1
MÁY BƠM PISTON
1.1. Vai trò, cấu tạo, nguyên lý làm việc và phân loại
1.1.1. Vai trò của máy bơm piston trong công tác khoan dầu khí
Trong công tác khoan khai thác và khoan thăm dò máy bơm dung
dịch khoan là bộ phận không thể tách rời và cũng như không thể thiếu
được. Máy bơm khoan có nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thi công
giếng khoan. Trong quá trình thi công giếng khoan, choòng khoan phá huỷ
đất đá ở đáy giếng khoan, mùn khoan này phải được đưa lên bề mặt nhờ
một loại nước rửa gọi là dung dịch khoan. Để thực hiện quá trình trên,
chúng ta phải sử dụng một loại thiết bị trong đó máy bơm khoan đóng vai
trò quan trọng nhất. Máy bơm khoan có công dụng bơm chất lỏng xuống
xuống giếng khoan để làm mát, làm sạch choòng khoan, làm sạch đáy
giếng khoan đưa mùn từ đáy giếng khoan lên và đặc biệt quan trọng là giúp
cho quá trình khoan được dễ dàng.
Để thực hiện bơm dung dịch khoan xuống đáy giếng khoan, máy
bơm khoan thường sử dụng là máy bơm piston. Máy bơm piston có những
ưu việt riêng mà các máy bơm khác không có được, và được sử dụng rộng
rãi trong khoan dầu khí:
- Có thể bơm các dung dịch có trọng lượng riêng khác nhau;
- Có thể bơm được với áp suất lớn;
- Áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau. Đây là yếu tố
quan trọng đáp ứng trong về yêu cầu về công nghệ khoan;
- Cấu tạo đơn giản, dễ thay thế, dễ sửa chữa và bảo dưỡng;
- Độ bền cao và dễ vận chuyển.
1.1.2. Sơ đồ cấu tạo của máy bơm piston
2
4
5
7
8
6
3
1
2
9
Pa
B1
B2
S
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của máy bơm piston.
1. Piston 4. Hộp van 7. Ống hút
2. Xi lanh 5. Van hút 8. Bể chất lỏng
3. Cần piston 6. Van đẩy 9. Ống đẩy (xả)
Khoảng không gian giữa piston và các van được gọi là khoang
(buồng) làm việc của máy bơm.
Thể tích của buồng làm việc thay đổi tùy theo vị trí của piston trong
quá trình chuyển động.
Trong quá trình làm việc, piston chuyển động tính tiến qua lại trong
xi lanh. Những điểm tận cùng bên phải và tận cùng bên trái của piston
được gọi là điểm chết phải và điểm chết trái của piston.
1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy bơm piston
Xét trên hình vẽ 1.1, khi piston di chuyển từ vị trí B2 đến vị trí B1,
thể tích buồng làm việc sẽ tăng dần, áp suất P trong đó giảm đi và nhỏ hơn
áp suất trên mặt thoáng của bình chứa chất lỏng Pa (P < Pa). Do đó chất
lỏng từ bể chứa sẽ dâng lên đi vào ống hút, đi qua van hút vào khoang làm
việc của bơm, trong lúc này van đẩy của bơm vẫn đang ở trạng thái đóng.
3
Khi piston chuyển động từ vị trí B2 đến B1 thì máy bơm thực hiện quá trình
hút và lúc piston dừng lại tại vị trí B1 thì quá trình hút sẽ kết thúc.
Sau đó pison đổi chuyển động và đi ngược từ B1 đến B2. Thể tích
buồng làm việc giảm dần, áp suất chất lỏng tăng lên, van hút đóng lại và
van đẩy mở ra. Chất lỏng được ép lên van đẩy và đi theo ống đẩy ra ngoài.
Quá trình này gọi là quá trình đẩy.
Quá trình hút và đẩy của bơm được xen kẽ nhau. Một quá trình hút
và đẩy kế tiếp nhau được gọi là một chu kỳ làm việc của máy bơm piston.
1.1.4. Khả năng tự hút của máy bơm piston
Khác với máy bơm ly tâm, máy bơm pison không cần mồi (điền đầy
chất lỏng) trước khi khởi động, mà bơm có khả năng tự hút.
Thật vậy, nếu ta gọi Vo là thể tích khối không khí trong ống hút và
buồng làm việc (khi piston ở B2). Nếu pison di chuyển đến B1 và B1B2 = S,
thì không khí giãn ra với thể tích là Vo + F.S (F.S là thể tích của xi lanh).
Khi đó áp suất không khí trong xi lanh là:
P = Pa.
.
o
o
V
V F S
(1.1)
Từ (1.1) ta thấy P < Pa. Do đó chất lỏng từ bể chứa sẽ đi vào ống hút
và dâng lên theo độ cao được xác định như sau:
a
P P
h
(1.2)
Nếu pison tiếp tục làm việc, chất lỏng từ bể chứa sẽ dâng lên dần
theo ống hút và điền đầy khoang làm việc của bơm. Khi đó xem như máy
bơm đã tự mồi xong.
1.2. Ưu và nhược điểm của máy bơm piston
1.2.1. Ưu điểm
- Cấu tạo đơn giản, dễ thay thế, bảo dưỡng.
4
- Có thể tạo ra áp suất lớn.
- Có thể bơm được các dung dịch có trọng lượng riêng khác nhau.
- Áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau.
- Máy bơm có độ bền cao.
1.2.2. Nhược điểm
- Chuyển động của chất lỏng qua bơm không ổn định, do đó lưu
lượng của bơm bị dao động.
- Kết cấu của bơm cồng kềnh.
1.3. Phân loại máy bơm piston
1.3.1. Theo phương pháp truyền lực
- Máy bơm truyền động bằng tay.
- Máy bơm truyền có truyền động gián tiếp.
- Máy bơm có truyền động trực tiếp.
1.3.2. Theo cách bố trí xi lanh
- Máy bơm thẳng đứng.
- Máy bơm nằm ngang.
1.3.3. Theo cấu tạo của pison
- Máy bơm có piston dạng đĩa.
- Máy bơm có piston dạng trục.
1.3.4. Theo chất lỏng cần bơm
- Máy bơm dùng để bơm nước lã.
- Máy bơm dùng để bơm axit.
- Máy bơm dùng để bơm dung dịch.
1.3.5. Theo cách tác dụng (số lần hút – đẩy sau 1 vòng quay của trục)
- Máy bơm tác dụng đơn.
5
- Máy bơm tác dụng kép.
- Máy bơm tác dụng ba.
- Máy bơm tác dụng bốn…
1.3.6. Theo áp suất
- Máy bơm áp suất thấp (P < 10 at).
- Máy bơm áp suất trung bình (P = 10
20 at).
- Máy bơm áp suất cao (P > 20 at).
1.3.7. Theo lưu lượng
- Máy bơm lưu lượng thấp (Q < 15 3
/
).
- Máy bơm lưu lượng trung bình (Q = 15
60 3
/
m h
).
- Máy bơm lưu lượng cao (Q > 60 3
/
m h
).
1.4. Lưu lượng của máy bơm piston
1.4.1. Lưu lượng lý thuyết trung bình
Thể tích làm việc của máy bơm tác dụng đơn là:
V = F.S (1.3)
Thể tích làm việc của máy bơm tác dụng kép là:
V = (2F - f).S (1.4)
F: diện tích bề mặt làm việc của mặt piston,
F: diện tích mặt cắt cần piston.
Gọi n là số vòng quay của trục bơm quay được trong một phút.
a. Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng đơn là:
. .
60
F S n
Q (1.5)
b. Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng kép là: