泥漿泵的發(fā)展綜述

摘要：本文介紹了國內(nèi)和國外鉆井泥漿泵的發(fā)展及現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢，現(xiàn)有泥漿泵存在的主要問題，解決問題的關鍵，泥漿泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究現(xiàn)狀。

關鍵詞：泥漿泵 ?現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢 ?沖程 ?鉆井

1 ?前言

鉆井泥漿泵是石油天然氣開發(fā)中鉆機的主要部件之一，是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的關鍵設備。在鉆井施工過程中﹐它將鉆井液經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)及鉆桿柱中心直送鉆頭的底端﹐以達到冷卻鉆頭﹑清洗井底鉆屑，并攜帶巖屑循環(huán)到地面，對鉆井生產(chǎn)具有重要作用。

2 ?鉆井泥漿泵的發(fā)展

早期鉆井泵的主要作用是把鉆井液輸入井底，達到冷卻鉆頭、穩(wěn)定地層和循攜帶巖屑的作用。隨著鉆井技術的不斷發(fā)展和不斷進步，頁巖氣、深井和超深井的常態(tài)化開發(fā)，先進的井下動力鉆具的使用和高壓噴射鉆井技術已經(jīng)成為常態(tài)，對泥漿泵的功率、排量和壓力等技術參數(shù)要求也越來越高。早期鉆井泵結(jié)構(gòu)是雙缸雙作用泵，流量和泵壓波動大，震動較大，而且效率低，已經(jīng)嚴重不能日益增長的鉆井技術要求。體積小、壓力波動小、效率高是三缸鉆井泵的主要優(yōu)點。隨著鉆井技術的不斷發(fā)展，對鉆井泵的要求隨之提高，鉆井泵生產(chǎn)廠家也在不斷的進行結(jié)構(gòu)和性能改進與完善，目前鉆井泵技術已經(jīng)比較成熟，技術參數(shù)提升效果顯著。

2.1 ?國內(nèi)泥漿泵的發(fā)展現(xiàn)狀

我國泥漿泵是上世紀60年代從美國引進相關的技術，通過不斷的改進而發(fā)展起來的。目前，我國生產(chǎn)鉆井泵的公司主要有寶雞石油機械有限公司、四川宏華石油設備有限公司等廠家，其生產(chǎn)的系列三缸泵己經(jīng)運用于我國鉆井施工中，并有大部分泥漿泵出口歐美國家。

為了滿足現(xiàn)代鉆井施工中大功率、高泵壓和大排量鉆井工藝的技術要求，鉆井泵生產(chǎn)廠家設計和制造了F-2200、F-2200HL和QDP-3000等大功率高壓泥漿泵。

總體來說，我國對石油鉆井泵的研究起步較晚，但通過技術引進、自主研發(fā)，我國與國外先進技術的差距正在逐步縮小。

2.2 ?國外泥漿泵的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界各國都在大量研究和使用三缸單作用泥漿泵，并且都是朝著大功率、長沖程、大缸徑、高泵壓的技術方向發(fā)展。

美國目前主要有Letourneau Ells Williams公司、EMSCO公司和IDECO公司等泥漿泵生產(chǎn)廠家，大多采用三缸鉆井泵。我國寶雞石油機械廠生產(chǎn)的F系列泥漿泵就是通過引進EMSCO公司的設計技術。

俄羅斯泥漿泵也是采用三缸泵，閥箱采用I形和L形，活塞與缸套之間的密封裝置采用的是比較特別的水封密封。缸套使用雙金屬澆鑄保障其剛性的同時節(jié)約成本。動力端采用雙斜齒輪和寬槽人字齒輪傳動。曲軸是通過直軸與偏心輪組裝而來的，機座大部分為鑄造或者焊接件為主。

2.3 ?發(fā)展趨勢

隨著鉆井施工技術水平的提升，特別是頁巖氣開發(fā)，深井、超生井等鉆井施工中，高泵壓、大排量和大功率已經(jīng)成為常態(tài)，作為鉆機的主要裝備，其性能參數(shù)直接影響鉆井施工技術的提升。鉆井技術的發(fā)展方向是采用新工藝、新技術和新裝備達到提速、降本、增效。這其中就要求鉆井施工采用大排量，高泵壓噴射鉆井施工，能夠降低井下故障的同時，也提升了鉆井效率。

目前鉆井泵的一些最高技術指標：

1） 3000hp鉆井泵是我國輸入功率最大的鉆井泵，其最大排量達到76.34L/S，最高泵壓都達到了52MPa;

2） 目前泥漿泵最大缸套直徑達到了228.6mm，是由Contnienlat1Emsoc公司（美國）生產(chǎn)的FG-2200型鉆井泵;

3） ）目前最長的沖程為406.4mm的鉆井泵是由oiME公司（美國）生產(chǎn)制造的1700T型鉆井泵;

3 ?現(xiàn)有泥漿泵存在的主要問題

（1）泵的沖程短，排量無法滿足大井眼鉆井施工的要求。

（2）壓力級別低，無法滿足頁巖氣開發(fā)、深井和超深井的鉆井施工工藝要求。

（3）易損件的使用壽命較短，難以達到鉆機的高效能要求。

為解決現(xiàn)有泥漿泵的主要缺點，提高泥漿泵使用性能，主要應進行基本參數(shù)的合理選擇和結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化。

4 ?解決問題的關鍵

為了解決目前現(xiàn)有泥漿泵的主要不足，提高泥漿泵的使用性能，主要適當?shù)貙ζ浠緟?shù)進行了合理地選擇及對其結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化。

1 ?基本參數(shù)的合理選擇

排量、泵壓是衡量鉆井泵的主要技術參數(shù)，合理匹配參數(shù)，對泥漿泵至關重要。

1.1 ?泵的額定沖次

鉆井泵的泵沖是鉆井施工過程中主要技術參數(shù)之一，降低泵沖能夠顯著改善泵的吸入性能，可增加易損件壽命。降低泵沖后，活塞的速度降低，活塞與缸套之間產(chǎn)生的摩擦減少，噴淋冷卻效果更好，能夠增加活塞的使用時間，同時增加了缸套使用時間。

1.2 ?泵的沖程長度

泵的沖程是泥漿泵的另一主要參數(shù)。增加鉆井泵的沖程長度，在同樣的泵沖和缸套直徑的情況下可以大大提高泥漿泵的排量。

1.3 ?提升液力端端的耐壓級別

原來F系列泥漿泵液力端為I型結(jié)構(gòu)，壓力為35MPa，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有鉆井參數(shù)的要求，目前通過對液力端進行改造，把閥箱改造為L型，空氣包，管匯進行加強改造，壓力級別升級為52MPa，能夠充分滿足現(xiàn)階段鉆井施工的要求。

5 ?研究現(xiàn)狀

大功率、長沖程、大排量、增加承壓能力已經(jīng)成為鉆井泵的技術參數(shù)發(fā)展方向。鉆井泵采用高強度鍛焊曲軸等結(jié)構(gòu)設計滿足大排量、高泵壓，長沖程的要求，提高了閥箱疲勞強度，降低齒輪的嚙合不良，提高齒輪接觸強度。

1）在材料工藝上的一些代表性研究

湯富榮等，為提高泵缸套的使用時間，缸套采用45號鋼進行中頻淬火熱處理，然后再通過激光硬化處理，達到需要個缸套強度。

張萬福等，一種制造新型鉆井泵缸套的材料（高鉻一鵠合金白口鑄鐵），并進行試驗論證。

2） 排出空氣包機理研究上有代表性成果如下：

陳如恒等，從動力學角度出發(fā)，分析了鉆井泵空氣包的工作機理。

任建民等，利用流體動力學、機械振動和控制學等理論推出空氣包的強迫振動系統(tǒng)，導出了空氣包及導管內(nèi)的波動流量表達式，提出了兩項評價空氣包工作的指標。

鄔亦炯，在考慮管線中液體慣性影響的基礎上，建立了鉆井泵空氣包之后管線中液體流量的微分方程，對其進行了理論求解，分析了影響鉆井泵空氣包效能的若干因素。

6 ?結(jié)語

隨著鉆探開發(fā)技術水平的提升，高泵壓、大排量已經(jīng)成為常態(tài)，對鉆井泵各項參數(shù)要求也在不斷的提高，鉆井泵的結(jié)構(gòu)也在不斷改進。特別是在頁巖氣開發(fā)，深井、超生井等鉆井施工中，對鉆井泵的功率、排量和耐壓等級等性能要求越來越高。

國內(nèi)外鉆井泵的發(fā)展任然以三缸鉆井泵未主，該鉆井泵技術已經(jīng)比較成熟，雖然一些新型鉆井泥漿泵已經(jīng)研制出來，但是目前還不可能取代三缸單作用泥漿泵。根據(jù)目前三缸鉆井泵所存在的缺點，并解決相關的缺點是關鍵，進行結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化，將是提升鉆井泵性能的主要方向。

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作者簡介：夏鯤，男，漢族，1987年8月出生，湖北棗陽，長江大學機械設計制造及其自動化。