бурового насоса, основная задача которого — ограничение пространства рабочего цилиндра от зоны всасывания жидкости либо ее подачи, что обеспечивает одностороннее движение перекачиваемого потока. Это один из ключевых узлов конструкции, износ которого сказывается на общей работоспособности оборудования.

2 Обзор распространенных моделей

Основными производителями оборудования данного класса в России являются компании «УралМаш» и «НефТехМаш» . Среди распространенных моделей насосных установок выделим:

• НБ 50;
• УНБТ-950;
• F-1300.

Рассмотрим каждый из представленных агрегатов подробнее. к меню ↑

НБ-50 является двухцилиндровым оборудованием горизонтального типа. Агрегат ориентирован на эксплуатацию в разведочном и структурно-поисковом бурении нефтегазовых скважин. Также данная модель широко используется для работы с неагрессивными жидкостями в сфере пищевой и химической промышленности.

Характерной особенностью НБ-50 является наличие встроенного компенсатора давления, обеспечивающего отсутствие проблем с перепадами напора. Это надежное, выносливое и простое в обслуживании оборудование, обладающее неплохими техническими характеристиками:

• мощность — 50 кВт;
• ход поршня — 160 мм;
• количество ходов в минуту — 105 шт;
• высота всасывания — 3 м;
• диаметры патрубков: подачи — 50 мм, всасывания — 113 мм.

Стоимость данной модели на вторичном рынке начинается с 250 тыс. рублей. к меню ↑

F1300 — крупногабаритный трехцилиндровый агрегат с увеличенной длиной хода, отличающийся повышенной мощностью всасывания и подачи. Насос был разработан американской компанией LTV более 20 лет назад, по патентам которой ведется его производство в России.

Среди конструктивных особенностей данной модели выделим использование шевронной зубчатой передачи, оснастку литым коленчатым валом из легированной стали, а также наличие встроенного подъемного устройства для удобной замены вкладышей рамы. Благодаря эффективной системе смазки F1300 может эксплуатироваться в условиях непрерывной работы, при этом устройство агрегата предполагает комбинирование двух систем смазки — принудительной и смазки разбрызгиванием.

Рассмотрим технические характеристики данной модели:

• мощность — 970 кВт;
• ход поршня — 304.5 мм;
• количество ходов в минуту — 120 шт;
• высота всасывания — 9 м;
• диаметры патрубков: подачи — 102 мм, всасывания — 203 мм.

Также отметим буровой насос F1600 — модернизированную версию модели F1300. В нем мощность привода увеличена до 1194 кВт, патрубок всасывания расширен до 304.8 м, патрубок подачи — до 127 мм, что в целом обеспечивает на 20-30% большую производительность установки. к меню ↑

Как и агрегаты серии F, насос УНБТ-950 предназначен для эксплуатации на глубоких нефтегазодобывающих скважинах. Это трехпоршневое устройство одностороннего действия с принудительной системой смазки — масло подается непосредственно в картер, за его перекачку отвечает вспомогательный шестеренный насос.

УНБТ-950 разработан советскими инженерами в 1981 году, на его основе за 30 лет эксплуатации было произведено множество модификаций — НБТ-1000, НБТ-750, НБТ 600 и НБТ 475. Данная модель обладает неплохими и по меркам современных аналогов характеристиками:

• мощность — 1000 кВт;
• ход поршня — 290 мм;
• количество ходов в минуту — 120 шт;
• высота всасывания — 7 м;
• диаметры патрубков: подачи — 95 мм, всасывания — 200 мм.

На вторичном рынке УНБТ-950 в хорошем состоянии можно купить за 3-3.4 млн рублей.

Существует три основных группы критериев, которые необходимо учитывать при выборе насосного оборудования для бурения:

1. Конструктивные и технологические требования к агрегату;
2. Характеристики перекачиваемого раствора (вязкость, густота, содержание твердых частиц);
3. Требуемые расчетные параметры.

К перечню расчетных параметров относятся такие характеристики как производительность агрегата (объем подачи — Q), напор (Н) и потребляемая мощность привода.

Расход для любых насосов поршневого типа можно высчитать по формуле Q = S*D*k*kv, где:

• S — площадь поперечного сечения поршня;
• D — длина хода поршня;
• k — скорость вращения вала (об/мин);
• kv — коэфф. полезного действия.

Напор агрегата определяется по формуле: H = (d1-d2)/(f*g)+V+p, в которой: