孫龍歡，白儒林，孫 鵬，侯香港

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著陸地及淺海石油資源的枯竭，開采轉(zhuǎn)向了地表深層及深海，鉆井深度增加，對(duì)鉆井泵功率、排量和體積質(zhì)量和易損件壽命要求越來越高，這促使鉆井泵從三缸向五缸轉(zhuǎn)變［1］；尤其是在海洋鉆井平臺(tái)上，五缸鉆井泵具有功率大、排量高、體積小、質(zhì)量輕、壓力波動(dòng)低和容積率高的特點(diǎn)，才得以推廣應(yīng)用［2］。

目前對(duì)鉆井泵研究主要集中在動(dòng)力端的曲軸設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析、十字頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［3］和液力端的閥體及流場(chǎng)分析等方面［5］；對(duì)沖程和沖次方面的研究較少，例如陳如恒［6］對(duì)三缸單作用鉆井泵的研究。

根據(jù)制造和使用以及三缸泵的經(jīng)驗(yàn)，五缸泵沖程S、沖次n發(fā)展趨勢(shì)：在滿足排量的前提下，“適當(dāng)增加沖程S，合理降低沖次n”；其為了減少活塞速度和全泵應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，以保證全泵和易損件壽命延長(zhǎng)；控制活塞的最大瞬時(shí)加速度，以提高泵的吸入性能，增加泵的充滿度，減少水擊和振動(dòng)的發(fā)生，使得可靠性增強(qiáng)［7］。

本文首先討論沖程S、沖次n影響泵的性能參數(shù)，然后以國(guó)內(nèi)五缸泵的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制五缸泵的n-S 型譜圖，由型譜圖確定限制線和活塞速度nS 和最大瞬時(shí)加速度n2S最大值，nS≤36，n2S≤5 000。最后討論影響五缸泵沖程S和沖次n的因素以及泵排量的調(diào)節(jié)和正確使用五缸泵，提出五缸泵沖程S和沖次n的修訂建議和方法。

1 沖程S、沖次n影響的泵參數(shù)

1.1 活塞運(yùn)動(dòng)分析

由鉆井泵的工作原理可知，其動(dòng)力端是一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，模型簡(jiǎn)化如圖1 所示，曲柄以勻角速度旋轉(zhuǎn)，曲柄轉(zhuǎn)角φ ＝0～π是液壓缸排出過程，φ ＝π～2π是液壓缸吸入過程［8］。

圖1 鉆井泵單缸運(yùn)動(dòng)示意圖

1.2 五缸單作用鉆井泵的性能參數(shù)

五缸單作用鉆井泵性能參數(shù)［9］包括排量Q、泵壓p、額定輸入功率N等。

1.2.1 排量Q

五缸單作用鉆井泵的理論排量Qs為：

式中：A為活塞的截面積，m2。

五缸單作用鉆井泵在最大缸套直徑Dmax情況下最大排量Qmax＝50～78 L/s，隨著技術(shù)的發(fā)展，最大排量Qmax有增大趨勢(shì)。

五缸單作用鉆井泵排量的不均勻程度δq為：

式中：Qpmax為最大瞬時(shí)排量，L/s；Qpmin為最小瞬時(shí)排量，L/s。

單作用泵的排量不均勻程度比較如表1 所示。

表1 單作用泵的排量不均勻度

單作用鉆井泵缸數(shù)增加，可以降低排量的不均勻度，五缸單作用鉆井泵的排量不均勻度為0.05。

鉆井泵在實(shí)際作業(yè)中，由于閥的滯后，密封處存在漏失，液壓缸存在氣體等原因，鉆井泵的實(shí)際排量低于理論排量，存在一個(gè)排量系數(shù)α為：

在nS 一定的情況下，目前五缸泵的最大缸徑為180 mm，大排量的要求促使缸徑D 有增大趨勢(shì)，Dmax＝190～230 mm。

1.2.2 泵壓p

泵的壓力通常用排出壓力表示，根據(jù)泵出口和出水池液面上的伯努利方程（以液缸中心線為基準(zhǔn)面），鉆井泵排出壓力為：

式中：p2為排出壓力，Pa；pd為排出液面上的壓力，Pa；zd為基準(zhǔn)面到排出液面高度，m；∑ΔhL2為排出管匯中的損失，J/N；c2為泵出口法蘭處管路中的流體速度，m/s。

因?yàn)楸脡簆∝LQ2，所以井越深泵壓越來越大。對(duì)于非常規(guī)頁巖油氣井、超深井等，設(shè)計(jì)的最低泵壓為53 MPa，杰瑞生產(chǎn)的五缸單作用鉆井泵最高泵壓可達(dá)到137.9 MPa。

1.2.3 額定輸入功率N

各級(jí)缸套的泵壓根據(jù)額定輸入功率N 和活塞桿推力為常數(shù)來確定的。由于工況要求和技術(shù)的發(fā)展，排量Q和泵壓p有所增加，額定輸入功率N有增高趨勢(shì)。綜上，五缸單作用鉆井泵特性都和排量Q 有關(guān)，即與沖程S、沖次n、缸徑D相關(guān)聯(lián)。

2 五缸泵n－S型譜圖

根據(jù)泵的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、寶石、杰瑞、宏華以及各資料的調(diào)研，列出n、S 參數(shù)，計(jì)算出nS 和n2S，如表2所示。

表2 五缸泵n－S參數(shù)表

將以上數(shù)據(jù)繪入坐標(biāo)圖中，形成五缸泵n-S 型譜圖如圖2 所示。從現(xiàn)有五缸泵參數(shù)數(shù)據(jù)以及參考陳如恒老師三缸泵n-S型譜圖總結(jié)出五缸泵限制線：nS ＝36，n2S＝5 000，如圖所示，兩條限制線相交于（139，258）一點(diǎn)，對(duì)于沖程S 大的中速泵，以該點(diǎn)左側(cè)線為臨界線，對(duì)于沖程S小的高速泵，以該點(diǎn)右側(cè)線為臨界線。從圖中看出，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的五缸泵大多數(shù)符合限制線規(guī)定，如寶石的QPI2500、QDP3000 和杰瑞的1000-5000 系列以及青石的小沖程、低沖次QWS1000，但宏華的2400 和3000的五缸泵大沖程、高沖次使之偏離限制線太多，降速以后nS ＝34.1 使之合理。

圖2 五缸泵n-S型譜圖

3 沖程S、沖次n的確定及影響因素

3.1 五缸泵沖程S的確定及影響因素

在功率和排量相同的情況下，五缸鉆井泵相比三缸鉆井泵的質(zhì)量輕一些，適當(dāng)減少五缸鉆井泵的沖程S和缸徑D，五缸鉆井泵尺寸變小，質(zhì)量更輕，更能體現(xiàn)輕量化的要求，可移動(dòng)性增強(qiáng)，適用于海洋鉆井平臺(tái)及非常規(guī)頁巖油氣的開發(fā)［10］。泵參數(shù)確定，即nS 或排量為某一確定值常數(shù)的情況下，合理降低沖次，適當(dāng)增加沖程。沖程S的值于圖2 的縱坐標(biāo)，最大值為趙雋海研究的新型5NB-1600 型五缸鉆井泵，S ＝385 mm（15.16 in），最小值為杰瑞JR1000QS和青石QWS1000 五缸泵，S ＝152.4 mm（6 in），其中杰瑞JR1000QS質(zhì)量為339 8 kg，額定制動(dòng)功率969 kW。

3.2 五缸泵沖次n的確定及影響因素

根據(jù)已有資料，宏華所生產(chǎn)的兩款HH 直驅(qū)五缸鉆井泵組，其沖次n ＝188 min-1，其次為杰瑞生產(chǎn)的部分五缸泵，沖次達(dá)到180 min-1和160 min-1，他們?yōu)楦咚俦?；根?jù)三缸泵的發(fā)展及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，高速泵易損件壽命不長(zhǎng)，吸入狀態(tài)不好，大多數(shù)五缸泵重點(diǎn)發(fā)展中速泵，其沖次n ＝100～140 min-1。

濕磨粒的磨損率ΔW∝pαvβ，在nS為常數(shù)的情況下，沖程S變小，沖次n 與之變大，活塞速度v 增高，活塞和缸套的壽命就會(huì)縮短。

泵閥的無沖擊條件為hmaxn ＝800～1 000，hmax為閥盤的最大升距；吸入閥先失效，其hmax≈15 mm，無沖擊時(shí)沖次n≈55～65 min-1，所以五缸泵閥都是有沖擊的，中速泵可以聽到輕微的沖擊聲，高速泵則可以聽到較強(qiáng)的沖擊聲，閥盤的落座沖擊力F∝n，其動(dòng)能E∝n4。當(dāng)n變大，閥盤落座的滯后角隨之增大，使得泵的排量系數(shù)α減小。

沖次n越高，n2S≥5 000 時(shí)，泵的吸入狀態(tài)將越來越差，排量系數(shù)α ＜0.88。泵在吸入時(shí)，活塞要將吸入管匯中的鉆井液全部加速，用來克服水力損失和慣性損失，慣性損失與活塞的最大瞬時(shí)加速度（1 +λ）rω2成正比，當(dāng)沖次n升高時(shí)，慣性損失將增大，使得吸入管匯和缸內(nèi)的壓力降低，當(dāng)鉆井液的汽化壓力大于吸入管匯和缸內(nèi)壓力時(shí)，鉆井液中的氣體被吸出而產(chǎn)生斷流現(xiàn)象；當(dāng)鉆井液以慣性沖向活塞時(shí)則產(chǎn)生水擊或敲缸，吸入管匯將出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，液力端的各零件也會(huì)遭受沖擊波的作用使得壽命降低［11］。所以，在滿足排量的前提下合理降低沖次n和n2S的值。

4 鉆井泵排量調(diào)節(jié)

在鉆井作業(yè)時(shí)，隨著井越來越深，要求泵壓升高而排量降低。隨鉆井作業(yè)的進(jìn)行，需要定期調(diào)節(jié)泵排量。由泵的排量公式知，調(diào)節(jié)的方法有減少泵室、更換不同直徑的泵缸套、調(diào)節(jié)泵沖次及改變泵沖程長(zhǎng)度。鉆井泵目前所用調(diào)節(jié)排量方法主要是更換不同直徑的泵缸套，通常鉆井泵都配有按同沖次下排量的等比級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)的幾級(jí)不同直徑的缸套，以適應(yīng)鉆井時(shí)不同排量的要求。

泵壓隨井深增加而不斷升高，由于受到泵活塞桿、曲柄連桿機(jī)構(gòu)及排出管線強(qiáng)度的限制，每一級(jí)缸套產(chǎn)生的最大壓力須滿足等強(qiáng)度條件，即p1A1＝p2A2＝…＝N ＝常數(shù)，且最小一級(jí)缸套所產(chǎn)生的最大壓力必須小于排出管線的允許壓力。另外，由于受到動(dòng)力機(jī)功率的限制，各級(jí)缸套工作時(shí)，泵最大功率應(yīng)小于或等于動(dòng)力機(jī)輸出功率，即p1Q1＝p2Q2＝…＝N ＝常數(shù)。由這些限制條件，可以做出泵更換缸套時(shí)的臨界特性曲線，如圖3 中的1-1′-2-2′-3-3′-4-4′-5-5′所示，鉆井泵工作時(shí)應(yīng)在該折線以下的點(diǎn)上工作。圖中1、2、3、4、5 點(diǎn)為泵的臨界工作點(diǎn)。

圖3 鉆井泵臨界特性曲線

井深度不同，管路特性曲線也不同。Ox 為一井深管路特性曲線，泵工況由a 點(diǎn)沿Q1-1 垂線上移，直到曲線變?yōu)镺y，泵工況到達(dá)1 點(diǎn)；繼續(xù)鉆進(jìn)，泵壓高于p1，泵將會(huì)過載，這時(shí)要更換缸套為D2，排量為Q2，泵工況變?yōu)閎′點(diǎn)，工況沿Q2-2 垂線上移，依次進(jìn)行。隨著井深增加，泵工況點(diǎn)發(fā)生變化，就需要更換缸套，改變排量，以保證泵不過載。

更換缸套改變排量的方法，使得泵總是在低于額定功率下工作，功率利用率較低。為了提高功率利用率，就需增加缸套級(jí)數(shù)，但非工作時(shí)間將增加，鉆井工作效率降低。一般鉆井泵配缸套都在五級(jí)左右，也有鉆井泵配有八級(jí)缸套。

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井泵采用柔性驅(qū)動(dòng)（直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)等），用調(diào)節(jié)沖次n 來改變排量，這種方法提高泵的功率利用率，減少泵缸套級(jí)數(shù)，降低鉆井成本［12］。

5 合理使用五缸泵

發(fā)揮五缸泵良好性能的方法在于：在符合泵壓的情況下，使用最大直徑的活塞，在符合排量的情況下，使用盡可能小的沖次；不能使泵運(yùn)轉(zhuǎn)太快，也不要認(rèn)為使用額定轉(zhuǎn)速最好。根據(jù)實(shí)踐及三缸泵知：沖次n 降速使用，n實(shí)際＝（0.75～0.85）n額定，這樣使易損件的壽命有所增加。

沖次不能無條件降低，這樣會(huì)使功率不匹配，排量低、效益差。功率也不能太大，不然會(huì)出現(xiàn)大馬拉小車現(xiàn)象。

淺井不一定配小功率泵，深井也不一定配大功率泵。工況不同，配泵功率不同，如大慶油田1 200 m的井，單泵配1 300 hp 才滿足要求；國(guó)外配泵很靈活，時(shí)常配一大一小兩個(gè)泵或者用3 臺(tái)泵鉆淺層兩臺(tái)泵鉆深層。

鉆井泵的使用消耗占不到總成本的1/3，其中易損件為主要損耗，提高易損件質(zhì)量和壽命依然是我們的難題。

6 五缸泵參數(shù)nS修訂建議

之前已有文章對(duì)泵的參數(shù)nS優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)目前泵使用情況以及三缸泵的修訂來看，泵的沖程S基本定型，所以修訂泵參數(shù)nS的原則是：在適當(dāng)增加泵沖程S情況下，合理降低泵沖次n，繼續(xù)降速。五缸泵參數(shù)nS 修訂建議：一律改公制，所有性能參數(shù)都改成公制；沖程S基本不動(dòng)，只是名義上化整為S*，采用逢個(gè)位為零頭向上進(jìn)位化成整，原沖程S 的制造尺寸不變；將原來沖次n降低為n*，正常鉆進(jìn)時(shí)n*不再降低使用。如表3 所示，只是將超出臨界線以外的五缸泵參數(shù)進(jìn)行修訂，其他五缸泵也可參考此方法進(jìn)行修訂。此方法優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有泵的尺寸不變、結(jié)構(gòu)保持，S 大的中速泵nS 和S 小的高速泵n2S值顯著降低，符合限制線規(guī)定；缺點(diǎn)是沖次n降低，泵排量減少，相當(dāng)于比原來的泵降級(jí)使用。

表3 部分五缸泵參數(shù)修訂

7 結(jié)束語

圍繞增加五缸泵排量、降低重量和提高易損件壽命及改善吸入性能的角度，根據(jù)“適當(dāng)增加沖程S，合理降低沖次n”的方法，對(duì)五缸單作用鉆井泵特性參數(shù)進(jìn)行分析，得到都和排量Q有關(guān)，即與沖程S、沖次n、缸徑D相關(guān)聯(lián)；再對(duì)五缸泵進(jìn)行沖次n 和沖程S 的合理性匹配，在現(xiàn)有泵的尺寸不變、結(jié)構(gòu)保持情況下，重點(diǎn)討論了降低泵沖次的合理性。

從五缸泵的n-S型譜圖可得到兩條限制線nS ＝36 和n2S ＝5 000 及交點(diǎn)（139，258）；由限制線看出，對(duì)于沖程S大的中速泵，維持nS≤36 m/min，沖程S 小的高速泵，維持n2S ＝5 000 m/min2。

從修訂結(jié)果看，對(duì)大沖程S的中速泵，降速后n*在100 min-1左右，nS≈34 m/min；對(duì)小沖程S的高速，降速后n*在120 min-1左右，n2S≈3 100 m/min2是合適方法，可供五缸泵參考修訂。