1176kW五缸钻井泵空气包的研究

摘要

钻井泵，是组成钻机循环系统的重要部分，又称泥浆泵。对于曲柄连杆式钻井泵，其压力脉动是引起钻井泵事故的主要原因之一，大约40％的事故来源于泥浆泵。降低压力脉动，一方面有利于减少钻井事故，另一方面也可以明显提高泵的性能。目前，普遍通过在距泵排出阀箱最近处设置排出空气包，来减小钻井泵排出压力脉动幅度。
　　空气包是组成钻井泵液力系统的重要部分。其内部体积随气体压力变化而增大或减小，利用这种特性，空气包可以储存（或释放）超过（或低于）平均流量多的那部分液体，因而可以减小压力脉动幅度，维持着钻井泵管线中的液体近似地均匀流动。
　　本文主要围绕大排量、高工作压力的1176kW五缸钻井泵的空气包总成，逐步展开分析与研究，比较系统的介绍与总结了1176kW五缸钻井泵空气包的相关理论与设计方法。文章首先论述了钻机钻井泵技术的发展现状及趋势，阐明了此课题实施的必要性。其次，在钻井泵运动分析的基础上，研究了五缸钻井泵的水力特性。推导得出了五缸泵的瞬时流量表达式，并基于Matlab软件，绘制了其瞬时流量曲线;对引起流量脉动的一些主要因素进行了分析。第三，针对空气包管路系统的动态特性进行了详细分析。建立了排出空气包管路系统的数学模型;分析得到了排出空气包后管路系统的流量动态方程，以及空气包体积和压力随时间变化的动态方程，并结合实例做了分析研究。第四，提出了一种空气包结构设计的简便方法，并在给定基本设计参数条件下，利用此设计方法，计算确定了1176kW五缸钻井泵排出空气包（球型）的容积及内径。进一步，计算得到了空气包总成其它零件的结构尺寸，基于Pro/E软件，建立了空气包总成及所有零部件的三维模型。最后，有别于传统设计方式，作者将有限元方法引入到空气包设计中，将Pro/E的建模功能和有限元软件Ansys分析功能结合起来，利用Pro/E软件完成建模，并运用有限元分析软件Ansys对其进行有限元分析，根据ASME标准对其进行校核。结果表明，完全符合设计准则，满足设计要求。另外，作者针对所设计的空气包进行了结构优化和模态分析。本课题对于减小系统振动，降低工作噪音，提高钻井泵的工作性能以及使用寿命等方面都具有十分重要的意义。

目录

声明

摘要

插图索引

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 石油钻机和钻井泵国内外技术现状

1．2．1 国外钻机和钻井泵技术现状

1．2．2 国内钻机和钻井泵技术现状

1．2．3 石油钻机和钻井泵的发展趋势

1．3 课题研究目的与主要内容

1．3．1 研究课题的目的

1．3．2 课题研究的主要内容

1．4 本章小结

第2章 钻井泵的水力学特性

2．1 钻井泵的运动特性

2．2 钻井泵的瞬时排量

2．2．1 影响钻井泵实际瞬时流量的因素

2．2．2 五缸钻井泵的瞬时流量

2．3 关于曲柄连杆比λ的讨论

2．3．1 λ值对运动性能的影响

2．3．2 λ值对泵瞬时流量的影响

2．4 本章小结

第3章 空气包动力学分析

3．1 排出空气包数学模型分析

3．2 排出空气包后管路流量动态特性

3．2．1 建立动态方程

3．2．2 动态方程的求解

3．3 空气包内液体压力变化徽分方程

3．4 计算实例及结果分析

3．5 小结

第4章 空气包体积设计

4．1 临界连杆比计算

4．2 空气包剩余液量

4．3 空气包容积计算

4．4 空气包总成模型建立

4．5 本章小结

第5章 空气包的有限元分析

5．1 排出空气包的结构特点及工况

5．2 压力分析法

5．3 空气包应力有限元分析

5．3．1 空气包有限元模型的建立

5．3．2 网格划分

5．3．3 边界条件及载荷条件

5．4 分析结果

5．5 计算结果判定

5．5．1 判定准则

5．5．2 判定

5．5．3 结论

5．6 空气包壳体的结构优化

5．7 空气包模态分析

5．7．1 模态分析的基本假设

5．7．2 模态分析的理论基础

5．7．3 空气包模态分析模型

5．7．4 空气包模态分析结果

5．8 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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