Буровой насос: конструкция и применение¶

Буровой насос — это гидравлическая машина объёмного типа, предназначенная для нагнетания промывочной жидкости (бурового раствора) в скважину в процессе бурения. Основное назначение агрегата — обеспечение циркуляции раствора, который выносит выбуренную породу на поверхность, охлаждает долото и укрепляет стенки скважины. Буровые насосы относятся к классу поршневых или плунжерных насосов и являются ключевым элементом циркуляционной системы буровой установки.

¶Конструкция и принцип действия

Буровой насос состоит из нескольких основных узлов: гидравлической части, приводной части и системы смазки. Гидравлическая часть включает в себя цилиндры, плунжеры (или поршни), клапанные коробки с всасывающими и нагнетательными клапанами, а также компенсаторы пульсаций. Приводная часть представляет собой кривошипно-шатунный механизм, преобразующий вращательное движение вала от двигателя в возвратно-поступательное движение плунжеров.

Принцип действия основан на изменении объёма рабочей камеры. При ходе плунжера назад (всасывание) в цилиндре создаётся разрежение, и клапан нагнетания закрывается, а всасывающий клапан открывается, пропуская жидкость. При ходе вперёд (нагнетание) давление в камере растёт, всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается, и жидкость подаётся в напорный трубопровод. Для сглаживания пульсаций давления, возникающих из-за неравномерности подачи, на напорной линии устанавливаются пневмокомпенсаторы.

¶Классификация

Буровые насосы классифицируются по нескольким признакам:

• По числу плунжеров (поршней): двухплунжерные (двухпоршневые) и трёхплунжерные (трёхпоршневые). Наиболее распространены трёхплунжерные насосы, которые обеспечивают более равномерную подачу и меньшую пульсацию.
• По типу исполнения: стационарные (устанавливаются на фундаменте буровой) и передвижные (в составе насосных блоков для мобильных установок).
• По мощности: малой (до 200 кВт), средней (200–600 кВт) и большой мощности (свыше 600 кВт).

Современные буровые насосы, как правило, являются горизонтальными трёхплунжерными машинами с индивидуальным приводом от электродвигателя или дизеля через редуктор.

¶Основные характеристики

Ключевыми параметрами бурового насоса являются:

• Подача (производительность) — объём жидкости, перекачиваемый за единицу времени, измеряется в л/с или м³/ч. Регулируется изменением частоты ходов плунжера или диаметра сменных втулок.
• Давление нагнетания — максимальное рабочее давление, измеряется в МПа или атмосферах. Современные насосы развивают давление до 35–40 МПа.
• Мощность привода — определяется условиями бурения и глубиной скважины.
• Диаметр плунжера — влияет на соотношение подачи и давления: чем больше диаметр, тем выше подача, но ниже давление.

¶Применение

Основная область применения буровых насосов — нефтегазовая отрасль. Они используются при бурении разведочных, эксплуатационных и нагнетательных скважин на суше и на море. Помимо бурения, насосы применяются для следующих технологических операций:

• Промывка скважины — удаление шлама и очистка ствола.
• Цементирование — закачка цементного раствора для крепления обсадных колонн.
• Гидроразрыв пласта — нагнетание жидкости под высоким давлением для увеличения проницаемости коллектора.
• Закачка рабочих агентов — поддержание пластового давления (закачка воды или газа).

В геологоразведке буровые насосы используются на установках колонкового бурения, а в горном деле — при бурении взрывных скважин. Также агрегаты применяются в строительстве при устройстве буронабивных свай и водозаборных скважин.

¶Эксплуатационные особенности

Работа бурового насоса сопряжена с высокими нагрузками на гидравлическую часть из-за абразивного воздействия твёрдых частиц, содержащихся в буровом растворе. Для повышения износостойкости цилиндры и плунжеры изготавливают из износостойких сталей, а на плунжеры наносят покрытия из карбида вольфрама или хрома. Клапаны и седла клапанов являются быстроизнашивающимися элементами и требуют периодической замены.

Важной особенностью является необходимость постоянного контроля за герметичностью клапанной системы и состоянием сальниковых уплотнений. Утечки снижают объёмный КПД насоса, который обычно составляет 0,85–0,95. Для охлаждения и смазки плунжеров применяется специальная система подачи смазочно-охлаждающей жидкости.

Обслуживание насоса включает регулярную проверку креплений, замену уплотнений и смазку подшипников кривошипно-шатунного механизма. Современные насосы оснащаются датчиками давления и расхода, а также системами автоматического управления, позволяющими дистанционно контролировать режимы работы.