直线电机钻井泵的研究

xiongbiao2008

摘要：  通过对三缸单作用机械往复泵的工作机构及工作原理的分析结合直线电机的往复运动特点，并根据钻井实际中对泥浆的排量，泵压等的不同要求情况下，设计了一种新型的基于直线电机为动力的双向液力端钻井泵系统。

关键词：钻井泵  直线电机  外壳和定子线圈  动子轴  电磁旋转装置  双液力端  旋转翼  前后双活塞  2次密封作用  缸套磨损后跟进密封  注油润滑   螺栓顶紧    橡胶后膨胀变形        

0  引言

     随着当今钻井工艺技术，特别是高压喷射钻井，近平衡钻井，丛式定向井，水平井等新工艺，新技术的发展，钻井泵进一步向大功率，大排量和高泵压方向推进，钻井泵作为钻机的“心脏”，在工作条件十分恶劣，工况异常复杂的情况下，对其性能水平和使用寿命，可靠性和安全性的要求也越来越高。多年来的钻井实践证实，只有卧式活塞泵才能满足钻井工艺的需要。近年来虽然也相继研制出5缸，7缸斜盘型轴向柱塞泵，双缸单作用液压钻井泵等新型钻井泵，但由于使用寿命和维修不便等因素限制了其推广发展，所以目前国内外钻井泵的主要型式仍为三缸单作用机械往复泵。

但是三缸单作用机械往复泵仍存在着质量大，由于结构不合理部

分强度冗余，部分刚度不足，可靠性低。钻井泵在不合适的冲次范围内工作，从而致使液力端寿命短。冲程短，冲次高，缸套和活塞，凡尔体和凡尔座的寿命短，需要频繁更换的许多缺点，难以满足钻机高效率要求，近年来随着直线电机的设计研发的成功，因此在这基础上，设计了直线电机钻井泵。

1 总体方案

   由于野外作业以及道路运输对尺寸的限制，外形采用撬装式，满足道路和井场的要求，以便运移搬迁的灵活方便。

   外形尺寸为最大标准集装箱尺寸，加装保温外壳后为（13000  3300   3000）mm。 泵组设备系统分为动力端和液力端，设备的动力端由3台直线电机组成，整体封装在外壳内，更换安装只需单独吊装单个电机，方便快捷。液力端6缸前后设置，可单独拆卸安装。以求一部设备系统就可满足钻井中对压力，排量的要求。

1.1  总体结构

整机由动力端和液力端两大部分组成。动力端为直线电机，一轴双动，与轴同心并置双液力端。液力端结构为液缸，活塞，泵阀，液缸以及包容它们的缸体，再加上液体的引入，排出管汇，安全阀等附件。

1.2  工作原理

动力端直线电机的动子轴通电后可做前后运动，带动液力端的活塞连杆作前后运动，当活塞在活塞连杆的带动下下行，钻井液在大气压的作用下，推开吸入阀，进入缸内，直到活塞到最底端完成钻井液的吸入过程。当活塞前行，钻井液在缸内受到挤压，吸入阀在弹簧的作用下关闭，当压力升高时排出阀被打开，钻井液被活塞推出，经由排出阀和排出管排出，完成排出过程。

1.3主要技术参数

额定功率KW      2400  

额定冲次(spm)  100

冲程长度(MM)  600

吸入管径(MM)  305

排出管径(MM)  130

阀  8#

缸套(MM)  140-190

外形尺寸(长 宽 高 MM)  13000  3300   3000

电机外形尺寸(长 宽高 MM)  11000   1000  2000

单电机功率KW     800

总重量(KG)   30000

各部件严格按照美国石油学会api7k标准制造

1.4  性能特点

该泵组克服了三缸单作用机械往复泵的缺点与不足，由于是双液力端，其整机性能达到现有两台1600三缸单作用机械往复泵的工作水平，同时尽量满足客户的个性化需求。主要特点如下；

（1） 重量可控，适应现代钻机的要求，可移动性好。

（2） 六个缸轮流工作，三个压力波重叠，泵压波动小，无需安装空气包， 结构合理，可多组系统并置，有高可靠性，维修更换方便。

（3）  通过对电流，电压的调节能方便地控制排量泵压的大小，随时满足钻井对排量，泵压的要求，满足钻井工艺的需要。

（4）  冲程长，冲次低。钻井泵在合适的冲次范围内工作。

（5）  缸套和新型活塞系统，新型凡尔体和凡尔座之间的寿命长，克服频繁更换的缺点，能满足钻机高效率的要求。

（6） 采用标准集装箱尺寸，可加装保温外壳可在低温环境下工作。

（7） 动力端直线电机采用智能电液联合控制，系统同时具备监控，预警，及故障诊断工作，确保各部件协调，稳定，安全的工作。   

2            主要部件结构及特点

2.1 直线电机

电机与mcc软启动装置， plc及各种按钮，开关主令和电位计，冷却风机，空间加热器等组装为一长方体，便于整体更换。直线电机采用圆筒形3相永磁同步直线电机，直线电机的启动，换向，调速，停止，制动由变频控制系统控制。电机设有防碰及旋转装置，动子轴在运动到前后死点某一距离时，位于轴端的电磁线圈通电，所产生的磁场同性，互相排斥产生止推力，阻止动子轴向壳体靠近，并且前后轴端的电磁旋转装置的电磁线圈错位安装，同时产生绕轴心的旋转力，使动子轴旋转，带动活塞在缸套中旋转，避免活塞在缸套中同一位置磨损，延长了活塞和缸套的使用寿命。

即电磁旋转装置可同时产生两个方向不同的力，与动子轴同一圆心的推力和绕轴心的旋转力。

                                    直线电机剖视图

                                电磁装置剖视图

外壳1   动力端2   液力端3  直线往复电机4    动子轴5     活塞缸6   阀箱7  活塞8    缸套9   进液口10  出液口11    抽吸口12  出液单向阀13   进液单向阀14    凡尔阀座15  凡尔阀体16   壳体17  永磁体18   电磁旋转装置19、20、21和22   圆盘23  电磁线圈24  密封圈25    旋转翼26    环形压板27    线圈28   

2.2液力端

液力端的阀箱内两侧的单向阀的阀座与阀箱体接触的端面上设置有密封圈和压板，防止压力从阀座与阀箱体的接触面刺漏。

阀箱内两侧的单向阀的阀体下端设置有旋转翼，受单向阀进液口液体流动压力的冲击，使阀体在上下运动的同时也绕轴心旋转，避免阀体和阀座之间在同一位置长时间碰撞磨损，从而延长使用寿命。阀箱内两侧的单向阀的阀座与阀箱体接触的端面上设置有密封圈和压板，防止压力从阀座与阀箱体的接触面刺漏。

                                  阀箱剖视图

2.3            活塞系统

活塞图

活塞图剖视图

活塞杆1  挡圈2  活塞3  活塞 4   缸套 5  活塞芯  6密封橡胶圈7  前压板8  螺母9   油道10  活塞芯11  橡胶圈12   密封圈13  密封钢圈14  顶紧螺栓15  硬质耐磨板16硬质垫板17   0型弹簧钢片圈18   储油室19   单流阀20

该活塞系统由前后双活塞组成，同心装在同一活塞连杆上，同传统活塞相比该活塞具有以下优点：

    ①前部活塞在弹簧钢片圈的支撑作用下，能很好的与与缸套构成密封副，弹簧钢片圈的弹性密封能长时间满足皮碗与缸套相互磨损，当磨损后皮碗的橡胶体积变小时，弹簧钢片圈的弹性能使皮碗的橡胶跟进膨胀从而紧贴缸套，形成缸套磨损后跟进密封，形成第一次密封。              

②后部活塞的皮碗的橡胶比缸套内径略小，套装在前部活塞之后，正常不起密封作用；当前部活塞长时间磨损，彻底失效后，通过上紧后部活塞上的顶进螺栓，使其向前顶紧顶紧钢圈，顶紧钢圈推动橡胶皮碗向前行，受阻产生膨胀变形，使活塞与缸套构成密封，起到2次密封作用， 延长活塞了缸套的使用寿命；

③前部活塞与后部活塞之间的铁芯与缸套之间的空隙中可储存润滑油，起到润滑橡胶皮碗与缸套的作用。减小橡胶磨损量，增加活塞与缸套的使用寿命；

④只要后部活塞的皮碗的橡胶有足够容量，就能够重复多次挤压，多次起密封作用，从而增加和延长了缸套的使用寿命。

⑤后部活塞的2次使用，可防止前部活塞挤伤后形成的挤伤失效，在前部活塞失效后代替其起密封作用。

3结束语

该型钻井泵采用直线电机作动力源，摒弃了传统的机械传动，简化了钻井泵的零件配置，与传统机械泵比有着重量可控，适应现代钻机的要求，可移动性好， 结构合理，可多组系统并置，有利于钻井设备的搬迁和布置，钻机有高可靠性，维修更换方便。通过对电流，电压的调节能方便地控制排量泵压的大小，各种信号能随时反馈到司钻操作房，并能及时予以调整，随时满足钻井的要求，满足钻井工艺的需要。 缸套和新型活塞，新型凡尔体和凡尔座之间的寿命长，能满足钻机高效率的要求。该型钻井泵的设计真正达到了机电一体化