F系列鉆井泵輕量化研究

譚利琴， 馬廣蛇,2， 姜小剛， 曾興昌,2， 郝建旭,2

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

0 引言

1980年代，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司（以下簡稱“寶石機(jī)械公司”）從美國LTV能源公司引進(jìn)了F-500、F-800、F-1000鉆井泵產(chǎn)品和技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，寶石機(jī)械公司根據(jù)市場需要自主研制了F-1300/1600、F-1600HL、F-2200HL等大功率高壓鉆井泵產(chǎn)品（統(tǒng)稱“F系列鉆井泵”），滿足了深井/超深井、大位移水平井、高壓噴射鉆井等新型鉆井工藝技術(shù)的要求，同時，也推動了這些鉆井工藝技術(shù)的發(fā)展。

F系列鉆井泵具有結(jié)構(gòu)相對簡單、質(zhì)量可靠、維修維護(hù)方便等優(yōu)點，因此在近40 a的發(fā)展中，逐步成為市場主流產(chǎn)品，深得油田用戶的認(rèn)可。但是，F(xiàn)系列鉆井泵體積和重量相對較大，尤其是大功率鉆井泵更是如此，已經(jīng)不太適應(yīng)對設(shè)備體積和重量指標(biāo)要求較高的場合，如：海洋平臺鉆機(jī)、極地鉆機(jī)、車載鉆機(jī)等，極有必要開展輕量化研究。

1 國內(nèi)外常用鉆井泵技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外常用鉆井泵有：寶石機(jī)械公司的F系列鉆井泵，NOV公司P系列、FD系列3NB系列鉆井泵，青島TSC公司（天時）的WF系列鉆井泵，EMSCO公司的FB和FC系列鉆井泵等。這些鉆井泵從基本參數(shù)、技術(shù)特點、結(jié)構(gòu)特點等方面大致可歸為3類：F系列、P系列、WF系列鉆井泵。寶石機(jī)械公司F系列鉆井泵技術(shù)結(jié)構(gòu)特點為：1)長沖程、低沖數(shù)；2)結(jié)構(gòu)相對簡單、維修維護(hù)性好、可靠性高；3)體積和質(zhì)量較大，尤其是大功率高壓泵。NOV公司P系列鉆井泵技術(shù)結(jié)構(gòu)特點為：1)長沖程、低沖數(shù)；2)結(jié)構(gòu)相對簡單、維修維護(hù)性好、可靠性高；3)體積和質(zhì)量較F系列泵小。TSC公司W(wǎng)F系列鉆井泵技術(shù)結(jié)構(gòu)特點為：1）體積和質(zhì)量最小，尤其適合配套在海洋鉆機(jī)上使用；2）可靠性高。這3類鉆井泵的基本參數(shù)如表1～表3所示。

表1 寶石機(jī)械公司F系列鉆井泵基本參數(shù)

表2 NOV公司P系列鉆井泵基本參數(shù)

表3 TSC公司W(wǎng)F系列鉆井泵基本參數(shù)

一般來說，長沖程、低沖數(shù)鉆井泵容易獲得良好的可靠性，但是體積和重量往往要增加，鉆井泵總體設(shè)計應(yīng)在可靠性和體積與重量之間權(quán)衡考慮[2]。通過對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)系列與P系列同功率鉆井泵的沖程和額定沖數(shù)基本相同，但是前者比后者重10%～30%不等；WF系列鉆井泵沖程和額定沖數(shù)稍大，但是體積和重量最小，而且其軸承設(shè)計壽命L10h≥30 000 h（滿功率），較小的體積重量加上較高的可靠性非常適合用于海洋鉆井。可見，F(xiàn)系列鉆井泵的體積和重量指標(biāo)明顯不如P系列和WF系列鉆井泵（尤其是大功率鉆井泵），非常有必要進(jìn)行輕量化設(shè)計。

F系列鉆井泵的輕量化設(shè)計應(yīng)從兩方面著手：1）優(yōu)化泵結(jié)構(gòu)主參數(shù)；2）優(yōu)化主要單元零部件設(shè)計，如曲軸、機(jī)架（泵殼）、液缸（泵頭）等對輕量化設(shè)計影響比較大的零部件。

2 鉆井泵結(jié)構(gòu)主參數(shù)的優(yōu)化

排出壓力p和排量Q是鉆井泵最重要的基本性能參數(shù)，兩者之積即為泵的水功率。沖程s、沖數(shù)n、缸套內(nèi)徑D、液缸數(shù)量Z為往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)主參數(shù)（最重要的設(shè)計參數(shù)），其定義分別為：活塞往復(fù)運動的距離為沖程，沖程的起點和終點為活塞運動的死點，靠動力端一側(cè)為后死點，靠液力端一側(cè)為前死點；單位時間內(nèi)活塞往復(fù)運動的次數(shù)為沖數(shù)，計量單位一般為“次/min”。上述主要參數(shù)決定了泵的功率、動/液力端零部件的強(qiáng)度、外形尺寸、重量等[3]。

總結(jié)多年來國內(nèi)外在制造和使用方面的經(jīng)驗，三缸泵S、n的發(fā)展規(guī)律是：在滿足排量的前提下，適當(dāng)增大沖程，合理降低泵速。其目的是降低活塞速度nS和全泵的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，以延長全泵和易損件的壽命；控制活塞的最大瞬時加速度以改善泵的吸入性能，提高泵的充滿度，減免水擊和振動的發(fā)生，取得泵的最低成本和最高可靠性[4]。陳如恒院士[4]統(tǒng)計分析了國內(nèi)外常用鉆井泵的沖程和沖數(shù)，并通過繪制n-S型譜圖研究得出的結(jié)論是：對于S大的中速泵，應(yīng)控制其nS≤36 m/min，對于S小的高速泵，控制其n2S≤5000 m/min2。

如參照上述標(biāo)準(zhǔn)，我們在進(jìn)行F系列鉆井泵輕量化研究與設(shè)計時，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整優(yōu)化了泵的結(jié)構(gòu)主參數(shù)（見表4）。

通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)主參數(shù)，鉆井泵的nS和n2S值與原值基本相同，表明活塞磨損速度和吸入性能沒有變差，但是縮短沖程有利于泵的輕量化。同時，nS值保持相同還表明動力端的載荷能力沒有因為輕量化而下降，其原因為活塞桿額度負(fù)荷F（=18×104×N/nS）并未降低。

表4 F系列鉆井泵優(yōu)化后的基本參數(shù)

3 鉆井泵主要零部件的輕量化

3.1 機(jī)架（泵殼）的輕量化

F系列鉆井泵的機(jī)架（泵殼）結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是造成其體積和重量偏大的主要原因。2000年，張慶元、陳如恒等[5-6]對F-1300泵機(jī)架進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)有限元分析，通過靜力分析發(fā)現(xiàn)機(jī)架總體偏重，且應(yīng)力和變形分布不均勻、不合理，通過動態(tài)特性分析發(fā)現(xiàn)機(jī)架頭部（與液力端連接處）和后蓋開口部位（安裝曲軸總成部位）動剛性偏弱，中部則非常富余[7]。借助本次F系列鉆井泵輕量化研究項目，我們對F-1600HL、F-2200HL鉆井泵機(jī)架進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)有限元分析，得出與F-1300泵基本一致的結(jié)論；最終，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的2種機(jī)架重量分別下降19%和23%。

3.2 曲軸的輕量化

從機(jī)械結(jié)構(gòu)看，F(xiàn)系列鉆井泵采用整體鑄造曲軸是導(dǎo)致其體積和重量偏大的主要原因。整體鑄造曲軸（如圖1）一般采用低合金鑄鋼或球墨鑄鐵，可以采用空心或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)，成本相對較低[8]；但是體積和重量偏大、偏心質(zhì)量大，而且容易出現(xiàn)裂紋、縮孔、砂眼等鑄造缺陷。然而，P系列鉆井泵一般采用鍛件組裝式（如圖2），其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是體積和重量小、可靠性高，采用組裝結(jié)構(gòu)還可以大幅度地降低成本；WF系列鉆井泵一般采用組焊件（如圖3），對焊接工藝要求較高，但是體積和重量可進(jìn)一步減小。

圖1 整體鑄造曲軸

圖2 組鍛件曲軸

圖3 組焊件曲軸

通過對比分析，組鍛件和組焊件曲軸在輕量化、可靠性、平衡性等方面均優(yōu)于整體鑄造曲軸，從目前發(fā)展的趨勢看，整體鑄造曲軸有被組鍛件或組焊件曲軸取代的趨勢。在F系列鉆井泵輕量化研究項目中，為了利用組裝式曲軸的優(yōu)點并避開相關(guān)專利技術(shù)，我們研究了一種鍛件與鑄件組裝式的全加工曲軸（如圖4、圖5），即：芯軸采用高強(qiáng)度合金鋼鍛件，以提高曲軸強(qiáng)度；偏心輪采用合金鋼鑄件降低成本。通過應(yīng)用結(jié)構(gòu)有限元方法反復(fù)計算和優(yōu)化，最終曲軸強(qiáng)度提高約17%，重量下降11%。

圖4 鑄鍛件組裝曲軸

圖5 鑄鍛件組裝曲軸Mises應(yīng)力云圖

3.3 液力端的輕量化

F系列鉆井泵采用了I型和L型2種液力端，設(shè)計壓力34.5 MPa及以下的鉆井泵采用I型，52 MPa級的高壓鉆井泵采用L型液力端，如F-1600HL、F-2200HL。L型液力端的吸入閥和排出閥為分體結(jié)構(gòu)[9]，拆裝上下閥座時互不影響，非常方便；但其體積和重量較大，且較長的吸入歧管降低了吸入性能。L型液力端體積和重量大的主要原因為排出液缸高度較高。排出液缸的側(cè)面需要安裝排出管路，如果排出管路安裝在吸入液缸一側(cè)，為了不影響吸入閥蓋及吸入閥的拆裝，則必須將排出液缸加高；如果安裝在動力端一側(cè)，則排出液缸的高度更高，否則，排出管路將與機(jī)架干涉。

作為F系列鉆井泵輕量化研究項目的重要成果之一，寶石機(jī)械公司研制了一種新型J型液力端（如圖7），其兼具Ⅰ型和L型液力端的優(yōu)點，即：方便拆裝上下閥總成，吸入性能優(yōu)良，體積小和重量輕等。該液力端結(jié)構(gòu)已獲得國家專利授權(quán)，并已經(jīng)在2200馬力輕型鉆井泵上成功應(yīng)用。此外，美國Mattco公司研發(fā)了一種將吸入閥水平放置的T型液力端（如圖6），其專門針對大功率鉆井泵設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)布局合理、體積小、重量輕等特點。以955.8 kW鉆井泵為例，L型液缸為4380 kg，I型液缸為3960 kg，T型液缸為3660 kg，T型液缸的重量比L型和I型液缸分別少16.4%和7.6%[10]。T型液力端也可作為F系列鉆井泵輕量化設(shè)計的選項之一。

圖6 T型液力端結(jié)構(gòu)圖[7]

圖7 J型液力端結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

在目前常用的幾類鉆井泵中，F(xiàn)系列鉆井泵的體積和重量比P系列和WF系列鉆井泵大，這種情況在大功率鉆井泵中尤其明顯。F系列鉆井泵的輕量化可以從優(yōu)化結(jié)構(gòu)主參數(shù)和優(yōu)化設(shè)計單元零部件結(jié)構(gòu)兩方面著手。

根據(jù)nS和n2S值不變的原則適當(dāng)優(yōu)化了F系列鉆井泵的結(jié)構(gòu)主參數(shù)，即適當(dāng)?shù)販p小沖程和提高沖數(shù)。這樣不會加劇缸套活塞的磨損，也不會降低泵的吸入性能，但有利于鉆井泵的輕量化設(shè)計。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)分析，F(xiàn)系列鉆井泵采用未經(jīng)優(yōu)化的機(jī)架、整體鑄造曲軸和L型液力端是造成其體積和重量偏大的主要原因。以F-2200HL鉆井泵為例，機(jī)架經(jīng)優(yōu)化后重量可減輕23%；采用鑄鍛件組裝曲軸代替整體鑄造曲軸，強(qiáng)度提高17%，重量減輕11%；采用新型J型液力端比L型液力端重量減輕7%。綜合應(yīng)用參數(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，使F系列鉆井泵體積減小、重量減輕17%左右。

[1]馬歷民,張望良,謝康.石油鉆井技術(shù)的發(fā)展與大功率泥漿泵[J].石油礦場機(jī)械,2000,29(3):15-16.

[2]朱俊華站長松.往復(fù)泵[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

[3]沈?qū)W海.鉆井往復(fù)泵原理與設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[4]陳如恒.三缸單作用鉆井泵沖程與沖次的合理匹配[J].石油機(jī)械,2006,34(7):1-4.

[5]張慶元,陳如恒.鉆井泵機(jī)架的靜動態(tài)有限元分析[J].石油學(xué)報,2000,21(2):83-87.

[6]張慶元,陳如恒,蒲容春,等.F1300型三缸鉆井泵機(jī)架的靜力有限元分析[J].石油機(jī)械,1997(10):1-4.

[7]張慶元,蒲容春.鉆井泵機(jī)架的動力特性分析及結(jié)構(gòu)修改預(yù)測[J].機(jī)械強(qiáng)度,2000，22(2):89-91.

[8]劉紅芳,曾興昌,羅元清,等.鉆井泵組裝式曲軸設(shè)計與有限元分析[J].石油礦場機(jī)械，2014(11):48-51.

[9]焦清朝,劉永勤,張愛民,等.國內(nèi)外小型泥漿泵的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].石油礦場機(jī)械，2004,33(增刊1):28-31.

[10]張連山.國外鉆井泵技術(shù)發(fā)展與研究動向[J].國外石油機(jī)械,1997(6):1-9.