Буровые насосы

Дуплекс и триплекс: в чём принципиальное различие

Буровые насосы делятся на два принципиальных типа по числу цилиндров и схеме действия поршня. Дуплекс — двухцилиндровый насос двустороннего действия: поршень работает и на ходе вперёд, и на ходе назад, что даёт четыре рабочих хода за оборот коленчатого вала. Триплекс — трёхцилиндровый насос одностороннего действия: каждый из трёх поршней нагнетает жидкость только в одном направлении, суммарно — три рабочих хода за оборот.

Дуплексная схема (УНБ-600) исторически применялась на установках глубиной до 5 000 м. Её достоинство — простота обслуживания и хорошо изученная конструкция. Недостатки — высокая пульсация давления (требует мощного пневматического компенсатора), большая масса при той же мощности и чувствительность к абразивному износу манжет при реверсе поршня. Триплексная схема (УНБТ-950, УНБТ-1180А1) пришла ей на смену как основная для глубоких скважин: равномерность подачи при трёх цилиндрах существенно выше, корпус компактнее, а каждый цилиндр несёт одностороннюю нагрузку — ресурс гильз и поршней растёт.

На практике большинство буровых установок класса 5Д и выше с 1980-х годов комплектуются триплексными насосами. Дуплекс УНБ-600 и сегодня встречается на установках среднего класса и при капитальном ремонте скважин (КРС), где требования к давлению умеренные — до 32 МПа.

Конструкция бурового насоса: механический и гидравлический блоки

Любой буровой насос конструктивно делится на два функциональных блока, которые монтируются на общей раме и могут транспортироваться раздельно — это важно для заброски оборудования на отдалённые скважины.

Механический блок — привод. Электродвигатель или дизель через редуктор передаёт вращение коленчатому валу, который через шатуны и крейцкопфный механизм преобразует вращение в возвратно-поступательное движение штока. Крейцкопф разделяет зону смазки механики и зону работы с промывочной жидкостью — загрязнение масляной системы раствором недопустимо. Принудительная смазка механического блока — через шестерёнчатый маслонасос; давление масла контролируется датчиком с автоматическим отключением агрегата при его падении.

Гидравлический блок — собственно насос. Шток через сальниковое уплотнение соединяется с поршнем, движущимся в сменной гильзе. Буровой раствор всасывается через входной клапан и выталкивается через выходной клапан в нагнетательный коллектор. Клапаны — тарельчатые, самодействующие, из высокохромистой стали или с резиновыми седлами. Гильзы и поршни — расходные детали с ресурсом 300–2 000 часов в зависимости от абразивности и плотности бурового раствора. Именно гидравлический блок определяет рабочее давление: смена гильзы меньшего диаметра позволяет поднять давление при снижении подачи.

Пульсогасители устанавливаются и на всасывающей линии — для защиты от кавитации при работе с тяжёлыми буровыми растворами плотностью 1 600–2 200 кг/м³. Без всасывающего пульсогасителя гильзы изнашиваются в 2–3 раза быстрее.

Расходные детали и техническое обслуживание

Буровой насос работает в одном из самых тяжёлых режимов среди насосного оборудования: абразивная среда (буровой шлам с частицами горных пород), высокое давление (до 52 МПа), непрерывный режим по 10–12 часов в смену. В этих условиях ресурс расходных деталей гидравлического блока напрямую определяет стоимость бурения — простои на замену и стоимость ЗИП складываются в значимую статью бюджета буровой бригады.

Поршни и гильзы — наиболее быстроизнашиваемые детали. Ресурс поршня при работе с утяжелённым раствором (баритовый, карбонатный) — 300–600 часов. При работе с полимерными растворами низкой абразивности — до 2 000 часов. Признак замены: рост утечек через поршень, падение давления при той же частоте ходов. Гильзы меняют одновременно с поршнями или при появлении задиров и овальности более 0,2 мм по замеру нутромером.

Клапаны — тарельчатые, с резиновыми или металлическими седлами. Ресурс при нормальной работе — 500–1 500 часов. Признак износа: хлопки, нерегулярность подачи, скачки давления на нагнетательном манометре. Шток и сальниковое уплотнение — при появлении утечек в зоне крейцкопфа. Сальник меняется без разборки гидравлического блока, что снижает время ТО.

Регламентное ТО бурового насоса по каждой серии расписано в руководстве по эксплуатации. Общее правило для насосов серии УНБТ: ежесменный осмотр и контроль давления масла, замена поршней и клапанов по состоянию или по наработке часов, полная ревизия механического блока — каждые 3 000–4 000 часов.

Как выбрать буровой насос для скважины

Буровой насос подбирается под конкретную буровую программу: глубину скважины, конструкцию компоновки низа бурильной колонны (КНБК), тип промывочной жидкости и требования к гидравлической программе бурения. Насос, выбранный «по аналогии с соседней скважиной» без расчёта, либо не создаст нужного перепада давления на долоте, либо будет работать с хронической перегрузкой.

1. Гидравлическая программа бурения: рассчитывается расход промывочной жидкости Q (л/с) из условий очистки забоя и скорости восходящего потока в кольцевом пространстве. Это ключевой параметр — от него зависит мощность насоса. Как правило, Q = 20–70 л/с в зависимости от диаметра скважины и типа долота.
2. Требуемое давление нагнетания: складывается из потерь давления в бурильных трубах, КНБК, долоте и кольцевом пространстве. Для скважин глубиной 3 000–5 000 м — обычно 20–35 МПа. Для скважин глубиной 5 000–7 000 м — 35–50 МПа. Именно это значение определяет, нужен ли УНБТ-950 или УНБТ-1180А1.
3. Диаметр гильзы и рабочая точка: у каждого типоразмера насоса есть таблица «диаметр гильзы — давление — подача». Выбирается гильза, при которой рабочая точка (нужные Q и P) попадает в допустимую зону характеристики насоса, а мощность не превышает номинальную.
4. Плотность и абразивность бурового раствора: при плотности выше 1 800 кг/м³ или при наличии барита ресурс поршней и гильз резко падает. Учитывайте это при планировании ЗИП и при выборе между дуплексом и триплексом (последний даёт меньшую нагрузку на поршни за счёт одностороннего действия).
5. Применимый стандарт и документация: для российских буровых подрядчиков — ГОСТ 6031-81, декларация ТР ТС 010/2011, паспорт завода. Для объектов СРП или с иностранными операторами — API Spec 7K с комплектом документации: data sheet, материальные сертификаты на гильзы и клапаны, протокол испытаний.

Как правило, на буровой установке работают два насоса: основной и резервный. Резервный должен быть полностью укомплектован ЗИП и готов к пуску за 30 минут — такое требование прямо прописано в регламентах большинства крупных буровых подрядчиков.