Способ управления насосной установкой Советский патент 1992 года по МПК E21B21/08 F04B49/00 

Изобретение относится к области гидроавтоматики и может быть использовано в циркуляционных системах буровых установок.

Целью изобретения является расширение диапазона применения, повышение КПД и стабилизация характеристик исполнительного органа за счет уменьшения амплитуды колебаний давле ния и расхода.

На фиг.1 изображена схема насосной установки; на фиг.2 - график пульсации подачи насоса; на фиг.З - линейные расходные характеристики; на фиг.4 - квадратичная расходная характеристика; на фиг.5 - предельные контуры колебаний расходов; на фиг.6 - предельные контуры колебаний относительных давлений.

Насосная установка содержит объемный насос 1, исполнительный орган 2 и трубопровод 3.

Способ управления насосной установкой осуществляется следующим образом,

Включением насоса 1 осуществляется нагнетание рабочей жидкости в трубопровод 3 к исполнительному органу 2. При этом режим работы установки (давление-расход) в произвольном промежуточном сечении трубопровода 3 в некоторый момент времени обусловлен встречей в этом сечении прямой и отраженной ударных волн, перемещающихся в рабочей жидкости со скоростью С.

Характеристическая кривая трубопровода 3 есть прямая, угловой коэффициент которой ± 4 Cp/ u d2, а знак зависит от направления движения волны (фиг.З), где р - плотность рабочей жидкости; d - внутренний диаметр трубопровода 3.

Граничные условия в начале трубопровода 3 определяются мгновенной подачей насоса 1, мгновенная подача непостоянна, периодически изменяется (пульсирует) в некотором диапазоне от Qw;n до Qmax (фиг.2).

сл

00

hO О

о

3177

Граничные условия в конце трубопровода 3 определяются характеристикой P-Q исполнительного органа 2, которая представляется в виде Р KQm (фиг.А), где Р - давление; Q - средняя подача насоса 1, потребляемая исполнительным органом 2.

В результате многократных отражений прямых и обратных волн от гра- ничных устройств (насос 1, орган 2) неустановившийся (вследствие изменения мгновенной подачи насоса) режи блокируется в некотором контуре, размер которого определяет уровень коле баний давлений-расходов в граничных сечениях установки.

При наличии отраженных волн существуют два крайних (предельных) случая (фиг.5), обуславливающих мак- симальный, либо минимальный размер контура колебаний давлений-расходов. В первом крайнем случае (фиг.5) волна, возникшая вследствие изменения мгновенной подачи насоса 1 в некото- рой фазе, дойдя до исполнительного органа () и отразившись от него, возвращается в начальное сечение () в момент, когда текущая фаза подачи идентична исходной. Это соб- людается при условии

п 1 -5Г

где 1 - целое число;

1 - длина трубопровода 3- В результате частный для данной фазы волны (Q) блокирующий контур вырождается в точку (пересечение характеристики исполнительного орга- на 2 с линией QJ (АВ - фиг.5), а полный размах колебаний (АР, AQ) определяется пересечением характеристики органа 2 с линиями минимальной и максимальной подачи насоса 1 (фиг.5).

Во втором крайнем случае (фиг.6) волна, возникшая при минимальном (максимальном) значении мгновенной подачи, возвращается в начальное сечение в момент, когда текущая подача переходит в максимум минимум). Данное условие выполняется при: п (21-1)С/41. Получаемый в резуль- тате блокирующий контур R, A R2A Z (фиг.6) обуславливает размах колебаний давления ЛР и расхода AQ.

66

0 5 0

4

Для выбора конкретного значения частоты пульсации определяется безразмерный коэффициент соотношения:

н - 9Р

Fd KQ7

где К - постоянная;

m - показатель степени характеристики исполнительного органа.

В зависимости от величины безразмерного критерия Н один из двух крайних случаев характеризуется минимальным уровнем колебаний давления-расхода в концевых сечениях. При Н 1 минимальный размер контура обеспечивается для первого крайнего случая, при Н 1 - для второго.

Поэтому при реализации способа в каждом случае необходимо для данного Н обеспечить оптимальную взаимосвязь между частотой вращения приводного вала насоса 1 длиною и диаметром трубопровода 3, параметрами рабочей жидкости и характеристикой исполнительного органа 2, что может быть достигнуто, например:

-применением регулируемого двига теля в приводе насоса 1;

-подбором длины трубопровода 3 (для установки с насосом нерегулируемой подачи)с

I

5

0 5

5

Нике приведен пример конкретной реализации способа. При турбинном бурении скважины на глубине L 1000 м при подаче промывочной жидкости поршневым насосом У8-6МА2, исходя из требуемого для эффективной работы турбобура и очистки забоя значения расхода жидкости Q 25- 35 л/с, частота двойных ходов насоса при коэффициенте подачи (6 0,9 и диаметра цилиндровых втулок D 170 мм, определяющем рабочий объем насоса q 32,3 л, может изменяться в интервале:

И -q5f 0.86-1,20 (Гц).

Применяются бурильные трубы ТБПВ 127x10 (d 107 мм), плотность промывочной жидкости р 1150 кг/м3, скорость ударной волны звука в ней С 1250 м/с, турбобур ЗТСШ-195 ТЛ имеет квадратичную характеристику () К 1,9-10 кг/м7. Длина наземного манифольда 10 30 м.

5177

Таким образом, возможный диапазон изменения безразмерного коэффициента Н

H -№KQ - 168 1-

Поскольку Н 1, антирезонансные частоты п пульсаций подачи обусловливают максимальный уровень колеба- ний давления:

ng (2i-D- j ----) (2i-1), 0,303

С)

Ряд дискретных антирезонансных частот (Гц)

ным насосом с пульсирующей подачей рабочей жидкости в трубопровод к исполнительному органу и формирование оптимальных эксплуатационных режимов работы установки за счет выбора частот пульсации подачи насоса в зависимости от свойств рабочей жидкости, трубопровода и исполнительного органа, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона применения, повышения КПД и стабилизации характеристик исполнительного органа за счет уменьшения амплитуды колебаний давления и расхода, предварительно определяют безразмерный коэффициент из соотношения

Использование: в циркуляционных системах буровых установок. Сущность изобретения: нагнетают объемным насосом с пульсирующей подачей I рабочую жидкость в трубопровод к исполнительному органу. Формируют оптимальные эксплуатационные режимы работы установки за счет выбора частот пульсации подачи насоса в зависимости от свойств рабочей жидкости, трубопровода и исполнительного органа. Предварительно определяют безразмерный коэффициент. 6 ил.

а 0,303, 0,909, 1,515, 2,121, 2,727, 3,333...

Минимальный уровень колебаний давления обеспечивается резонансными частотами. Пр пульсаций:

С

ПР г 2(L+ln)

0,606 i (Гц)

Ряд дискретных резонансных частот (Гц)

Пр 0,606, 1,212, 1,818, 2,42, 3,030, 3,636...

Поскольку для данного типа поршневого насоса частота пульсаций подачи в k раза превосходит частоту двойных ходов насоса (), то ряд дискретных резонансных частот двойных ходов насоса имеет вид: пно 0,1515, 0,3030, 0,, 0,6060, Р 0,7575, 0,9090, 1,0605, 1,2120, 1,3635... (Гц).

Следовательно, для осуществления наиболее эффективного процесса бурения на данной глубине с данным бурильным инструментом частота двойных ходов насоса должна принять одно из двух значений: 0,9090 или 1,0605 Гц.

Формула изобретения

Способ управления насосной установкой, включающий нагнетание объем20 Н - 2 С-Р-,

Н 1М

где р - плотность рабочей жидкости; d - внутренний диаметр трубопровода ;

С - скорость распространения ударной волны в рабочей жидкости;

Q - средняя подача насоса, потребляемая исполнительным органом;

m - показатель степени характеристики исполнительного органа;

К - постоянная характеристика исполнительного органа,

определяемая из соотношения К P/Qm, где Q™ - давление,

а частоту п пульсации подачи насоса выбирают из дискретных значений числового ряда, определяемого соотношениями

45

п i zr- , при Н 1,

п (21-1) ---- при Н 1,

где i - целое число; 50 1 - длина трубопровода.

н

II

i

Ј

Cvj

99Z8 I

дъпф Х0Шд lpy/w.

7 Ъ Ъпф

-гпф

,

ъш

WlUIi

ХРШ,

с/

/ jrd

ют

max

Фиг. 6