无隔水管钻井液举升泵速度调节数学模型.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 3年第 4 1 卷第 8期 海洋石油装备 无隔水管钻 井液举升泵速度调节数 学模型 周 昌静 陈国明 谭海东 1 ．中国石油大学 华东化学工程学院2 ．中国石油大学 华东 海 洋油气装备 与安全技 术研 究中心3 ．长春工业大学机 电工程 学院 摘要为增强无隔水管钻井井口压力控制效果 ，通过试验验证 了叶片圆盘泵在一定转速范围 内满足 比例定律 ，在此基础上对叶片圆盘泵不 同转速下的扬程与流量特性进行分析，建立 叶片圆 盘泵速度调节的数学模型。通过试验数据确定模 型有关参数 ，将模 型计算的转速与试验 转速进行 对比。对比结果表 明，模型计算的转速与试验转速很接近 ，这表 明该速度调节数学模型用于无隔 水管钻井叶片圆盘泵速度调节具有较高的精度。 关键词 无隔水管钻井；钻井液；叶片圆盘泵；流量 ；扬程；速度调节；数学模型 中图分类号 T E 9 5 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 1 0 M a t he ma t i c M o d e l o f M u dl i f t Pump S pe e d Co nt r o l i n Ri s e r l e s s Dr i l l i n g Z h o u C h a n g j i n g ‘ C h e n G u o m i n g T a n H a i d o n g 1 ． C o l l e g e o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m，Q i n g d a o 2 ． C e n t e r f o r O f f s h o r e E n g i n e e r i n g a n d S a f e t y T e c h n o l o g y ， C h i n a U n iv e r s i t y o fP e t r o l e u m 3 ． C o l l e g e ofMe c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i nee r i n g ， C h a n g c h u n U n i v e r s i t y o f T e c h nol o g y Ab s t r a c t To s t r e n g t h e n t he we l l h e a d p r e s s u r e c o n t r o l e f f e c t i n r i s e r l e s s d r i l l i n g，t he l i ft a nd flo wr a t e c h a r a c t e r i s t i c o f b l a d e d i s c p u mp a t di f f e r e n t r o t a t i o n s p e e d s we r e a n a l y z e d o n t h e b a s i s o f v e rif y i ng t h a t t h e p u mp s a t i s f i e s t he p r o p o r t i o n a l i t y l a w wi t hi n t h e s c o p e o f a c e r t a i n r o t a t i o n s p e e d t h r o u g h t h e t e s t ． Th e ma t h e ma t i c mo d e l o f t h e p u mp s p e e d c o n t r o l wa s e s t a b l i s h e d． Th e t e s t d a t a wa s u s e d t o d e t e r mi n e t h e r e l e v a n t p a r a me t e r s o f t h e mo d e 1 ． Th e r o t a t i o n s p e e d c a l c u l a t e d b y t h e mo d e l wa s c o mp a r e d wi t h t h a t o f t h e t e s t ． Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e t wo v a l u e s a r e v e r y c l o s e ． Th i s i n d i c a t e s t h a t t h i s ma t he ma t i c mo d e l f o r s p e e d c o n t r o l c a n a c h i e v e a r e l a t i v e l y h i g h p r e c i s i o n i n a d j u s t i n g t h e p u m p s p e e d i n r i s e r l e s s d ri l l i n g ． Ke y wo r d s r i s e r l e s s d r i l l i n g； d r i l l i ng flu i d； b l a d e d i s c p u mp； f l o wr a t e； l i f t ； s p e e d c o n t r o l ； ma t h e ma t i c mo d e 1 0 引 言 海底钻井液举升泵是无隔水管钻井技术 中的关 键设备之一 ，钻井作业时被安装在海底 ，完成 海底钻井液举升和海底井 口压力 的控制 。叶片圆盘 泵具有性能曲线平坦 、无堵塞性能好和叶轮受磨损 程度小等优 点，在无隔水管钻井 中得 到了广泛 应 用_ 3 J 。无隔水管钻井需要海底钻井液举升泵进行 实时调速来调节流量 ，以满足保持海底钻井液举升 泵入 口压力恒定的要求。如果用举升泵的通用性能 曲线来确定调节流量所需的转速，则很不方便 ；如 果直接按比例定律确定调节流量所需转速 ，要求变 速后流量、扬程同时满足比例定律关系。 海底钻井液返 回管路系统属于典型的有静扬程 系统 ，比例定律不能直接用于确定举升泵流量调节 所需转速 ，因此按 比例定律计算 的转速满足流量的 同时可能使扬程过大 ，造成能量浪费，也可能举升 扬程不够 ，完成不了钻井液的举升 J 。这就需要 寻求一种能表达举升泵变速性能的函数关系式 ，以 基金项 目国家科技重大专项 “ 深水油气 田开发钻完井工程配套技术” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 60 0 11 2 。 2 0 1 3年 第4 1 卷第8期 周昌静等无隔水管钻井液举升泵速度调节数学模型 一 4 1一 便 随时准确地确定举 升泵调节流量所需 要的转速 。 为此 ，对叶片圆盘泵样机进行变速试验 ，验证其在 一 定转速范围内满足 比例定律 ，建立变速调节数学 模型，通过试验确定模型有关参数 ，再将模型计算 转速与试验值进行对 比。对比结果表明，该变速数 学模型能很好地用于无隔水管钻井叶片圆盘泵调速 控制 中确定所需转速 。 1 比例定律 当同一台离心泵转速 由 凡 变为 It 时 ，若输送 的介质不变 ，根据相似定律可知 ，在不 同转速下相 似工况点的对应参数与转速之间有下列关系 1 Q 2 2 笼 ＼ n 』 N 1 3 ＼ ／ 式 中p 体积流量 ，m。 ／ h ； 扬程 ，m； 功率 ，k W； n 泵轴转速 ，r ／ m i n 。 上述 3个公式即为比例定律表达式 ，它们表示 对同一台离心泵相似工况下 的 Q、H、N与 之间 的比例关系。对于满足比例定律关系的泵 ，输送流 体相 同时 ，可用这 3个公式进行不同转速下性能 曲 线的换算。 Q ／ n ，则 由式 5 可得 和 有如下函数关系 咖 6 按照上述方法，对应于不同试验转速 ，均可求 得 1条 一 特性曲线。从理论上说 ，这些曲线应当 重合 ，即为 1条曲线。不同转速下叶片圆盘泵输送 清水和钻井液 时的 一 西特性 曲线 如图 1 、图 2所 示 。由图可知 ，在 试验转速范 围内，各转速下 的 ．西曲线重合较好 ，这就从试验角度证 明，叶片圆 盘泵在变速运行 时，相似工况点扬程． 流量关 系式 遵从一般离心泵的比例定律 。 f 2 弛 圈 图1 输送清水无因次H - Q变速特性曲线 F i g ． 1 N o n d i m e n s i o n a l H Q v a r i a b l e s p e e d c h a r a c t e r i s t i c c nr v e i n t r a n s po r t i ng c l e a r wa t e r f 、 2 圜 图 2 输送钻井液无 因次 Q变速特性 曲线 F i g ． 2 N o n d i m e n s i o n a l H Q v a r i a b l e s p e e d c h a r a c t e r i s t i c e n t r e i n t r a n s p o r t i n g mu d 2 叶片圆 盘泵 速度调节数学 模型 建立 2 2速 度 调 节 数 譬 立 考 虑 到 无 隔 水 管 钻 井 海 底 钻 井 液 举 升 是 典 型 的 2 ． 1 不同转速下的扬程、流量特性分析 海底钻井液举升泵速度调节 的目的在于改变海 底泵 的入 口流量 ，以保持恒定的海底井 口压力。转 速变化后 ，举升泵要满足钻井液举升的流量和扬程 要求 ，对于在一定转速范围内满足 比例定律关系的 泵 ，相似的任意 2工况点 由式 1 和式 2 消 去转速 比得到，即 H L H2 H 1 ， I＼ Q Q Q 则各转速下各相似工况点的轨迹可表示为 H k Q 5 式中 随工况而变 的常数。 由式 1 和式 2 可知，扬程 日与 It 成 比 例 ，流量 Q与 It成 比例 。如果取 n ，取 有静扬程管路系统 ，且静扬程很大，井底压力控制 时流量变化可能很大 ，而举升高度不变 ，系统所需 扬程变化不大 ，转速调节前 、后 2工况点间并不满 足 比例定律关系 ，因此所需调节转速不能按 比例定 律确定。而对于同一台泵 ，其转速 、流量 Q和扬 程 日之间必然存 在一种 确定的 函数关系 ，因此 和 之间也必然存在一种确定的函数关系 7 根据试验所得各转速下的扬程和流量，首先用 式 6 求得 和 咖，然后用数值拟合求 出 和 之间 的关 系式 。因相 似工况 点 的 和 西满 足式 6 的关 系 ，并且 采用二 次 函数形式 不仅 简单 、 方便，还具有足够的准确性，所以设任意的 和西 的函数关系为