对置活塞钻井泵机构原理及运动学分析

王大庆，李　华，姚　进，余德平

（四川大学　制造科学与工程学院，成都610065）①

对置活塞钻井泵机构原理及运动学分析

王大庆，李华，姚进，余德平

（四川大学制造科学与工程学院，成都610065）①

合理降低钻井泵冲次可以提高钻井泵内活塞、活塞皮碗、缸套、泵阀等易损件的工作寿命，提高钻井泵可靠性，从而缩减钻井泵停车检修时间，提升钻井泵作业效率。提出了一种对置活塞结构泵，介绍了其结构及工作原理。与传统活塞钻井泵相比，在相同钻进作业流量需求场合，对置活塞泵冲次可以大大降低，理论上可减小50%；通过动力学分析软件的运动学仿真分析得出，对置活塞泵活塞速度幅值变化量减小50%，速度曲线波动程度减弱；加速度幅值变化量减小75%，加速度曲线波动程度减弱。在相同流量需求场合，对置活塞泵冲次更低，运转更加平稳。

钻井泵；冲次；易损件；寿命

在使用旋转钻井法钻井作业中，钻井泵用于输送钻井液，使其循环流动于钻井作业的整个工作过程，以达到携带钻井岩屑、防止井壁坍塌、平衡压力、冷却钻头、处理井下复杂情况等目的［1］。国内外主流的钻井泵是20世纪70年代开始使用的三缸单作用活塞泵，其性能水平和使用寿命与钻井速率、生产成本有着直接关系。随着井深的增加和高压喷射钻井等工艺的发展，对钻井泵工作的可靠性要求越来越高［2］，提高其易损件（泵阀、活塞和缸套）的工作寿命，成为钻井泵设计、制造和使用中迫切需要解决的问题［35］。众多学者已对钻井泵活塞、活塞皮碗、缸套、泵阀等关键易损件的工作磨损、失效形式进行了大量的分析，并得出了提升钻井泵易损件工作寿命的相关途径。这些方法分为2个方面：

1） 优化曲轴等动力端结构，使钻井泵运转更加平稳［6］。

2） 优化活塞皮碗、缸套、泵阀等易损件结构，选用更加合适的材料，配合先进加工工艺以提升易损件耐磨性能［7-8］。

钻井泵泵阀工作时所受冲击的大小、活塞与缸套间的磨损程度，与钻井泵冲次的大小直接相关。通过降低钻井泵冲次可以有效降低泵内各往复运动件、泵阀和活塞的运动速度，降低泵阀、活塞、活塞皮碗、缸套等易损件的磨损程度，从而延长这些易损件的工作寿命，提高钻井泵工作的可靠性。基于降低冲次提升钻井泵易损件使用寿命的思路，提出一种对置活塞结构钻井泵；与传统钻井泵相比，在相同流量需求的场合下，理论上对置活塞钻井泵冲次可以降低一半，易损件的磨损程度降低，延长了使用寿命，钻井泵运转更加平稳，可靠性增加。

1　钻井泵冲次

目前，三缸钻井泵以中、大功率为主，一些大功率钻井泵冲次参数如表1［8］。为满足钻井作业的大功率、大排量的需求，钻井泵的冲次较高；大功率钻井泵的额定冲次一般在100 min－1左右。较高的泵冲次使钻井泵内关键磨损部件（泵阀、活塞及其密封件、活塞杆、缸套等）易损坏；影响最大的是泵阀，较高的冲次使阀运动的速度以及阀质量所引起的惯性力增加，阀工作时容易产生冲击，阀工作表面以及密封圈在冲击载荷下遭受破坏，寿命降低［9］。钻井泵的冲次影响活塞在缸套内的运动速度、活塞皮碗受力变形次数和摩擦温度。现场使用表明，在泵压及泥浆性能相同的情况下，相同尺寸的活塞，冲次高的比冲次低的寿命要短［10］。当冲次降低后，活塞往复运动的速度减慢，活塞与缸套间的摩擦功耗减小，从而延长了活塞密封的工作寿命，也提高了缸套的工作寿命。另外，冲次降低后，惯性损失减少，泵不易产生“水击”现象，惯性力减弱，将会提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的工作寿命。在满足钻井过程排量需求的条件下，合理降低泵的冲次已成为今后钻井泵设计的发展方向［11］。对置活塞泵与传统活塞钻井泵相比，在满足排量要求的前提下，冲次降低。

表1　国内外主要厂家大功率钻井泵冲次参数

2　对置活塞泵结构与工作原理

2．1 对置活塞泵工作原理

图2为对置活塞泵机构简图。驱动端由一对曲拐成180°对置组成，分别为内曲拐和外曲拐；液缸内左、右对置两个活塞，分别为内活塞和外活塞；进、排液口设在液缸体中部。内曲拐通过内连杆、十字头和活塞拉杆的传动驱动内活塞做往复运动，外曲拐通过外连杆、十字头和活塞拉杆的传动驱动外活塞做往复运动。在对置曲拐一个旋转周期内，曲拐转角在0～180°时，内、外活塞相互远离，共同进行吸液过程；曲拐转角在180～360°时，内、外活塞相互靠近，共同进行排液过程。图3为对置活塞三缸泵工作原理简图，与传统三缸泵类似，相邻两缸曲拐间相位交错120°；高速电机通过带传动、齿轮传动将动力转矩输入给泵曲轴，带动3个液缸同时工作。

图1　传统钻井泵单缸机构

图2　对置活塞钻井泵单缸机构

图3　对置活塞三缸泵工作原理

2．2 对置活塞泵流量计算

由往复泵设计理论，往复泵流量Q（mm3／s）计算公式为

式中：A为活塞面积，mm2，A＝4 π D 2；D为活塞直径，mm；s为活塞行程长度，mm；n为钻井泵冲次，min－1；z为泵的联数（活塞数）；K为活塞杆尺寸对缸腔面积影响系数（对于单作用泵K＝0）；ηv为泵的容积效率。

2．2．1 传统三缸钻井泵流量Q1

泵的联数z＝3，系数K＝0，Q1为

2．2．2 对置活塞三缸钻井泵流量Q 2

不同浓度的CO2麻醉液对斑点叉尾鮰存活率的影响结果见图 2。随着二氧化碳浓度的升高，保活 5 h后，存活率先增加后降低，CO2浓度为400、450 mg/L时，存活率为80%和95%；CO2浓度为500、550 mg/L时，存活率为100%；而当麻醉液浓度为600、650 mg/L时，存活率分别为88%和65%，所以从保活时间和存活率来看，较佳CO2浓度范围为500～550 mg/L。

对置活塞结构三缸单作用往复泵工作时，3个泵缸的内、外活塞同时参与工作，泵的联数z＝6，系数K＝0，Q2为

2．3 对置活塞泵优势及特点

由式（2）～（3）可知，在其余参数取值相同的情况下，对置活塞往复泵的流量为传统三缸泵的2倍；在要求流量大小的场合，其余参数取值不变，对置活塞往复泵的活塞冲次大幅降低，理论上为传统三缸钻井泵的50%。

基于以上分析，采用对置活塞结构的钻井往复泵，在保证流量要求的条件下，活塞的冲次得以大幅降低，在相同时间内，对置活塞钻井泵泵阀、活塞等运转零件和受压部件的应力循环次数减少，活塞皮碗、缸套等磨损件的磨损程度减弱，泵内易损件工作寿命得到延长。

3　泵冲次对活塞速度及加速度的影响

曲柄泵传动示意如图4所示。

图4　曲柄泵运动学简化模型

活塞位移x（以远离曲柄旋转中心为正）为

式中：φ为曲柄转角，逆时针为正，x＝0时，φ＝0；r为曲柄半径；l为连杆长度；λ为连杆比，λ＝r。l

活塞速度u为

式中：n为曲轴转速；ω为曲柄角速度，dφ＝nπ。d t30活塞加速度a为

由式（6）～（7）可知，活塞速度u与曲轴转速n成正比；活塞加速度a与曲轴转速n2成正比。由此可得，泵冲次的改变对泵的各运转部件的速度及加速度的变化有着直接的影响。

4　运动学仿真分析

4．1 基于ADAMS的模型

以某钻井泵的为研究对象，在ADAMS／View中分别建立传统钻井泵与对置活塞泵单缸模型，如图5～6所示。

技术参数：理论流量Q＝3．3×107mm3／s；最大设计泵压p＝52．3 MPa；活塞直径D＝150 mm；活塞冲程s＝356 mm；额定冲次n＝105 min－1。

图5　传统钻井泵单缸模型

图6　对置活塞钻井泵单缸模型

4．2 运动学仿真

4．2．1 传统钻井泵单缸运动仿真

设泵容积效率ηV＝1，泵冲次min－1，则曲轴平均转角速度旋转周期为T。定义仿真时间为16 s，仿7真步数为2 000步，进行仿真，测量活塞运动过程中的速度及加速度，得到活塞速度时间曲线u 1t和加速度时间曲线a 1t，如图7～8所示

4．2．2 对置活塞泵单缸运动仿真

设泵容积效率ηV＝1，对置活塞泵冲次n2＝则曲轴平均转角速度ω2＝，旋转周期为，定义仿真时间为32s，定义仿真步数为2 000步。进行仿7真，以内活塞为例，测量其运动过程中的速度及加速度，得到内活塞速度时间曲线u2t和加速度时间曲线a2t，如图7～8所示。

4．3 运动仿真结果讨论

对比图7中u1、u2数据，u2幅值变化量约为u1幅值变化量的50%，减小了50%；对比图8中a1、a2数据，a2幅值变化量约为a1幅值变化量的25%，减小了75%，与理论分析一致。因ω1＝2ω2，t1＝0．5t2，在相同时间内u2波动程度相对于u1明显减弱，a2波动程度相对于a1明显减弱。

图7　活塞速度－时间曲线

图8　活塞加速度－时间曲线

5　结论

1） 钻井泵设计参数相同时，对置活塞泵的流量为传统三缸钻井泵的2倍。

2） 在同流量大小要求的场合，相比于传统三缸钻井泵，对置活塞泵的工作冲次可减小50%，活塞速度幅值变化量减小50%，速度波动程度减弱；加速度幅值变化量减小75%，加速度波动程度减弱。

3） 在同流量大小要求的场合，相比于传统三缸钻井泵，在相同工况，同一时间内，对置活塞钻井泵泵阀、活塞等运转零件和受压部件的应力循环次数将会减少，活塞皮碗、缸套等磨损件的磨损程度将会减弱，对置活塞泵运转更加平稳，泵内易损件的工作寿命得到延长，钻井泵可靠性提高。

［1］ 沈学海．钻井往复泵原理与设计［M］．北京：机械工业出版社，1990．

［2］ 钟青，黄本生．7NB直轴柱塞式泥浆泵运动学分析［J］．西南石油学院学报，2001（6）：71-72．

［3］ 余青华，刘宝秋，刘英吉．基于Pro／E的钻井泵曲轴结构优化［J］．石油矿场机械，2012，41（4）：76-79．

［4］ 刘一杰．P2200型高压泥浆泵阀座有限元分析与工艺优化［J］．石油矿场机械，2014，43（1）：34-37．

［5］ 刘红芳，曾兴昌，罗元清，等．钻井泵组装式曲轴设计与有限元分析［J］．石油矿场机械，2014，43（11）：48-51．

［6］ 王红阁，杨师斌．泥浆泵活塞的失效分析及改进措施［J］．煤矿机械，2008（5）：155-157．

［7］ 王学佳，王荣业，邹旭东，等．表面工程技术在钻井泵缸套中的应用分析［J］．石油矿场机械，2005，34（4）：86-88．

［8］ 曾兴昌，宋志刚，黄悦华，等．大功率钻井泵发展现状与应用［J］．石油矿场机械，2014，43（9）：56-59．

［9］ 付云霞．往复泵泵阀的失效分析与结构参数优化研究［D］．黑龙江大庆：大庆石油学院，2003．

［10］ 刘洪宾，周锡容，彭胜商．钻井泵活塞的功能及使用寿命［J］．石油机械，1987（7）：44-48．

［11］ 焦清朝，刘永勤，齐然，等．国内外轻便泥浆泵的现状与发展趋势［J］．石油矿场机械，2004（S1）：28-31．

Mechanism Principle and Kinematic Analysis of the Opposed Piston Drilling Pump

WANG Daqing，LI Hua，YAO Jin，YU Deping
（School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

By reducing the pump speed of the drilling pump reasonably，the service life of the quickwear parts of the drilling pump such as the piston，the piston seal，the cylinder liner and the pump valve can be increased，thus the reliability of the drilling pump can be improved．Thus the time spent in repair work of the drilling pump can be reduced，and the pump efficiency can be improved．To reduce the pump speed reasonably is a promising trend for the drilling pump．Based on this，a new drilling pump with the opposed piston structure is proposed，the mechanism and operation principle of the opposed piston pump（OPP）is introduced．Theoretical analysis concluded that with the same flow rate demand，the pump speed of the OPP could be reduced by half compared with that of the conventional drilling pump．The kinematic simulations based on dynamic software indicated that the velocity amplitude of the OPP piston reduced by 50%，the velocity fluctuation of the OPP piston significantly reduced compared with that of the conventional drilling pump，and the acceleration amplitude of the OPP piston reduced by 75%，the acceleration fluctuation of the OPP piston significantly reduced compared with that of the conventional drilling pump．Under the same flow rate demand，the OPP works more smoothly with lower pump speed and improved reliability．

drilling pump；pump speed；quickwear parts；service life

TE926

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．008

1001-3482（2015）09-0031-05

①2015-03-05

王大庆（1992），男，黑龙江青冈人，硕士研究生，主要研究方向为机械设计，E-mail：wangdaqing318＠163．com。

①2015-03-15

解文芳（1982-），女，河北衡水人，工程师，主要从事陆地、海洋钻机的研发。