1、石石 油油 工工 程程 流流 体体 机机 械械任课教师:赵 洪 滨 (Petroleum Engineering Fluid Machinery )绪论绪论采油：高压离心泵 地层注水；高压压缩机 地层注气：维持地层能量，延长油井自喷期有杆、无杆泵 抽油机械开采保证高采油速度和原油产量高压压裂泵 对油、水层进行压裂和酸化提高地层渗透率 增产原油和增注水量的目的。钻井：高压钻井泵 钻井液循环清除井底岩屑；喷射钻井井底涡轮钻具、单螺杆钻具 驱动钻头破碎岩石动力机 液力、液压能量传动绞车、转盘、钻井泵气动系统 协调控制钻井和修井装置部件油气集输：油气混输机械 改进海上和陆地油田油气集输系统布局 缩减开
2、发和经营油田的费用等石油工程流体机械石油工程流体机械分类：分类：液力传动装置液力传动装置 泵泵+液动机液动机利用液体作为传能工作介质利用液体作为传能工作介质 容积式容积式容积式泵容积式液动机容积式泵容积式液动机液压传动液压传动(压能压能) 动力式动力式叶片式离心泵动力式涡轮叶片式离心泵动力式涡轮液力传动液力传动(动能压能动能压能)石油工程石油工程水力机械水力机械泵泵 动力机轴机械能动力机轴机械能液体位能、压能、动能液体位能、压能、动能 容积式容积式(容积变化容积变化)压能：压能： 叶片式叶片式(叶片转动叶片转动)动能、压能动能、压能 ：液动机液动机 液体位能、压能、动能液体位能、压能、动能动力
3、机轴机械能动力机轴机械能 容积式容积式(容积变化容积变化)高压液体推动：高压液体推动： 动力式动力式(动量变化动量变化)动能压能做功：动能压能做功： 涡轮钻具涡轮钻具气力传动装置气力传动装置 压缩机压缩机+气动机气动机， 例如燃气轮机：例如燃气轮机：石油工程石油工程气力机械气力机械压缩机压缩机 压缩并输送气体；动力机轴机械能压缩并输送气体；动力机轴机械能气体压力能气体压力能 容积式容积变化容积式容积变化压力能：压力能： 往复活塞式活塞式压缩机往复活塞式活塞式压缩机 回转活塞式回转式压缩机回转活塞式回转式压缩机 叶片式叶片作用叶片式叶片作用压力能压力能 离心式气体垂直机轴径向方向离开离心式气体垂
4、直机轴径向方向离开 轴流式气体平行压缩机轴方向离开轴流式气体平行压缩机轴方向离开气动机气动机 气体能量气体能量转换为发动机机械能转换为发动机机械能 内燃机、蒸汽透平、燃气透平、火箭发动机。内燃机、蒸汽透平、燃气透平、火箭发动机。压缩机压缩机燃烧室燃烧室燃气透平燃气透平空气压缩燃烧加热高压高温燃气做功流体机械流体机械普遍特点普遍特点( (能量转换、特性参数能量转换、特性参数) )：流体流体 液体液体 气体气体 有关参数有关参数机械机械活塞往复式活塞往复式 旋转式旋转式有关参数有关参数总总体体性性能能参参数数对对流流体体做做功功输输出出机机械械功功机型(MODEL):活塞机 功率(KW):15KW
5、 马力(HP):20hp 排气量:1.3立方米每秒 压力(bar):3mpa 第一章第一章 往复泵往复泵第一节第一节 概述概述名称名称用途用途钻井泵钻井过程携带出井底岩屑、给井底钻具供应动力，向钻井过程携带出井底岩屑、给井底钻具供应动力，向井底输送和循环钻井液井底输送和循环钻井液固井泵向井底注入高压水泥浆固化井壁向井底注入高压水泥浆固化井壁压裂泵向井底注入大量含有固体颗粒的液体或酸碱液体，造向井底注入大量含有固体颗粒的液体或酸碱液体，造成油层人工裂缝，提高原油产量和采收率成油层人工裂缝，提高原油产量和采收率注水泵向井内油层注入高压水以驱油向井内油层注入高压水以驱油抽油泵在井内抽汲原油在井内抽汲
6、原油实际工作条件实际工作条件十分恶劣十分恶劣往复泵要求往复泵要求压力高、功率大；制造维修成本低、体积重量不能压力高、功率大；制造维修成本低、体积重量不能过大过大易损部件易损部件泵阀、活塞泵阀、活塞-缸套、柱塞缸套、柱塞-密封密封一、往复泵的工作原理一、往复泵的工作原理卧式单缸单作用往复式活塞泵示意图 泵动力端 泵液力端 1 1曲柄曲柄1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010111112122 2连杆连杆3 3十字头十字头4 4活塞活塞5 5缸套缸套6 6排出阀排出阀7 7排出四通排出四通8 8预压排出空气包预压排出空气包9 9排出管排出管10-10-阀箱阀箱( (液缸液缸
7、) )11-11-吸入阀吸入阀12-12-吸入管吸入管动力机动力机 皮带、齿轮或其他传动件皮带、齿轮或其他传动件 曲柄曲柄( (或曲轴或曲轴) )液缸吸入过程液缸吸入过程( (曲柄左曲柄左右右) )：活塞移向活塞移向泵动力端动泵动力端动液缸内形成一定真空液缸内形成一定真空吸入阀在液面压力吸入阀在液面压力p pa a作用作用下被推开下被推开吸入池中液体吸入池中液体进入液缸进入液缸 直到活塞右死点直到活塞右死点液缸排出过程液缸排出过程( (曲柄右曲柄右左左) )：活塞移向活塞移向泵液力端泵液力端液缸内液压升高液缸内液压升高吸入阀关闭，排出阀被推开吸入阀关闭，排出阀被推开缸内液体通过排出阀和排出管缸
8、内液体通过排出阀和排出管进入排出池进入排出池 直到活塞左死点直到活塞左死点曲柄旋转一周曲柄旋转一周(0(02)2)活塞往复运动一次活塞往复运动一次单作用泵液缸完成一次吸入和排出过程单作用泵液缸完成一次吸入和排出过程活塞冲程长度：活塞冲程长度：在吸入或排出过程中活塞移动的最大距离，用在吸入或排出过程中活塞移动的最大距离，用S S表示表示曲柄半径曲柄半径rrSS=2r=2r1、采用双动泵或三连泵 双动泵指活塞在一个周期的推、拉都有液体排。 三连泵是由三个并联的缸和三个按120o 夹角用曲轴连接的活塞组成。2、安装空气室 将空气室安装在排出管路的始端，当瞬间流量大于平均流量时，泵的排出压强升高，空气
9、室内气体被压缩，超过平均流量的部分液体进入空气室暂存；当瞬间流量小于平均流量时，排出压强降低，空气室内气体膨胀，向排出管路补充提供部分液体，使排出管路中流量基本保持均匀。 往复泵是一种容积泵单位时间输送液体量恒定活塞在工作室中的运动速度随转轮的旋转角度变化，单动泵输送液体量如图所示；为改善流量不均匀的状况，可以采用两种措施双动泵指活塞在一个周期的推、拉都有液体排 三连泵是由三个并联的缸和三个按120o 夹角用曲轴连接的活塞组成。 二、往复泵的分类二、往复泵的分类目前石油矿场用往复泵种类多，据其特点，一般可分类如下：目前石油矿场用往复泵种类多，据其特点，一般可分类如下：按液缸数：按液缸数：单缸泵
10、、双杠泵、三缸泵、四缸泵等单缸泵、双杠泵、三缸泵、四缸泵等泵排量受缸数影响、以及缸数奇偶有关。泵排量受缸数影响、以及缸数奇偶有关。 液缸数增加能减少排量不均匀度，如果不考虑活塞杆的影响，双缸双作用液缸数增加能减少排量不均匀度，如果不考虑活塞杆的影响，双缸双作用泵和三缸双作用泵排量不均匀度等于四缸和六缸单作用泵的情况。泵和三缸双作用泵排量不均匀度等于四缸和六缸单作用泵的情况。液缸数增加也相应地增加了易损件数目液缸数增加也相应地增加了易损件数目使泵的工作可靠性降低：例如在使泵的工作可靠性降低：例如在输送含磨砺性固体颗粒的液体时，此问题更突出输送含磨砺性固体颗粒的液体时，此问题更突出因此，固井、压裂
11、等用因此，固井、压裂等用途的泵一般多为三缸，极少超过五缸；只有当输送清洁液体时，例如注水、途的泵一般多为三缸，极少超过五缸；只有当输送清洁液体时，例如注水、输油等，易损件寿命长，可采用五个或更多。输油等，易损件寿命长，可采用五个或更多。按挤压液体元件结构：按挤压液体元件结构：活塞泵活塞泵: :带密封件的活塞与固定的金属缸套形成密封副。带密封件的活塞与固定的金属缸套形成密封副。柱塞泵柱塞泵: :金属柱塞与固定的密封组件形成密封副；一般柱塞直径较活塞直金属柱塞与固定的密封组件形成密封副；一般柱塞直径较活塞直径要小得多，因为柱塞直径过大，密封的寿命会降低。特点是冲程短、冲数径要小得多，因为柱塞直径过
12、大，密封的寿命会降低。特点是冲程短、冲数高、尺寸小、重量轻，适于高压工作，因而许多固井和压裂、酸化泵以及部高、尺寸小、重量轻，适于高压工作，因而许多固井和压裂、酸化泵以及部分的注水泵都是柱塞泵。分的注水泵都是柱塞泵。双作用活塞泵示意图双作用活塞泵示意图 柱塞泵示意图柱塞泵示意图 按作用方式：按作用方式：n单作用式活塞或柱塞往复一次液缸有一次吸入和一次排出单作用式活塞或柱塞往复一次液缸有一次吸入和一次排出n双作用式活塞或柱塞往复一次液缸有二次吸入和二次排出双作用式活塞或柱塞往复一次液缸有二次吸入和二次排出 活塞或柱塞将液缸分为两个工作室：活塞或柱塞将液缸分为两个工作室： 前工作室前工作室( (前
13、缸前缸) )没有活塞杆没有活塞杆 后工作室后工作室( (后缸后缸) )具有活塞杆具有活塞杆按液缸布置：按液缸布置：卧式泵卧式泵, ,立式泵立式泵,V,V型泵和星型泵等型泵和星型泵等石油矿场使用的泵绝大多数为卧式单列布置。石油矿场使用的泵绝大多数为卧式单列布置。立式单列泵，柱塞与密封对中性好，磨损少，占地面积较少，但稳定性差立式单列泵，柱塞与密封对中性好，磨损少，占地面积较少，但稳定性差移动式或车装设备很少采用，只有某些冲程移动式或车装设备很少采用，只有某些冲程S S较小的固定设备，采用这种较小的固定设备，采用这种方案，例如注水泵。方案，例如注水泵。V V型或星型更少采用：因为型或星型更少采用：
14、因为V V型泵液缸为偶数至少型泵液缸为偶数至少4 4缸，星型一般为五缸以缸，星型一般为五缸以上上易损件过多，难以推广应用。易损件过多，难以推广应用。 按驱动方式：按驱动方式：机械传动泵、蒸汽驱动泵、液压驱动泵机械传动泵、蒸汽驱动泵、液压驱动泵双缸双作用活塞泵双缸双作用活塞泵( (过去石油矿场大量使用过去石油矿场大量使用) )：l冲程冲程S S较大，冲数较大，冲数n n较低较低(n70(n70次次/ /分分) )，可以自吸，易损件较少，可以自吸，易损件较少l冲程大、速度低冲程大、速度低尺寸大，重量大尺寸大，重量大( (一些钻井用泵重量超过了一些钻井用泵重量超过了3535吨吨) ) 大大大影响其运
15、移性。大影响其运移性。l高压情况下高压情况下由于活塞面积减少而活塞杆面积加大由于活塞面积减少而活塞杆面积加大使向前冲程与返回冲使向前冲程与返回冲程排量相差很大程排量相差很大排量极不均匀。排量极不均匀。l活塞密封在液缸中活塞密封在液缸中无法清洗和冷却，寿命很低。无法清洗和冷却，寿命很低。三缸单作用活塞泵三缸单作用活塞泵( (现有大功率钻井泵使用现有大功率钻井泵使用) )n冲程短，冲数高冲程短，冲数高(n=120-160)(n=120-160)因此高度、长度与重量都比双缸双作用活因此高度、长度与重量都比双缸双作用活塞泵要降低塞泵要降低20-30%20-30%；排量均匀，不受活塞杆尺寸影响，活塞单面
16、工作，可以；排量均匀，不受活塞杆尺寸影响，活塞单面工作，可以从后面用清水进行冷却、冲洗和润滑，而且取消了活塞杆密封。从后面用清水进行冷却、冲洗和润滑，而且取消了活塞杆密封。n自自19681968年研制成功以后推广很快，目前海上钻井和新型陆地大中型钻机基年研制成功以后推广很快，目前海上钻井和新型陆地大中型钻机基本上都采用这种泵。本上都采用这种泵。n但是这种泵由于冲数增加，因此，要求吸入用灌注泵，而且要采用吸入气但是这种泵由于冲数增加，因此，要求吸入用灌注泵，而且要采用吸入气包，因此一些小功率洗井和钻井泵仍采用包，因此一些小功率洗井和钻井泵仍采用双缸双作用泵双缸双作用泵( (400-500400-
17、500马力）马力）。一些泵简介：一些泵简介：图图X：一台三缸单作用钻井泵：一台三缸单作用钻井泵 图图Y：一台双缸双作用固井泵：一台双缸双作用固井泵 图图z1图图z2n都将发动机的旋转运动都将发动机的旋转运动转变为活转变为活( (柱柱) )塞的往复运动塞的往复运动提高液体能量；提高液体能量；n分为两大部分分为两大部分:(1):(1)动力部分动力部分( (动力端动力端) )；(2)(2)液力部分液力部分( (液力端液力端) )连成一体坐连成一体坐落在底座上落在底座上: :(1)(1)动力端：动力端：l外传动力先减速：大多采用齿轮传动副减速（图外传动力先减速：大多采用齿轮传动副减速（图x x）；为了
18、简化传动一些车）；为了简化传动一些车装固井泵、洗井泵等采用蜗轮蜗杆减速（图装固井泵、洗井泵等采用蜗轮蜗杆减速（图y y），很少用链传动减速。），很少用链传动减速。l减速后再通过曲轴减速后再通过曲轴( (或偏心轮、销子轴等或偏心轮、销子轴等) )、连杆和十字头，将旋转运动变、连杆和十字头，将旋转运动变为往复运动。为往复运动。l动力端外壳过去一般采用铸造，现代一些大功率泵则改为焊接结构，减轻动力端外壳过去一般采用铸造，现代一些大功率泵则改为焊接结构，减轻了泵的重量。了泵的重量。(2)(2)液力端液力端l过去都是铸钢件，现代一些高压泵都是分块锻造，然后再焊接或连接起来过去都是铸钢件，现代一些高压泵都
19、是分块锻造，然后再焊接或连接起来的（图的（图z1z1，图，图z2z2）l现代泵液力端还有一个特点是采用易损件的快速拆换结构，使泵阀、活塞现代泵液力端还有一个特点是采用易损件的快速拆换结构，使泵阀、活塞、缸套都可以快速拆换，减轻工人劳动强度。、缸套都可以快速拆换，减轻工人劳动强度。l许多大功率泵的排出和吸入口都装有减少压力波动的空气包（见图许多大功率泵的排出和吸入口都装有减少压力波动的空气包（见图x x）。）。三、往复泵的基本特性参数三、往复泵的基本特性参数1 1、流量流量( (或排量或排量) )单位时间内泵通过管道所输送的液体量单位时间内泵通过管道所输送的液体量 体积流量：符号体积流量：符号Q
20、 Q，单位，单位m m3 3/s /s ；重量流量：符号；重量流量：符号G G，单位，单位N/sN/s 两者关系两者关系 G=QG=Q* *(g(g) ) 每转排量往复泵曲轴旋转一周每转排量往复泵曲轴旋转一周(0(02)2)所排出或吸入的液体体积所排出或吸入的液体体积与与泵的液缸数、泵几何尺寸有关：泵的液缸数、泵几何尺寸有关：无论在多大压头下工作，活塞只要往复一无论在多大压头下工作，活塞只要往复一次，便能排出一定体积的液体。次，便能排出一定体积的液体。 2 2、压力压力泵排出口处液体的压力，符号泵排出口处液体的压力，符号p p，单位，单位MPaMPa 只要泵的机械强度及原动机的功率允许，输送系
21、统需要多高的压头，往只要泵的机械强度及原动机的功率允许，输送系统需要多高的压头，往复泵就能提供多大的压头。复泵就能提供多大的压头。 3 3、功率和效率功率和效率 泵输入功率泵输入功率( (主轴功率主轴功率) )单位时间内动力机传到往复泵主轴上的能量单位时间内动力机传到往复泵主轴上的能量 符号符号N Naxax，单位，单位kWkW 泵有效功率泵有效功率( (输出功率输出功率) )单位时间内液体经泵作用后所增加的能量单位时间内液体经泵作用后所增加的能量 符号符号N N，单位，单位kWkW 泵总效率：泵总效率：=N/N=N/Naxax4 4、泵速泵速( (冲次冲次) )单位时间内活塞或柱塞的往复次数
22、单位时间内活塞或柱塞的往复次数, ,符号符号n n，单位次，单位次/ /分分 显然：显然：n n* *每转排量每转排量= =泵流量泵流量第二节第二节 往复泵的流量往复泵的流量O1O2B1B2x1x2 OA1A2Lr 一、活塞运动规律一、活塞运动规律液力端液力端动力端动力端(O1O20)：左死点左死点O1至至O点距离：点距离：O1Or+L自左死点曲柄旋转自左死点曲柄旋转时：时： B1Orcos+ Lcos则活塞位移：则活塞位移：x1O1O-B1O= r(1-cos)+ L(1-cos)令令=r/L曲径连杆比曲径连杆比则则sin=(rsin)/L=sincos=1-(sin)21/2得：得：x1=
23、 r(1-cos)+L1- 1-(sin)21/2 ; 显然显然=:x1max=2r 活塞的运动速度：活塞的运动速度：u1=dx1/dt=rsin+sin2/2*1-(sin)21/2活塞运动加速度：活塞运动加速度：a1=du1/dt = r2cos+1-(sin)2(-3/2)cos2+3sin4动力端动力端液力端液力端(O2O12)：右死点右死点O2至至O点距离：点距离： O2OL- r自右死点曲柄旋转自右死点曲柄旋转活塞位移：活塞位移：x2( r-r cos)+Lcos-L= r(1- cos)-L(1- cos)而而sin= (rsin)/L=sincos=1-(sin)21/2得：得
24、：x2= r(1- cos)-L1-1-(sin)21/2若若=+则则=-得：得：cos= cos(-)= -cos；sin=sin(-)=-sin即：即：x2= r(1+ cos)-L1-1-(sin)21/2 ; 显然显然=2:x2max=2r 简化处理：简化处理：得到：得到：若不考虑曲若不考虑曲柄连杆比的柄连杆比的影响影响(0)0)二、往复泵的平均流量二、往复泵的平均流量F活塞截面积(m2)；S活塞冲程长度(m)；n冲次(次/分) i缸数；f活塞杆断面面积(m2)往复泵理论平均流量往复泵理论平均流量:单作用泵：QtiFSn (m3/分)双作用泵：QtiFSni(F-f)Sn= i(2F-
25、f)Sn (m3/分)往复泵实际平均流量往复泵实际平均流量: Q Qt流量系数(一般0.850.95；大型而吸入条件较好的新泵取一些，可达0.970.99)原因：吸入阀和排出阀不能及时关闭、泵阀、活塞和其他密封处可能有高压液体漏失；泵缸中或液体内含有气体而降低吸入充满度等。 Or三、往复泵的瞬时流量三、往复泵的瞬时流量多缸布置多缸布置共有共有i个缸：个缸：1，2，m，i缸间相位角：缸间相位角：2/i1号相角号相角12相角相角23号相角号相角32m号相角号相角m(m-1)i号相角号相角i(i -1)液液动动:m：0：-(m-1) -(m-1)动动液液:m：2：-(m-1) 2-(m-1)1、作图
26、法求得流量曲线：、作图法求得流量曲线： 得到每个液缸或工作室的流量曲线得到每个液缸或工作室的流量曲线 进而叠加进而叠加泵流量曲线泵流量曲线正正玄玄曲曲线线 sin 左左移移角角度度(m-1) sin+(m-1)线线 2 2 0ABcd求求多多液液缸缸流流量量曲曲线线 共有共有i个缸：个缸：1，2，m，i缸间相位角：缸间相位角：2/i ； m号相角号相角m(m-1)四、往复泵的流量曲线四、往复泵的流量曲线液液动动: 吸入瞬时流量：吸入瞬时流量：Qc1mFu1mFrsinm m： 0, Frsin(m-1) ：-(m-1),-(m-1)2 2 0ABcd单单缸缸： 2 2 0ABcd双双缸缸： 2
27、 2 0ABcd三三缸缸： 2 2 0ABcd四四缸缸： 2、判断流量的均匀程度、判断流量的均匀程度可知：可知：从使用观点看，流量不均度越小越好从使用观点看，流量不均度越小越好接近稳定流接近稳定流压力变化小压力变化小有有助于减小管线振动助于减小管线振动泵工作平稳；泵工作平稳；往复泵缸数增多时，流量趋于均匀，往复泵缸数增多时，流量趋于均匀，“奇数奇数”效果更为显著；效果更为显著；缸数太多，会造成泵结构复杂，制造成本高，维修难度大缸数太多，会造成泵结构复杂，制造成本高，维修难度大目前使用的大多为三缸单作用或双缸双作用往复泵。目前使用的大多为三缸单作用或双缸双作用往复泵。3、确定泵输送的液体体积、确定泵输送的液体体积瞬时流量曲线的积分面积：瞬时流量曲线的积分面积：A=Qc11d=Frsind=Frsind泵所输送的液体的体积：泵所输送的液体的体积：V=Fds=Fudt =Frsindt =FrsindV=(1/)A同样的转角范围内：某液缸或泵输送液体体积正比于流量曲线下面积4、检验曲柄布置是否合理、检验曲柄布置是否合理 绘制瞬时流量曲线叠加是否合理？绘制瞬时流量曲线叠加是否合理？
