五缸单作用钻井泵冲程与冲次合理匹配

孙龙欢，白儒林，孙 鹏，侯香港

（西安石油大学机械工程学院，西安 710065）

0 引言

随着陆地及浅海石油资源的枯竭，开采转向了地表深层及深海，钻井深度增加，对钻井泵功率、排量和体积质量和易损件寿命要求越来越高，这促使钻井泵从三缸向五缸转变［1］；尤其是在海洋钻井平台上，五缸钻井泵具有功率大、排量高、体积小、质量轻、压力波动低和容积率高的特点，才得以推广应用［2］。

目前对钻井泵研究主要集中在动力端的曲轴设计和强度分析、十字头结构设计［3］和液力端的阀体及流场分析等方面［5］；对冲程和冲次方面的研究较少，例如陈如恒［6］对三缸单作用钻井泵的研究。

根据制造和使用以及三缸泵的经验，五缸泵冲程S、冲次n发展趋势：在满足排量的前提下，“适当增加冲程S，合理降低冲次n”；其为了减少活塞速度和全泵应力循环次数，以保证全泵和易损件寿命延长；控制活塞的最大瞬时加速度，以提高泵的吸入性能，增加泵的充满度，减少水击和振动的发生，使得可靠性增强［7］。

本文首先讨论冲程S、冲次n影响泵的性能参数，然后以国内五缸泵的数据为基础，绘制五缸泵的n-S 型谱图，由型谱图确定限制线和活塞速度nS 和最大瞬时加速度n2S最大值，nS≤36，n2S≤5 000。最后讨论影响五缸泵冲程S和冲次n的因素以及泵排量的调节和正确使用五缸泵，提出五缸泵冲程S和冲次n的修订建议和方法。

1 冲程S、冲次n影响的泵参数

1.1 活塞运动分析

由钻井泵的工作原理可知，其动力端是一个曲柄滑块机构，模型简化如图1 所示，曲柄以匀角速度旋转，曲柄转角φ ＝0～π是液压缸排出过程，φ ＝π～2π是液压缸吸入过程［8］。

图1 钻井泵单缸运动示意图

1.2 五缸单作用钻井泵的性能参数

五缸单作用钻井泵性能参数［9］包括排量Q、泵压p、额定输入功率N等。

1.2.1 排量Q

五缸单作用钻井泵的理论排量Qs为：

式中：A为活塞的截面积，m2。

五缸单作用钻井泵在最大缸套直径Dmax情况下最大排量Qmax＝50～78 L/s，随着技术的发展，最大排量Qmax有增大趋势。

五缸单作用钻井泵排量的不均匀程度δq为：

式中：Qpmax为最大瞬时排量，L/s；Qpmin为最小瞬时排量，L/s。

单作用泵的排量不均匀程度比较如表1 所示。

表1 单作用泵的排量不均匀度

单作用钻井泵缸数增加，可以降低排量的不均匀度，五缸单作用钻井泵的排量不均匀度为0.05。

钻井泵在实际作业中，由于阀的滞后，密封处存在漏失，液压缸存在气体等原因，钻井泵的实际排量低于理论排量，存在一个排量系数α为：

在nS 一定的情况下，目前五缸泵的最大缸径为180 mm，大排量的要求促使缸径D 有增大趋势，Dmax＝190～230 mm。

1.2.2 泵压p

泵的压力通常用排出压力表示，根据泵出口和出水池液面上的伯努利方程（以液缸中心线为基准面），钻井泵排出压力为：

式中：p2为排出压力，Pa；pd为排出液面上的压力，Pa；zd为基准面到排出液面高度，m；∑ΔhL2为排出管汇中的损失，J/N；c2为泵出口法兰处管路中的流体速度，m/s。

因为泵压p∝LQ2，所以井越深泵压越来越大。对于非常规页岩油气井、超深井等，设计的最低泵压为53 MPa，杰瑞生产的五缸单作用钻井泵最高泵压可达到137.9 MPa。

1.2.3 额定输入功率N

各级缸套的泵压根据额定输入功率N 和活塞杆推力为常数来确定的。由于工况要求和技术的发展，排量Q和泵压p有所增加，额定输入功率N有增高趋势。综上，五缸单作用钻井泵特性都和排量Q 有关，即与冲程S、冲次n、缸径D相关联。

2 五缸泵n－S型谱图

根据泵的行业标准、宝石、杰瑞、宏华以及各资料的调研，列出n、S 参数，计算出nS 和n2S，如表2所示。

表2 五缸泵n－S参数表

将以上数据绘入坐标图中，形成五缸泵n-S 型谱图如图2 所示。从现有五缸泵参数数据以及参考陈如恒老师三缸泵n-S型谱图总结出五缸泵限制线：nS ＝36，n2S＝5 000，如图所示，两条限制线相交于（139，258）一点，对于冲程S 大的中速泵，以该点左侧线为临界线，对于冲程S小的高速泵，以该点右侧线为临界线。从图中看出，国内现有的五缸泵大多数符合限制线规定，如宝石的QPI2500、QDP3000 和杰瑞的1000-5000 系列以及青石的小冲程、低冲次QWS1000，但宏华的2400 和3000的五缸泵大冲程、高冲次使之偏离限制线太多，降速以后nS ＝34.1 使之合理。

图2 五缸泵n-S型谱图

3 冲程S、冲次n的确定及影响因素

3.1 五缸泵冲程S的确定及影响因素

在功率和排量相同的情况下，五缸钻井泵相比三缸钻井泵的质量轻一些，适当减少五缸钻井泵的冲程S和缸径D，五缸钻井泵尺寸变小，质量更轻，更能体现轻量化的要求，可移动性增强，适用于海洋钻井平台及非常规页岩油气的开发［10］。泵参数确定，即nS 或排量为某一确定值常数的情况下，合理降低冲次，适当增加冲程。冲程S的值于图2 的纵坐标，最大值为赵隽海研究的新型5NB-1600 型五缸钻井泵，S ＝385 mm（15.16 in），最小值为杰瑞JR1000QS和青石QWS1000 五缸泵，S ＝152.4 mm（6 in），其中杰瑞JR1000QS质量为339 8 kg，额定制动功率969 kW。

3.2 五缸泵冲次n的确定及影响因素

根据已有资料，宏华所生产的两款HH 直驱五缸钻井泵组，其冲次n ＝188 min-1，其次为杰瑞生产的部分五缸泵，冲次达到180 min-1和160 min-1，他们为高速泵；根据三缸泵的发展及应用经验，高速泵易损件寿命不长，吸入状态不好，大多数五缸泵重点发展中速泵，其冲次n ＝100～140 min-1。

湿磨粒的磨损率ΔW∝pαvβ，在nS为常数的情况下，冲程S变小，冲次n 与之变大，活塞速度v 增高，活塞和缸套的寿命就会缩短。

泵阀的无冲击条件为hmaxn ＝800～1 000，hmax为阀盘的最大升距；吸入阀先失效，其hmax≈15 mm，无冲击时冲次n≈55～65 min-1，所以五缸泵阀都是有冲击的，中速泵可以听到轻微的冲击声，高速泵则可以听到较强的冲击声，阀盘的落座冲击力F∝n，其动能E∝n4。当n变大，阀盘落座的滞后角随之增大，使得泵的排量系数α减小。

冲次n越高，n2S≥5 000 时，泵的吸入状态将越来越差，排量系数α ＜0.88。泵在吸入时，活塞要将吸入管汇中的钻井液全部加速，用来克服水力损失和惯性损失，惯性损失与活塞的最大瞬时加速度（1 +λ）rω2成正比，当冲次n升高时，惯性损失将增大，使得吸入管汇和缸内的压力降低，当钻井液的汽化压力大于吸入管汇和缸内压力时，钻井液中的气体被吸出而产生断流现象；当钻井液以惯性冲向活塞时则产生水击或敲缸，吸入管汇将出现剧烈抖动，液力端的各零件也会遭受冲击波的作用使得寿命降低［11］。所以，在满足排量的前提下合理降低冲次n和n2S的值。

4 钻井泵排量调节

在钻井作业时，随着井越来越深，要求泵压升高而排量降低。随钻井作业的进行，需要定期调节泵排量。由泵的排量公式知，调节的方法有减少泵室、更换不同直径的泵缸套、调节泵冲次及改变泵冲程长度。钻井泵目前所用调节排量方法主要是更换不同直径的泵缸套，通常钻井泵都配有按同冲次下排量的等比级数设计的几级不同直径的缸套，以适应钻井时不同排量的要求。

泵压随井深增加而不断升高，由于受到泵活塞杆、曲柄连杆机构及排出管线强度的限制，每一级缸套产生的最大压力须满足等强度条件，即p1A1＝p2A2＝…＝N ＝常数，且最小一级缸套所产生的最大压力必须小于排出管线的允许压力。另外，由于受到动力机功率的限制，各级缸套工作时，泵最大功率应小于或等于动力机输出功率，即p1Q1＝p2Q2＝…＝N ＝常数。由这些限制条件，可以做出泵更换缸套时的临界特性曲线，如图3 中的1-1′-2-2′-3-3′-4-4′-5-5′所示，钻井泵工作时应在该折线以下的点上工作。图中1、2、3、4、5 点为泵的临界工作点。

图3 钻井泵临界特性曲线

井深度不同，管路特性曲线也不同。Ox 为一井深管路特性曲线，泵工况由a 点沿Q1-1 垂线上移，直到曲线变为Oy，泵工况到达1 点；继续钻进，泵压高于p1，泵将会过载，这时要更换缸套为D2，排量为Q2，泵工况变为b′点，工况沿Q2-2 垂线上移，依次进行。随着井深增加，泵工况点发生变化，就需要更换缸套，改变排量，以保证泵不过载。

更换缸套改变排量的方法，使得泵总是在低于额定功率下工作，功率利用率较低。为了提高功率利用率，就需增加缸套级数，但非工作时间将增加，钻井工作效率降低。一般钻井泵配缸套都在五级左右，也有钻井泵配有八级缸套。

随着钻井技术的发展，钻井泵采用柔性驱动（直流电机驱动、变频电机驱动等），用调节冲次n 来改变排量，这种方法提高泵的功率利用率，减少泵缸套级数，降低钻井成本［12］。

5 合理使用五缸泵

发挥五缸泵良好性能的方法在于：在符合泵压的情况下，使用最大直径的活塞，在符合排量的情况下，使用尽可能小的冲次；不能使泵运转太快，也不要认为使用额定转速最好。根据实践及三缸泵知：冲次n 降速使用，n实际＝（0.75～0.85）n额定，这样使易损件的寿命有所增加。

冲次不能无条件降低，这样会使功率不匹配，排量低、效益差。功率也不能太大，不然会出现大马拉小车现象。

浅井不一定配小功率泵，深井也不一定配大功率泵。工况不同，配泵功率不同，如大庆油田1 200 m的井，单泵配1 300 hp 才满足要求；国外配泵很灵活，时常配一大一小两个泵或者用3 台泵钻浅层两台泵钻深层。

钻井泵的使用消耗占不到总成本的1/3，其中易损件为主要损耗，提高易损件质量和寿命依然是我们的难题。

6 五缸泵参数nS修订建议

之前已有文章对泵的参数nS优化设计，根据目前泵使用情况以及三缸泵的修订来看，泵的冲程S基本定型，所以修订泵参数nS的原则是：在适当增加泵冲程S情况下，合理降低泵冲次n，继续降速。五缸泵参数nS 修订建议：一律改公制，所有性能参数都改成公制；冲程S基本不动，只是名义上化整为S*，采用逢个位为零头向上进位化成整，原冲程S 的制造尺寸不变；将原来冲次n降低为n*，正常钻进时n*不再降低使用。如表3 所示，只是将超出临界线以外的五缸泵参数进行修订，其他五缸泵也可参考此方法进行修订。此方法优点是现有泵的尺寸不变、结构保持，S 大的中速泵nS 和S 小的高速泵n2S值显著降低，符合限制线规定；缺点是冲次n降低，泵排量减少，相当于比原来的泵降级使用。

表3 部分五缸泵参数修订

7 结束语

围绕增加五缸泵排量、降低重量和提高易损件寿命及改善吸入性能的角度，根据“适当增加冲程S，合理降低冲次n”的方法，对五缸单作用钻井泵特性参数进行分析，得到都和排量Q有关，即与冲程S、冲次n、缸径D相关联；再对五缸泵进行冲次n 和冲程S 的合理性匹配，在现有泵的尺寸不变、结构保持情况下，重点讨论了降低泵冲次的合理性。

从五缸泵的n-S型谱图可得到两条限制线nS ＝36 和n2S ＝5 000 及交点（139，258）；由限制线看出，对于冲程S大的中速泵，维持nS≤36 m/min，冲程S 小的高速泵，维持n2S ＝5 000 m/min2。

从修订结果看，对大冲程S的中速泵，降速后n*在100 min-1左右，nS≈34 m/min；对小冲程S的高速，降速后n*在120 min-1左右，n2S≈3 100 m/min2是合适方法，可供五缸泵参考修订。