固井水泥车柱塞泵对增压系统的设计要求

(长江大学工程技术学院机械系，湖北 荆州434023）

池胜高(江汉石油管理局第四机械厂，湖北 荆州434020）

钻井过程中，在井眼内下入一层套管，并在套管与井壁的环形空间里灌注水泥浆进行封固称为固井。灌注水泥浆是通过固井水泥车上的高压柱塞泵等设备来完成的[1-2]。为了能将高压和极低流速的液体送至泵的吸入管汇，保证泵液充足供应，并保持足够高的液体流速使固体悬浮在液体泥浆内，避免有害的气穴影响，确保柱塞泵无故障运行，必须配备一个好的增压系统。增压系统主要由初级吸入管、增压泵／混合泵、次级吸入管、吸入压力缓冲器、增压压力表组成。设计时应严格遵循各项技术规范。

下面，笔者以SGJ600-300型水泥车上SJ600S柱塞泵为例，探讨了柱塞泵对增压系统的设计要求。

1 对初级吸入管的要求

在这些初级吸入管道内流动的液体仅受液体重力或大气压的作用，从液罐开始流动。它们一般是软管或钢管，接在液罐和增压泵(灌注泵）或混合泵之间。其流速(柱塞泵最大流量时）不得超过4ft／s（1ft＝0．3048m），以便使液体在自重和大气压下作用下能自由流动。其他的要求为：

1）软管必须能防油、防化学腐蚀，为钢芯编织。真空／排除软管标定容量为30inHg／60psi（最小）（1psi＝6894．757Pa）。

2）如果使用钢管，必须安装管道导轨使这些管道水平或逐渐升高通向柱塞泵，以防止气穴现象。为了防止气穴，应使用偏心式异径接头并安装成 “凸部下置”。所有的焊接接头必须不漏气和水。

3）系统的这部分管道应该尽可能的短(10ft或更短），应避免过多的转弯。

2 对增压泵／混合泵的要求

一些油井作业需要2个离心泵，一个用来混合泥浆，另一个用来增压柱塞泵。当使用2个离心泵时，必须符合以下要求：

1）当柱塞泵的吸入口保持30psi（69ft水柱）压力时，必须能输送柱塞泵最大流量的流体。

2）选用合适内径的管道，以克服离心泵排出管和柱塞泵吸入口管道的沿程损失。

3）在大于15%效率的范围内，必须能以一定的速度输送所需的液体，保证柱塞泵所需的足够液体加速度。

4）足够的动力来输送一定体积、压力和比重液体或泥浆。

3 对次级吸入管的要求

将液体从离心泵的排放口运送到系统另一端的管道称为次级吸入管。这些管道安装在增压泵和柱塞泵吸入口之间，或者安装在混合泵的排出口和混浆池入口之间。柱塞泵工作时，系统这部分液体的流速变化范围应该在8～12ft／s。其他要求和对初级吸入管的要求相同。

4 对吸入压力缓冲器的要求

由于柱塞泵为容积式泵，所以当液体停止和启动时，每个吸入阀的下面会产生液体冲击。如果不缓冲压力，因液体冲击而产生的压力的变化会减小灌注泵的效率。当所有吸入阀开启时，吸入压力缓冲器有助于确保液体的加速度，有助于防止气穴现象的发生，这样会使泵的工作更加平稳。使用吸入压力缓冲器的要求为：

1）吸入压力缓冲器为气囊型缓冲器，应该充入氮气，最小压力为100psi。

2）吸入压力缓冲器应该安装在液体通道的上游，以便液体内的固体不能沉积和堵塞气囊。

3）为了获得更高的效率，安装应该尽可能靠近柱塞泵的吸入口。

4）按照制造商的推荐预先充气(通常30%～40%预充压力）。

5 对增压压力表的要求

系统中应一直装有一个增压压力表。对它的要求是：

1）应该是一个充液的压力为0～100psi的压力表。

2）为了获得最大的精确，应该将它安装在离柱塞泵吸入口尽可能近的地方。

6 其他设计要求

6．1 对流速的计算

1）已知流量和管子的内壁横截面积，计算流速：

2）已知所要求的流速和管子的内壁横截面积，计算要保证这一流速的最大流量：

6．2 对增压系统工作参数的要求

1）柱塞泵吸入口推荐的增压压力：最小为30psi（69ft水柱），最大为80psi（185ft水柱）。注意：增压压力必须大于泵送液体的蒸汽压力。

2）在系统的 “自流部分”中，最大流速为4ft／s，所需要的4in吸入软管数量分别为1、2、3、4、5；所需要的钢管的内径尺寸分别为4、5、6、8、10in。

3）在系统的 “加压”部分中，最大流速为12ft／s，所需要的4in吸入软管数量分别为1、2；所需要的钢管的内径尺寸分别为3、4、5in。

[1]秦玉磊，张连凯．轴向斜柱塞泵流量脉动理论建模与仿真研究 [J]．石油和化工设备，2009（4）：1641-1644．

[2]张国友．用于固井和酸化压裂的TWS600S三缸柱塞泵 [J]．石油机械，2004，32（9）：55-56．