钻井泵技术的新发展

钻井泵技术的新发展

随着钻探技术的发展，尤其是高压喷射钻孔、近平衡开挖、丛向固井、水平井等新技术的发展，井泵继续向高压、大排量和高压方向发展。作为钻机“心脏”的钻井泵,为泥浆的循环提供动力保障,其重要作用包括:及时带走岩屑、清洗井底,防止卡钻;平衡地层压力,稳定井壁,防止井塌、井喷和井漏;为井下动力钻具传递动力,协助钻头破碎岩石,提高钻井效率;冷却润滑钻头、钻具等。其性能水平和使用寿命同钻井速率和生产成本有着直接关系,同时其工作条件又十分恶劣,工况也异常复杂,因此,对钻井泵工作的可靠性和安全的要求也越来越高。1钻井泵的发展趋势自1901年美国德克萨斯州斯宾尔托普的第1口商业石油井开始至1960年前后,钻井泵全部为双缸双作用活塞泵(简称“双缸泵”)。20世纪60年代初期,市场急需压力和排量能适应喷射钻井工艺要求,同时体积小、质量轻,能满足当时海洋和沙漠钻井安装运输条件的钻井泵,最终于20世纪60年代末期诞生了三缸单作用活塞式钻井泵(简称“三缸泵”),并在数年内在当时的中、大功率钻井泵中完全取代双缸泵,至今已经主导钻井泵市场超过40a。近年来,在大功率钻井泵领域陆续出现了五缸、六缸等多缸钻井泵,例如:NOV公司的1765.2kW(2400hp)六缸泵、宝鸡石油机械有限责任公司的2206.5kW(3000hp)五缸泵等。总之,钻井泵发展的总体趋势为大功率、大排量、高泵压和轻量化,总体上对可靠性的要求不断提高,缸数由双缸到三缸再到多缸,有增加的趋势。随着井深的增加和高压喷射钻井等新工艺的发展,目前市场上主流的三缸泵以中、大功率为主,功率735.5~1618.1kW(1000~2200hp),设计最高压力由35MPa提高至52MPa左右。国内、外主要厂家及其大功率钻井泵基本参数如表1。国内外三缸泵的特点为:液力端为I型或L型结构,复合锥面阀胶皮,冷却缸套活塞的内孔为喷射移动式喷淋装置,直立式吸入空气包;动力端体外强力润滑系统,闭式内固定导板机构等。钻井技术的发展方向是提高时效、降低成本和采用能够降低成本的新工艺、新技术和新装备。运用大排量高压喷射钻井工艺即是这一趋向的必然选择,高压喷射则由高可靠性的钻井泵来保证。因此,合理降低泵的冲次、适当增加泵的冲程长度,既满足钻井过程中的排量要求,又能确保泵的自吸性能,充分发挥了泵的效能,成为今后钻井泵设计的发展方向。综合分析国内外钻井泵技术发展状况,预计未来几年内钻井泵技术会向着以下趋势发展:1)由于钻井深度的持续增加以及喷射钻井的需要,钻井泵会继续朝着低冲次、长冲程、高泵压、大功率等方向发展。2)设计过程中借助软件对钻井泵进行仿真分析和优化,使泵的结构更加科学合理,易损件寿命增加,可靠性水平也会相应提高。3)钻井泵的设计向着趋于标准化、系列化、通用化的方向发展,符合API标准。2大井泵技术的新发展和应用2.1理论排放量不均匀度以近年来陆续出现的五缸泵为例。相对于三缸泵,五缸泵的最大优点为理论排量及泵压不均匀度低,可直接去掉易损件空气包,还可间接提高缸套、活塞、阀总成等易损件的寿命。造成排量不均匀的根本原因在于曲柄连杆机构,但由于还没有找到更可靠的机构来取代它,所以目前仍在绝大多数钻井泵中应用。根据定义,钻井泵每一缸的瞬时排量为式中:A为活塞面积;u(t)为活塞瞬时速度。如果泵的冲数n保持恒定,则曲柄连杆机构的活塞速度相对于曲柄转角的函数近似为式中:R为曲柄半径;ω为曲柄角速度;λ为曲柄半径与连杆中心距的比值。可见,活塞速度的脉动是造成泵理论排量不均匀的根本原因,按奇数序列增加缸数可以大幅降低排量的不均匀度,如表2。表2中,不均匀度δq1、δq2、δq的计算公式分别为式中:Q′max为理论最大瞬时排量;Q′min为理论最小瞬时排量;为理论平均排量。在实际使用中,由于空气包的均衡作用,钻井泵的实际排量不均匀程度要低得多,三缸泵的不均匀度δq约为0.03~0.07;五缸泵的理论排量不均匀度δq仅约为三缸泵的1/3,与有空气包作用的效果相当。因此,理论上可以取消作为重要易损件之一的空气包。钻井泵排出压力的波动主要取决于排量的波动,但还会受其他因素的影响(例如:阀的开启与闭合、管路特性等)。五缸泵排量更加均匀,则排出压力也更加均匀,缸套、活塞、阀总成等易损件的寿命更长。2.2齿轮传动机构设计大功率钻井泵的额定冲数一般在100min-1左右,输入端交、直流电机转速约为1000r/min,从输入到输出需有约10倍的减速比。常规三缸泵通用的做法是泵动力端设置1对人字齿轮,减速比为3.5~5.5,其余2.0~2.5倍的减速由泵体外的皮带或链传动副来完成。近期出现的某新型大功率钻井泵采用了将泵体内外的齿轮副和皮带或链传动副合并为单独的齿轮减速箱的设计,如图1所示。这种设计更加体现了模块化的思想,将整个泵组分为底座、泵体、减速箱、动力单元4大部分,相互之间全部靠螺栓组连接,毋需现场调节皮带轮或链轮。此外,悬挂在三缸泵输入轴上的大皮带轮一般不进行动平衡试验,高速旋转中容易引起整个泵组的振动,由于齿轮是比较精密的机加工零件,运行更加平稳,传动效率更高。其结构特点是:采用模块化设计,拆装、移运方便;全加工锻造曲轴,不平衡质量小,运行平稳;曲轴多点支撑,强度高;十字头与中间拉杆之间使用关节轴承,可以从根本上减轻缸套活塞的偏磨;新型液缸,减小了体积和质量,吸入性能好,吸入阀更换方便;液力端的主要承压件全部为合金钢锻件,“无焊缝、无铸件”设计,提高了可靠性;减速机外置,电机顶置,提高了传动效率和精度。由于具备上述结构,该钻井泵拥有大功率、大排量、高泵压、排量及排出压力均匀、体积小、质量轻的特点,因此特别适用于海洋钻井平台或钻井船。2.3曲柄轴比偏心轮轴的优势曲轴大致分为偏心轮轴(如图2)、曲柄轴(如图3)、曲拐轴3类。目前,主导市场的三缸泵绝大多数采用偏心轮轴,少量的新型三缸或五缸泵采用曲柄轴,目前还没有钻井泵采用曲拐轴。偏心轮轴为2点支撑,要求曲轴自身及机架具有很大的刚性,否则对曲轴、机架和人字齿轮啮合等都不利。随着钻井泵功率逐步增加,曲轴的跨距也相应增大,如果仍然采用2点支撑的偏心轮轴,势必造成曲轴、机架的体积和质量大幅增加,进而造成整泵超重。偏心轮轴还具有偏心质量大的特点,过重的偏心轮轴工作时将产生非常大的旋转惯性力,虽然惯性力在x、y、z方向(分别对应于泵的纵向、垂向、横向)的合力为零,但对x轴和y轴的合力矩不为零,会引起泵的扭转和横摆。在大功率钻井泵设计中,曲柄轴明显优于偏心轮轴。曲柄轴为多点支撑,毋需为保证刚性而大幅增加曲轴、机架的体积和质量。此外,曲柄轴具有偏心质量小的特点,相同级别的曲柄轴的偏心质量仅为偏心轮轴的1/5左右,有利于提高钻井泵在高速运行时的平稳性。如图1所示新型钻井泵即采用了曲柄轴结构。2.4剖分式壳体钻井泵采用曲柄轴要求连杆大头轴承可剖分,否则无法装配。一般采用轴瓦结构,例如TMP1650型钻井泵、5NB2400GZ型钻井泵等。轴瓦对润滑油的清洁度、黏度要求非常高,但钻井泵正好在环境条件很差的野外工作,泥浆和水容易从拉杆密封处进入机架内腔,污染润滑油。因此,采用滑动轴承(轴瓦和衬套)的钻井泵必须要保证动力端密封可靠,并控制好润滑油的温度。在某型大功率钻井泵中首次引入了剖分式圆柱滚子轴承(如图4所示),其内圈、外圈和保持架均剖分为两半,安装时由高强度螺栓连接在一起,可以很方便地安装在曲柄轴上。剖分式滚动轴承在钢铁、采矿、风机、水泥、发电等行业应用较多,但在钻井泵领域属首次应用。钻井泵载荷属于重载、中等冲击,这对剖分轴承(尤其是剖分接缝的设计计算和无缝加工工艺)的设计和制造要求非常高。借助有限元软件精确计算零件的弹性变形,可以做到装配后轴承内圈的接缝接近为零,同时保证有足够的过盈装配力(防止跑圈)。通过在某型大功率钻井泵上的实践(厂内试验和油田工业性试验)证明:在钻井泵中采用剖分式圆柱滚子轴承是完全可行的,这可在一定程度上降低钻井泵对润滑油清洁度和黏度指标的要求,增强钻井泵对野外恶劣环境工况的适应能力。2.5缸套与成为因素自动校正缸套与活塞之间的偏磨是造成磨损失效的主要原因。按传统的结构,三缸泵的十字头与拉杆之间均采用固定连接,这种结构对机架、十字头、拉杆、缸套等零部件的机加工精度和装配精度要求很高,否则,缸套与活塞之间将由于同心度低而发生偏磨。某新型大功率钻井泵十字头与拉杆之间首次采用了球铰式活动连接,可自动校正缸套与活塞之间的同心度,这从根本上解决了缸套活塞的偏磨问题,从而大幅提高了两者的使用寿命。十字头表面喷涂巴氏合金,十字头导板采用孕育铸铁,摩擦副许用比压和许用线速度高,耐磨性能好。十字头和中间拉杆之间采用球铰头结构,不用调节十字头导板孔与前墙板孔之间的同心度,也不用调节十字头表面与导板孔表面的间隙。据统计,在油田工业性试验中,十字头与拉杆之间采用球铰式连接的钻井泵,其缸套活塞寿命提高了3~5倍。3缸泵取代三缸泵随着钻井泵向大功率、大排量、高泵压和轻量化方向发展,要求设计人员在结构设计等方面有所创新(例如:多缸泵、曲柄轴、剖分式滚动轴承、球铰