石 油 工 程 流 体 机 械

任课教师 : 赵 洪 滨

(Petroleum Engineering Fluid Machinery )

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► → 缩减开发和经营油田的费用等

石油工程流体机械分类：

液力传动装置═► [ 泵 + 液动机 ] 利用液体作为传能工作介质 容积式～ [ 容积式泵－容积式液动机 ]→ 液压传动 ( 压能 ) 动力式～ [ 叶片式离心泵－动力式涡轮 ]→ 液力传动 ( 动能压能 )

石油工程水力机械

泵═►动力机轴机械能→液体位能、压能、动能 容积式～ ( 容积变化 )→ 压能： < 往复泵、螺杆泵 > 叶片式～ ( 叶片转动 )→ 动能、压能 ： < 离心泵、轴流泵 >

液动机═►液体位能、压能、动能→动力机轴机械能 容积式～ ( 容积变化 )→ 高压液体推动： < 液压缸、液压马达 、单螺杆钻具 > 动力式～ ( 动量变化 )→ 动能压能做功： 涡轮钻具

气力传动装置═► [ 压缩机 + 气动机 ] ， 例如燃气轮机：

石油工程气力机械

压缩机═►压缩并输送气体；动力机轴机械能→气体压力能 容积式～容积变化→压力能： 往复活塞式－活塞式压缩机 回转活塞式－回转式压缩机 叶片式～叶片作用→压力能 离心式－气体垂直机轴径向方向离开 轴流式－气体平行压缩机轴方向离开

气动机═►气体能量→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。。。

压缩机 燃烧室 燃气透平空气压缩 燃烧加热 高压高温燃气做功

流体机械普遍特点 ( 能量转换、特性参数 )：

流体═► [ 液体 ＋ 气体 ] ～有关参数

机械═► [ 活塞往复式＋ 旋转式 ] ～有关参数

总体性能参数

对流体做功

输出机械功

机型 (MODEL): 活塞机　 功率 (KW): 　 15KW 马力 (HP):20hp　 排气量 :1.3 立方米每秒　 压力 (bar):3mpa 　

第一章 往复泵第一节 概述

名称 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

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

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

抽油泵 在井内抽汲原油

实际工作条件 十分恶劣

往复泵要求 压力高、功率大；制造维修成本低、体积重量不能过大

易损部件 泵阀、活塞 -缸套、柱塞 -密封

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 －曲柄

1234

56

7

8

9

1011

12

2 －连杆3 －十字头4 －活塞5 －缸套6 －排出阀7 －排出四通8 －预压排出空气包9 －排出管

10- 阀箱 ( 液缸 )

11- 吸入阀12- 吸入管

动力机→ [ 皮带、齿轮或其他传动件 ]→ 曲柄 ( 或曲轴 )

液缸吸入过程 ( 曲柄左→右 ) ：活塞移向→泵动力端动→液缸内形成一定真空→ [ 吸入阀在液面压力 pa 作用下被推开 ]→ 吸入池中液体→进入液缸→… →直到活塞右死点

液缸排出过程 ( 曲柄右→左 ) ：活塞移向→泵液力端→液缸内液压升高→ [ 吸入阀关闭，排出阀被推开 ]→缸内液体通过排出阀和排出管→进入排出池→… →直到活塞左死点

曲柄旋转一周 (0 ～ 2π)→ 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

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 S 表示曲柄半径 r→→→→→→→→→→→→→→→→S=2r

1 、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

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：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。 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。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、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：活塞泵 :带密封件的活塞与固定的金属缸套形成密封副。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。

双作用活塞泵示意图 柱塞泵示意图

按作用方式：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： 前工作室 ( 前缸 ) －没有活塞杆 后工作室 (后缸 ) －具有活塞杆按液缸布置：卧式泵 , 立式泵 ,V 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。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 S较小的固定设备，采用这种方案，例如注水泵。V型或星型更少采用：因为 V型泵液缸为偶数至少 4 缸，星型一般为五缸以上→易损件过多，难以推广应用。 按驱动方式：机械传动泵、蒸汽驱动泵、液压驱动泵

双缸双作用活塞泵 ( 过去石油矿场大量使用 ) ：冲程 S较大，冲数 n较低 (n<70 次 /分 ) ，可以自吸，易损件较少冲程大、速度低→尺寸大，重量大 ( 一些钻井用泵重量超过了 35吨 ) →大大影响其运移性。高压情况下→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程排量相差很大→排量极不均匀。活塞密封在液缸中→无法清洗和冷却，寿命很低。

三缸单作用活塞泵 (现有大功率钻井泵使用 )冲程短，冲数高 (n=120-160)→因此高度、长度与重量都比双缸双作用活塞泵要降低 20-30%；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。自 1968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。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双缸双作用泵 (＜ 400-500 马力）。

一些泵简介：

图 X ：一台三缸单作用钻井泵

图 Y ：一台双缸双作用固井泵

图 z1

图 z2

都将发动机的旋转运动→转变为活 (柱 ) 塞的往复运动→提高液体能量；分为两大部分 :(1) 动力部分 ( 动力端 ) ； (2) 液力部分 ( 液力端 )→ 连成一体坐落在底座上 :

(1) 动力端：外传动力先减速：大多采用齿轮传动副减速（图 x）；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 y），很少用链传动减速。减速后再通过曲轴 ( 或偏心轮、销子轴等 ) 、连杆和十字头，将旋转运动变为往复运动。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。

(2) 液力端过去都是铸钢件，现代一些高压泵都是分块锻造，然后再焊接或连接起来的（图 z1 ，图 z2）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。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）。

三、往复泵的基本特性参数1 、流量 ( 或排量 ) －单位时间内泵通过管道所输送的液体量 体积流量：符号Q，单位m3/s ；重量流量：符号G，单位 N/s →→→两者关系 G=Q*(ρg) 每转排量－往复泵曲轴旋转一周 (0 ～ 2π)所排出或吸入的液体体积→与泵的液缸数、泵几何尺寸有关：无论在多大压头下工作，活塞只要往复一次，便能排出一定体积的液体。 2 、压力－泵排出口处液体的压力，符号 p ，单位MPa 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。 3 、功率和效率 泵输入功率 (主轴功率 ) －单位时间内动力机传到往复泵主轴上的能量 符号Nax ，单位 kW 泵有效功率 ( 输出功率 ) －单位时间内液体经泵作用后所增加的能量 符号N，单位 kW 泵总效率： η=N/Nax

4 、泵速 ( 冲次 ) －单位时间内活塞或柱塞的往复次数 , 符号 n，单位次 /分 显然： n* 每转排量 = 泵流量

第二节 往复泵的流量

O1

O2

B1

B2

x1

x2

β φ

ω

O

A1

A2

L r

γ α

一、活塞运动规律

液力端→动力端 (O1→O2 ～ 0→π) ：左死点 O1至 O 点距离： O1O＝ r+L自左死点曲柄旋转 φ 时： B1O＝ rcosφ+ Lcosβ则活塞位移： x1＝ O1O-B1O= r(1-cosφ)+ L(1-cosβ)令 λ=r/L －曲径连杆比则 sinβ=(rsinφ)/L=λsinφ→cosβ=[1-(λsinφ)2]1/2

得： x1= r(1-cosφ)+L{1- [1-(λsinφ)2]1/2} ; 显然 φ=π:x1max=2r

活塞的运动速度： u1=dx1/dt=rω{sinφ+λsin2φ/[2*[1-(λsinφ)2]1/2]}

活塞运动加速度： a1=du1/dt = rω2{cosφ+[1-(λsinφ)2](-3/2)[λcos2φ+λ3sin4φ]}

动力端→液力端 (O2→O1 ～ π→2π) ：右死点 O2至 O 点距离： O2O＝ L- r自右死点曲柄旋转 α活塞位移： x2＝ ( r-r cosα)+Lcosγ-L= r(1- cosα)-L(1- cosγ)而 sinγ= (rsinα)/L=λsinα→cosγ=[1-(λsinα)2]1/2

得： x2= r(1- cosα)-L{1-[1-(λsinα)2]1/2}若 φ=α+π则 α=φ-π得： cosα= cos(φ-π)= -cosφ ； sinα=sin(φ-π)=-sinφ即： x2= r(1+ cosφ)-L{1-[1-(λsinφ)2]1/2} ; 显然 φ=2π:x2max=2r

简化处理：

得到：

若不考虑曲柄连杆比的影响 (λ＝ 0)

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 :

单作用泵： Qt ＝ i×F×S×n (m3/ 分 )双作用泵： Qt ＝ i×F×S×n ＋ i×(F-f)×S×n= i×(2F-f)×S×n (m3/ 分 )

往复泵实际平均流量 : Q ＝ α Qt

α －流量系数 ( 一般 0.85 ～ 0.95 ；大型而吸入条件较好的新泵取一些，可达 0.97 ～ 0.99)

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。

φ

ω

O

r

三、往复泵的瞬时流量

多缸布置共有 i个缸： 1 ， 2 ，… m ，…， i缸间相位角： θ＝ 2π/i

1号相角 φ1＝ φ2 相角 φ2＝ φ ＋ θ3号相角 φ3＝ φ ＋ 2θ……m号相角 φm＝ φ ＋ (m-1)θ……i号相角 φi＝ φ ＋ (i -1)θ

[ 液→动 ]:φm ： 0 ～ π

→φ ： -(m-1)θ ～ π-(m-1)θ[ 动→液 ]:φm ： π ～ 2π

→φ ： π-(m-1)θ ～ 2π-(m-1)θ

1 、作图法求得流量曲线：→ 得到每个液缸或工作室的流量曲线→ 进而叠加→泵流量曲线

正玄曲线 sinφ →左移角度(m-1)θ→ sin[φ+(m-1)θ]线

2π 0

A Bcd

求多液缸流量曲线

共有 i个缸： 1 ， 2 ，… m ，…， i缸间相位角： θ＝ 2π/i ； m号相角 φm＝ φ ＋ (m-1)θ

四、往复泵的流量曲线

液→动 : 吸入瞬时流量：Qc1m＝ F×u1m＝ Frωsinφm φm ： [0,π] ＝ Frωsin[φ ＋ (m-1)θ] φ ： [-(m-1)θ,π-(m-1)θ]

2π 0

A Bcd

单缸：

2π 0

A Bcd

双缸：

2π 0

A Bcd三缸：

2π 0

A Bcd四缸：

2 、判断流量的均匀程度

可知：从使用观点看，流量不均度越小越好→接近稳定流→压力变化小→有助于减小管线振动→泵工作平稳；往复泵缸数增多时，流量趋于均匀，“奇数”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

瞬时流量曲线的积分面积：A=∫Qc11dφ=∫Frωsinφdφ=ω∫Frsinφdφ

泵所输送的液体的体积：V=∫Fds=∫Fudt =∫Frωsinφdt =∫Frsinφdφ

V=(1/ω)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 → → →绘制瞬时流量曲线－叠加是否合理？