鉆井用的往復(fù)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(dòng)力動(dòng)力鉆具提供動(dòng)力。泵的出口流量是影響鉆井效率的一個(gè)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(jì)對其流量進(jìn)行直接計(jì)量存在兩個(gè)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(jì)量較為困難。

根據(jù)往復(fù)泵的工作原理，其在單位時(shí)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(fù)的次數(shù)（稱作泵的沖數(shù)或泵數(shù)）n有關(guān)。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(jì)算出泵的出口流量。

1. 泵沖數(shù)的測量

由于往復(fù)式泵的沖數(shù)與其驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速成正比，因此可通過測量其驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jī)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(gè)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(lì)電機(jī)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(dǎo)傳感器輸出的霍爾電動(dòng)勢的表達(dá)式。

當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)子和定子的氣隙中變形成隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的交便磁場，設(shè)穿過霍爾元件Ha的磁通密度Bh為

Bha=Bm Sin ωt

因?yàn)槔@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(yīng)出交變電動(dòng)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(lì)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(dòng)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(guān)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(dòng)勢Ehb為

Ehb=Kωcos2ωt

故傳感器總的輸出電動(dòng)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(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，可在泵驅(qū)動(dòng)軸上裝上皮帶輪或鏈輪來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)算

測出泵的沖數(shù)n后，既可根據(jù)往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)和作用方式計(jì)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(shè)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(fù)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(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)，往復(fù)式泥漿泵工作時(shí)，由于吸入閥和排除閥關(guān)閉的不及時(shí)，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(shí)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(hù)，實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(dāng)對測量精確要求高時(shí)，則應(yīng)考率采用其他非接觸式測量方法。(end)