專利名稱：新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著鉆采深度的增加，對鉆機以及與其相配套的其它設(shè)備要求越來越高。目前國內(nèi)外鉆井泵結(jié)構(gòu)按高壓吸入閥與排出閥的位置可以劃分為三種:一是吸入閥與排出閥都安裝在閥箱內(nèi)，且兩閥處于同一軸線上，與缸套的軸線垂直。此類閥箱叫I型。二是一閥安裝在閥箱內(nèi)，一閥安裝在閥箱外，且兩閥與缸套的軸線垂直。此類閥箱叫L型。三是吸入閥與排出閥安裝位置的軸線相互垂直，且吸入閥與缸套處于同一軸線上，構(gòu)成T字型液流通道。往復(fù)泵在石油工業(yè)中的應(yīng)用很廣泛，石油礦場上常需要在高壓下輸送高粘度、大比重和高含沙量的液體，而流量相對不大，從各種泵的工作特點對比中表明，往復(fù)泵比較適用于這種情況。往復(fù)泵在鉆井時用作循環(huán)泥漿和注入固井水泥。在采油時，用作原油輸送、洗井、注水及地層壓裂。抽油設(shè)備中的深井泵也是一種特殊結(jié)構(gòu)的往復(fù)泵。所以，往復(fù)泵是石油通用的和關(guān)鍵的設(shè)備之一。根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)特征和作用的不同，可分為三個基本類型。(I)容積式泵:依靠包容液體的密封工作空間周期性的變化，把能量周期性地傳遞給液體，使液體的壓力增加到將液體強行排出。(2)葉輪式泵:依靠旋轉(zhuǎn)的葉輪對液體的動力作用，把能量連續(xù)地傳遞給液體，使液體的速度能和壓力能的能量增加，隨后通過壓出室將大部分速度能轉(zhuǎn)換為壓力能。
(3)其他類型泵。利用鉆井泵鉆井已有100多年的歷史。在這100多年中鉆井泵不斷改進不斷發(fā)展。鉆井泵的發(fā)展歷史以1901年美國德克薩斯州的Spindletop鉆出的336m深的有商業(yè)價值的石油井為起點。這也是近代油氣井旋轉(zhuǎn)鉆井史的起點。當(dāng)時，鉆井使用的鉆井泵是雙缸雙作用活塞式蒸汽泵，泵壓為17.3X105Pa。這種泵不是專門為泥漿泵設(shè)計的，而是一般的供水泵。1917年生產(chǎn)的蒸汽泵已經(jīng)是專門設(shè)計的鉆井泵了。這種泵的泵頭即是今天雙缸雙作用鉆井泵液力端的雛型。其主要不同之點在于當(dāng)時的泵閥還是平板閥。這種泵一直使用到30年代。蒸汽泵的動力來自鍋爐產(chǎn)生的蒸汽。但在礦場，鍋爐的使用和運輸都不方便。因此，蒸汽鉆井泵逐漸被內(nèi)燃機驅(qū)動的機動泵所代替。在二十世紀(jì)三十年代中最大的雙缸雙作用機動泵為1926年生產(chǎn)的。其活塞直徑為170mm，沖程為457mm，功率為110_147Kw，最高泵壓可達(100-125) X 105Pa。這種泵的設(shè)計和現(xiàn)在的雙缸雙作用泵已經(jīng)相當(dāng)接近了。其液力端已經(jīng)使用了錐形閥，傳動端內(nèi)有斜齒的減速齒輪、偏心軸、連桿和十字頭，采用了密閉的飛濺潤滑，液力端排出管裝有空氣包。但連桿大端還使用滑動軸承。到30年代中期，由于泵的載荷越來越大，鉆井泵才采用了全滾動軸承設(shè)計。但當(dāng)時沒有大直徑的滾動軸承，所以主軸多采用懸臂式曲拐軸方案，連桿大端的滾動軸承內(nèi)圈定在曲拐銷上。
隨著鉆井井深的增加和套管層次的增多，對鉆井泵的排量和泵壓提出了愈來愈高的要求。二戰(zhàn)后，泥漿性能有所改進，同時開展了噴射鉆井技術(shù)的研究和發(fā)展工作。這時鉆井作業(yè)者主要要求提高泵壓。從40年代末到50年代中期，噴射鉆井的研究和實踐提出了150-210X105Pa的泵壓要求。40年代末鉆井泵的功率，達到了 600Kw。同時，大部分公司把泵的最大沖程長度降回到457mm(18in)。50年代雙缸泵隨著泵功率的急劇加大，泵的重量和外形尺寸也隨之增加。為減輕泵重，當(dāng)時在雙缸泵的設(shè)計上較大的改進是以鋼代鐵和減小泵寬。以鋼代鐵是用鋼板焊接的泵殼，并將一些零件改用優(yōu)質(zhì)合金制造；減小泵寬是應(yīng)用大直徑的滾動軸承作連桿大端支承，拚棄懸臂曲拐軸的方案而采用兩端簡支的偏心輪軸設(shè)計。這樣，兩缸中心距明顯縮小。60年代初，急需設(shè)計和制造一種泵壓能適應(yīng)噴射鉆井工藝要求，同時體積小、重量輕，能滿足當(dāng)時海洋、沙漠鉆井的安裝運輸條件的鉆井泵。各公司都作了大量的研究工作。其中目標(biāo)比較集中的是將用于固井壓裂的三缸柱塞泵改型為鉆井泵，因為它正好能滿足上述要求。在研制的開始階段，問題仍然發(fā)生在機械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能的為邊界面上一在泥漿介質(zhì)中柱塞及柱塞密封的壽命過低。在這時，一組“單作用活塞-敞口缸套-噴淋水”的設(shè)計起了關(guān)鍵的作用。它使鉆井泵史上代表一個新時代——三缸單作用活塞式鉆井泵的誕生。與雙缸雙作用泵相比，三缸單作用泵具有體積小、重量輕、效率高、流量均勻、壓力波動小以及拆裝維修方便；由于三缸單作用泵，曲柄互成120°，動力端受力均勻。排量系數(shù)為0.141，小于雙缸和四缸單作用泵，排量均勻，并且有結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。在廣泛的應(yīng)用中顯示出良好的經(jīng)濟效益，已經(jīng)在國內(nèi)外的深井鉆進中逐漸取代雙缸雙作用泵。經(jīng)過30年代至80年代幾十年的發(fā)展，國內(nèi)生產(chǎn)的鉆井泵與國外同為臥式三缸單作用往復(fù)式活塞泵，基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)與美國National Oilwell公司相近。泵的產(chǎn)品系列為500HP、800HP、1000ΗΡ、1300HP、1600HP、2000HP，其中 1600HP 鉆井泵是目前國內(nèi)鉆井泵中功率最大的一種泵型。主要生產(chǎn)廠家有蘭石國民油井設(shè)備有限公司(以下簡稱“蘭石”)、寶雞石油機械有限責(zé)任公司(以下簡稱“寶石”)、益都石油機械廠等。90年代國內(nèi)蘭石和寶石生產(chǎn)鉆井泵的整體技術(shù)水平與美國National Oilwell公司很接近，但大功率的2200HP鉆井泵目前在國內(nèi)仍為空白。國產(chǎn)泵在結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)、制造質(zhì)量等方面均存在各自的優(yōu)缺點。其中，寶石廠生產(chǎn)的F系列泵的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)較先進合理，與美國Emsco公司相近，制造工藝先進，質(zhì)量較好。蘭石泵的優(yōu)點是液力端密封可靠性較高，壽命較長，在油田使用效果較好；缺點是動力端結(jié)構(gòu)繁復(fù)。21世紀(jì)初期我國鉆井泵的研究已經(jīng)取得了很大的進展，現(xiàn)已開發(fā)出F-2200HL鉆井泵，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷加拿大等國?？傮w上我國目前仍然存在鉆井泵閥體、活塞等易損件壽命低的問題，對于液壓鉆井泵還需要加大開發(fā)力度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法，該新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法能快速對鉆井泵的參數(shù)進行優(yōu)化，且優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確，優(yōu)化步驟簡單，大大降低了鉆井泵的優(yōu)化成本。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟:
(a)首先，根據(jù)實際情況，進行參數(shù)化建模；(b)然后，進行計算求解；(C)接著，進行后處理；(d)提起狀態(tài)變量；(e)提起目標(biāo)函數(shù)；(f)進行參數(shù)的優(yōu)化評估；(g)確定鉆井泵的最優(yōu)方案。所述步驟(f)中，如結(jié)果收斂，即進入步驟(g)。所述步驟(f)中，如結(jié)果不收斂，進行修正參數(shù)變量。修正參數(shù)變量結(jié)束后，返回步驟(a)。

綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:能快速對鉆井泵的參數(shù)進行優(yōu)化，且優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確，優(yōu)化步驟簡單，大大降低了鉆井泵的優(yōu)化成本。


圖1為本發(fā)明所用的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例:本發(fā)明涉及的新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟:(a)首先，根據(jù)實際情況，進行參數(shù)化建模；(b)然后，進行計算求解；(c)接著，進行后處理；(d)提起狀態(tài)變量；(e)提起目標(biāo)函數(shù)；(f)進行參數(shù)的優(yōu)化評估；(g)確定鉆井泵的最優(yōu)方案。所述步驟(f)中，如結(jié)果收斂，即進入步驟(g)。所述步驟(f)中，如結(jié)果不收斂，進行修正參數(shù)變量。修正參數(shù)變量結(jié)束后，返回步驟(a)。綜上可知:能快速對鉆井泵的參數(shù)進行優(yōu)化，且優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確，優(yōu)化步驟簡單，大大降低了鉆井泵的優(yōu)化成本。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)首先，根據(jù)實際情況，進行參數(shù)化建模； (b)然后，進行計算求解； (c)接著，進行后處理； (d)提起狀態(tài)變量； (e)提起目標(biāo)函數(shù)； (f)進行參數(shù)的優(yōu)化評估； (g)確定鉆井泵的最優(yōu)方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(f)中，如結(jié)果收斂，即進入步驟(g)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(f)中，如結(jié)果不收斂，進行修正參數(shù)變量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，修正參數(shù)變量結(jié)束后，返回步驟(a)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型鉆井泵的優(yōu)化設(shè)計方法，包括(a)首先，根據(jù)實際情況，進行參數(shù)化建模；(b)然后，進行計算求解；(c)接著，進行后處理；(d)提起狀態(tài)變量；(e)提起目標(biāo)函數(shù)；(f)進行參數(shù)的優(yōu)化評估；(g)確定鉆井泵的最優(yōu)方案。本發(fā)明能快速對鉆井泵的參數(shù)進行優(yōu)化，且優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確，優(yōu)化步驟簡單，大大降低了鉆井泵的優(yōu)化成本。
文檔編號G06F17/50GK103106292SQ201110385019
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者謝月 申請人:謝月