钻井泵活塞使用的浅析

郑健锋

[摘 要]由于钻井泥浆泵一直是在高压情况下输送钻井泥浆，而且泥浆的粘度高、含砂量高，有时还具有腐蚀性，其工作条件极为恶劣。因此，作为和缸套作相对运动的密封件的活塞，极容易造成各种原因的损坏。活塞作为钻井泥浆泵的关键部件，其使用寿命较低的问题一直没能得到较好的解决。主要是由于其工况复杂，系统内各参数对活塞的影响很难精确确定。因此，从单方面出发考虑活塞失效是完全不能解释钻井现象活塞失效的情况。

[关键词]钻井泵；活塞；泵压；含砂量

中图分类号：TE921 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）44-0203-01

一、活塞寿命的影响因素

1.1 泵压、冲次的影响

随着泵压的升高，活塞皮碗与缸套间的接触压力增大，摩擦力随之迅速变大，因而产生大量的摩擦热。受表面摩擦热和内摩擦热影响，橡胶分子会热裂解或热交联，加速了橡胶材料的磨耗、氧化、老化和水解，造成材料性能与耐磨性下降，弹性模量及抗张强度随温度升高而降低，超过一定温度，耐磨性急剧下降，并失去弹性，活塞丧失密封能力而失效，活塞的使用寿命随泵压的升高迅速降低。随着冲次的升高，活塞寿命也是越来越短。冲次升高，活塞速度、加速度和惯性力增加，这使活塞所受的交变载荷不仅在数值上变大，同时交变频率变大，随之产生的附加恶劣影响增加。在相同工况下，活塞冲次提高1.3-1.5倍，活塞使用寿命就降低5-6倍。

1.2 摩擦热的影响

活塞是橡胶密封件，影响动密封件使用寿命的一个重要影响因素是摩擦热，摩擦热和它的一些从属效应，是导致活塞失效的一个主要因素。热力损毁的原始形态是橡胶材料被烧焦或表面老化。橡胶是高分子复合材料，高温时其强度由于分子间引力减小而降低。在钻井过程中，活塞处于高压、高速、重载的工作环境中，剧烈的摩擦使橡胶活塞温度升高，橡胶随温度升高而老化脆裂，使得运动表面极易磨损，促使活塞使用寿命降低。

1.3 活塞间隙的影响

活塞间隙是引起活塞失效的一个重要因素，活塞间隙是指活塞钢芯与缸套之间的间隙。在活塞的往复运动中，由于缸套和钢芯的不同轴度以及活塞总成重量的影响，缸套和钢芯直接接触造成的对磨必然存在。这种金属与金属的对磨十分有害，不仅产生很大的摩擦力，而且相互之间很容易划伤。这不仅损坏了缸套和钢芯，而且划伤的表面也容易损坏活塞，容易形成刺漏，使钻井泵无法正常工作，严重地影响了钻井效率。活塞间隙值越小，活塞钢芯的扶正作用就越好，但同时偏磨带来的危险就越厉害；活塞的间隙值越大，活塞皮碗材料向间隙流动的可能性就越大，挤伤就越容易发生，活塞根部被啃伤的可能性就越大。所以合理的间隙值对于提高缸套、钢芯和活塞的寿命都十分重要。

1.4 泥浆的影响

钻井泵活塞的工作条件十分恶劣，在钻井过程中，钻井泵输送的钻井液粘度大、含沙量多，且具有强烈的腐蚀性，有时含油，温度高，而且有气泡。特别是中原油田一打开，清水钻进，泥浆切力小，净化不充分，这样高含砂量不仅大大增加了活塞与缸套之间的摩擦力，砂粒极易挤入活塞与缸套之间，形成磨粒磨损，加速了缸套活塞的破坏。而且由于橡胶材料自身的特点，磨粒极易嵌入活塞橡胶材料，对皮碗起到切削磨损的双重破坏作用。钻井液强烈的腐蚀作用和高温度加速了橡胶皮碗的老化，使橡胶材料容易脆裂、氧化并水解，致使活塞很快失效。为提高活塞的寿命，改善其工作环境也是重要的一个方面。

二、影响活塞寿命的原因分析

2.1 砂粒的影响也可以导致活塞的偏磨，当泥浆泵在工作时，泥浆中砂粒自由下沉的速度加快。显然活塞的运动速度不足以使缸套内的砂粒处于悬浮状态，因此，缸套的下部总是存积着一定的砂粒，从而造成活塞的偏磨。含砂量是影响活塞皮碗的使用寿命的重要因素。

2.2泥浆中的工作压力影响，随着泥浆泵工作压力的提高，会使活塞和缸套之间的摩擦力增大，导致皮碗表面温度升高。实验证明，活塞皮碗对缸套的正压力大体等于泥浆的压力，因此在既定的工作条件下，摩擦力与泥浆的压力大致成正比。摩擦力的增大和活塞表面温度的升高会加速聚氨酯橡胶的磨耗、氧化、老化和水解，所以，泵压的增高，会导致活塞的使用寿命的下降。

2.3是泵的吸入高度的影响。泵的吸入高度不仅可以影响泵的工作效率，而且对活塞的磨损也有一定的影响。但是有关这方面的影响，目前在钻井现场还没有引起人们的广泛注意。泵的吸入高度大，容易造成吸入不足，而且在泵的吸入过程中，缸内的液体可能发生剧烈的蒸发，在活塞的附近引起气囊。二是在排出开始的瞬间，造成压力冲击在排出过程中造成干摩擦，引起局部高温，加速活塞皮碗磨损。降低泵的吸入高度确实能够大大提高活塞的使用寿命。

2.3在泵里面，十字头和导板，由于长时间工作，磨损，振动导致十字头和导板下沉，由此，中心拉杆也同样下沉，这样中心拉杆与拉杆之间几乎不在同一直线上，这样也影响活塞，在缸套里不居中，偏磨。

三、应对措施

通过以上分析，不难看出，要提高活塞的寿命，必须从以下几个方面入手：

3.1选取适合的泵压和冲次。泵压、冲次升高，活塞磨损加剧，同时，由于活塞磨损不均匀和结构的不对中性，偏磨发生的可能性大大增加，所以，根据不同的井深、井眼的直径和缸套的直径来选取合适的泵压（8Mp-26Mp）和冲次（80-120冲次），可以较好地提高活塞的使用寿命。

3.2尽量减轻摩擦热的影响。皮碗的膨胀，不仅导致本身的损坏，同时导致缸套的损环。由于膨胀而增大的径向力使缸套磨损得更快。为了减轻摩擦热对活塞失效的影响，必须把由作用于密封元件的摩擦产生的热量从系统中排出。摩擦热虽然是活塞失效的一个主要因素，但摩擦热可以通过良好的散热条件和冷却系统得以有效地减小。

3.3泥浆泵的吸入高度，泥浆罐比泥浆泵要高，泥浆液面要高于泥浆泵的上水口1.5米以上。泥浆中不能有气泡，否则导致泵的上水不好，从而也影响活塞的寿命。如有气泡，要用真空除气净化或加药品除去气泡。（例如BD304、BQXP-106、HFX-101、XPJ940、JY842等规格的消泡剂）。

3.4固定好拉杆与中心拉杆的位置，保持一致。在检修时，换活塞和缸套，拉杆与中心拉杆不在中心点，引起偏磨，如中心拉杆螺栓松动，拉杆与中心拉杆卡子没有卡好，或者卡子随时间长、间隙太大，不能卡紧，固定螺丝有松动，这样直接影响活塞与缸套使用寿命。中心拉杆的卡子如有损坏，造成卡子松动和磨损，此时必须更换卡子和拉杆，从而延长活塞的寿命。

3.5控制钻井液的含砂量。严格控制泥浆中的含砂量和搬土含量，四级净化（振动筛，除砂、除泥、离心机）包括真空出气器。泥浆中的含砂量和含油泥浆中的苯胺点，对活塞的使用寿命的影响最为严重。由于聚氨酯橡胶的耐油性能非常好，所以，对于聚氨酯为制造材料的泥浆泵活塞来说，影响其使用寿命的突出因素是泥浆中的含砂量。这就要求泥浆回收净化高，比如我们现在振动筛布要求达到200目以上。

3.6对有缺陷的缸套要及时更换，以免影响活塞的使用寿命。

通过以上方法，可以提高活塞的寿命。

四、认识与建议

由以上分析可以看到，要延长泥浆泵活塞的使用寿命，就要在设计结构、制造材料、生产工艺和使用条件等各个方面予以保证。为了不断提高和改进活塞的工作性能，

4.1可以将部分老浆和新泥浆配合在一起使用，减少搬土含量和含砂量，从而延长活塞使用寿命。

4.2还需要在改善皮碗密封结构，改进耐磨材料，抗磨，耐高温高压，耐酸碱化学的腐蚀，及盐水泥浆的腐蚀，减少摩擦系数上进一步探索。

4.3采用新工艺使用陶瓷缸套，在安裝时注意陶瓷缸套易碎，要平稳安装，使用时注意同轴心误差不要偏大。