气动隔膜泵、莫诺泵、蠕动泵的优缺点

水泵是一种以冷凝器放出的热量对被调节环境进行供热的一种制冷系统。就水泵系统的热物理过程而言，从工作原理或热力学的角度看，它是制冷机的一种特殊使用型式。它与一般制冷机的主要区别在于：

①使用的目的不同。水泵的目的在于制热，研究的着眼点是工质在系统高压侧通过换热器与外界环境之间的热量交换；制冷机的目的在于制冷或低温，研究的着眼点是工质在系统低压侧通过换热器与外界之间的换热；

②系统工作的温度区域不同。水泵是将环境温度作为低温热源，将被调节对象作为高温热源；制冷机则是将环境温度作为高温热源，将被调节对象作为低温热源。因而，当环境条件相当时，水泵系统的工作温度高于制冷系统的工作温度。

2。水泵的由来

随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家J.P.Joule提出了“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的LordKelvin勋爵）发表论文，提出了热量倍增器（HeatMultiplier）的概念，首次描述了水泵的设想。

当时，水泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特别是对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识。人们采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，热泵的发展长期明显滞后于制冷机的发展。

上世纪30年代，随着氟利昂制冷机的发展，水泵有了较快的发展。特别是二战以后，工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用水泵的发展。1973年的全球性能源危机，进一步促进了水泵在全世界范围内的发展。

18世纪以前的消防车多数为放在推车上的手动水泵，用作把泵水救火。随着城市发展及防火需求提高，19世纪中段起出现蒸汽机发动之水泵，并开始以马车运载。蒸汽机动力消防车是1829年在伦敦出现的，发明人是蒸汽机工程师约翰·布雷斯韦特。这是一种以煤为燃料，并装有一根软水龙带，用10马力双缸蒸汽机驱动的消防车。但这种消防车在英国却到1860年代才得到广泛使用。20世纪内燃机发明以后，逐渐出现现时所见的现代消防车。1872年，德国研制出云梯消防车。云梯是靠手工操作的。1901年，英国利物浦的洛亚尔－卡利迪公司也生产出消防汽车，被利物浦市消防队所采用。中国于1916年出现了用汽车改装的消防车，但直到20世纪30年代，很多城市还在使用马拉消防车。

泵车是消防车中最常见的。车上主要设备为消防泵(水泵)及各式消防瞄子。泵车到达火场时会被接到消防栓，为救火供水。通常车上还会有水缸储存一定容量的水，以便在离开水源时可短暂使用。其他搭载的设备包括有烟帽，爆,破工具等等。

最早的泵是在大约于公元前300年左右出现的，阿基米德发明了一种泵，称为阿基米德式螺旋抽水机，至今仍有厂家在生产。

希腊人克特西比乌斯（公元前285-222年）发明的压力泵是一种最原始的活塞泵。主要用来生产水柱以及从井口举起水。（至今还保存在古罗马时代的遗址上，如在英国的西尔切斯特）。

中国历史上南北朝时期出现的方板链泵作为一种链泵是泵类机械的一项重要发明。

1475年，意大利文艺复兴时期的工程师弗朗西斯科·迪·乔治·马丁尼在论文中提出了离心泵原始模型。

1588年，意大利人阿戈斯蒂诺·拉梅利自费出版了《阿戈斯蒂诺·拉梅利上尉的各种精巧的机械装置》（Le Diverse t Artificiose Machine delCapitano Agostino Ramelli）。（这部著作详细描述了许多二三百年以后制造成功并成为商品的工具和机械设备）。其中有关于链泵、水泵、滑片泵的描述。

大约在1590-1600年，齿轮泵被发明。

1635年，德国学者Daniel Schwenter描述了齿轮泵。

1650年，德国马德堡市市长奥托·冯·格里克发明第一台空气泵，不断改进后于1654年设计出真空泵。

1658年，爱尔兰化学，物理学家罗伯特·波义耳和英国博物学家，发明家罗伯特·胡克进行空气泵实验。

1675年，英国国王查理二世的御用机械师塞缪尔·莫兰爵士，获得柱塞泵专利，他设计制造的水泵被当时英国国内众多的工业，船舶应用，以及如水井，池塘排水和灭火。

1680年，约旦出现简单的离心泵。

1685年，法国物理学家丹尼斯帕潘进行空气压缩泵高压实验。

1689年，丹尼斯·帕潘发明了直叶片的蜗壳离心泵，而弯曲叶片是由英国发明家John Appold于1851年发明的。

1720年，在伦敦城市的供水系统中开始使用柱塞泵。

1732年，英国人戈塞特和德维尔发明隔膜泵。

1738年，荷兰人丹尼尔·伯努利的《Hydrodynamique》（流体力学）出版，提出白努利定律；1755年，瑞士人莱昂哈德·欧拉著作《General principles on the movement of fluids》（流体运动的一般原理）出版，提出理想流体基本方程和连续方程。奠定了离心泵设计的理论基础。

1746年，H.A.Wirtz设计出使用阿基米德螺旋用于提升水的螺旋泵。

1768年，威廉·科尔在船舶舱底中改进和引入链泵。

1772年，瑞典学者伊曼纽·斯威登堡提出汞真空泵设计。

大约在1781-1782年，绳泵的发明被首次描述。

1818年，在美国出现的具有径向直叶片、半开式双吸叶轮和蜗壳的马萨诸塞泵。

1849年，美国人亨利·沃辛顿发明蒸汽直接作用的蒸汽泵，是一种最简单的活塞泵。

1852年，英国开尔文勋爵威廉·汤姆森提出了热泵的设想。

1857至1859年，亨利·沃辛顿发明水平、复式、直接作用，用于锅炉给水全双工蒸汽泵。

1857年，英国查尔斯·亨利·穆雷获得链泵专利。

1865年，汞真空泵发明，用于解决碳丝灯泡的问题。

1868年，Stork Pompen公司在荷兰亨厄洛成立，发明了混凝土蜗壳泵。

1870年，英国人威廉·汤姆森提出了射流泵的设计。

1875年，英国人雷诺兹获得多级离心泵专利：主要是为了提高离心泵效率。

1877年，英国景崇用于污水处理的气泵：包括喷射器。

1880年，英国Frizzle设计气举泵。

1890年，美国麻省Warren公司制造了第一台双螺杆泵。

1892年，美国Worthington公司制造用于世界上第一条油管（从宾夕法尼亚州至纽约）的油泵。

1900年，哈里斯制造出空气压力泵。

1901年，美国拜伦·杰克逊(Byron Jackson)公司生产出深井垂直涡轮泵。

1902年，美国宾夕法尼亚州阿伦敦的Aldrich Pump公司制造了世界上第一台往复式正排量泵。

1904年，美国拜伦·杰克逊公司生产出潜水式电机泵。

1909年，盖德(W．Gaede)发明旋片泵并取得德国专利。

1912年，瑞士苏黎世安装了世界上第一个水源热泵系统，以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，并获得专利。

1916年，Aldrich公司制造出电机驱动的往复式泵。

1918年，美国拜伦·杰克逊公司制造出用于石油工业的热油泵。

1923年，格罗格提出旋喷泵的结构原理，旋喷泵也称皮托泵。随后研制出了闭式皮托泵。Worthington公司制造了世界上第一台离心锅炉给水泵，压力达到770巴（11165psi）。

1924年，美国Durco公司生产出专门设计用于化学加工的泵。

1927年，美国Aldrich公司生产出变冲程多气缸往复式泵。

1929年，荷兰Houttuin公司制造了欧洲第一台双螺杆泵。Byron Jackson公司生产出电厂中使用的双壳进给泵.

1931年，瑞典IMO公司发明并制造三螺杆泵。

1932年，法国工程师Moineau发明单螺杆泵（莫诺泵），并由德国PCM泵公司制成产品。

1934年，鲍诺曼公司设计制造了外置轴承双螺杆泵。United公司生产出用于回收石油的高压水和二氧化碳喷射泵。

1936年，米顿罗公司发明马达驱动计量泵。 气镇泵发明出现。

1937年，美国英格索兰-德莱赛公司设计制造径向分离、从后面拉动的流程泵。

1942年，美国Pacific公司制造用于处理催化剂粉末的浆料泵.

1946年，美国HMD公司发明磁力泵。

1948年，美国拜伦·杰克逊公司生产出用于现代原子能发电的罐装泵原型。

1951年，美国拜伦·杰克逊公司制造用于第一艘核潜艇美国鹦鹉螺号的主进给泵。

1953年，美国拜伦·杰克逊公司制造鹦鹉螺号核潜艇的再循环泵。Durco公司生产出后拉式化学流程泵，是ANSI 标准的前身。

1958年，联邦德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵，以后相继出现了各种不同结构的分子泵。

1960年，美国拜伦·杰克逊公司制造了于地下液化石油气存储设施中应用潜水式电机泵。

1961年，美国拜伦·杰克逊公司制造了用于核电厂的轴密封的冷却液泵。

1963年，美国LMI公司发明电磁驱动计量泵。

1965年，美国WILLIAMS公司发明气动计量泵。

1969年，美国英格索兰-德莱赛公司设计制造世界上最大的锅炉给水泵，功率为52200kW(70000马力)。

19世纪70年代，kobe公司制造出商用旋喷泵。

1972年，美国Pacific公司制造适用于原子能发电，已锻造外壳的核反应堆进给泵。

1976年，美国英格索兰-德莱赛公司制造迄今为止世界上最大的直立排水泵，额定流量为180000m3/h。

1982年，美国Aldrich公司制造出世界上最大的动力泵2985kW（4000hp），可通过800-1600km（500-1000英里）长的管道抽吸研磨的浆料。Pacific公司制造世界上最大的水喷射泵，功率为17900kW（24000马力）。

1983年，美国拜伦·杰克逊公司制造出用于美国最大的克林奇河增值核反应堆的液态钠泵。

1987年，美国拜伦·杰克逊公司制造出安装在世界上最大的石油存储洞的1120kW（1500hp）潜水式电机泵。

1990年，美国拜伦·杰克逊公司制造出安装在氦抽取设施中的世界上最大的垂直低温泵。

1992年，美国英格索兰-德莱赛公司设计制造出世界上最大的管道泵，功率为27590kW（37000马力），由空气涡轮发动机驱动。

2000年，美国HMD公司制造出屏蔽磁力驱动泵，是一种无泄漏泵。

2000年，台湾羿辰科技设计出微型电磁轴驱动泵原型，是一种类磁浮等压式泵。 2007年，台湾研能科技制造出压电式微泵浦是一种结合压电致动器与隔膜式泵浦技术的创新产品。

目前，流量最大的单泵1976年，美国英格索兰-德莱赛公司制造迄今为止世界上最大的直立排水泵，额定流量为180000米立方/小时。扬程最高的单泵是德国KSB公司生产的潜水电泵，最高扬程达1200米。

在非金属矿产加工生产中，物料的湿法细磨、分级、压滤脱水等许多地方都要用泥浆输送设备。对于各种不同的用途，泥浆输送设备有离心式和容积式两种。前者如叶轮式泥浆泵、砂泵；后者如往复式隔膜泵、螺杆泵等。

一、离心式泥浆泵

（一）离心式泥浆泵的工作原理

离心式泥浆泵又名砂泵，其结构与离心式水泵相似，如图6-7所示。

图6-7　离心式泥浆泵

1-联轴器；2-主轴；3-轴承座；4-轴承；5-填料压盖；6-轴套；7-水封填料箱；8-平衡盘；9-后衬套；10-叶轮；11-前衬套；12-前壳体；13-后壳体；14-机座

在泥浆泵的壳体内有一个叶轮10，被安装在直接与电动机轴相联或为传动装置带动的旋转主轴上。叶轮上有数片均匀分布的形状特殊的叶片，在叶片间形成了泥浆的通道。泵壳为螺旋形蜗壳。泥浆进口管安于壳体的轴心处，泥浆出口管装在壳体的切线方向上。

当叶轮随主轴高速旋转时，壳体内泥浆受叶片的推动，跟随旋转，产生了很大的离心力，这种离心力所具有的压强，即为叶轮处泥浆的动压头。当泥浆流到壳体出口处时，流道扩大流速降低，于是部分动压头转化为静压头，当此压头高于泵外系统的压头时，泥浆就被排出泵外。

随着泵内泥浆的排出，叶轮中部逐渐降为负压，于是机外的泥浆被吸入，砂泵就是这样把泥浆不断地吸入和排出，进行着输送工作。

由离心泵的工作原理可见，泵的压头是随着叶轮直径和转速的增加而增大的，但受到泵用材料强度、制造精度、耗用功率等方面的影响，离心泵叶轮直径不宜过大，转速不宜过高，因此，离心式泥浆泵的压力不能很高，单级泵的压力，一般不超过0.2MPa。

（二）主要结构部件和特点

1.叶轮

叶轮10是直接作用于泥浆的部件，要求它有足够的强度和耐磨性。它选用耐磨材料制造，如灰口铸铁、高硅铸铁、镍铬铸铁、铸钢、钛合金、天然橡胶和合成橡胶等。一般采用开式和半开式叶轮，为加强叶片的刚性和强度，也可采用闭式叶轮。叶轮内的流道宽大平滑，叶片短厚而片少（2～4片）。

在叶轮前后盖板上还制有径向或旋转方向凸出的付叶片，用于防止固体颗粒进入轴封装置。

在叶轮的后盖板上应开4～6个小孔，使叶轮后方与吸入口处的压力尽量一致，以达到平衡轴向力的目的。这种开平衡孔办法简单易行，但会引起泥浆回流，泵送效率降低，同时仍有10%～25%的轴向力得不到平衡。采用安装盘8的办法，可进一步平衡轴向力。

2.壳体

离心式泥浆泵的壳体，内部曲线平滑，流道宽大，壳体内密封环（图6-7中密封环已与前衬套整体制造）与叶轮进口处外缘的间隙较大。一般把壳体做成剖分式结构，即分成前壳体12和后壳体13，以便于清洗和处理阻塞事故。装配时，壳体的中心线与叶轮旋转中心线重合。在壳体内表面，还分别衬有前壳护板衬套11和后壳护板衬套9，这些橡胶质的护板衬套有较好的耐磨性，容易更换，对壳体起保护作用。

壳体内环形通道截面的变化较小，外形近似圆盘形，泵送的效率较低。

为了保证泥浆泵在整个使用期间不因部件的磨损而降低送浆效率，可装设叶轮与壳体间隙的调整机构。

为了在泵的使用过程中及时清除堵塞物，应在壳体的适当位置开设检修孔。在剖分式壳体上采用摇臂连接方式，有利于快速装拆。

3.主轴与轴承

主轴使用碳素钢等材料制成，有足够刚性和强度。如在它的轴封部位上加装耐磨材料制成的轴套，则可提高其使用寿命。主轴一端通过法兰式挠性联轴器1与电机转轴相联，主轴的另一端装着叶轮10。整个主轴用轴承4安装在泥浆泵的机座14上。

因为离心泵工作时有轴向力存在，所以安装主轴的轴承应选用止推滚动轴承。如果轴向力不大或泵的功率较少，也可以选用径向滚动轴承或巴氏合金衬里的滑动轴承。

4.轴封装置

在旋转主轴与固定壳体的交接处，必须有轴封装置，它对泵的使用情况和泵送效率有很大的影响，多数采用简单的压盖填料箱轴封装置。带水封环的填料箱结构效果较好。

填料箱安装在壳体上，或与壳体整体制造。填料又称盘根，是一种用浸透润滑油脂的棉麻纤维或合成纤维制成的软填料，或是在纤维中加入软金属的半金属填料，或在纤维中混入石墨、石棉等制成填料。轴封的严密性用松紧填料压盖的方法来保证。压盖常用青铜等耐磨材料制成。在水封环中注入干净的水，使填料箱得到经常的冲洗，这样即使有固体颗粒进入填料箱，也会被及时排出，以延长填料寿命，避免主轴表面的磨损。

（三）离心式泥浆泵的使用

1.这种泵是依靠叶轮带动泥浆旋转，使其产生离心力来工作的，泥浆在离心力作用下所产生的压力为

非金属矿产加工机械设备

式中　ρ——泥浆密度（g/cm3）；

ω——泥浆旋转角速度（rad）；

r——泥浆旋转半径（m）。

可见，离心力所产生的压力与该流体的密度成正比。如果泥浆中含有较多空气，那末泵送这种泥浆时所产生的压力就很小，甚至难以送出去，这就是“气缚”现象。所以在开泵以前，泵内和吸入管内必须充满泥浆，排除空气。也可将泵体置于受吸液面之下，让泥浆自己流入泵内，免去了“灌泵”操作。

2.保证有良好的轴封，防止空气漏入泵体，调紧填料压盖可加强轴封的严密性。但调得过紧，会因填料与主轴摩擦阻力急剧增大而使主轴无法转动。

3.安装吸入管时应尽量少用弯管和接头，以免影响吸入高度，管道接口处要严密无缝，不能漏气，可用肥皂水作泄漏试验。吸入管上不能产生有留气体的“气袋”。

4.根据离心泵的特性曲线，泥浆输送量可用出浆管道上的阀门进行调节。

5.离心式泥浆泵是一种高速转动的机械，主轴可以与电机轴直联，但须注意两轴对中整个设备应在同一基础，不与其它基础相连，以免发生共振。

6.配管（吸入管，输浆管）应有其它构件支撑，避免壳体荷载过重。

（四）主要性能

现在我国此类泵产品有PN型泥浆泵，用来输送最大浓度按重量计不超过50%～60%浓度的泥浆或含砂浆；PS型砂泵，输送含固体物质按重量计不超过65%的含砂量或污浊液体。它们的规格、性能见表6-7、表6-8，性能曲线见图6-8、图6-9。

二、往复隔膜式泥浆泵

往复隔膜泥浆泵简称隔膜泵。

普通结构的隔膜泵能输出压力为0.8～1.2MPa的流体，在非金属矿产加工生产中常用隔膜泵为压滤机供浆。一般泵送的压力越高，过滤效率越高，榨取的泥料含水率越低。我国能制造输送压力为2MPa以上的隔膜泵。

（一）隔膜泵的结构

表6-7　PN型泥浆泵规格性能（摘）

注：1、2、3、4为出口径毫米数被25除所得整数值；P为杂质泵；N为泥浆泵。

表6-8　PS型砂泵性能（摘）

注： 、4为出口径毫米数被25除所得整数值；P为杂质泵；S为砂泵。

图6-8　2PN型泥浆泵性能曲线图

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按缸体数目不同，隔膜泵有单缸泵、双缸泵和多缸泵。双缸泵比单缸泵的生产能力大，输浆的速度和压力较均匀，因此，电机的负荷也较均匀。多缸泵的性能则更好，如相位差为120。的三缸泵，其瞬间最小流量约为平均流量的87%，瞬时最大流量为平均流量的106%。但多缸泵结构比较复杂，造价较高。目前使用最广泛的是双缸隔膜泵，它的结构如图6-10所示。

双缸泵实质上是由二个单缸泵组合的，把二个泵送系统对称地安装在机架两侧，共用电动机、机械传动机构、进浆管道和出料管道。所以只要剖析其中一个泵送系统就可以了。

它的结构部件主要有机架、机械传动系统、柱塞和柱塞缸、隔膜和隔膜室、阀门和阀门室、空气室、压力调节器等。

1.机架

它是安装和支承机械传动系统和泥浆输送系统的构件，用铸铁或铸钢整体铸造而成，在其装配面上需经机械加工。也可用钢板焊接而成或用装配式结构。机架的形状有立式喇叭状（图6-10）和立式四棱柱状两种。通过地脚螺丝安装在混凝土基础上，要求机架的制造在保证有足够的刚性和强度前提下，减轻重量，节约材料，缩小外形尺寸。

图6-10　双缸隔膜泵

1-曲柄；2-连杆；3-柱塞；4-压盖；5-填料；6-管道；7-柱塞缸；8-隔膜室；9-隔膜；10-进浆阀；11-阀门室；12-出浆阀；13-管道；14-空气室；15-出浆管；16-电动机；17、18-螺栓；19-贮油筒；20-保险阀；21-输油阀

2.机械传动系统

隔膜泵的送液作用，首先是由于泵体上柱塞3往复运动而获得。根据机械运动原理，柱塞在曲柄连杆机构带动下作往复运动时，往复的频率，或者说曲柄轴的转速是受到一定限制的。为不使这种往复运动产生过大的惯性冲击力，在负荷较大的情况下，通常要求曲柄轴的转速小于60r/min。所以隔膜泵的传动系统，在传递动力的同时还必须有一定的减速比。

隔膜泵上的机械传动系统有减速器传动和皮带传动两种形式。图6-10所示为减速器传动。电动机与减速器都安装在泵体的机架上。电动机16的主轴与减速器输入轴相联。减速器的输出轴上安装着曲柄1，当曲柄旋转时，连杆2和柱塞3作上下往复运动。这种形式使整个设备结构紧凑，外形美观；皮带传动机构，是电动机经二级皮带轮传动使曲柄旋转的机构，挠性皮带对设备有一定的保险作用，直径与重量较大的皮带轮有飞轮作用，使电机负荷比较均匀，且具有加工比较容易等优点。其缺点是设备笨重，外形尺寸和占地面积较大。

3.柱塞和柱塞缸

圆柱形的柱塞3是一条钢柱（铸铁空心件），它可以在柱塞缸7内作上下往复运动，柱塞与柱塞缸的接触表面，按配合要求作了很好的精加工。为加强它们之间配合紧密度，在柱塞缸的上部安装有压盖填料箱式密封装置，调节紧固螺柱，可使压盖4压紧填料5，增加缸内密封性。柱塞缸下部稍有扩大，内贮液压油，一侧有孔径管道6与压力调节器的贮油筒19底部相通，另一侧有孔与隔膜室8的右半室相通。

4.隔膜和隔膜室

隔膜室8中的隔膜9是这种往复式泥浆泵的特有部件。隔膜通常是一块厚10～25mm的圆形橡皮。有很好的强度和柔软性，耐热、耐油。选用Ⅰ-1组低硬度耐油橡胶比较适宜，它的拉断力不小于8MPa，拉断伸长率不小于350%，拉断永久变形不大于30%。隔膜把隔膜室分成左右两室，右室径孔板通柱塞缸，左室径孔板通阀门室11。所以，隔膜把机械活动部分与泥浆输送部分隔离开来，使隔膜泵具有耐磨、使用寿命长、容易清洗、不易堵塞等优点。

5.阀门和阀门室

在阀门室11中有进浆阀10和出浆阀12。进浆阀下方与进浆管道相连；出浆阀上方与出浆管道13及空气室14相连，对阀门的要求是：①阀的流通面积较大，对液流的阻力较小；②阀的闭启灵活自如。关闭时，阀体与阀座之间的接触严密无泄漏，开启时，阀体离阀座的距离适当，容易复位；③阀体本身重量恰当，当依靠其自重落在阀座上时，冲击力小。同时，不会轻易离位，阀门闭合良好；④阀的强度、刚性耐磨性好，在承受相当大压力时，不会变形和破坏。在受泥浆多次冲击后，仍能保持原形；⑤进浆阀和出浆阀可以互换。

目前常用的有球形阀和平板阀两种，它们都是单向阀。依靠液压向上顶开，依靠自重落下复位。有些泵在阀座上方的阀门室里，装有挡盖，用以限制阀体离座的距离。为检修、安装、清洗的方便，阀门室上开有检修孔，平时用盖板封闭着。

6.空气室

空气室是一个圆球形（或圆柱形等）的中空壳体，内部充填着一定压力（一般为大气压）的空气。空气室底部与阀门室和出浆管相通，空气室顶部装有指示输浆压力的压力表。

由于柱塞在整个冲程中的往复运动是变速运动，所以隔膜泵送浆的瞬时压力与流量会随着时间有相应的起伏变化。这种不均匀的脉动输液情况，说明液体在通过泵体和配管时有加速度存在。由加速度所产生的阻抗，会增加泵用电机的消耗功率，并引起液流冲击，加剧管道磨损，缩短设备使用寿命，还使泵体和配管产生振动，发生噪音。为了缓和这种脉动情况，采取了一些措施，如将单缸泵改为双缸泵或多缸泵，安装弹簧式缓冲装置等，设置空气室则是一种最简单而有效的办法。

在泵的排出冲程、出浆管道中压力增大时，封闭在空气室中的空气被压缩，吸收部分压力能，贮存部分液体，使管道内的压力和流量不会上升得太高；在管道中压力逐步降低时，被压缩的气体膨胀，释放出压力能。贮存的液体补充到管道的液流中，使出浆管道内的压力和流量不会迅速减少。所以，空气室好似电路中的滤波器一样，对管道中的液流起到了缓冲脉动作用。

由于泵的脉动输液情况，使压力表指针时常摆动较大，影响压力表使用寿命。为了保护压力表，可安装压力表开关，只在读示压力时才将开关打开。压力表与空气室的连接管最好选用螺旋管，以免操作不慎时泥浆直接喷入表中，影响精度。

7.压力调节器

压力调节器由贮油筒19（图6-10）、保险阀20和输油阀21等组成。贮油筒内装满与柱塞缸中同样的液压油，它的底部经管道6与柱塞缸7相通。保险阀20被压力弹簧压在阀座上，压力大小可由螺旋18调节。输油阀被拉力弹簧拉紧在阀座上，拉力大小由螺旋17调节。

隔膜泵的压力调节过程是这样进行的：当柱塞3向上运动时，柱塞缸内压力降低，形成负压，在外界大气压与缸内压力差值大到足以克服拉力弹簧的拉力时，输油阀21便向下打开，贮油筒内的油液经管道6流入柱塞缸，于是缸内压力不再下降；当柱塞3向下运动时，缸内压力增加，形成正压，当正压值大到足以克服压力弹簧的压力时，保险阀20便被顶开，缸中的油液经管道6排向贮油筒，柱塞缸内压力不再增加。而柱塞缸内的压力是通过隔膜传递给阀门室中泥浆的，缸内压力大小反映了隔膜泵输液压力的大小。所以，只要调节压力弹簧的压力，就可控制泵送泥浆的压力。

由上述情况可见，压力调节器既有调压、保险作用，又有输油、补油作用。

拉力弹簧的正常拉力值按下述步骤调节：

先让柱塞处于冲程的中间位置，在柱塞缸及与缸相通的隔膜室右半部、管道和贮油筒中充满油液，关闭保险阀和输油阀。然后开动电机使柱塞向上运动，并调节输油阀上拉力弹簧的拉力，使柱塞向上运动到极限位置时，输油阀正好仍未打开。这样在以后运转中，若因泄漏等情况造成缸内油量减少而出现更大负压时，输油阀就会打开，向缸中补油，避免缸内压力过低，使隔膜向油缸一侧过分的弯曲变形。

压力弹簧的正常压力应以隔膜泵输液的额定最高压力为标准，或以输液系统所需最高压力为标准进行调节。

隔膜泵的实际输液压力是随负载的阻力而变化的，负载（例如压滤机）的阻力越大，它的输液压力也越大。在理论上，可以提供无限大的压力，可是实际上要受隔膜材料、泵体结构和泵用功率等多种因素的限制。所以，应把压力弹簧的压力调节到柱塞排液冲程时出浆管道压力（有压力表显示）达到规定数值时，柱塞缸内的液压油正好冲开保险阀、排向贮油筒。这样就可防止泵体因出现压力过高而损坏的情况，同时也保证输送的泥浆能达到一定的压力要求。

（二）隔膜泵工作原理

电动机经过机械传动曲柄连杆机构，使柱塞上下往复运动。在柱塞上升时，柱塞缸容积增大，产生部分真空，缸内压力下降，当缸内压力降低至小于阀门室11中的压力时，隔膜9向柱塞缸一侧弯曲变形，这时，阀门室容积逐渐增大，室内压力也随之降低，当出现较大负值时，泥浆在外界大气压作用下经过进浆管道，冲开进浆阀10，进入阀门室。当柱塞下压时，缸内容积减少，压力渐增，并通过油液传递给隔膜，当缸内压力大于阀门室中压力时，隔膜向阀门室一侧弯曲变形，充满在阀门室里的泥浆受到隔膜的推力，压住了单向进浆阀10，当推力大于出浆管道中压力时，泥浆冲开单向出浆阀12，进入输浆管道，排到其它系统去。

只要柱塞不断地上下往复运动，就使泥浆被隔膜泵不停地吸入和输出。

三、隔膜泵的设计计算

（一）生产能力

隔膜泵的生产能力是指泵送液体或泥浆的流量，可按下式计算：

非金属矿产加工机械设备

式中　m——泵缸数目；

Q——单位时间的体积流量（m3/h）；

A——柱塞断面积（m2）， ；

d——柱塞直径（m）；

s——柱塞冲程（m）；等于曲柄长度的一倍；

n——曲柄轴回转速度（r/min）；

ηr——隔膜泵容积系数，ηr＝0.65～0.85。

隔膜泵容积系数的意义是实际排出量与理论排出量的比值。产生（1-ηr）的原因是：①因进浆阀没有完全关闭严密而引起的常时泄漏；②因出浆阀没有完全关闭严密而引起的常时泄漏；③由于进浆阀关闭的迟后，在柱塞排液冲程时，阀门室中的泥浆向进浆管倒流；④由于出浆阀关闭的迟后，在柱塞吸液冲程时，出浆管道中泥浆向阀门室倒流；⑤由于液体（或泥浆）的压缩性而使排液量减少，当用气流搅拌的泥浆被泵送时，由于泥浆中含有较多的空气，这种情况就较为严重；⑥管道及泵体连接处密封不良，造成液体向外部泄漏或空气向泵送系统侵入；⑦隔膜泵的设计、制造质量较差。

（二）功率

隔膜泵的功率主要消耗在泵送泥浆方面，其次消耗在机械传动的摩擦方面，可按下式计算：

非金属矿产加工机械设备

式中　N——功率消耗（kW）；

Q——生产能力（m3/h）；

p——输浆压力（MPa）；

η——机械传动总效率，η＝0.65～0.8。

配用电机的功率较式（6-3）的计算值大20%～30%，再按标准选型。

（三）空气室的容积和壁厚

一般来说，空气室容积大一些，缓冲作用就强一些。但过大了，使设备体型庞大，而且也是不必要的。空气室适宜容积可按下式确定：

非金属矿产加工机械设备

式中　V——空气室容积（m3）；

i——隔膜泵排量变化率，其意义是瞬时最大排量与平均排量的差值和平均排量的比值，单缸为0.55；双缸为0.11；三缸为0.012；

A—柱塞的横断面积（m2）；

s——柱塞冲程（m）；

k——许用脉动变化率，其意义是脉动压力振幅与泵的输液平均压力之比。随工作性质的要求选取。一般取k＝0.01～0.05。如对压滤机供浆时，对脉动要求不高，可取k＝0.05。

空气室的壁厚可根据薄壁容器强度公式计算：

非金属矿产加工机械设备

式中δ——空气室壁厚（mm）；

p——空气室承受的最高压力，按隔膜泵额定最高压力确定（MPa）；

D——空气室内径，按空气室适宜容积确定（mm）；

σ——制造空气室材料的许用应力， ，σb为材料的抗拉强度极限（MPa）；n为安全系数，取n＝5；

C——考虑泥浆对空气室内壁的磨损、腐蚀等因素的放大尺寸，取C＝2～6mm。

当用铸造法制造时，要求壁厚δ＞6mm。

（四）曲柄连杆机构的设计

隔膜泵柱塞的往复运动，通常由电机经减速机构和曲柄连杆机构的传动来实现。

曲柄连杆机构的设计按下述步骤进行：

1.根据所选用电机型号和减速传动的速比，确定曲柄轴的转速n，并要求n＜60r/min。

2.根据隔膜泵的缸数m、柱塞直径d和所需的生产能力Q，确定曲柄长度a（m）。

3.确定连杆长度b。

四、隔膜泵的使用

1.开机前先要检查各运动部件是否有故障，润滑情况是否良好，泵体与配管连接处是否有漏气现象。

2.在柱塞缸和贮油筒中应加满液压油。按输浆压力要求和正确的方法调节好压力调节器中弹簧的弹力。

3.检查阀门情况，并把泥浆灌入阀门室，以利及时送浆。

4.若在出浆管道上装有截止阀，在开机前必须将它打开。为避免产生操作不慎而造成的问题，可在出浆管道上安装安全阀。当管内压力过高时，安全阀自动打开，管内压力不再上升。

5.隔膜泵是一种往复泵，当柱塞往复次数n、冲程s一定时，泵的流量Q就一定。要想改变Q，就应改变n或s，在实际使用时要做到这一点会使泵的结构复杂化。所以，通常调节流量的方法是在出浆管道上安装旁路支管。切忌用出浆管道阀门来调节，否则将造成事故。

6.隔膜泵具有自吸能力，为了防止因泵停止工作时，进浆管内的泥浆自行沉降而发生堵住进浆管底阀，造成第二次起动困难的情况，允许不装底阀。

五、隔膜泵与砂泵的比较

隔膜泵与砂泵的比较如表6-9所列。

表6-9　隔膜泵与砂泵的比较

隔膜泵的技术性能列于表6-10。

表6-10　国产隔膜泵规格和技术性能

六、螺杆泵

螺杆泵又名莫诺泵，适用于输送泥浆悬浮液。按螺杆数不同，有单杆、双杆、三杆等多种结构形式。图6-11为单杆螺杆泵的结构。

螺杆泵的主要结构部件是带有双头螺纹内腔的定子1和带有单头螺纹表面的转子2。定子的螺距为转子螺距的1/2。

在由耐磨橡胶制成的定子内表面与转子外面之间形成了弯曲的孔腔7。当转子转动时，孔腔的形状不断地变化，使泥浆由进浆口A吸入，在转子挤压下，从出浆口B输出。

图6-11　螺杆泵结构图

1-定子；2-转子；3-机体；4-销子；5-连接杆；6-空心转轴；7-孔腔

泵的空心转轴6与电动机直接相连。轴孔中间有一根连接杆5。连接杆的一端以活动铰链结构连接在转轴上，另一端用销子4和活动铰链结构与转子2的一端相接。当电机带动空心转轴旋转时，通过连接杆的传动，使转子2旋转。转速为1500～3000r/min。

这种泵的结构轻巧，外形小，送浆平稳，适应性强，可以与压滤机、喷雾干燥器、注浆成型生产线等配套使用，效果良好。按泵规格型号不同，单杆泵的生产能力为10～500L/min；输浆压力为0.14～1MPa，螺杆愈长，压力愈高。

国产单杆螺杆泵技术性能列于表6-11。

表6-11　部分螺杆泵技术性能

(一)钻孔轨迹控制机具

随着钻探难度的增大和技术不断进步,传统的钻孔造斜机具(如偏心楔、机械式连续造斜器)已不能满足全孔或长孔段钻孔轨迹控制要求。液动孔底马达(螺杆钻具、涡轮钻具)成为钻孔轨迹控制最理想的机具。

1.液动孔底马达工作原理及结构

(1)液动螺杆钻具

液动螺杆钻具的核心是螺杆马达。螺杆马达是一种正排量容积式液压马达,是“莫诺泵”(moyno pump)即单螺杆泵原理的逆应用。螺杆马达由两个表面带有螺旋齿和槽的零件(转子和定子)组成(图7-2)。定子内表面是一层有螺旋齿和槽腔的橡胶,处于定子包容之中的钢制转子表面也有螺旋齿和槽腔,通常与定子之间处于静配合状态,并形成由若干连续密封线划分成的若干个封闭腔。当有一定压力的液体输入到达定子、转子时,一部分密封腔中充满高压液体,而且它们周期性地与高压室或低压室相通。这样在工作液体压力作用下,每个工作空腔横断面上产生不平衡液压力dF1。这个力的分力dFZ和dFy可造成旋转力矩M=dFZ·R(R是平均半径)及作用于定子上的径向力k。因此沿着转子螺距长度上,就造成一个总的旋转力矩M。这就是螺杆马达进行机械动力传递的基本过程。

图7-2 螺杆马达转子和定子横断面作用力图

图7-3为i=9/10波齿螺杆马达转子和定子啮合时形成的一系列密封腔。可以看出,转子和定子在每个截面上至少有10个接触点,从而形成10个大小不同相互分隔的密封腔。当x=0时,低压腔面积为零,随后容积高度逐渐增大x=0.5T时达最大值(T为定子导程),然后逐渐减小x=T时,低压腔完全封闭,形成一个完整的密封腔。对于有K级螺杆马达者,其密封腔(或密封接触线)数如下:

∑=K(Z1+1)-Z1space@ (7-1)

密封腔的移动是发生能量转换的条件。当转子在定子中转动时,密封腔将沿轴向移动。在转子、定子传动副中,定子波齿数Z1比转子波齿数Z2多一个。

Z1=Z2+1 (7-2)

定子导程T及转子导程t与波齿数成比例,其旋向也应相同。

深部岩心钻探技术与管理

转子和定子螺旋表面的波齿数比通常称为传动比i。

深部岩心钻探技术与管理

图7-3 螺杆马达工作机构内液体压力分布

1—高压液体腔2—低压液体腔

(a)x=0,φ2=0(b)x=T/10,φ2=40°(c)x=2T/10,φ2=80°(d)x=3T/10,φ2=120°(e)x=4T/10,φ2=160°(f)x=4.5T/10,φ2=180°(g)x=5T/10,φ2=2000°(h)x=6T/10,φ2=240°(i)x=7T/10,φ2=280°(j)x=8T/10,φ2=320°(k)x=9T/10,φ2=360°(l)x=T,φ2=400°

螺杆钻具的输出扭矩M取决于螺杆马达的工作压力降和有关结构参数:

M=M0·ΔP·Dp·t·e (7-5)

式中:M0为转子机械单位力矩(代表转子机械类型的量值),N·mΔP为螺杆马达工作压力降,PaDp为机械设计直径(Dp=2eZ1),me为转子机械的偏心矩,m。

深部岩心钻探技术与管理

式中:Ce为偏心距与螺旋表面齿半径比例的无量纲参数。

螺杆钻具轴的旋转速度,理论上不取决于压力降,而取决于通过螺杆马达截面的液体流量Q和有关结构参数。

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式中:Q为工作液体流量,L/minn0为螺杆马达轴的单位旋转速度,在不计算液体漏失情况下由下式确定。

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由n0计算公式可以看出,螺杆马达的单位转速与波齿数成反比,在同等工作流量情况下,波齿数越多,转速越低。

液动螺杆钻具及侧向力控制组合系统主要由定向接头、上接头、溢流阀、螺杆马达(定子、转子)、万向联轴节、弯外壳、驱动轴、异径接头等组成(图7-4)。若不作为钻孔轨迹控制之用时,可以不接定向接头,弯外壳换成直外壳。

图7-4 螺杆钻具结构示意图

(2)液动涡轮钻具

液动涡轮钻具的核心是将高压液体能转换成机械能的涡轮马达,其物理基础是液力传动的欧拉方程式。涡轮水力单元由定子和转子叶片组成(图7-5),转子和定子叶片形状相同但弯曲方向相反。定子起到导流作用,将高压液体导向转子,推动转子旋转转子将旋转力传递到传动轴带动钻头破碎岩石。涡轮马达由多级(多达百级)涡轮水力单元组成。

图7-5 单级涡轮结构图

液动涡轮钻具及侧向力控制组合系统主要由定向接头、涡轮钻具上接头、涡轮马达、弯外壳、万向接头、止推轴承、传动轴、下扶正轴承、下接头等部分组成,钻具结构如图7-6所示。

图7-6 涡轮钻具结构示意图

涡轮钻具叶片主要参数(图7-7)有:叶片平均直径,叶片高度,定、转子轴向高度、叶片结构角等。

涡轮叶片的平均计算直径D:

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叶片高度:

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级高:

l=l1+l2+Δ (7-11)

式中:l1、l2分别为涡轮定、转子的轴向高度Δ为涡轮定、转子间的轴向间隙。

叶片结构角(图7-8)为涡轮叶片骨线与叶片水平断面的夹角。定子出口和进口角:α1k、α2k。转子出口和进口角:β1k、β2k。

多级(K级)涡轮的理论压头HK、理论扭矩MK、理论功率NK可由下式计算:

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图7-7 涡轮叶片的结构参数

图7-8 涡轮叶片结构角

MK=KQγmR(C1u-C2u) (7-13)

NK=KQγmu(C1u-C2u) (7-14)

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式中:K为涡轮级数u为转子叶轮计算直径D上的圆周速度n为涡轮主轴转速Q为通过涡轮的体积流量γm为冲洗液密度R为转子叶轮计算半径(R=D/2)C1u为转子叶轮进口处绝对速度的切向分量C2u为转子叶轮出口处绝对速度的切向分量g为重力加速度。

2.液动孔底动力钻具工作特性

(1)液动螺杆钻具

反映螺杆钻具工作方式的工作特性有:输出轴每分钟的转速n,输出扭矩M,有效功率N,压力降ΔP和水力效率η。通过大量试验台测试数据绘制成的螺杆钻具工作特性曲线如图7-9和图7-10所示。可以看出,输出轴载荷愈小转速愈高。转速等于零时扭矩达最大值,称为制动方式输出轴转速最大时扭矩等于零,称为空转方式。

图7-9 YL-54型螺杆钻具特性曲线

(Q=150L/min)

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螺杆钻具属于容积式马达,其输出轴转速与泵量成正比扭矩与压力降ΔP成正比而与泵量无关。操作者可根据螺杆钻具的特性曲线来优选钻具的合理工作范围,通过泵压表读数的变化来判断螺杆钻具在孔底的工作状况。

(2)液动涡轮钻具

分析由式(7-12)～(7-15)得出的涡轮钻具工作特性曲线(图7-11)可知:

1)涡轮钻具压降在流量、涡轮结构尺寸、级数确定后即为定值,不会随工况(钻压、扭矩)的变化而变化。

图7-11 涡轮钻具工作特性的理论曲线

2)涡轮钻具的扭矩与流量、冲洗液密度、涡轮级数成正比。

3)涡轮钻具的转速与输出扭矩成反比。扭矩超过涡轮钻具的额定扭矩就会停止旋转,即涡轮钻具没有过载能力。

4)涡轮钻具的输出功率与流量、涡轮结构尺寸、涡轮级数、冲洗液密度有关,随输出扭矩、转速的变化而变化,并存在最大值——涡轮钻具的理想工作负载点。

3.液动孔底动力钻具控制钻孔轨迹的特点

1)钻杆不回转可以精确控制钻孔轨迹,配合定向随钻系统利于遥控钻进。

2)钻杆不回转有利于控制垂直孔的孔斜。

3)钻孔纠(造)斜强度均匀,可根据需要任意调节造斜强度,可施工大中曲率半径的受控定向钻孔。

4)可在任何地层中控制钻孔轨迹。

4.液动孔底动力钻具性能差异

(1)工作特性的差异

螺杆钻具有较硬的机械特性,过载能力强而涡轮钻的机械特性较软,过载能力差,随着钻压增大导致切削阻力矩增大时,会引起转速下降,易被“压死”而制动。因此,螺杆钻具用于地质岩心钻探作业更为适用。另一方面,螺杆钻具的压降随扭矩而变化,因而可通过泵压变化来检测螺杆钻具工作情况。而涡轮钻具的压降不因载荷而变化,对其在孔底的工作状况无法在地表直接检测。

(2)转速差异

涡轮钻具的转速明显高于螺杆钻具。一般涡轮钻具空转转速多在1200r/min以上,其工作转速(即空载转速的一半)也多在600r/min以上,而单头螺杆钻具的转速一般只在400r/min左右,多头螺杆钻具转速一般在200r/min左右。

(3)压降差异

外径相近、工况参数(排量、冲洗液密度)相同的两种钻具,涡轮钻具的压降远远大于螺杆钻具的压降。例如:Φ165mm的多头螺杆钻具,其额定工作压降Δp一般为3MPa(空载起动压降一般小于1MPa),而尺寸相近的涡轮钻具,其压降一般可达5～7MPa,涡轮钻具对于深孔小环状间隙钻孔钻进影响较大。

(4)耐温性能差异

螺杆钻具的定子衬里是耐油丁腈橡胶,过高的工作温度会使定子橡胶脆化而造成先期破坏,橡胶部件造成了钻具承温能力的极限值。一般的螺杆钻具工作温度不超过125℃涡轮钻具内部没有橡胶件,不受高温的限制。

(5)直径影响的差异

涡轮钻具与螺杆钻具相比,涡轮钻具的功率和扭矩受直径的影响甚大,而直径对螺杆钻具的影响较小,地质岩心钻探一般多选用螺杆钻具。

(6)横振差异

螺杆钻具的转子在定子型腔内作平面行星运动,产生离心惯性力造成钻具横向振动。而涡轮钻具的转子作定轴转动不会引起离心惯性力和横向振动。

(7)长度差异

在外径相近、扭矩相近的条件下,涡轮钻具的长度明显大于(甚至成倍于)螺杆钻具长度,长度过大对钻孔造斜作业不利,而进行中小曲率半径钻孔轨迹控制选用螺杆钻具比较有利。

(二)钻孔轨迹控制定向测量技术

定向测量技术是实现钻孔轨迹控制的基础。目前主要有单点定向测量和随钻测量两大类。

1.单点定向测量技术

单点定向测量是在造斜机具下孔后,钻进前用仪器测量机具的方向,钻进过程中不再测量。目前单点定向测量方法有直接定向和间接定向两种。

(1)直接定向法

直接定向有两种情况。一是直孔中只需测量和确定造斜工具定向标记在孔内(相对子午线或坐标已知点)的方位。二是斜孔中需同时测量和确定造斜部位的方位角以及造斜工具所需的安装角(或安装方位)。

直接定向法采用专用测斜定向仪(如照相测斜定向仪、直读式测斜定向仪、环测法测斜定向仪等,详见第十章第二节)下孔对造斜工具进行井下定向。根据仪器所测参数数目,可分为全测仪和非全测仪。全测仪既可测量造斜工具定向标记的方位或安装角(面向角),又可测量钻孔方位与顶角。非全测仪只能测量造斜工具定向标记方位。根据读取参数的方法,还可分为测量型和记录型仪器。前者可在地表显示工具安装角和孔斜参数,后者则在孔内记录,延迟读数。

(2)间接定向法

间接定向以造斜点原斜孔方向为基准,在已知造斜部位倾斜平面方向的基础上(即先用测斜仪测定造斜部位钻孔倾斜平面的方位)只需测量或确定造斜工具在孔内的安装角。由于各种重力敏感元件(如钢球、重锤、摆锤、偏重块、水银球、气泡、玻璃管中装酸液等)容易制作,并在倾斜钻孔中能正确反应钻孔倾斜平面方向,所以仪器结构比直接定向仪器简单。常用的有钢球定向仪、摆锤定向仪、偏重块定向器等。根据间接定向仪确定工具安装角方法的不同,可分为测量型、指示型、自动型。测量型仪器可在地表显示造斜工具的安装角指示型只能在地表指示造斜工具的面向是否处于预定位置,不能显示安装角的具体数值自动型可使造斜工具在孔内自动到达预定的面向位置,地表不显示。其中指示型间接定向仪种类最多。根据敏感元件孔内发出的信息及地表显示方式,指示型间接定向仪又分为机械指示型、电指示型、液力指示型、声及光指示型等。

2.随钻测量技术

随钻测量技术(Measurement While Drilling,简称MWD)可以不间断导向钻进并测量某些近钻头孔底信息,实时传至地表。获取的信息包括:导向钻进数据(孔斜角、方位角、工具面向角等),地层特征(伽马、电阻率等),钻进参数(钻压、扭矩、转速等)。目前,地质钻探随钻测量以钻孔轨迹参数为主。

如图7-12所示,随钻测量系统包括装在下部钻具组合中的井下仪器和发射器,通过遥测信道将信号发送到地表,再经译码和处理显示所需的信息。MWD的最大优点是使钻探和地质工作者能实时地“看”到孔内情况,从而改进决策过程。随钻测量主要包括有线随钻MWD和无线随钻MWD两大类。有线系统有钻杆传输和电缆传输无线系统有电磁波、地震(声)波、泥浆脉冲传输方式。

图7-12 MWD系统示意图

(1)钻杆传输法

该方法的传感器装在特制钻铤内,用铠装电缆(或跨接线)将该钻铤与钻杆下端连接起来。跨接线的长度必须与BHA(孔底钻具组合)的总长相等并维持一定的张力。系统的另一端,在方钻杆顶部安装一个与地面设备相连的绝缘滑环,地面设备完成处理信号和显示最终结果的功能。这种系统的主要缺点是:制造特殊钻杆柱费用高,在接头处形成可靠的连续电路比较困难。

(2)电缆传输法

该方法往钻杆内下入铠装电测电缆传输信号。但加接单根时必须提出电缆和仪器,或预先将电缆线套入钻杆内孔,非常麻烦,有时甚至是不可行的。解决这一问题的方法一是:在钻柱中段加接一个类似三通接头的侧入式密封装置,将预装入钻柱的仪器电缆线附着在钻柱外壁上,可用于钻柱不回转的钻孔,只需防止电缆线的磨损与挤压方法二是:在钻杆内卷轴上存放一段额外长度的电缆。加新单根时,系统内的电机锁销可使电缆暂时中断。但起钻前须先把整段电缆全部收回。电缆传输法的优点是操作较方便,信号传输速率高,可实现双向通讯,井底不需附加动力源,因为不存在信号减弱问题,传输效果不受深度限制。

(3)电磁波传输法

该方法把一个电磁波发射器装在孔内仪器中,孔内仪器作为BHA的一个组成部分,通过仪器中的传感器采集近钻头孔底信息,电磁波发射器产生可调制信号,以二进制码形式沿电磁波通道传输信号。通过插入钻场附近地面的天线接收并解码、显示这些信号。最具典型的是俄罗斯已研制成功的电磁波孔底遥测系统。近年来中国地质科学院勘探技术研究所开发的“慧磁”钻井中靶引导系统是电磁波信号传输与电缆传输法的结合(图7-13),已在盐田对接井中推广应用。

电磁波法传输系统的特点是数据传输速度快,载波信息量大,受泥浆和水泵特性的影响小,即使在提下钻过程中也能检测数据,系统安装比其他方法简便。

(4)声波传输法

该方法利用声波(或地震波)传播机理来工作。钻进过程中,声波沿钻杆、地层等介质传播到地表。地表监测仪器接收到信号,经处理得到有价值的相关数据。声波通道传送的信息量小。因为钻杆和接头直径的变化使声波产生反射、干涉、强度降低,从而很难在干扰噪声中分辨出有用信号。

图7-13 “慧磁”钻井中靶引导系统原理图

声波通道的主要缺点是信号随深度衰减很快。所以,钻柱中每隔400～500m要装一个中继站,使系统很复杂,其使用的最大孔深为3000～4000m。

(5)冲洗液压力脉冲传输法

目前国内外广泛应用的是基于钻孔冲洗液脉冲遥测技术,信号传播的载体是冲洗液。孔内仪器借助孔底涡轮发电机或电池组供电孔内传感器将物理量转变为模拟电信号,经过孔内MWD组件处理转换为数字信号,被送到信号发射器,经编码、压缩处理后,控制孔内仪器阀门的开闭产生断续或连续泥浆压力脉冲信号压力脉冲信号通过水力通道到达地表,由MWD接收器(即压力传感器)转变为电信号,经过解码、滤波等处理得到孔内测量数据。

冲洗液压力脉冲遥测法的优点在于比较简单,不需要特殊的钻杆,只需对正常钻探作业作很小改变。压力脉冲在冲洗液中以大约1200～1500m/s的速度传输,不受地层电磁特性、孔内振动波干扰,信号衰减小。但实时传送的速度与信息量有限,孔内仪器对冲洗液有严格要求:含砂量＜1%～4%,含气量＜7%。

(三)钻孔轨迹计算机智能控制技术

通过计算机智能控制钻孔轨迹属于尖端钻探技术,可望在21世纪中得以实现。它主要包括由可调造斜装置、MWD和微电脑构成的孔底自动钻孔轨迹控制系统(图7-14)。下钻前将钻孔孔身剖面设计参数存入微电脑,钻进过程中MWD随时测定钻头空间位置,同时将结果送入微电脑计算处理并与设计剖面对比,作出智能分析和决策,并发出指令调节造斜装置的状态,校正钻进方向的偏差,保证钻头按预置轨迹自动钻进。当孔内控制系统失灵时,还可以通过双向通信子系统启动孔底造斜装置和地面伺服装置,调节钻压、转速及泥浆排量等钻进参数。

目前,钻孔轨迹控制系统还很不成熟,还必须在物理模型、智能软件、执行机构及计算机测控系统等方面进行大量的多学科交叉研究工作。

图7-14 自动钻孔轨迹控制示意图