3 200 HP五缸鉆井泥漿泵水力性能分析

梁慶榮，王濤濤，張友軍，謝 冬，程 寓

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

基于陸地資源油氣資源開采逐漸枯竭的現狀，海上以及非常規油氣田的勘探與開發需要大排量、高泵壓的鉆井泥漿泵。分析與優化鉆井泥漿泵結構是提高泵壓和排量以及控制整體質量和占地面積的關鍵。

國內外對于鉆井泥漿泵的動力端結構和液力端水力分析做了大量研究。張洪生等[1]對不同功率、不同型號鉆井泵泵閥做參數化虛擬設計；徐靜等[2]基于五缸泵結構設計對于液力端流場入口壓力與泄漏量進行分析；張洪生等[3]分析開啟閥與關閉閥滯后角對于空氣包排出管路流量脈動。目前，鉆井泵在鉆完井的實際應用中主要以三缸泵為主，高沖次使得易損件的使用壽命極大地降低，長沖程增加泥漿泵的占地面積，依靠增加泵速和沖程來提高排量、泵壓，難以滿足非常規油氣田勘探與開發實際需求。因此，設計高泵壓、大排量五缸鉆井泥漿泵對于實際鉆井作業具有實際意義。

針對海上鉆井泥漿泵減重設計的目標，設計3 200 HP長沖程大排量輕量化五缸單作用泥漿泵，該泥漿泵技術參數如表1所示。經過液力端的水力性能分析，得以優化泥漿泵曲軸連桿機構以及泵閥結構參數。其還有大排量、長沖程、低沖次、低能耗、結構緊湊的優勢，間接提高易損件的使用壽命，更適合非常規油氣領域大型鉆采作業。在持續作業工況下,泥漿泵的泵閥較常規作業更容易損壞，需要使用壽命更長、可靠性更高的泥漿泵泵閥來滿足這種非常規作業工況[4]。

表1 3 200 HP泥漿泵技術參數

1 鉆井泵水力學分析

1.1 柱塞運動特性分析

泥漿泵的液力端選擇直通型結構，優點是結構緊湊、重量較輕，缸內余隙流道長度短，有利于自吸[1]。柱塞和十字頭作為聯結體，在同一水平面上柱塞和十字頭的運動規律一致，分析柱塞的運動即分析十字頭的運動規律。

曲軸連桿機構的運動如圖1所示，柱塞行程的原點在后死點，以向軸右側為正方向，則作往復運動的柱塞十字頭部分的運動方程如式（1）～（3）所示；柱塞的位移s、速度u、加速度a與一階簡諧運動分量的圖形如圖2所示。

圖1 連桿運動分析

圖2 柱塞的位移s、速度u、加速度a與曲軸轉角關系

由于連桿的存在，柱塞在吸入（排出）沖程運動不對稱，在吸入沖程的前半沖程，柱塞從前死點出發，曲柄轉角還未轉過90°，柱塞已經到達沖程中點。在吸入沖程與之相反，曲柄轉角需要轉過90°，柱塞才能到達沖程中點，λ 值越大，柱塞延遲到達時間越久。此外，速度和加速度在柱塞運動中也受到連桿的影響，在吸入沖程，柱塞到達行程中點時候，速度并未達到最大值，加速度也沒有減小到零值；在排出沖程，柱塞還未到達行程中點時候，速度達到最大值，加速度已經減小到零值[2]。

1.2 五缸泵理論排量

鉆井泥漿泵的活塞在液缸中往復1 次，排出SA容積的介質，泵在單位時間內排出的介質體積稱為泵的理論排量Qs。在每一時刻排出管匯測得的流量為瞬時流量Q(t)。如果泥漿泵的沖次恒定不變，理論排量也恒定，則瞬時排量是成脈動變化的。

五缸單作用泥漿泵的理論排量為：

五缸單作用泵的瞬時流量Q(t)可以表示為：

式中：A 為活塞的截面積；r 為曲柄的半徑；ω 為曲柄軸的角速度；φm為曲柄軸的轉角。

五缸單作用泥漿泵在（0～2 π）周期的具體公式展開為[3,5]：

從式中可以看出，Q(t)在0～2π/5、2π/5～4π/5、4π/5～6π/5、6π/5～8π/5、8π/5～2π 這5個區間波形是相同的。因此，只需要研究式（6）中的0～2π/5區間的波形圖，就可以了解五缸泵瞬時排量的特點。

當φm=0～π/5 時，瞬時流量Q(t)1為：

當φm=π/5～2π/5 時，瞬時流量Q(t)2為：

五缸泥漿泵的流量特性曲線如圖3所示，對比三缸和五缸流量特性曲線可以清楚地看出三缸泥漿泵流量波動情況比五缸泥漿泵大，在相同排量下，三缸泵的沖次遠高于五缸泵，泥漿對易損件泵閥的沖擊磨損更加嚴重，五缸泥漿泵易損件及排出管匯的使用壽命更久。

圖3 五缸泥漿泵流量特性曲線

1.3 五缸泵容積效率

泵的實際排量與理論排量之比被稱為容積效率，容積效率可作為選取泥漿泵的重要參數和性能指標。

單作用泥漿泵的容積效率公式如下：

1.3.1 容積損失

泥漿泵正常工作（介質可以充滿液缸，沒有汽化和氣體析出）的容積損失主要包括以下3個方面：

（1）因為滯后效應，在吸入閥和排出閥關閉瞬間介質回流；

（2）介質液體中不同程度含有一定氣體，高壓下液體被壓縮到液缸的死區位置不能完全排出；

（3）排出過程，高壓介質通過吸入閥、缸套密封圈等泄漏。

泥漿泵正常工作的泵壓與容積示功圖如圖4所示。

圖4 泥漿泵泵壓容積示功圖

（1）1～2 階段：1 點位置，柱塞從排出過程結束即將進入吸入過程，排出閥開始關閉；2點位置，排出閥滯后φd角度后關閉，ΔVd體積的介質經排出閥回流液缸，ΔVl體積的介質經過液力端密封圈流失，此刻液缸內部壓力等于排出口壓力Pd。

（2）2～3 階段：3 點位置，Vc+ΔVd體積的高壓介質壓力達到Pmin時，吸入閥開啟吸入沖程開始。

（3）3～4 階段：4 點位置吸入沖程結束，吸入閥開始關閉，在吸入沖程的平均壓力為Ps。

（4）4～5 階段：5 點位置吸入閥關閉，滯后角為φs，有ΔVs體積的介質從液缸吸入閥流出，氣液總體積為（Vh+Vc-ΔVs）。

（5）5～6（5～7）階段：因為介質的可壓縮性、液缸結構彈性和介質內部氣體原因，隨著排出沖程開始，液缸內部壓力增加，介質減小了ΔVg體積。若介質內部不含氣體，在5～7 階段，減小的體積為ΔVp。

（6）6～1（7～1）階段：6（7）點位置液缸內部壓力達到Pmax，排出閥開啟，排出沖程開始。柱塞再次回到1 點位置時，液缸排出體積介質排出，排出閥開始關閉。

根據圖4 可以得到排除壓力下泥漿泵容積效率為：

1.3.2 容積效率

當液缸壓力等于Ps時，假設總體積為(Vm+Vg)的介質中純液體體積為Vm，氣體體積為Vg，則介質的含氣率為：

吸入沖程結束，液缸中氣體體積為：

排出閥開啟時液體體積減小量為：

通過對比三缸泵10-P-130的參數ε和C，3 200 HP缸泥漿泵的容積效率ηv計算如表2所示。

表2 3 200 HP缸泥漿泵的ηv 計算值

當介質含氣，為保證泥漿泵正常工作，含氣率K最小值為：

由表2 中3 200 HP 五缸泥漿泵ηv計算值以及式（16）可以看出，當介質含氣時，泥漿泵的容積效率主要取決于含氣率K和參數ε，φ0的影響相對較小，所以可以將容積效率簡化為[6]:

通過對比五缸與三缸泵10-P-130 同等壓強下的容積效率，五缸泵的容積效率高于三缸泵1%；相同壓強下，五缸泵排出的流量也比三缸泵高出許多，提高了泥漿泵的水力傳遞效率及能力。

2 泥漿泵液力端閥隙流場分析

2.1 泵閥運動分析

泵閥的主要零件有閥盤、閥座、彈簧、導向裝置和密封圈，分析泵閥的運動可以近似等同于研究閥盤的運動規律。泵閥的主要作用是，通過控制液壓缸和吸入管及排出管的交替接通或阻隔，使泥漿單向流動，從而進行鉆完井作業。

泵閥結構的工作原理如圖5 所示。在吸入沖程，液壓缸內部形成局部真空。在液缸內外壓差作用下，吸入閥打開，吸入管中的泥漿在大氣壓力下涌入液缸，排出閥閥盤在自重、彈簧力以及液體壓差作用下，迅速落到閥座上，將液壓缸與排出管阻隔；當柱塞運動到右死點位置，吸入沖程終止，排出沖程即將開始，液壓缸內的泥漿推動排出閥閥盤上升，在壓力作用下，從閥盤與閥座的間隙流入排出管，此時吸入閥在自身重力、彈簧力以及液壓缸內部壓力作用下，迅速落到閥座上，將液壓缸與吸入管阻隔。

圖5 吸入閥工作原理

2.2 泵閥設計

泵閥作為泥漿泵關鍵的易損件，泵閥工作的好壞程度，直接關系到泥漿泵的工作效率和壽命。泥漿泵的吸入閥、排出閥大多采用自動閥，只有在輸送高黏度流體介質時，為保證泵閥能夠及時開關動作的情況下，才會采用強制閥[7]。

錐形閥屬于自動閥中的彈簧閥，其流道相對平滑，過流能力較強，水力損失較小，密封性能良好，常用于輸送高壓，高黏度介質。錐形閥的結構簡圖如圖6所示。

圖6 錐形閥的結構簡圖

圖7 Fluent求解流程圖

Fluent 軟件分析流體性能的過程主要有建立結構模型、劃分網格、設定邊界條件和流體參數、求解計算、結果分析。求解的流程圖如圖7所示。

2.3 閥隙流場Fluent建模

泥漿介質經液缸內外壓差作用下，由吸入閥流經閥腔，自排出閥流出。泥漿作為賓漢理想塑性流體，在泵閥開啟、關閉過程，閥隙間的流速可以達到3 m/s，抵抗剪切變形能力顯著降低，切應力與變形速率之間呈線性關系，表現出牛頓流體的性質。

根據前面設計計算，構建泵閥結構的三維結構模型如圖8所示，泥漿流經閥隙的通道命名為閥隙流場，為方便計算，經過簡化的流場如圖9所示。盡管閥隙流場經過簡化后的模型比較規整，出口邊緣仍然存在尖角，因此在Fluid Flow模塊的mesh中局部控制采用Hex Dominent Method 非結構方法來劃分網格，閥隙流場的網格劃分結果如圖10 所示，最終得到97 871 個節點，106 912 個六面體網格。設置模型的底面為速度入口，命名為inlet；結構的上半部分環形圓柱側面為壓力出口，命名為outlet；將剩余的表面都設置為wall[8]。

圖8 泵閥三維結構模型

圖9 簡化閥隙流場

圖10 網格劃分

2.4 泵閥閥隙流場Fluent計算分析

在Fluent求解器中導入網格，首先進行網格質量檢查check，設定該時刻下的介質流動為瞬態流動（Transient），流動方程類型為k-epsilon2 eqn 湍流模型，采用Realizable 計算方法。對流體域的上半部分設定為鋪層動網格，假設閥盤在往復運動中呈勻加速直線運動，根據五缸泵每分鐘工作100沖次，每轉一圈耗時0.3 s，閥盤運動的行程為19.05 mm，可以求出加速度為0.423 m/s2。在UDF 中編譯閥盤運動的速度程序，最后將程序導入求解器完成動網格設置。流體的材料添加新物質泥漿，其物理參數密度（Desity）為1 300 kg/m-3；黏 度（Visosity）設 置 為10-3kg/(m?s)；等壓比熱（Specific Heat）設定為2 800 J/(kg?K)；導熱系數（Thermal Conductivity）為1.5 W/(m?K)；流體入口速度設定為1.578 36 m/s；出口壓力設定為2.9×107MPa。處理方法采用Cou?pled算法，湍流強度以及其他條件設置采用軟件默認值保持不變；將殘差精度等級設定為10-6，采用Stan?dard Initialization 從inlet 進行初始化。開始計算時將時間步數設為40 步，每一步的時間步長設為0.01 s，每一時間步迭代20次。計算結束可以得到如圖11所示的殘差動態。由圖可以看出，當迭代到300 步左右，方程計算的變量開始趨于平衡，所有變量的殘差值都降到低于10-3時，進出口流量守恒基本無差別，計算結果不再隨著迭代的進行發生變化，就可以認為迭代計算結果收斂。

通過Fluent 軟件的后處理模塊CFD-Post 對計算結果進行處理，生成閥隙的速度、壓力矢量圖和分布圖，如圖12～14 所示。從圖可以看出，泥漿介質從閥座孔經過閥隙排出的過程中，基本是沿著閥盤的中心線方向流動，直到與泵閥的閥盤底面發生沖撞，泥漿運動的速度方向及大小隨之改變。流體從進入閥隙到流出閥隙的過程中隨著閥盤與閥座之間間隙變小，泥漿的速度越來越大，靠近泵閥出口處速度達到最大值3.05 m/s。泥漿在流動時，由于泥漿介質有黏度，越靠近泵閥的壁面，泥漿越體現出非牛頓流體的性質，泵閥壁面處介質的速度為0。接近閥盤底面的泥漿要大于流經閥座上表面流動速度，因此從流體沖蝕的角度考慮，適合在閥座上表面黏結密封圈。

圖11 殘差動態

圖12 速度流線分布

圖13 速度矢量分布

圖14 平面速度云圖

通過圖15 流體域的平面壓力云圖可以看出，在泥漿泵缸徑180 mm時，泥漿介質流經閥座孔，在流動時對閥盤底面不斷沖擊產生最大壁面壓力2.901×107Pa，隨著撞擊過后流體方向改變經過閥隙，遠離閥盤中心的這部分流體抵消了部分從閥座孔流入流量的壓力沖擊。當泥漿介質流向閥隙出口，對壁面的壓力沖擊隨之降低，閥座上支撐面受到壓力沖擊最小，適合在閥座上表面黏結密封圈。

圖15 平面壓力云圖

經過Fluent 軟件特有的volume Re ndering 全域顯示方法，可以得到如圖16 所示的全域速度云圖以及如圖17 所示的全域壓力云圖。從中可以直觀地看出在閥隙流場中泥漿介質的速度變化情況以及泥漿介質對于泵閥壁面的壓力沖擊狀況。將密封圈安裝在介質流體速度較小和受沖擊最低的閥座上表面，這樣是為了減少泥漿引起的沖蝕磨損，延長泥漿泵的工作時長[9]。根據泵閥失效的機理，介質流體流速越大，對接觸面造成的磨損程度就越大。因此，適當地減小泥漿泵閥隙間介質流體的流速可以降低閥盤和閥座的磨損，從而降低泵閥的失效，提升其使用壽命，降低泥漿泵的成本[10]。

圖16 全域速度云圖

圖17 全域壓力云圖

3 結束語

本文通過對新型鉆井泥漿泵的液力端進行水力性能分析，根據MATLAB 軟件定性分析泥漿泵排出管匯的流量脈動情況，利用Fluent軟件分析泥漿的速度以及對泵閥結構的壓力沖擊情況。綜合分析泵閥結構的薄弱位置，將密封圈安裝在介質流體速度較小和受沖擊最低的閥座上表面，可以減少密封圈的損耗，延長泥漿泵的工作時長[11]。適當調整泵閥結構過渡處圓弧度，也可以降低水力沖擊對結構使用壽命的影響。今后油氣生產將以非常規能源規模開采為主，泥漿泵只有不斷向大排量、輕量化和智能化方向發展，才能滿足工藝技術發展的需求。