Почему падает давление нагнетания бурового насоса при длительной работе

Постепенное снижение давления на выходе бурового насоса не обязательно означает, что насос вышел из строя. В поршневом буровом насосе давление отражает сопротивление, которое преодолевает поток. Поэтому снижение показаний может указывать на уменьшение производительности насоса, снижение гидравлического сопротивления, утечку или неточный сигнал датчика давления. Важнее всего определить, падает ли давление при неизменных фактической частоте ходов насоса и расходе.

При оценке распространённых отказов буровых насосов в режиме непрерывной работы следует обратить внимание на недостаточное питание на всасывании, износ клапанов, утечки через поршни и повреждение втулок цилиндров. Однако аналогичные симптомы могут вызывать изменения свойств бурового раствора, открытый байпас или размыв участка ниже по потоку. Увеличение частоты ходов до выяснения причины может усилить кавитацию, ускорить износ или скрыть развивающуюся утечку.

Определите, что изменилось вместе с давлением

Сравните текущие условия с последним периодом стабильной работы: фактическую частоту ходов в минуту, давление на выходе, давление на всасывании, температуру и плотность бурового раствора, его реологические свойства, уровень в ёмкости и показания расхода. Отметьте любые изменения схемы работы насосов, глубины бурения, перемещения колонны, конфигурации насадок или положения клапанов. Сравнение имеет смысл только при достаточно сходных рабочих условиях.

Одного подсчёта ходов недостаточно, чтобы подтвердить подачу насосом ожидаемого объёма. Теоретическая подача зависит от рабочего объёма и частоты ходов; фактическая — также от степени заполнения цилиндров и эффективности клапанов и уплотнений, предотвращающих утечки. Насос может сохранять частоту ходов, подавая при этом меньше бурового раствора.

По возможности используйте независимый прибор для измерения давления. Засорённый отвод для подключения манометра или неисправный датчик могут имитировать ухудшение состояния оборудования. Не ослабляйте соединение манометра и не прочищайте отвод, пока система находится под давлением.

Проверьте, не испытывает ли насос недостаток подачи на входе

Проблемы на всасывании могут постепенно развиваться даже при стабильной работе. Сетка фильтра накапливает твёрдые частицы, уровень в ёмкости снижается, осевший материал перекрывает выходное отверстие или деформируется всасывающий шланг. Если установлено подпиточное насосное оборудование, снижение давления подпитки также может ограничить заполнение цилиндров.

Проверьте доступные индикаторы и внешние условия: уровень в ёмкости, положение всасывающего клапана, состояние шланга, работу подпиточного насоса и динамику давления на всасывании. При низком уровне в ёмкости вихрь может захватывать воздух ещё до того, как входное отверстие окажется над поверхностью жидкости. Через негерметичные соединения на всасывании может проникать воздух без заметной утечки бурового раствора наружу.

Неполное заполнение снижает объём подачи. Кавитация возникает, когда местное давление падает настолько, что образуются паровые полости; воздух или газ, вовлечённые в поток, могут вызывать аналогичную нестабильность подачи, но механизм при этом иной. Оба явления могут приводить к колебаниям давления и вибрации, поэтому звук сам по себе не позволяет надёжно установить причину.

На высоких частотах ходов ограничение может проявляться сильнее, поскольку на входе не обеспечивается требуемый расход. Если это допускается рабочей процедурой, контролируемое снижение скорости поможет выяснить, связана ли нестабильность со всасыванием. Это не является ремонтом: необходимо устранить ограничение, недостаточное давление подпитки или путь проникновения воздуха.

Выявите прогрессирующую утечку в гидравлической части

Если условия на всасывании и фактическая частота ходов стабильны, снижение подачи с большей вероятностью связано с гидравлической частью. Абразивные твёрдые частицы и циклические нагрузки могут повредить уплотнительные поверхности клапанов, поршни и втулки цилиндров. Утечки при этом снижают объёмный КПД, хотя приводная часть насоса продолжает выполнять каждый ход.

Негерметичные клапаны

Повреждённая вставка клапана, эрозия седла, сломанная пружина или застрявший мусор могут препятствовать полному закрытию. Через негерметичный нагнетательный клапан буровой раствор под давлением возвращается в цилиндр; через негерметичный всасывающий клапан вытесняемый раствор может уходить обратно во всасывающую линию. В обоих случаях полезная подача уменьшается, а форма волны давления может стать неравномерной.

Изменение пульсаций или появление стуков подтверждают такую версию, но не позволяют однозначно определить конкретный клапан. Неисправность демпфера пульсаций также может усилить колебания давления, не вызывая такого же снижения средней подачи. Осматривать клапаны следует только после остановки и изоляции оборудования и подтверждения отсутствия давления.

Износ поршня и втулки цилиндра

Изношенные уплотнения поршня или повреждённая поверхность втулки позволяют буровому раствору проходить мимо поршня. По мере нагрева компонентов утечка может усиливаться, а недостаточное охлаждение или промывка поршня — если такие системы предусмотрены — ускорить повреждение. Проверьте правильность расхода и состояние предусмотренной системы охлаждения или промывки.

В зависимости от конструкции насоса аномальная утечка может быть видна в специально предусмотренных дренажах или в районе втулки цилиндра. Наблюдайте только из безопасного места и при установленных ограждениях. Не приближайтесь к предполагаемому месту утечки высокого давления, чтобы определить его на ощупь. Если требуется разборка, осмотрите поршень и втулку вместе: замена уплотнения без устранения задиров или чрезмерного износа втулки может не решить основную проблему.

Отделите изменения свойств бурового раствора от износа насоса

Температура и реологические свойства бурового раствора влияют на давление циркуляции. Если нагревание или обработка снижают вязкость или предел текучести, давление может уменьшиться даже при неизменном расходе. Изменения плотности также влияют на систему, однако по одному показанию давления на поверхности нельзя определить, какое именно свойство раствора изменилось.

Сопоставьте измерения репрезентативных проб бурового раствора с динамикой давления, а не исходите из предположения, что любое постепенное снижение связано с механическим износом. Не смешивайте давление циркуляции с гидростатическим давлением: снижение давления на выходе само по себе не свидетельствует о снижении плотности бурового раствора.

Изменение свойств раствора также может ухудшить заполнение насоса. Повышенная вязкость увеличивает потери на входе, а загрязнение раствора газом делает подачу менее равномерной. Поэтому падение давления, связанное с буровым раствором, может быть вызвано как снижением сопротивления ниже по потоку, так и уменьшением подачи насоса. Данные о расходе и условия на всасывании помогают различить эти механизмы.

Не упускайте из виду байпасные линии и размывы ниже по потоку

Байпасный клапан, предохранительное устройство или соединение коллектора могут отводить поток от предусмотренного контура циркуляции. Сверьте положения клапанов и доступные показания на обратном потоке с утверждённой схемой работы. Если предохранительное устройство пропускает ниже заданного рабочего давления, это требует проверки, а не регулировки лишь для восстановления показаний манометра.

Если частота ходов и подача насоса стабильны, но давление неожиданно падает, проверьте целостность системы ниже по потоку. Сопротивление может снизиться из-за утечки в наземной линии, размыва бурильной колонны или изменения состояния насадок. При бурении значение этих признаков определяется с учётом динамики давления, расхода на выходе, объёма в амбаре и текущих работ.

При необъяснимом падении давления, сопровождающемся необычным характером обратного потока или изменением объёма в амбаре, действуйте в соответствии с процедурами буровой площадки по бурению и контролю скважины. Не продолжайте проверять насос отдельно и не увеличивайте скорость лишь для восстановления прежнего давления. Развивающийся размыв может увеличиваться, пока оборудование продолжает работать.

Проверьте результат ремонта в контролируемых условиях

Немедленно остановите работу или сообщите о проблеме ответственным специалистам, если падение давления сопровождается видимой утечкой высокого давления, сильными стуками, перегревом, усиливающейся вибрацией или аномальными показателями скважины. Перед вскрытием гидравлической части или системы всасывания изолируйте оборудование, выполните блокировку и маркировку (lockout/tagout) и убедитесь, что остаточное давление сброшено. Для демпферов пульсаций и других устройств с накопленной энергией необходимо отдельно соблюдать меры предосторожности, установленные производителем.

После устранения выявленной причины выполните повторный пуск в соответствии с утверждённой процедурой и постепенно увеличивайте скорость. Сравните давление, фактическую частоту ходов, условия на всасывании и расход при воспроизводимой рабочей точке. Убедитесь, что утечки и вибрация отсутствуют, а система охлаждения работает надлежащим образом.

Одного восстановления давления недостаточно, чтобы подтвердить успешность ремонта: давление может вырасти из-за увеличения сопротивления, даже если подача остаётся недостаточной. Более надёжный критерий — восстановленный расход при сопоставимых свойствах бурового раствора и условиях в контуре, стабильных параметрах всасывания и отсутствии аномальных механических признаков. Фиксация этих условий создаёт полезную базу для выявления следующего постепенного снижения подачи до того, как оно приведёт к серьёзному простою.