對置活塞鉆井泵機構原理及運動學分析

王大慶，李　華，姚　進，余德平

（四川大學　制造科學與工程學院，成都610065）①

對置活塞鉆井泵機構原理及運動學分析

王大慶，李華，姚進，余德平

（四川大學制造科學與工程學院，成都610065）①

合理降低鉆井泵沖次可以提高鉆井泵內活塞、活塞皮碗、缸套、泵閥等易損件的工作壽命，提高鉆井泵可靠性，從而縮減鉆井泵停車檢修時間，提升鉆井泵作業效率。提出了一種對置活塞結構泵，介紹了其結構及工作原理。與傳統活塞鉆井泵相比，在相同鉆進作業流量需求場合，對置活塞泵沖次可以大大降低，理論上可減小50%；通過動力學分析軟件的運動學仿真分析得出，對置活塞泵活塞速度幅值變化量減小50%，速度曲線波動程度減弱；加速度幅值變化量減小75%，加速度曲線波動程度減弱。在相同流量需求場合，對置活塞泵沖次更低，運轉更加平穩。

鉆井泵；沖次；易損件；壽命

在使用旋轉鉆井法鉆井作業中，鉆井泵用于輸送鉆井液，使其循環流動于鉆井作業的整個工作過程，以達到攜帶鉆井巖屑、防止井壁坍塌、平衡壓力、冷卻鉆頭、處理井下復雜情況等目的［1］。國內外主流的鉆井泵是20世紀70年代開始使用的三缸單作用活塞泵，其性能水平和使用壽命與鉆井速率、生產成本有著直接關系。隨著井深的增加和高壓噴射鉆井等工藝的發展，對鉆井泵工作的可靠性要求越來越高［2］，提高其易損件（泵閥、活塞和缸套）的工作壽命，成為鉆井泵設計、制造和使用中迫切需要解決的問題［35］。眾多學者已對鉆井泵活塞、活塞皮碗、缸套、泵閥等關鍵易損件的工作磨損、失效形式進行了大量的分析，并得出了提升鉆井泵易損件工作壽命的相關途徑。這些方法分為2個方面：

1） 優化曲軸等動力端結構，使鉆井泵運轉更加平穩［6］。

2） 優化活塞皮碗、缸套、泵閥等易損件結構，選用更加合適的材料，配合先進加工工藝以提升易損件耐磨性能［7-8］。

鉆井泵泵閥工作時所受沖擊的大小、活塞與缸套間的磨損程度，與鉆井泵沖次的大小直接相關。通過降低鉆井泵沖次可以有效降低泵內各往復運動件、泵閥和活塞的運動速度，降低泵閥、活塞、活塞皮碗、缸套等易損件的磨損程度，從而延長這些易損件的工作壽命，提高鉆井泵工作的可靠性?；诮档蜎_次提升鉆井泵易損件使用壽命的思路，提出一種對置活塞結構鉆井泵；與傳統鉆井泵相比，在相同流量需求的場合下，理論上對置活塞鉆井泵沖次可以降低一半，易損件的磨損程度降低，延長了使用壽命，鉆井泵運轉更加平穩，可靠性增加。

1　鉆井泵沖次

目前，三缸鉆井泵以中、大功率為主，一些大功率鉆井泵沖次參數如表1［8］。為滿足鉆井作業的大功率、大排量的需求，鉆井泵的沖次較高；大功率鉆井泵的額定沖次一般在100 min－1左右。較高的泵沖次使鉆井泵內關鍵磨損部件（泵閥、活塞及其密封件、活塞桿、缸套等）易損壞；影響最大的是泵閥，較高的沖次使閥運動的速度以及閥質量所引起的慣性力增加，閥工作時容易產生沖擊，閥工作表面以及密封圈在沖擊載荷下遭受破壞，壽命降低［9］。鉆井泵的沖次影響活塞在缸套內的運動速度、活塞皮碗受力變形次數和摩擦溫度?，F場使用表明，在泵壓及泥漿性能相同的情況下，相同尺寸的活塞，沖次高的比沖次低的壽命要短［10］。當沖次降低后，活塞往復運動的速度減慢，活塞與缸套間的摩擦功耗減小，從而延長了活塞密封的工作壽命，也提高了缸套的工作壽命。另外，沖次降低后，慣性損失減少，泵不易產生“水擊”現象，慣性力減弱，將會提高泵動力端齒輪、軸承等零部件的工作壽命。在滿足鉆井過程排量需求的條件下，合理降低泵的沖次已成為今后鉆井泵設計的發展方向［11］。對置活塞泵與傳統活塞鉆井泵相比，在滿足排量要求的前提下，沖次降低。

表1　國內外主要廠家大功率鉆井泵沖次參數

2　對置活塞泵結構與工作原理

2．1 對置活塞泵工作原理

圖2為對置活塞泵機構簡圖。驅動端由一對曲拐成180°對置組成，分別為內曲拐和外曲拐；液缸內左、右對置兩個活塞，分別為內活塞和外活塞；進、排液口設在液缸體中部。內曲拐通過內連桿、十字頭和活塞拉桿的傳動驅動內活塞做往復運動，外曲拐通過外連桿、十字頭和活塞拉桿的傳動驅動外活塞做往復運動。在對置曲拐一個旋轉周期內，曲拐轉角在0～180°時，內、外活塞相互遠離，共同進行吸液過程；曲拐轉角在180～360°時，內、外活塞相互靠近，共同進行排液過程。圖3為對置活塞三缸泵工作原理簡圖，與傳統三缸泵類似，相鄰兩缸曲拐間相位交錯120°；高速電機通過帶傳動、齒輪傳動將動力轉矩輸入給泵曲軸，帶動3個液缸同時工作。

圖1　傳統鉆井泵單缸機構

圖2　對置活塞鉆井泵單缸機構

圖3　對置活塞三缸泵工作原理

2．2 對置活塞泵流量計算

由往復泵設計理論，往復泵流量Q（mm3／s）計算公式為

式中：A為活塞面積，mm2，A＝4 π D 2；D為活塞直徑，mm；s為活塞行程長度，mm；n為鉆井泵沖次，min－1；z為泵的聯數（活塞數）；K為活塞桿尺寸對缸腔面積影響系數（對于單作用泵K＝0）；ηv為泵的容積效率。

2．2．1 傳統三缸鉆井泵流量Q1

泵的聯數z＝3，系數K＝0，Q1為

2．2．2 對置活塞三缸鉆井泵流量Q 2

不同濃度的CO2麻醉液對斑點叉尾鮰存活率的影響結果見圖 2。隨著二氧化碳濃度的升高，?；?5 h后，存活率先增加后降低，CO2濃度為400、450 mg/L時，存活率為80%和95%；CO2濃度為500、550 mg/L時，存活率為100%；而當麻醉液濃度為600、650 mg/L時，存活率分別為88%和65%，所以從?；顣r間和存活率來看，較佳CO2濃度范圍為500～550 mg/L。

對置活塞結構三缸單作用往復泵工作時，3個泵缸的內、外活塞同時參與工作，泵的聯數z＝6，系數K＝0，Q2為

2．3 對置活塞泵優勢及特點

由式（2）～（3）可知，在其余參數取值相同的情況下，對置活塞往復泵的流量為傳統三缸泵的2倍；在要求流量大小的場合，其余參數取值不變，對置活塞往復泵的活塞沖次大幅降低，理論上為傳統三缸鉆井泵的50%。

基于以上分析，采用對置活塞結構的鉆井往復泵，在保證流量要求的條件下，活塞的沖次得以大幅降低，在相同時間內，對置活塞鉆井泵泵閥、活塞等運轉零件和受壓部件的應力循環次數減少，活塞皮碗、缸套等磨損件的磨損程度減弱，泵內易損件工作壽命得到延長。

3　泵沖次對活塞速度及加速度的影響

曲柄泵傳動示意如圖4所示。

圖4　曲柄泵運動學簡化模型

活塞位移x（以遠離曲柄旋轉中心為正）為

式中：φ為曲柄轉角，逆時針為正，x＝0時，φ＝0；r為曲柄半徑；l為連桿長度；λ為連桿比，λ＝r。l

活塞速度u為

式中：n為曲軸轉速；ω為曲柄角速度，dφ＝nπ。d t30活塞加速度a為

由式（6）～（7）可知，活塞速度u與曲軸轉速n成正比；活塞加速度a與曲軸轉速n2成正比。由此可得，泵沖次的改變對泵的各運轉部件的速度及加速度的變化有著直接的影響。

4　運動學仿真分析

4．1 基于ADAMS的模型

以某鉆井泵的為研究對象，在ADAMS／View中分別建立傳統鉆井泵與對置活塞泵單缸模型，如圖5～6所示。

技術參數：理論流量Q＝3．3×107mm3／s；最大設計泵壓p＝52．3 MPa；活塞直徑D＝150 mm；活塞沖程s＝356 mm；額定沖次n＝105 min－1。

圖5　傳統鉆井泵單缸模型

圖6　對置活塞鉆井泵單缸模型

4．2 運動學仿真

4．2．1 傳統鉆井泵單缸運動仿真

設泵容積效率ηV＝1，泵沖次min－1，則曲軸平均轉角速度旋轉周期為T。定義仿真時間為16 s，仿7真步數為2 000步，進行仿真，測量活塞運動過程中的速度及加速度，得到活塞速度時間曲線u 1t和加速度時間曲線a 1t，如圖7～8所示

4．2．2 對置活塞泵單缸運動仿真

設泵容積效率ηV＝1，對置活塞泵沖次n2＝則曲軸平均轉角速度ω2＝，旋轉周期為，定義仿真時間為32s，定義仿真步數為2 000步。進行仿7真，以內活塞為例，測量其運動過程中的速度及加速度，得到內活塞速度時間曲線u2t和加速度時間曲線a2t，如圖7～8所示。

4．3 運動仿真結果討論

對比圖7中u1、u2數據，u2幅值變化量約為u1幅值變化量的50%，減小了50%；對比圖8中a1、a2數據，a2幅值變化量約為a1幅值變化量的25%，減小了75%，與理論分析一致。因ω1＝2ω2，t1＝0．5t2，在相同時間內u2波動程度相對于u1明顯減弱，a2波動程度相對于a1明顯減弱。

圖7　活塞速度－時間曲線

圖8　活塞加速度－時間曲線

5　結論

1） 鉆井泵設計參數相同時，對置活塞泵的流量為傳統三缸鉆井泵的2倍。

2） 在同流量大小要求的場合，相比于傳統三缸鉆井泵，對置活塞泵的工作沖次可減小50%，活塞速度幅值變化量減小50%，速度波動程度減弱；加速度幅值變化量減小75%，加速度波動程度減弱。

3） 在同流量大小要求的場合，相比于傳統三缸鉆井泵，在相同工況，同一時間內，對置活塞鉆井泵泵閥、活塞等運轉零件和受壓部件的應力循環次數將會減少，活塞皮碗、缸套等磨損件的磨損程度將會減弱，對置活塞泵運轉更加平穩，泵內易損件的工作壽命得到延長，鉆井泵可靠性提高。

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

［2］ 鐘青，黃本生．7NB直軸柱塞式泥漿泵運動學分析［J］．西南石油學院學報，2001（6）：71-72．

［3］ 余青華，劉寶秋，劉英吉．基于Pro／E的鉆井泵曲軸結構優化［J］．石油礦場機械，2012，41（4）：76-79．

［4］ 劉一杰．P2200型高壓泥漿泵閥座有限元分析與工藝優化［J］．石油礦場機械，2014，43（1）：34-37．

［5］ 劉紅芳，曾興昌，羅元清，等．鉆井泵組裝式曲軸設計與有限元分析［J］．石油礦場機械，2014，43（11）：48-51．

［6］ 王紅閣，楊師斌．泥漿泵活塞的失效分析及改進措施［J］．煤礦機械，2008（5）：155-157．

［7］ 王學佳，王榮業，鄒旭東，等．表面工程技術在鉆井泵缸套中的應用分析［J］．石油礦場機械，2005，34（4）：86-88．

［8］ 曾興昌，宋志剛，黃悅華，等．大功率鉆井泵發展現狀與應用［J］．石油礦場機械，2014，43（9）：56-59．

［9］ 付云霞．往復泵泵閥的失效分析與結構參數優化研究［D］．黑龍江大慶：大慶石油學院，2003．

［10］ 劉洪賓，周錫容，彭勝商．鉆井泵活塞的功能及使用壽命［J］．石油機械，1987（7）：44-48．

［11］ 焦清朝，劉永勤，齊然，等．國內外輕便泥漿泵的現狀與發展趨勢［J］．石油礦場機械，2004（S1）：28-31．

Mechanism Principle and Kinematic Analysis of the Opposed Piston Drilling Pump

WANG Daqing，LI Hua，YAO Jin，YU Deping
（School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

By reducing the pump speed of the drilling pump reasonably，the service life of the quickwear parts of the drilling pump such as the piston，the piston seal，the cylinder liner and the pump valve can be increased，thus the reliability of the drilling pump can be improved．Thus the time spent in repair work of the drilling pump can be reduced，and the pump efficiency can be improved．To reduce the pump speed reasonably is a promising trend for the drilling pump．Based on this，a new drilling pump with the opposed piston structure is proposed，the mechanism and operation principle of the opposed piston pump（OPP）is introduced．Theoretical analysis concluded that with the same flow rate demand，the pump speed of the OPP could be reduced by half compared with that of the conventional drilling pump．The kinematic simulations based on dynamic software indicated that the velocity amplitude of the OPP piston reduced by 50%，the velocity fluctuation of the OPP piston significantly reduced compared with that of the conventional drilling pump，and the acceleration amplitude of the OPP piston reduced by 75%，the acceleration fluctuation of the OPP piston significantly reduced compared with that of the conventional drilling pump．Under the same flow rate demand，the OPP works more smoothly with lower pump speed and improved reliability．

drilling pump；pump speed；quickwear parts；service life

TE926

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．008

1001-3482（2015）09-0031-05

①2015-03-05

王大慶（1992），男，黑龍江青岡人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計，E-mail：wangdaqing318＠163．com。

①2015-03-15

解文芳（1982-），女，河北衡水人，工程師，主要從事陸地、海洋鉆機的研發。