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摘要：针对目前钻井泵存在质量大、排量小、易损件寿命低等问题，考虑冲程和冲次对其影响大，提出对钻井泵进行冲程与冲次合 理匹配的标准方案。首先在分析五缸单作用钻井泵冲程S与冲次n 对泵的活塞运动和性能参数影响的基础上，查阅国内现有数据和 资料，绘制出已有五缸泵n-S 型谱图，其次由型谱图的限制线确定五缸泵活塞速度nS 和最大瞬时加速度n2S 最大值，nS ≤36.n2 S ≤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，本着“适当增加冲程，合理降低冲次” 方法，提出五缸泵冲程S和冲次n 的修订建议。此方法在现有泵的尺寸不变、结构保持的前提下，冲程S大的中速泵nS 和冲程S 小的高速泵n2S 值显著降低，符合限制线规定。
关键词：五缸单作用钻井泵,冲程S,冲次n,n-S 型谱图
Reasonable Matching of Stroke and Stroke Times of Five-cylinder Single-acting Drilling Pump
Sun Longhuan，Bai Rulin，Sun Peng，Hou Xianggang
( School of Mechanical Engineering，Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065.China )
Abstract：Aiming at the problems of large mass，small displacement and low life of wearing parts of drilling pump，considering the great influence of stroke and stroke times，a standard scheme of reasonable matching of stroke and stroke times of drilling pump was proposed.First of all，on the analysis of the impact and the single-acting cylinder drilling pump stroke S five times n on performance parameters of the pump piston movement and influence，on the basis of consulting domestic existing data and information，map out for five cylinder pump navier-stokes spectrum diagram.Secondly by the limit line spectrum diagram five cylinder piston pump speed nS and maximum instantaneous acceleration maximum n2 S，nS ≤ 36.n2 S ≤ 5 000.Finally，the factors affecting stroke S and stroke n of five-cylinder pump，the adjustment of pump displacement and the correct use of five-cylinder pump were discussed.Based on the method of"appropriately increasing stroke and reasonably reducing stroke"，the suggestions for revising stroke S and stroke n of five-cylinder pump were propose.On the premise that the size and structure of the existing pump remain unchanged，the n2 S values of the medium speed pump with large stroke S and the high speed pump with small stroke S are significantly reduced，which conforms to the limit line.
Key words：five-cylinder single-acting drilling pump;stroke S;stroke number n;n-S type spectrum
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n2 S 最大值，nS≤36.n2 S ≤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~ 2 π 是液压缸吸入过程[8]。
活塞位移：S = r ( 1 + cosφ -sin2 φ )
活塞速度：v = -rω ( sinφ +sin2 φ)
活塞加速度：a = -rω2 ( cosφ + λ cos2 φ)
式中：φ 为曲柄轴的转角，φ =ω ·t;r 为曲柄半径，m;S 为钻井泵冲程，S = 2 r，m;ω 为曲轴转动的角速度，rad/s;λ 为曲柄连杆比，λ =r/L;t 为曲轴转动时间，s。
通常来说，活塞只有在一定的平均速度rω 和最大瞬 时加速度rω2 内，才能保证钻井泵的工作性能和可靠性。
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：
五缸单作用钻井泵的瞬时流量Qt 可以表示为：
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。
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：α = α i η V (7 )
式中：α i 为充满度，无能量损失，冲次由高到低，钻 井液密度由高到低，α i =0.88 ~ 0.99;η V 为容积效率， η V = Q-QΔ Q V，( Q 为实际排量，ΔQ V 为容积损失)，有 能量损失，η V =0.98 ~ 1.在各类五缸钻井泵中均默认
η V = 1 。
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
N = N输出+ ΔN机械+ ΔN容积+ ΔN水力p2 Qs或N =η
式中：η 为五缸钻井泵总效率，η =NN(输)出=η机械η 容积η 水力， 五缸钻井泵的总效率η 取值范围为0.75 ~ 0.85.
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n2 S，如表2所示。
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.n2 S=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。
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∝p α vβ，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hmax n =800 ~ 1 000.h max 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，n2 S ≥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n2 S 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p1A 1 =p2 A 2 = …=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p1 Q 1 =p2 Q2 = …=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。
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1200 m 的井，单 泵配1300 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。
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 n2 S =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n2 S =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，n2 S ≈3 100 m/min2 是合适方法，可供五缸泵参考修订。
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