鉆井用的往復式泥漿泵，俗稱鉆井的“心臟”，它的主要功能是向井下循環(huán)輸送鉆井泥漿，將鉆井過程中鉆頭破碎的巖屑從井底攜帶出來并為井下動力動力鉆具提供動力。泵的出口流量是影響鉆井效率的一個重要參數(shù)，也是最優(yōu)化鉆井工藝中必須優(yōu)選的參數(shù)，泵的出口出壓力很高（一般在20—25MPa），且輸送含砂量較高的泥漿，采用普通的流量計對其流量進行直接計量存在兩個問題；一是高壓密封問題，二是泥漿得沉積和堵塞問題。因此直接計量較為困難。

根據(jù)往復泵的工作原理，其在單位時間內(nèi)輸送的液體體積（既泵的理論平均流量Q理）與泵的活塞截面積S，活塞行程長度I，以及活塞每分種在缸套種往復的次數(shù)（稱作泵的沖數(shù)或泵數(shù)）n有關。S和I是泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于給定的泵是確定不變的量，因此，若能測量出泵的沖數(shù)n 。就可計算出泵的出口流量。

1. 泵沖數(shù)的測量

由于往復式泵的沖數(shù)與其驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速成正比，因此可通過測量其驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速換算出泵沖數(shù)

1.1 轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理

泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量，圖1和圖2分別為霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理和接線圖。


圖1 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器機構(gòu)原理圖

圖2 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器接線圖
傳感器的定子上有2個互相垂直的饒組A和B，在繞組的中心線上粘有霍爾片Ha和Hb，轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，霍爾元件Ha和Hb的激勵電機分別與繞組A和B相連，它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。

下面推導傳感器輸出的霍爾電動勢的表達式。

當永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，在轉(zhuǎn)子和定子的氣隙中變形成隨時間按正弦規(guī)律變化的交便磁場，設穿過霍爾元件Ha的磁通密度Bh為

Bha=Bm Sin ωt

因為繞組A在空間上帶后Ha90o，故繞組A處的磁通密度Ba為

Ba=Bm sin(ωt-90°)=-Bmcos

該交變磁場將在繞組 A中感應出交變電動勢Ea由楞次定律

Ea=L1(dBa/dt)=L1Bmω sinωt

而Ea在Ha中將產(chǎn)生交變激勵電源；

Iha=Ea/R1=L1/R1 * Bm ω sinωt

由于霍爾元件Ha本身也處于磁場中，其霍爾電極上將產(chǎn)生霍爾電動勢；

Eha=K1 Bha Iha=(K1L1/R1)Bm2ω sin2ωt=Kω sin2ωt

式中，L1為繞組A的電感；R1為繞組A和霍爾元件Ha組成的回路等效電阻；K1為霍爾元件的靈敏度，它是與霍爾元件的材料及結(jié)構(gòu)有關的參數(shù)。

類似地，由于霍爾元件Hb所出得空間位置超前Ha90o，而繞組B又超前Hb90o，同理可推出Hb產(chǎn)生的霍爾電動勢Ehb為

Ehb=Kωcos2ωt

故傳感器總的輸出電動勢為

E=Eha+Ehb=Kω

它與被測轉(zhuǎn)速成正比。

1.2 轉(zhuǎn)速傳感器的現(xiàn)場安裝

為了用轉(zhuǎn)速傳感器測量出泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速，可在泵驅(qū)動軸上裝上皮帶輪或鏈輪來驅(qū)動轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，這種安裝方式既簡便易行，又不影響泵的正常工作。

2. 泵出口流量的計算

測出泵的沖數(shù)n后，既可根據(jù)往復泵的結(jié)構(gòu)和作用方式計算其出口的理論平均流量Q理。

對于單缸單作用泵，理論平均流量為

Q理=Sln(m3=Sln/603/s)

式中，S為泵的活塞面積；l為活塞行程長度。

對于多缸單作用泵，設缸數(shù)位M，則其理論平均流量為

Q理=MSln(m3/min)

對于多缸雙作用泵，活塞往復一次，各液缸輸送液體兩次，體積為（2S-S’）式中S’為活塞桿截面積，則M各缸的理論平均流量為

Q理=M(2S-S')ln (m3/min)

在實際測量中發(fā)現(xiàn)，往復式泥漿泵工作時，由于吸入閥和排除閥關閉的不及時，泵閥，活塞和其他蜜封出有高壓液體陋失；泵缸中或液體內(nèi)含有氣體等原因，使泵的實際平均流量Q要低于理論平均流量，既

Q=aQ理

a的大小視泵的工作情況，一般取0.85-0.95。

3. 結(jié)束語

本文提出的通過測量泵的沖數(shù)來間接測量泵的出口流量的方法，簡單易行，避免了直接測量中傳感器承受高壓和液體腐蝕的問題，且拆裝方便，易行維護，實際測量中發(fā)現(xiàn)，當泵的充滿度不高或不恒定是，此法的測量誤差將增大，因此，當對測量精確要求高時，則應考率采用其他非接觸式測量方法。(end)