钻井泥浆泵冷循环系统的优化改进研究

吕小峰

（中国石油川庆钻探工程有限公司厄瓜多尔分公司，四川 成都 610051）

钻井作业是一项复杂、多工序的系统工程，任何一个环节的失效都将直接影响整个钻井的进度。如果出现故障，将会造成很大的难度，甚至会导致井下的复杂事故。钻井液泵采用往复式泵，活塞在油缸套中作往复运动，往复式泵在工业生产中起着举足轻重的作用。往复式泵的失效导致了几十亿元的经济损失。为了提高泥浆泵的工作质量，减少钻井作业的危险性，冷却循环是关键环节。

1 钻井泥浆泵冷循环系统工作原理及主要问题

1.1 钻井泥浆泵循环系统的工作原理

泥浆循环系统由泥浆泵、高压泥浆管、软管、水龙头、钻柱、泥浆控制装置组成。功能：保持泥浆循环，清洗井筒底部，并将高压泥浆的能量输送至井筒底部。泥浆泵从泥浆池中抽取泥浆，经地面泥浆管道、软管和水龙头将泥浆注射到钻柱内，再由钻头冲到井下，将钻渣从钻柱和井壁间的环形空间中带走。

1.2 钻井泥浆泵冷循环系统运行中的主要问题

泥浆泵冷却系统是指在泥浆泵运转时，对泵的缸套、活塞进行冷却，以保证泵的正常工作。该冷却系统能有效地减少工作时的温度，提高缸套和活塞的使用寿命。尤其是在高温环境下，冷却系统不能达到预期的效果，导致缸套和活塞的寿命减少。另外，由于频繁更换气缸套、活塞，造成钻机作业费用大、作业效率低、劳动强度大。

泥浆泵是油田生产不可缺少的机械设备，其工作时活塞的往复运动产生的摩擦力会使其燃烧。因此，泥浆泵的缸套内部要进行降温。

泥浆泵工作条件复杂、条件苛刻，一般采用简易的水槽来进行冷却。但在钻机运转的过程中，泥沙、活塞的运动或者拆卸的时候，都会将泥沙和杂质带到冷却水槽中，造成冷却水的污染，影响泥浆泵的冷却，并且将污水中的杂质和微粒带入水缸套中；造成活塞拉伤，极大地减少了泥浆泵的缸套、活塞的使用寿命。频繁地更换缸套、活塞会使工作效率下降，甚至会引起生产事故。

2 钻井泥浆泵冷循环系统优化改造设计

针对我国西北地区降雨量小、温度较高、缺水较为典型的地域特征，为确保钻机钻井液泵冷却循环系统的工作稳定、提高经济效益，必须对其进行改造。以下是对其优化改进途径的分析与论述。

针对泥浆泵冷循环系统，设计了一种钻井液泵的循环、过滤装置，该装置能有效地保证钻井液的清洁性，防止钻井液中的异物侵入而造成钻杆堵塞、刺穿，从而延长泥浆泵缸套和活塞的使用寿命。

对钻井液循环过滤器的优化改造后，该设备由一体化水池组成，该水池设有浑水池、净水池、沉淀池；第一滤池和一个第二滤池，该浑池在该水箱的左边，该浑浊池的上部开口，该浑浊池在该浑浊池的下面；在该浑槽的右边设置了一个可移动的、可移动的、在该浑槽和该浑槽之间的、净水池上部设置一封闭罩，其封闭面的水平比水箱的上端开口低，在浑水池和净水池间设置一可移动的二级滤网，该净水塘中装有一台潜水机；潜水泵的输油管道通过密封圈与钻头或钻头连接。

在沉降槽的底面设置斜坡。在沉降槽的底部，在斜坡的底部设置了一个排水阀门。这个斜率是5°。该密封罩在其上的出水口具有防灰尘、防雨的橡胶圈。

该方案经过一次过滤和一次潜水泵自带的一次滤网过滤，有效地保证了泥浆泵冷却水的净化；为了避免钻井液中的异物对钻杆产生卡阻、刺穿，保证钻井液的连续、平稳、可靠地运行，提高了钻井液的产量和使用年限；第一次和二次滤芯可分离，便于清洁，可有效地处理边远区域的钻井机工作中更换水源困难；沉降槽采用斜面结构，保证了污水的完全排放和清洁。

如在图1 中所示，一种泥浆泵的冷却水循环过滤装置，它包含一个整体的水池，该水池具有一个浑水池1、一个净水池2 和一个沉淀池3；第一滤网4 和位于水箱1 的左侧的上部开口的浑池1，以及设置在浑水罐1 下面的沉淀池3；一可移除的第一滤网设置在沉淀池3 和浑池1 之间，该净池2 位于浑池1 的右边，并且该净池2 的顶部设置有一个盖子21，并且该盖子21的高度比该水槽的顶点低；该浑槽1 和该净槽2 之间设置有一可移除的第2 滤网4，该净槽中设置有一潜水泵101，该潜水机101 的输出管线通过该盖子与该钻井筒的柱塞杆或套筒端口相连接，并将清水注入气缸套中以进行冷却。

图1 泥浆泵冷却水循环过滤系统结构示意图

图1中的净水槽占了整个洗槽的右边，从图2 可以看出，净水槽在水槽的右边，而整个水槽的底部是一个沉淀池。在沉淀室3 的底部设置一个斜坡，在斜率低的一侧的最低点上设置一个排水阀门31，该排水阀门31的斜率是5 度。沉淀池采用斜坡设计，容易彻底清除淤泥，清洗时先将滤网取下，用清水冲刷沉淀池；十分方便。在密封罩21 的安装和排出管上设置有防水、防尘的橡胶套。避免在工作时产生的污物和污物进入净水槽。

图2 泥浆泵冷却水循环过滤系统布置示意图

改造后的新型泥浆泵的冷循环系统在工作时，采用潜水泵将净水池中的清水抽入泥浆泵的缸套中进行冷却，工作中活塞向后退时，污水会被排出；经过一次过滤，经过二次沉淀、三次过滤；通过四次滤网102 一次，保证了泵内冷却水的纯度，避免了钻井液中的杂质堵塞，保证了钻井液的连续、稳定、可靠工作。

3 改进前后钻井泥浆泵冷循环系统对比

3.1 改进前后钻井泥浆泵冷循环系统冷却效果模拟分析

为更好地改善钻井泥浆泵前、后循环的变化，采用计算机进行冷却效果的数值模拟，TRNSYS 是一种能较好地模拟改进前后的冷却效果的动态仿真软件。

目前，理论分析法、系统辨识法、模型分析法等三种分析方法，其中理论分析法是模型分析法。本文采用了一种基于系统识别的方法进行了验证，该方法可以对复杂的物体进行建模，并对其进行了建模，并将其与实测数据进行了拟合。钻井泥浆泵冷却循环系统的工作效率必须通过高斯定理分析泵体的排放来判定。同时，对钻井液泵冷却循环系统进行了改进，并对其进行了理论分析，并对其参数进行了详细地记录，确保了钻井液泵冷却循环系统的工作稳定；既能确保较好的经济效益，又能较方便地进行后期的钻井液循环冷却。

为使钻井液泵冷却循环系统得到更好地改善，必须把常规的循环冷却水和经过改良的循环相比较。在进行对比时，可以采用电脑技术来有效地模拟出冷却效果，并建立一个动态的操作模型，从而分析出经过改造后的钻井液泵的制冷循环效果。在图3 中，方形表示了改进以前的钻井液泵冷却循环操作方式，而三角形表示随后的改进；而且，分散的效果越差，密度也就越大。从这一点上可以看出，经过改造的钻井液泵的冷却循环系统的工作性能是十分显著的。此外，通过对钻井液泵的冷却循环，可以在一定程度上减少系统的失效，提高系统的工作效率；达到较好的经济效果，减少员工的工作强度。

图3 TRNSYS 软件模拟结果

图中方形部分表示改进之前的钻井液泵冷却循环，蓝色表示改进后的钻井液泵冷却循环，按照模拟软件的一致性，分散程度越低，代表性越差。结果表明，改进后的钻井液循环系统具有较好的制冷效果。

3.2 钻井液泵改造前后冷却循环系统的比较

在钻井液改造前，钻机采用喷射水泵对储罐进行水循环，频繁的高温会缩短钻机的缸套、活塞的使用寿命，提高工人的劳动强度；增加了钻机的费用，在泥浆泵的平均工作时间达到100h 后，缸套或活塞将会发生故障，换成大循环后的水；泥浆泵的工作时间平均为300h。

4 结语

针对目前油田中、晚期阶段的特点，提出了改进后的钻井液泵冷却循环系统的工作模式，并进行了前后工作效率分析、冷却效果计算机模拟对比、现场应用，证明了改进后的钻井液循环比改进前的钻井液循环更好，提高了钻井液泵的冷却循环，延长了缸套和活塞的使用寿命，减轻了工人的劳动强度；可减少油缸套筒、活塞的更换，为3 个钻井机的喷射泵节省了现场建设成本。