五缸單作用鉆井泵沖程與沖次合理匹配

孫龍歡，白儒林，孫 鵬，侯香港

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

隨著陸地及淺海石油資源的枯竭，開采轉向了地表深層及深海，鉆井深度增加，對鉆井泵功率、排量和體積質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變［1］；尤其是在海洋鉆井平臺上，五缸鉆井泵具有功率大、排量高、體積小、質量輕、壓力波動低和容積率高的特點，才得以推廣應用［2］。

目前對鉆井泵研究主要集中在動力端的曲軸設計和強度分析、十字頭結構設計［3］和液力端的閥體及流場分析等方面［5］；對沖程和沖次方面的研究較少，例如陳如恒［6］對三缸單作用鉆井泵的研究。

根據制造和使用以及三缸泵的經驗，五缸泵沖程S、沖次n發展趨勢：在滿足排量的前提下，“適當增加沖程S，合理降低沖次n”；其為了減少活塞速度和全泵應力循環次數，以保證全泵和易損件壽命延長；控制活塞的最大瞬時加速度，以提高泵的吸入性能，增加泵的充滿度，減少水擊和振動的發生，使得可靠性增強［7］。

本文首先討論沖程S、沖次n影響泵的性能參數，然后以國內五缸泵的數據為基礎，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節和正確使用五缸泵，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

1.1 活塞運動分析

由鉆井泵的工作原理可知，其動力端是一個曲柄滑塊機構，模型簡化如圖1 所示，曲柄以勻角速度旋轉，曲柄轉角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 鉆井泵單缸運動示意圖

1.2 五缸單作用鉆井泵的性能參數

五缸單作用鉆井泵性能參數［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，隨著技術的發展，最大排量Qmax有增大趨勢。

五缸單作用鉆井泵排量的不均勻程度δq為：

式中：Qpmax為最大瞬時排量，L/s；Qpmin為最小瞬時排量，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。

鉆井泵在實際作業中，由于閥的滯后，密封處存在漏失，液壓缸存在氣體等原因，鉆井泵的實際排量低于理論排量，存在一個排量系數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，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。

因為泵壓p∝LQ2，所以井越深泵壓越來越大。對于非常規頁巖油氣井、超深井等，設計的最低泵壓為53 MPa，杰瑞生產的五缸單作用鉆井泵最高泵壓可達到137.9 MPa。

1.2.3 額定輸入功率N

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

2 五缸泵n－S型譜圖

根據泵的行業標準、寶石、杰瑞、宏華以及各資料的調研，列出n、S 參數，計算出nS 和n2S，如表2所示。

表2 五缸泵n－S參數表

將以上數據繪入坐標圖中，形成五缸泵n-S 型譜圖如圖2 所示。從現有五缸泵參數數據以及參考陳如恒老師三缸泵n-S型譜圖總結出五缸泵限制線：nS ＝36，n2S＝5 000，如圖所示，兩條限制線相交于（139，258）一點，對于沖程S 大的中速泵，以該點左側線為臨界線，對于沖程S小的高速泵，以該點右側線為臨界線。從圖中看出，國內現有的五缸泵大多數符合限制線規定，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量輕一些，適當減少五缸鉆井泵的沖程S和缸徑D，五缸鉆井泵尺寸變小，質量更輕，更能體現輕量化的要求，可移動性增強，適用于海洋鉆井平臺及非常規頁巖油氣的開發［10］。泵參數確定，即nS 或排量為某一確定值常數的情況下，合理降低沖次，適當增加沖程。沖程S的值于圖2 的縱坐標，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質量為339 8 kg，額定制動功率969 kW。

3.2 五缸泵沖次n的確定及影響因素

根據已有資料，宏華所生產的兩款HH 直驅五缸鉆井泵組，其沖次n ＝188 min-1，其次為杰瑞生產的部分五缸泵，沖次達到180 min-1和160 min-1，他們為高速泵；根據三缸泵的發展及應用經驗，高速泵易損件壽命不長，吸入狀態不好，大多數五缸泵重點發展中速泵，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的沖擊聲，閥盤的落座沖擊力F∝n，其動能E∝n4。當n變大，閥盤落座的滯后角隨之增大，使得泵的排量系數α減小。

沖次n越高，n2S≥5 000 時，泵的吸入狀態將越來越差，排量系數α ＜0.88。泵在吸入時，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加速度（1 +λ）rω2成正比，當沖次n升高時，慣性損失將增大，使得吸入管匯和缸內的壓力降低，當鉆井液的汽化壓力大于吸入管匯和缸內壓力時，鉆井液中的氣體被吸出而產生斷流現象；當鉆井液以慣性沖向活塞時則產生水擊或敲缸，吸入管匯將出現劇烈抖動，液力端的各零件也會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 鉆井泵排量調節

在鉆井作業時，隨著井越來越深，要求泵壓升高而排量降低。隨鉆井作業的進行，需要定期調節泵排量。由泵的排量公式知，調節的方法有減少泵室、更換不同直徑的泵缸套、調節泵沖次及改變泵沖程長度。鉆井泵目前所用調節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數設計的幾級不同直徑的缸套，以適應鉆井時不同排量的要求。

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

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 點沿Q1-1 垂線上移，直到曲線變為Oy，泵工況到達1 點；繼續鉆進，泵壓高于p1，泵將會過載，這時要更換缸套為D2，排量為Q2，泵工況變為b′點，工況沿Q2-2 垂線上移，依次進行。隨著井深增加，泵工況點發生變化，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，就需增加缸套級數，但非工作時間將增加，鉆井工作效率降低。一般鉆井泵配缸套都在五級左右，也有鉆井泵配有八級缸套。

隨著鉆井技術的發展，鉆井泵采用柔性驅動（直流電機驅動、變頻電機驅動等），用調節沖次n 來改變排量，這種方法提高泵的功率利用率，減少泵缸套級數，降低鉆井成本［12］。

5 合理使用五缸泵

發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；不能使泵運轉太快，也不要認為使用額定轉速最好。根據實踐及三缸泵知：沖次n 降速使用，n實際＝（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，這樣會使功率不匹配，排量低、效益差。功率也不能太大，不然會出現大馬拉小車現象。

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；國外配泵很靈活，時常配一大一小兩個泵或者用3 臺泵鉆淺層兩臺泵鉆深層。

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，提高易損件質量和壽命依然是我們的難題。

6 五缸泵參數nS修訂建議

之前已有文章對泵的參數nS優化設計，根據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nS的原則是：在適當增加泵沖程S情況下，合理降低泵沖次n，繼續降速。五缸泵參數nS 修訂建議：一律改公制，所有性能參數都改成公制；沖程S基本不動，只是名義上化整為S*，采用逢個位為零頭向上進位化成整，原沖程S 的制造尺寸不變；將原來沖次n降低為n*，正常鉆進時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進行修訂，其他五缸泵也可參考此方法進行修訂。此方法優點是現有泵的尺寸不變、結構保持，S 大的中速泵nS 和S 小的高速泵n2S值顯著降低，符合限制線規定；缺點是沖次n降低，泵排量減少，相當于比原來的泵降級使用。

表3 部分五缸泵參數修訂

7 結束語

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“適當增加沖程S，合理降低沖次n”的方法，對五缸單作用鉆井泵特性參數進行分析，得到都和排量Q有關，即與沖程S、沖次n、缸徑D相關聯；再對五缸泵進行沖次n 和沖程S 的合理性匹配，在現有泵的尺寸不變、結構保持情況下，重點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（139，258）；由限制線看出，對于沖程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。

從修訂結果看，對大沖程S的中速泵，降速后n*在100 min-1左右，nS≈34 m/min；對小沖程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。