大功率鉆井泵發展現狀與應用

曾興昌，宋志剛，黃悅華，蒲容春

（1.寶雞石油機械有限責任公司研究院，陜西寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞 721002）①

大功率鉆井泵發展現狀與應用

曾興昌1，2，宋志剛1，2，黃悅華1，2，蒲容春1，2

（1.寶雞石油機械有限責任公司研究院，陜西寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞 721002）①

鉆井泵的發展趨勢為大功率、大排量、高泵壓和輕量化，對可靠性的要求不斷提高，缸數由雙缸到三缸再到多缸，有增加的趨勢。介紹了近年來大功率鉆井泵的技術新發展。與三缸泵比較，五缸泵具有排量與壓力波動小、運行平穩、易損件壽命長等優點；曲柄軸、剖分式滾動軸承、十字頭與拉桿之間的球鉸連接等新型結構，在提升鉆井泵可靠性、穩定性和輕量化方面效果明顯。

鉆井泵；水力特性；易損件；可靠性

隨著鉆井工藝技術，特別是高壓噴射鉆井、近平衡鉆井、叢式定向井、水平井等新工藝、新技術的發展，鉆井泵進一步向大功率、大排量和高泵壓方向推進。作為鉆機“心臟”的鉆井泵，為泥漿的循環提供動力保障，其重要作用包括：及時帶走巖屑、清洗井底，防止卡鉆；平衡地層壓力，穩定井壁，防止井塌、井噴和井漏；為井下動力鉆具傳遞動力，協助鉆頭破碎巖石，提高鉆井效率；冷卻潤滑鉆頭、鉆具等。其性能水平和使用壽命同鉆井速率和生產成本有著直接關系，同時其工作條件又十分惡劣，工況也異常復雜，因此，對鉆井泵工作的可靠性和安全的要求也越來越高。

1 鉆井泵現狀及發展趨勢

自1901年美國德克薩斯州斯賓爾托普的第1口商業石油井開始至1960年前后，鉆井泵全部為雙缸雙作用活塞泵（簡稱“雙缸泵”）。20世紀60年代初期，市場急需壓力和排量能適應噴射鉆井工藝要求，同時體積小、質量輕，能滿足當時海洋和沙漠鉆井安裝運輸條件的鉆井泵，最終于20世紀60年代末期誕生了三缸單作用活塞式鉆井泵（簡稱“三缸泵”），并在數年內在當時的中、大功率鉆井泵中完全取代雙缸泵，至今已經主導鉆井泵市場超過40 a。近年來，在大功率鉆井泵領域陸續出現了五缸、六缸等多缸鉆井泵，例如：NOV公司的1 765.2 k W（2 400 hp）六缸泵、寶雞石油機械有限責任公司的2 206.5 k W（3 000 hp）五缸泵等?？傊?，鉆井泵發展的總體趨勢為大功率、大排量、高泵壓和輕量化，總體上對可靠性的要求不斷提高，缸數由雙缸到三缸再到多缸，有增加的趨勢。

隨著井深的增加和高壓噴射鉆井等新工藝的發展，目前市場上主流的三缸泵以中、大功率為主，功率735.5～1 618.1 kW（1 000～2 200 hp），設計最高壓力由35 MPa提高至52 MPa左右。國內、外主要廠家及其大功率鉆井泵基本參數［1］如表1。

表1 國內外主要廠家及其大功率鉆井泵基本參數

國內外三缸泵的特點為：液力端為I型或L型結構，復合錐面閥膠皮，冷卻缸套活塞的內孔為噴射移動式噴淋裝置，直立式吸入空氣包；動力端體外強力潤滑系統，閉式內固定導板機構等。鉆井技術的發展方向是提高時效、降低成本和采用能夠降低成本的新工藝、新技術和新裝備。運用大排量高壓噴射鉆井工藝即是這一趨向的必然選擇，高壓噴射則由高可靠性的鉆井泵來保證［2］。因此，合理降低泵的沖次、適當增加泵的沖程長度，既滿足鉆井過程中的排量要求，又能確保泵的自吸性能，充分發揮了泵的效能，成為今后鉆井泵設計的發展方向。

綜合分析國內外鉆井泵技術發展狀況，預計未來幾年內鉆井泵技術會向著以下趨勢發展：

1） 由于鉆井深度的持續增加以及噴射鉆井的需要，鉆井泵會繼續朝著低沖次、長沖程、高泵壓、大功率等方向發展。

2） 設計過程中借助軟件對鉆井泵進行仿真分析和優化，使泵的結構更加科學合理，易損件壽命增加，可靠性水平也會相應提高。

3） 鉆井泵的設計向著趨于標準化、系列化、通用化的方向發展，符合API標準。

2 大功率鉆井泵的技術新發展與應用

2.1 缸數增加及其帶來的益處

以近年來陸續出現的五缸泵為例。相對于三缸泵，五缸泵的最大優點為理論排量及泵壓不均勻度低，可直接去掉易損的空氣包，還可間接提高缸套、活塞、閥總成等易損件的壽命。造成排量不均勻的根本原因在于曲柄連桿機構，但由于還沒有找到更可靠的機構來取代它，所以目前仍在絕大多數鉆井泵中應用。

根據定義，鉆井泵每一缸的瞬時排量為

式中：A為活塞面積；狌（t）為活塞瞬時速度。

如果泵的沖數n保持恒定，則曲柄連桿機構的活塞速度相對于曲柄轉角的函數近似為［3］

式中：R為曲柄半徑；ω為曲柄角速度；λ為曲柄半徑與連桿中心距的比值。

可見，活塞速度的脈動是造成泵理論排量不均勻的根本原因，按奇數序列增加缸數可以大幅降低排量的不均勻度［4］，如表2。

表2 單作用泵的排量不均勻程度比較

表2中，不均勻度δq1、δq2、δq的計算公式分別為式中為理論最大瞬時排量為理論最小瞬時排量為理論平均排量。

在實際使用中，由于空氣包的均衡作用，鉆井泵的實際排量不均勻程度要低得多，三缸泵的不均勻度δq約為0.03～0.07［4］；五缸泵的理論排量不均勻度δq僅約為三缸泵的1／3，與有空氣包作用的效果相當。因此，理論上可以取消作為重要易損件之一的空氣包。

鉆井泵排出壓力的波動主要取決于排量的波動，但還會受其他因素的影響（例如：閥的開啟與閉合、管路特性等）。五缸泵排量更加均勻，則排出壓力也更加均勻，缸套、活塞、閥總成等易損件的壽命更長。

2.2 模塊化結構設計

大功率鉆井泵的額定沖數一般在100 min-1左右，輸入端交、直流電機轉速約為1 000 r／min，從輸入到輸出需有約10倍的減速比。常規三缸泵通用的做法是泵動力端設置1對人字齒輪，減速比為3.5～5.5，其余2.0～2.5倍的減速由泵體外的皮帶或鏈傳動副來完成。

近期出現的某新型大功率鉆井泵采用了將泵體內外的齒輪副和皮帶或鏈傳動副合并為單獨的齒輪減速箱的設計，如圖1所示。這種設計更加體現了模塊化的思想，將整個泵組分為底座、泵體、減速箱、動力單元4大部分，相互之間全部靠螺栓組連接，毋需現場調節皮帶輪或鏈輪。此外，懸掛在三缸泵輸入軸上的大皮帶輪一般不進行動平衡試驗，高速旋轉中容易引起整個泵組的振動，由于齒輪是比較精密的機加工零件，運行更加平穩，傳動效率更高。

圖1 QDP-3000型鉆井泵

其結構特點是：采用模塊化設計，拆裝、移運方便；全加工鍛造曲軸，不平衡質量小，運行平穩；曲軸多點支撐，強度高；十字頭與中間拉桿之間使用關節軸承，可以從根本上減輕缸套活塞的偏磨；新型液缸，減小了體積和質量，吸入性能好，吸入閥更換方便；液力端的主要承壓件全部為合金鋼鍛件，“無焊縫、無鑄件”設計，提高了可靠性；減速機外置，電機頂置，提高了傳動效率和精度。由于具備上述結構，該鉆井泵擁有大功率、大排量、高泵壓、排量及排出壓力均勻、體積小、質量輕的特點，因此特別適用于海洋鉆井平臺或鉆井船。

2.3 曲軸結構的變化

曲軸大致分為偏心輪軸（如圖2）、曲柄軸（如圖3）、曲拐軸3類。目前，主導市場的三缸泵絕大多數采用偏心輪軸，少量的新型三缸或五缸泵采用曲柄軸，目前還沒有鉆井泵采用曲拐軸。

圖2 偏心輪軸三維模型

圖3 曲柄軸三維模型

偏心輪軸為2點支撐，要求曲軸自身及機架具有很大的剛性，否則對曲軸、機架和人字齒輪嚙合等都不利。隨著鉆井泵功率逐步增加，曲軸的跨距也相應增大，如果仍然采用2點支撐的偏心輪軸，勢必造成曲軸、機架的體積和質量大幅增加，進而造成整泵超重。偏心輪軸還具有偏心質量大的特點，過重的偏心輪軸工作時將產生非常大的旋轉慣性力，雖然慣性力在x、y、z方向（分別對應于泵的縱向、垂向、橫向）的合力為零，但對x軸和y軸的合力矩不為零，會引起泵的扭轉和橫擺。

在大功率鉆井泵設計中，曲柄軸明顯優于偏心輪軸。曲柄軸為多點支撐，毋需為保證剛性而大幅增加曲軸、機架的體積和質量。此外，曲柄軸具有偏心質量小的特點，相同級別的曲柄軸的偏心質量僅為偏心輪軸的1／5左右，有利于提高鉆井泵在高速運行時的平穩性。如圖1所示新型鉆井泵即采用了曲柄軸結構。

2.4 剖分式滾動軸承的應用

采用曲柄軸要求連桿大頭軸承可剖分，否則無法裝配。一般采用軸瓦結構，例如TMP1650型鉆井泵、5NB2400GZ型鉆井泵等。軸瓦對潤滑油的清潔度、黏度要求非常高，但鉆井泵正好在環境條件很差的野外工作，泥漿和水容易從拉桿密封處進入機架內腔，污染潤滑油。因此，采用滑動軸承（軸瓦和襯套）的鉆井泵必須要保證動力端密封可靠，并控制好潤滑油的溫度。

在某型大功率鉆井泵中首次引入了剖分式圓柱滾子軸承（如圖4所示），其內圈、外圈和保持架均剖分為2半，安裝時由高強度螺栓連接在一起，可以很方便地安裝在曲柄軸上。剖分式滾動軸承在鋼鐵、采礦、風機、水泥、發電等行業應用較多，但在鉆井泵領域屬首次應用。鉆井泵載荷屬于重載、中等沖擊，這對剖分軸承（尤其是剖分接縫的設計計算和無縫加工工藝）的設計和制造要求非常高。借助有限元軟件精確計算零件的彈性變形，可以做到裝配后軸承內圈的接縫接近為零，同時保證有足夠的過盈裝配力（防止跑圈）［5-6］。通過在某型大功率鉆井泵上的實踐（廠內試驗和油田工業性試驗）證明：在鉆井泵中采用剖分式圓柱滾子軸承是完全可行的，這可在一定程度上降低鉆井泵對潤滑油清潔度和黏度指標的要求，增強鉆井泵對野外惡劣環境工況的適應能力。

圖4 安裝在曲柄軸上的剖分軸承

2.5 十字頭與拉桿之間的球鉸式連接

缸套與活塞之間的偏磨是造成磨損失效的主要原因。按傳統的結構，三缸泵的十字頭與拉桿之間均采用固定連接，這種結構對機架、十字頭、拉桿、缸套等零部件的機加工精度和裝配精度要求很高，否則，缸套與活塞之間將由于同心度低而發生偏磨。

某新型大功率鉆井泵十字頭與拉桿之間首次采用了球鉸式活動連接，可自動校正缸套與活塞之間的同心度，這從根本上解決了缸套活塞的偏磨問題，從而大幅提高了兩者的使用壽命。十字頭表面噴涂巴氏合金，十字頭導板采用孕育鑄鐵，摩擦副許用比壓和許用線速度高，耐磨性能好。十字頭和中間拉桿之間采用球鉸頭結構，不用調節十字頭導板孔與前墻板孔之間的同心度，也不用調節十字頭表面與導板孔表面的間隙。

據統計，在油田工業性試驗中，十字頭與拉桿之間采用球鉸式連接的鉆井泵，其缸套活塞壽命提高了3～5倍。

3 結語

隨著鉆井泵向大功率、大排量、高泵壓和輕量化方向發展，要求設計人員在結構設計等方面有所創新（例如：多缸泵、曲柄軸、剖分式滾動軸承、球鉸連接等）；否則，大功率泵的沖程、沖數、活塞直徑等主參數設計將愈加困難，體積和質量指標也難以達到用戶要求。實踐表明：五缸泵的水力特性明顯優于三缸泵，主要表現為排量及壓力波動小、吸入性能好等方面。尤其在大功率鉆井泵中，應大力推廣五缸泵取代三缸泵；曲柄軸、剖分式滾動軸承、十字頭與拉桿之間的球鉸式連接等新型結構，在提升鉆井泵可靠性、穩定性和輕量化水平方面效果明顯，可在新產品設計或老產品質量改進中推廣使用。

［1］ 馬厲民，張望良，謝康.石油鉆井技術的發展與大功率泥漿泵［J］.石油礦場機械，2000，29（3）：15-16.

［2］ 鄧衛東.ZY3NB2200往復式鉆井泵優化設計與虛擬仿真研究［D］.東營：中國石油大學，2010.

［3］ 朱俊華戰長松.往復泵［M］.北京：機械工業出版社，1991.

［4］ 沈學海.鉆井往復泵原理與設計［M］.北京：機械工業出版社，1990.

［5］ 李洪波，王洪濤，宋加民，等.F1-1600型鉆井泵液缸的有限元分析［J］.石油礦場機械，2012，41（12）：20-23.

［6］ 李繼霞，谷敏永，遲明，等.大功率鉆井泵的缸套仿真分析［J］.礦山機械，2010（9）：7-9.

Presence and Application of Large Power Drilling Pump

It is a developing tendency for drilling pumps：high power，high delivery capacity，high pumping pressure and light weighting.It requires an ever increasing reliability as a whole.The number of hydraulic cylinders，form two，three to five，has an increasing tendency.Some new developments of technology about drilling pumps in recent years are introduced in this paper.Compared with triplex drilling pumps，the quintuple drilling pumps has many advantages：minor undulation of flux and pressure，smooth and stable running，and long life of replacement parts.Such new structures as crank axle，split bearing，ball pivot joint between the crosshead with the rod，have obvious effect in prompting the level of reliability，stability and light weighting.

drilling pump；hydraulic performance；replacement parts；reliability

TE926

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.015

1001-3482（2014）09-0055-04

2014-03-15

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2012AA09A203）

曾興昌（1975-），男，四川眉山人，工程師，碩士，主要從事石油鉆采裝備研發工作，E-mail：zxcbox＠126.com。