F系列鉆井泵輕量化研究

譚利琴， 馬廣蛇,2， 姜小剛， 曾興昌,2， 郝建旭,2

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002)

0 引言

1980年代，寶雞石油機械有限責任公司（以下簡稱“寶石機械公司”）從美國LTV能源公司引進了F-500、F-800、F-1000鉆井泵產品和技術。在此基礎上，寶石機械公司根據市場需要自主研制了F-1300/1600、F-1600HL、F-2200HL等大功率高壓鉆井泵產品（統稱“F系列鉆井泵”），滿足了深井/超深井、大位移水平井、高壓噴射鉆井等新型鉆井工藝技術的要求，同時，也推動了這些鉆井工藝技術的發展。

F系列鉆井泵具有結構相對簡單、質量可靠、維修維護方便等優點，因此在近40 a的發展中，逐步成為市場主流產品，深得油田用戶的認可。但是，F系列鉆井泵體積和重量相對較大，尤其是大功率鉆井泵更是如此，已經不太適應對設備體積和重量指標要求較高的場合，如：海洋平臺鉆機、極地鉆機、車載鉆機等，極有必要開展輕量化研究。

1 國內外常用鉆井泵技術現狀

目前，國內外常用鉆井泵有：寶石機械公司的F系列鉆井泵，NOV公司P系列、FD系列3NB系列鉆井泵，青島TSC公司（天時）的WF系列鉆井泵，EMSCO公司的FB和FC系列鉆井泵等。這些鉆井泵從基本參數、技術特點、結構特點等方面大致可歸為3類：F系列、P系列、WF系列鉆井泵。寶石機械公司F系列鉆井泵技術結構特點為：1)長沖程、低沖數；2)結構相對簡單、維修維護性好、可靠性高；3)體積和質量較大，尤其是大功率高壓泵。NOV公司P系列鉆井泵技術結構特點為：1)長沖程、低沖數；2)結構相對簡單、維修維護性好、可靠性高；3)體積和質量較F系列泵小。TSC公司WF系列鉆井泵技術結構特點為：1）體積和質量最小，尤其適合配套在海洋鉆機上使用；2）可靠性高。這3類鉆井泵的基本參數如表1～表3所示。

表1 寶石機械公司F系列鉆井泵基本參數

表2 NOV公司P系列鉆井泵基本參數

表3 TSC公司WF系列鉆井泵基本參數

一般來說，長沖程、低沖數鉆井泵容易獲得良好的可靠性，但是體積和重量往往要增加，鉆井泵總體設計應在可靠性和體積與重量之間權衡考慮[2]。通過對比發現，F系列與P系列同功率鉆井泵的沖程和額定沖數基本相同，但是前者比后者重10%～30%不等；WF系列鉆井泵沖程和額定沖數稍大，但是體積和重量最小，而且其軸承設計壽命L10h≥30 000 h（滿功率），較小的體積重量加上較高的可靠性非常適合用于海洋鉆井。可見，F系列鉆井泵的體積和重量指標明顯不如P系列和WF系列鉆井泵（尤其是大功率鉆井泵），非常有必要進行輕量化設計。

F系列鉆井泵的輕量化設計應從兩方面著手：1）優化泵結構主參數；2）優化主要單元零部件設計，如曲軸、機架（泵殼）、液缸（泵頭）等對輕量化設計影響比較大的零部件。

2 鉆井泵結構主參數的優化

排出壓力p和排量Q是鉆井泵最重要的基本性能參數，兩者之積即為泵的水功率。沖程s、沖數n、缸套內徑D、液缸數量Z為往復泵的結構主參數（最重要的設計參數），其定義分別為：活塞往復運動的距離為沖程，沖程的起點和終點為活塞運動的死點，靠動力端一側為后死點，靠液力端一側為前死點；單位時間內活塞往復運動的次數為沖數，計量單位一般為“次/min”。上述主要參數決定了泵的功率、動/液力端零部件的強度、外形尺寸、重量等[3]。

總結多年來國內外在制造和使用方面的經驗，三缸泵S、n的發展規律是：在滿足排量的前提下，適當增大沖程，合理降低泵速。其目的是降低活塞速度nS和全泵的應力循環次數，以延長全泵和易損件的壽命；控制活塞的最大瞬時加速度以改善泵的吸入性能，提高泵的充滿度，減免水擊和振動的發生，取得泵的最低成本和最高可靠性[4]。陳如恒院士[4]統計分析了國內外常用鉆井泵的沖程和沖數，并通過繪制n-S型譜圖研究得出的結論是：對于S大的中速泵，應控制其nS≤36 m/min，對于S小的高速泵，控制其n2S≤5000 m/min2。

如參照上述標準，我們在進行F系列鉆井泵輕量化研究與設計時，適當地調整優化了泵的結構主參數（見表4）。

通過優化結構主參數，鉆井泵的nS和n2S值與原值基本相同，表明活塞磨損速度和吸入性能沒有變差，但是縮短沖程有利于泵的輕量化。同時，nS值保持相同還表明動力端的載荷能力沒有因為輕量化而下降，其原因為活塞桿額度負荷F（=18×104×N/nS）并未降低。

表4 F系列鉆井泵優化后的基本參數

3 鉆井泵主要零部件的輕量化

3.1 機架（泵殼）的輕量化

F系列鉆井泵的機架（泵殼）結構設計不合理是造成其體積和重量偏大的主要原因。2000年，張慶元、陳如恒等[5-6]對F-1300泵機架進行了靜態和動態結構有限元分析，通過靜力分析發現機架總體偏重，且應力和變形分布不均勻、不合理，通過動態特性分析發現機架頭部（與液力端連接處）和后蓋開口部位（安裝曲軸總成部位）動剛性偏弱，中部則非常富余[7]。借助本次F系列鉆井泵輕量化研究項目，我們對F-1600HL、F-2200HL鉆井泵機架進行了靜態和動態結構有限元分析，得出與F-1300泵基本一致的結論；最終，經優化設計的2種機架重量分別下降19%和23%。

3.2 曲軸的輕量化

從機械結構看，F系列鉆井泵采用整體鑄造曲軸是導致其體積和重量偏大的主要原因。整體鑄造曲軸（如圖1）一般采用低合金鑄鋼或球墨鑄鐵，可以采用空心或實心結構，成本相對較低[8]；但是體積和重量偏大、偏心質量大，而且容易出現裂紋、縮孔、砂眼等鑄造缺陷。然而，P系列鉆井泵一般采用鍛件組裝式（如圖2），其結構比較復雜，但是體積和重量小、可靠性高，采用組裝結構還可以大幅度地降低成本；WF系列鉆井泵一般采用組焊件（如圖3），對焊接工藝要求較高，但是體積和重量可進一步減小。

圖1 整體鑄造曲軸

圖2 組鍛件曲軸

圖3 組焊件曲軸

通過對比分析，組鍛件和組焊件曲軸在輕量化、可靠性、平衡性等方面均優于整體鑄造曲軸，從目前發展的趨勢看，整體鑄造曲軸有被組鍛件或組焊件曲軸取代的趨勢。在F系列鉆井泵輕量化研究項目中，為了利用組裝式曲軸的優點并避開相關專利技術，我們研究了一種鍛件與鑄件組裝式的全加工曲軸（如圖4、圖5），即：芯軸采用高強度合金鋼鍛件，以提高曲軸強度；偏心輪采用合金鋼鑄件降低成本。通過應用結構有限元方法反復計算和優化，最終曲軸強度提高約17%，重量下降11%。

圖4 鑄鍛件組裝曲軸

圖5 鑄鍛件組裝曲軸Mises應力云圖

3.3 液力端的輕量化

F系列鉆井泵采用了I型和L型2種液力端，設計壓力34.5 MPa及以下的鉆井泵采用I型，52 MPa級的高壓鉆井泵采用L型液力端，如F-1600HL、F-2200HL。L型液力端的吸入閥和排出閥為分體結構[9]，拆裝上下閥座時互不影響，非常方便；但其體積和重量較大，且較長的吸入歧管降低了吸入性能。L型液力端體積和重量大的主要原因為排出液缸高度較高。排出液缸的側面需要安裝排出管路，如果排出管路安裝在吸入液缸一側，為了不影響吸入閥蓋及吸入閥的拆裝，則必須將排出液缸加高；如果安裝在動力端一側，則排出液缸的高度更高，否則，排出管路將與機架干涉。

作為F系列鉆井泵輕量化研究項目的重要成果之一，寶石機械公司研制了一種新型J型液力端（如圖7），其兼具Ⅰ型和L型液力端的優點，即：方便拆裝上下閥總成，吸入性能優良，體積小和重量輕等。該液力端結構已獲得國家專利授權，并已經在2200馬力輕型鉆井泵上成功應用。此外，美國Mattco公司研發了一種將吸入閥水平放置的T型液力端（如圖6），其專門針對大功率鉆井泵設計，具有結構布局合理、體積小、重量輕等特點。以955.8 kW鉆井泵為例，L型液缸為4380 kg，I型液缸為3960 kg，T型液缸為3660 kg，T型液缸的重量比L型和I型液缸分別少16.4%和7.6%[10]。T型液力端也可作為F系列鉆井泵輕量化設計的選項之一。

圖6 T型液力端結構圖[7]

圖7 J型液力端結構圖

4 結語

在目前常用的幾類鉆井泵中，F系列鉆井泵的體積和重量比P系列和WF系列鉆井泵大，這種情況在大功率鉆井泵中尤其明顯。F系列鉆井泵的輕量化可以從優化結構主參數和優化設計單元零部件結構兩方面著手。

根據nS和n2S值不變的原則適當優化了F系列鉆井泵的結構主參數，即適當地減小沖程和提高沖數。這樣不會加劇缸套活塞的磨損，也不會降低泵的吸入性能，但有利于鉆井泵的輕量化設計。

從機械結構分析，F系列鉆井泵采用未經優化的機架、整體鑄造曲軸和L型液力端是造成其體積和重量偏大的主要原因。以F-2200HL鉆井泵為例，機架經優化后重量可減輕23%；采用鑄鍛件組裝曲軸代替整體鑄造曲軸，強度提高17%，重量減輕11%；采用新型J型液力端比L型液力端重量減輕7%。綜合應用參數和結構優化措施，使F系列鉆井泵體積減小、重量減輕17%左右。

[1]馬歷民,張望良,謝康.石油鉆井技術的發展與大功率泥漿泵[J].石油礦場機械,2000,29(3):15-16.

[2]朱俊華站長松.往復泵[M].北京:機械工業出版社,1991.

[3]沈學海.鉆井往復泵原理與設計[M].北京:機械工業出版社,1990.

[4]陳如恒.三缸單作用鉆井泵沖程與沖次的合理匹配[J].石油機械,2006,34(7):1-4.

[5]張慶元,陳如恒.鉆井泵機架的靜動態有限元分析[J].石油學報,2000,21(2):83-87.

[6]張慶元,陳如恒,蒲容春,等.F1300型三缸鉆井泵機架的靜力有限元分析[J].石油機械,1997(10):1-4.

[7]張慶元,蒲容春.鉆井泵機架的動力特性分析及結構修改預測[J].機械強度,2000，22(2):89-91.

[8]劉紅芳,曾興昌,羅元清,等.鉆井泵組裝式曲軸設計與有限元分析[J].石油礦場機械，2014(11):48-51.

[9]焦清朝,劉永勤,張愛民,等.國內外小型泥漿泵的現狀與發展趨勢[J].石油礦場機械，2004,33(增刊1):28-31.

[10]張連山.國外鉆井泵技術發展與研究動向[J].國外石油機械,1997(6):1-9.