技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于
流体力学的钻井泵流场分析方法。
背景技术
[0002] 随着钻采深度的增加,对钻机以及与其相配套的其它设备要求越来越高。目前国内外钻井泵结构按高压吸入
阀与排出阀的
位置可以划分为三种:一是吸入阀与排出阀都安装在阀箱内,且两阀处于同一轴线上,与
缸套的轴线垂直。此类阀箱叫I型。二是一阀安装在阀箱内,一阀安装在阀箱外,且两阀与缸套的轴线垂直。此类阀箱叫L型。三是吸入阀与排出阀安装位置的轴线相互垂直,且吸入阀与缸套处于同一轴线上,构成T字型液流通道。
[0003] 往复泵在石油工业中的应用很广泛,石油矿场上常需要在高压下输送高
粘度、大比重和高含沙量的液体,而流量相对不大,从各种泵的工作特点对比中表明,往复泵比较适用于这种情况。往复泵在钻井时用作循环泥浆和注入固井
水泥。在采油时,用作
原油输送、洗井、注水及地
层压裂。抽油设备中的深井泵也是一种特殊结构的往复泵。所以,往复泵是石油通用的和关键的设备之一。
[0004] 根据泵的结构特征和作用的不同,可分为三个基本类型。(1)
容积式泵:依靠包容液体的密封
工作空间周期性的变化,把
能量周期性地传递给液体,使液体的压力增加到将液体强行排出。(2)
叶轮式泵:依靠旋转的叶轮对液体的动力作用,把能量连续地传递给液体,使液体的速度能和压力能的能量增加,随后通过压出室将大部分速度能转换为压力能。(3)其他类型泵。
[0005] 利用钻井泵钻井已有100多年的历史。在这100多年中钻井泵不断改进不断发展。钻井泵的发展历史以1901年美国德克萨斯州的Spindletop钻出的336m深的有商业价值的石油井为起点。这也是近代油气井旋转钻井史的起点。当时,钻井使用的钻井泵是双缸双作用
活塞式
蒸汽泵,泵压为17.3×105Pa。这种泵不是专
门为泥浆泵设计的,而是一般的供水泵。
[0006] 1917年生产的蒸汽泵已经是专门设计的钻井泵了。这种泵的泵头即是今天双缸双作用钻井泵
液力端的雏型。其主要不同之点在于当时的泵阀还是平板阀。这种泵一直使用到30年代。
[0007] 蒸汽泵的动力来自
锅炉产生的蒸汽。但在矿场,锅炉的使用和运输都不方便。因此,蒸汽钻井泵逐渐被
内燃机驱动的机动泵所代替。在二十世纪三十年代中最大的双缸双作用机动泵为1926年生产的。其活塞直径为170mm,冲程为457mm,功率为110-147Kw,最高泵压可达(100-125)×105Pa。这种泵的设计和现在的双缸双作用泵已经相当接近了。其液力端已经使用了锥形阀,传动端内有斜齿的减速
齿轮、偏
心轴、
连杆和十字头,采用了密闭的飞溅润滑,液力端排出管装有空气包。但
连杆大端还使用
滑动轴承。
[0008] 到30年代中期,由于泵的
载荷越来越大,钻井泵才采用了全
滚动轴承设计。但当时没有大直径的滚动轴承,所以
主轴多采用悬臂式
曲拐轴方案,连杆大端的滚动
轴承内圈定在曲拐销上。
[0009] 随着钻井井深的增加和
套管层次的增多,对钻井泵的
排量和泵压提出了愈来愈高的要求。二战后,泥浆性能有所改进,同时开展了喷射钻井技术的研究和发展工作。这时钻井作业者主要要求提高泵压。从40年代末到50年代中期,喷射钻井的研究和实践提出了150-210×105Pa的泵压要求。40年代末钻井泵的功率,达到了600Kw。同时,大部分公司把泵的最大冲程长度降回到457mm(18in)。
[0010] 50年代双缸泵随着泵功率的急剧加大,泵的重量和外形尺寸也随之增加。为减轻泵重,当时在双缸泵的设计上较大的改进是以
钢代
铁和减小泵宽。以钢代铁是用钢板
焊接的
泵壳,并将一些零件改用优质
合金制造;减小泵宽是应用大直径的滚动轴承作连杆大端支承,拚弃悬臂曲拐轴的方案而采用两端简支的偏心轮轴设计。这样,两缸中心距明显缩小。
[0011] 60年代初,急需设计和制造一种泵压能适应喷射钻井工艺要求,同时体积小、重量轻,能满足当时海洋、沙漠钻井的安装运输条件的钻井泵。各公司都作了大量的研究工作。其中目标比较集中的是将用于固井压裂的三缸
柱塞泵改型为钻井泵,因为它正好能满足上述要求。在研制的开始阶段,问题仍然发生在机械能转换为液体压力能的为边界面上——在泥浆介质中柱塞及柱塞密封的寿命过低。在这时,一组“单作用活塞-敞口缸套-喷淋水”的设计起了关键的作用。它使钻井泵史上代表一个新时代——三缸单作用活塞式钻井泵的诞生。与双缸双作用泵相比,三缸单作用泵具有体积小、重量轻、效率高、流量均匀、压力
波动小以及拆装维修方便;由于三缸单作用泵,
曲柄互成120°,
动力端受力均匀。排量系数为0.141,小于双缸和四缸单作用泵,排量均匀,并且有结构简单等优点。在广泛的应用中显示出良好的经济效益,已经在国内外的深井钻进中逐渐取代双缸双作用泵。
[0012] 经过30年代至80年代几十年的发展,国内生产的钻井泵与国外同为卧式三缸单作用往复式
活塞泵,基本参数和结构与美国National Oilwell公司相近。泵的产品系列为500HP、800HP、1000HP、1300HP、1600HP、2000HP,其中1600HP钻井泵是目前国内钻井泵中功率最大的一种泵型。主要生产厂家有兰石国民油井设备有限公司(以下简称“兰石”)、宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称“
宝石”)、益都石油机械厂等。90年代国内兰石和宝石生产钻井泵的整体技术水平与美国National Oilwell公司很接近,但大功率的2200HP钻井泵目前在国内仍为空白。国产泵在结构和技术参数、制造
质量等方面均存在各自的优缺点。其中,宝石厂生产的F系列泵的优点是结构和技术参数较先进合理,与美国Emsco公司相近,制造工艺先进,质量较好。兰石泵的优点是液力端密封可靠性较高,寿命较长,在油田使用效果较好;缺点是动力端结构繁复。21世纪初期我国钻井泵的研究已经取得了很大的进展,现已开发出F-2200HL钻井泵,产品远销加拿大等国。总体上我国目前仍然存在钻井泵
阀体、活塞等易损件寿命低的问题,对于液压钻井泵还需要加大开发力度。
发明内容
[0013] 本发明的目的在于克服上述
现有技术的缺点和不足,提供一种基于流体力学的钻井泵流场分析方法,该基于流体力学的钻井泵流场分析方法通过运用流体力学,能快速的对钻井泵流场进行分析,且分析结果准确,分析步骤简单,大大降低了分析成本。
[0014] 本发明的目的通过下述技术方案实现:基于流体力学的钻井泵流场分析方法,包括以下步骤:
[0015] (a)首先,建立控制方程;
[0016] (b)然后,确定初始条件及边界条件;
[0017] (c)建立离散方程;
[0018] (d)离散初始条件及边界条件;
[0019] (e)给定求解控制参数;
[0020] (f)求解离散方程;
[0021] (g)求解是否收敛;
[0022] (h)分析处结果,并输出结果。
[0023] 所述步骤(c)中,通过Reynolds平均法建立离散方程。
[0024] 所述步骤(g)中,如结果收敛,即进入步骤(h)。
[0025] 所述步骤(g)中,如结果不收敛,即返回步骤(c)。
[0026] 综上所述,本发明的有益效果是:通过运用流体力学,能快速的对钻井泵流场进行分析,且分析结果准确,分析步骤简单,大大降低了分析成本。
附图说明
[0027] 图1为本发明所用的设备的结构示意图。
具体实施方式
[0028] 下面结合
实施例,对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不仅限于此。
[0029] 实施例:
[0030] 本发明涉及的基于流体力学的钻井泵流场分析方法,包括以下步骤:
[0031] (a)首先,建立控制方程;
[0032] (b)然后,确定初始条件及边界条件;
[0033] (c)建立离散方程;
[0034] (d)离散初始条件及边界条件;
[0035] (e)给定求解控制参数;
[0036] (f)求解离散方程;
[0037] (g)求解是否收敛;
[0038] (h)分析处结果,并输出结果。
[0039] 所述步骤(c)中,通过Reynolds平均法建立离散方程。
[0040] 所述步骤(g)中,如结果收敛,即进入步骤(h)。
[0041] 所述步骤(g)中,如结果不收敛,即返回步骤(c)。
[0042] 综上可知:上述方法通过运用流体力学,能快速的对钻井泵流场进行分析,且分析结果准确,分析步骤简单,大大降低了分析成本。
[0043] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质,对以上实施例所作的任何简单
修改、等同变化,均落入本发明的保护范围之内。