CN103306987A - 一种用于无隔水管海底泥浆举升钻井的多级叶片泥浆泵 - Google Patents

一种用于无隔水管海底泥浆举升钻井的多级叶片泥浆泵 Download PDF

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尹树孟
周昌静
徐长航
陈永超
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Abstract

一种用于无隔水管海底泥浆举升钻井的多级叶片泥浆泵,其中包括驱动叶轮盖板、从动叶轮盖板、径向放射状叶片、导叶、驱动轴等。所述驱动叶轮盖板与从动叶轮盖板之间存在径向叶片,叶片之间是不连续的,即存在无叶区;驱动叶轮盖板与从动叶轮盖板通过连接臂连接,驱动叶轮盖板与从动叶轮盖板进口段以圆弧形式或圆锥形式适当过渡到径向,流体介质通过导叶导入下级叶轮。本发明多级叶片泥浆泵可输送多相流介质,无堵塞、抗磨损、扬程高;流量扬程性能曲线平坦,工作范围宽,对机械密封性能要求较低。

Description

一种用于无隔水管海底泥浆举升钻井的多级叶片泥浆泵
技术领域
本发明涉及流体输送机械领域,尤其涉及一种无隔水管钻井海底泥浆举升的多级叶片泥浆泵,适合于海底输送钻井泥浆及其他海底矿物颗粒。
背景技术
无隔水管泥浆回收钻井技术是双梯度钻井技术的一个实现方案,与其他双梯度钻井技术不同的是无隔水管钻井系统中返回泥浆及钻屑通过吸入模块经海底泥浆举升泵返回海面,进行控压实现双梯度钻井。目前无隔水管钻井系统中返回泥浆主要依靠泥浆举升泵串联实现,且随着水深的增加,泵的串联模块随之增多,从而使举升泵模块的可靠性、可维护性能降低;此外举升泵特殊工作环境和输送介质对举升泵提出特殊要求:1)因钻屑及泥浆需通过海底举升泵返回到海面,要求举升泵扬程足够高;2)因输送介质是高磨砺性颗粒、甚至是含有大量气体的钻井液,要求举升泵具有抗堵塞、耐磨性和多相输送的能力;3)深水、高扬程条件下具备不加外冲洗装置的固液两相流的无泄漏密封性能。
目前多级离心泵在轴向力平衡,提高泵扬程方面具有一定优势;在输送高粘度、高浓度及含有固体颗粒的流体介质时效率低,易磨损,且用于海底可靠性差等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可适用于深海环境,高扬程、抗堵塞、耐磨损的多级叶片泥浆泵。
本发明是通过以下技术方案实现的:多级叶片泥浆泵主要组成部分有驱动叶轮圆盘、从动叶轮圆盘、连接臂、导叶及泵壳等组成。
叶轮圆盘有光滑圆盘或带有不连续的叶片圆盘两种形式,光滑圆盘较适合输送高粘度、高浓度的油水混合物等,可无阻塞通过固相介质,同时因无叶片结构,叶轮耐磨损能力强,缺点是效率较低;带有一定高度的不连续叶片的圆盘叶轮,叶片主要分布在圆盘内侧,效率较高,能满足高扬程需求,因固相颗粒较流体介质比重大,经过叶轮时主要集中于速度小压力大的无叶片区域,从而对有叶区叶片磨损较小。
叶轮圆盘数量可以是2个或是多个,不同叶轮圆盘之间通过圆柱形连接臂连接。叶轮圆盘之间可以是平行圆盘或是进口段以圆弧或圆锥形式过渡的圆盘,同时叶片形式也是圆弧或圆锥形式过渡的。
叶轮圆盘为有不连续叶片圆盘叶轮时,叶片数目在8~10片之间,可以是径向直叶片或是长叶片间带有径向短叶片的复合式叶片结构,因叶片出口角为90°,同时叶轮圆盘间存在较大无叶区,导致多级叶片泥浆泵的流量扬程曲线比较平坦。
导叶可采用径向式导叶、流道式导叶或是空间导叶,可在正反导叶表面镀陶瓷或是玻璃等物质,从而减少固相颗粒对导叶的磨损,同时减少粘性流体介质于正反导叶片处滞留。
用于深海无隔水管海底泥浆举升钻井的多级叶片泥浆泵进口一定是切向进口,出口可采用切向或轴向出口,在无隔水管钻井的过程中,因返回钻井液压力与海底静水压力大致相等,即进口处钻井液压力与泵壳外部海水压力几乎相等,从而降低动力输入端对机械密封的性能要求。
此外,叶轮亦可左右对称布置,即两端分别为泵进口,中间为出口的方式对称布置叶轮,从而减少轴向力。
本发明与现有输送含有固体颗粒的泵相比具有以下优点:1、泵的流量扬程曲线平坦,工作范围宽;2、通过性能好、叶轮磨损小;3、抗气蚀性能好,工作平稳无脉动;4、通过叶轮级数增加,举升扬程较大提高,从而降低对电机转速要求,进一步减小圆盘叶轮的磨损;5、固液密封性能要求降低;6、通过叶轮对称布置,轴向力较小。
本发明多级叶片泥浆泵不仅可用输送泥浆,在输送高粘度、高浓度等多相流流体介质方面(例如油气远距离混输)均可实现高效率、高扬程及工作寿命长等特点。
附图说明
图1为本发明多级叶片泥浆泵一实施例的结构示意图。
图2(a)为图1的局部放大图。
图2(b)为图2(a)的叶轮进口以圆弧过渡的实施例结构示意图。
图2(c)为图2(a)的叶轮进口以圆锥过渡的实施例结构示意图。
图2(d)为图2(a)的叶轮多盖板实施例结构示意图。
图3为驱动叶轮由进口方向看的实施例结构示意图。
图4为从动叶轮由进口反方向看的实施例结构示意图。
图中,1、驱动轴;2、多级叶片泥浆泵进口;3、导叶;4、从动叶轮盖板;5、径向叶片;6、驱动叶轮盖板;7、连接驱动叶轮与从动叶轮的连接臂;8、多级叶片泥浆泵出口;9d、叶轮多盖板结构时中间盖板。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参照图1为多级叶片泥浆泵一实施例结构示意图,泵正常于工作时,海底电机带动驱动轴运转,驱动轴通过键带动叶轮盖板运转,返回钻井液及钻屑通过多级泵进口2,圆盘叶轮对其做功进一步导入导叶3,从而完成一个单级叶片泥浆泵循环,并通过多级单元对其做功达到泵所需扬程,最终通过泵出口8连通的返回的管线返回海面。
由于驱动叶轮盖板6与从动盖板4之间存在径向叶片5,单级圆盘叶轮流量扬程性能变化曲线较平坦,可以通过较小范围内改变泵转速,达到较大范围内改变流量的特点,从而满足钻井需求。
并且驱动叶轮盖板6与从动叶轮盖板4之间存在无叶区,从而明显降低钻井液(含岩屑颗粒)对叶轮的磨损。
并且由于多级单元串联做功提高扬程,对泵转速要求可进一步降低,从而又降低了钻井液(含岩屑颗粒)对叶轮的磨损。
并且因无隔水管泥浆回收钻井技术通过将海底泵的入口压力控制到接近海水静液压力实现双梯度钻井,泵进口侧与驱动轴密封端外侧压力相差不大,从而进一步减小对机械密封性能要求。
若所需叶轮级数较多,轴向力较大时,驱动轴两端可均布置轴承箱,同时叶轮吸入口可对称布置,从而进一步平衡轴向力。
参考图2(b)所示为叶轮进口以圆弧过渡的实施例结构示意图和图2(c)所示为叶轮进口以圆锥过渡的实施例结构示意图,图中径向放射状的叶片5(b)和5(c)增加对输送介质的做功面积,且输送介质以更加平缓的方式进过叶轮内部,从而提高单级叶轮的效率及扬程,进一步提高单级叶轮的抗气蚀性能。
参照图2(d)所示为三个平行叶轮盖板时单级叶轮的一实施例结构图,主要用于输送介质颗粒较小时,通过增加单级叶片盖板数可以增加单级泵扬程,从而提高多级泵的总扬程。
参照图3和参照图4分别为驱动叶轮由进口方向看和从动叶轮由进口反方向看的正视图,8枚叶片分别以一定高度均布于叶轮盖板内侧表面。

Claims (4)

1.一种用于无隔水管海底泥浆举升钻井的多级叶片泥浆泵,其特征在于:在由原动机驱动的主轴上安装多个叶轮、导叶及平衡机构,其中叶轮分为无叶片和有叶片两种情况:无叶片的叶轮由两个或多个光滑的圆盘构成,光滑圆盘通过连接臂连接;有叶片时,两个叶轮盖板内的叶片是不连续的径向直叶片,即叶轮盖板间存在有叶区和无叶区;叶轮盖板间距足够大以满足含有最大直径固相颗粒的多相流介质通过。
2.根据权利要求1所述一种用于无隔水管海底泥浆举升钻井的多级叶片泥浆泵,其特征在于:叶轮盖板间是相互平行的,进口段可以以圆弧形式或圆锥形式过渡到径向,或进口段不存在过渡。
3.根据权利要求1所述一种用于无隔水管海底泥浆举升钻井的多级叶片泥浆泵,其特征在于:叶轮盖板可以是两个盖板或是多个平行的盖板。
4.根据权利要求1所述一种用于无隔水管海底泥浆举升钻井的多级叶片泥浆泵,其特征在于:多级叶片圆盘泵的叶片是以一定高度均布存在于叶轮盖板内侧表面上,叶片是径向放射状的直叶片或是以圆弧形式或圆锥形式过渡的放射状叶片,叶片形式取决于叶轮盖板形式。
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