新型模塊化鉆井泥漿泵活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

朱曉梅 張志毅 李賁 鄭國棟

摘 要：簡介泵活塞工作原理與分類，分析泵活塞現(xiàn)場主要受損形式，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、耐磨損、不偏心、運(yùn)行平穩(wěn)、密封性能好、使用壽命長的模塊化泥漿泵活塞結(jié)構(gòu)，平均使用壽命達(dá)到500小時(shí)，大大提高鉆井效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：工作原理；受損形式；優(yōu)化結(jié)構(gòu)

泥漿泵是在鉆井過程中以高壓向井底輸送高粘度、大比重、含沙量較高鉆井液的大型設(shè)備，是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的“心臟”。實(shí)踐證明，泥漿泵在使用過程中最容易失效的就是缸套活塞組，降低了鉆機(jī)工作效率。提髙鉆機(jī)的工作效率，很大程度上取決于提高泥漿泵缸套活塞組的使用壽命。

1 鉆井泵活塞工作原理與傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

鉆井泵活塞充分利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作原理，在缸套內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)[ 1 ]。當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，排出閥在自重和壓差作用下關(guān)閉，吸入閥在壓差的作用下打開，將液體吸人泵腔；當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵腔內(nèi)壓力升高，在壓差的作用下吸入閥關(guān)閉、排出閥開啟，將液體壓入出口管道?；钊ぷ髟砣鐖D1所示。

1.2 傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)

目前，鉆井泵活塞從結(jié)構(gòu)上分基本分成兩大類，即整體式活塞和組裝式活塞。

如圖2所示，整體式活塞因皮碗硫化在鑄鐵的活塞芯子上，皮碗和芯子成一整體；更換時(shí)，皮碗和鋼芯一起換掉；且由于硫化粘結(jié)強(qiáng)度較差，皮碗容易起層而被撕裂，使得皮碗易從鋼芯上脫落，脫落的皮碗隨活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)極易進(jìn)入鋼芯法蘭與缸套的間隙，發(fā)生擠傷啃蝕。因此，該結(jié)構(gòu)活塞壽命短，更換頻繁，增加了鉆井成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)效率。

如圖3所示，單獨(dú)更換皮碗、鋼芯可重復(fù)使用的為組裝式活塞。組裝式活塞的皮碗套在鋼芯上，靠壓板和卡簧固定。其結(jié)構(gòu)較整體式牢固，皮碗不易從鋼芯上脫落；更換活塞時(shí)，取下卡簧和壓板，單獨(dú)更換磨損的皮碗，鋼芯原則上可以重復(fù)使用。組裝式活塞皮碗的過盈量可以調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)壓板和卡簧的松緊即可），而整體式則不能。

2 鉆井泵活塞傳統(tǒng)型應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，應(yīng)用的鉆井泥漿泵活塞多數(shù)為傳統(tǒng)組裝式活塞，適用于3NB系列、F系列泵。通過對油區(qū)井隊(duì)調(diào)研得知，活塞和缸套失效是鉆井泥漿泵發(fā)生故障的主要因素，這其中活塞磨損失效較為頻繁，是整臺泥漿泵最易磨損失效的部件，其平均使用壽命最低（見表1）；也就是說，在鉆井的生產(chǎn)過程中，由于活塞的失效，不得不停機(jī)對其進(jìn)行更換以恢復(fù)泥漿泵的技術(shù)性能，這不但增加了鉆井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了鉆井效率，而且會由于停機(jī)的頻繁和活塞的消耗量大使得經(jīng)濟(jì)效益受到很大的影響[ 2 ]。因此，延長活塞使用壽命對提升泥漿泵整體可靠性十分重要。

2.1 影響活塞壽命的主要因素

泥漿泵活塞在缸套內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，其壽命受自身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、使用條件等因素綜合影響。通過現(xiàn)場調(diào)研，泥漿泵活塞使用壽命的長短主要由鉆進(jìn)泵壓、沖次、活塞間隙決定。

2.1.1鉆進(jìn)泵壓、沖次

隨著鉆井深度的增加，泵壓、沖次升高，活塞磨損加劇，此時(shí)活塞自身的扶正作用無法削弱其磨損的不均勻性，導(dǎo)致活塞偏磨，直接縮短使用壽命。

2.1.2活塞間隙

活塞間隙值應(yīng)合理。值越小，雖然活塞鋼芯的護(hù)正作用就越好，但偏磨帶來的危險(xiǎn)就越厲害；反之，值越大，活塞皮材碗料向間隙流動(dòng)的可能性就越大，擠傷就越容易發(fā)生，活塞根部被啃傷的可能性就越大[ 3 ]。

2.2 活塞主要受損形式

2.2.1皮碗腐蝕

泥漿泵活塞受鉆井液中常含有的原油、柴油等油類及各種化學(xué)處理劑等不利環(huán)境影響，長時(shí)間與鉆井液接觸極易造成皮碗腐蝕；尤其是施工堿井，其工作環(huán)境更加惡劣。

2.2.2磨粒磨損

在鉆井過程中，更換下的活塞表面常見有大小不一、分布不均勻的小麻坑，甚至有磨損溝槽，產(chǎn)生刺傷；這說明，活塞發(fā)生了磨粒磨損失效。

2.2.3皮碗擠傷

在鉆進(jìn)過程中，活塞與缸套間的密封靠得是皮碗的膨脹。當(dāng)活塞與缸套的配合間隙過小甚至產(chǎn)生過盈現(xiàn)象時(shí)，在摩擦力的多次重復(fù)作用下，由于皮碗變形的不均勻性和橡膠的局部老化，導(dǎo)致活塞皮碗根部進(jìn)入到鋼芯與缸套間隙中造成剪切擠壓損傷[ 4 ]。

3 新型模塊化泥漿泵活塞結(jié)構(gòu)

為延長泥漿泵活塞使用壽命，解決傳統(tǒng)型活塞受損問題，對泥漿泵活塞結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)和完善，研制出一種結(jié)構(gòu)相對簡單、工作牢固可靠、耐磨損、不偏心、運(yùn)行平穩(wěn)、密封性能好、使用壽命長的新型模塊化泥漿泵活塞，平均使用壽命達(dá)500小時(shí)，提高鉆井效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型模塊化活塞結(jié)構(gòu)（見圖4）包括金屬芯（1）、導(dǎo)向環(huán)（2）、皮碗（3）、皮碗支撐架（4）、壓板（5）和保護(hù)板（6）。在金屬芯⑴上安裝導(dǎo)向環(huán)（2），導(dǎo)向環(huán)（2）外端面加工過濾槽（7）；在導(dǎo)向環(huán)（2）上安裝皮碗支撐架（4）和皮碗（3），皮碗（3）和皮碗支撐架（4）整體粘接成型，皮碗（3）上端中心處設(shè)置水槽（8），皮碗（3）和導(dǎo)向環(huán)（2）光滑過渡；在皮碗（3）上安裝壓板（5），壓板（5）上安裝保護(hù)板（6），同時(shí)在壓板（5）上設(shè)置流通孔（9），壓板（5）和保護(hù)板（6）連接面設(shè)置定位銷（10），保護(hù)板（6）上設(shè)置過濾孔（11）。

3.2 主要優(yōu)點(diǎn)

1）本結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)活塞唇部及背部的密封作用，扶正作用更好，防止活塞偏心而碰撞缸套，能更加有效的保護(hù)缸套。

2）壓蓋表面增加的水眼，活塞皮碗增設(shè)水槽。在活塞的抽吸過程中，泥漿通過水眼壓入水槽內(nèi)，使膠皮產(chǎn)生膨脹；膠皮表面有磨損時(shí)，會導(dǎo)致密封不嚴(yán)；而通過膠皮膨脹可以起到磨損補(bǔ)償作用，增強(qiáng)密封性，起到同時(shí)延長活塞和缸套的壽命雙重效果。

3）新型活塞的模塊化設(shè)計(jì)，每一個(gè)零部件可以根據(jù)磨損情況隨時(shí)更換，不需要專用工具，克服傳統(tǒng)老式活塞整體更換的缺點(diǎn)，節(jié)約成本。

4 應(yīng)用研究

首組新型模塊化活塞在河南鉆井7隊(duì)施工的HV027-8井2#泥漿泵試用。一開前，在2#泥漿泵安裝了3個(gè)新型模塊化活塞，1#泵安裝了傳統(tǒng)型組裝式活塞。在盡量確保兩臺臺泥漿泵在使用時(shí)間基本相同的條件下，完井井深3513m，全井泵壓8～15MPa、泥漿密度1.25～1.33g/cm3、粘度30～35s、排量40L/s，新型活塞在整個(gè)使用過程中未發(fā)現(xiàn)異常情況，2#泥漿泵一直未更換活塞，使用時(shí)長約525h；而使用傳統(tǒng)活塞的1#泥漿泵更換了3個(gè)活塞。

該組新型模塊化活塞繼續(xù)在河南鉆井7隊(duì)施工的BC9井2#泥漿泵使用；鉆深約700m時(shí)，安裝新型活塞的2#泥漿泵泵壓下降；經(jīng)檢修，查出原因?yàn)橛幸粋€(gè)缸的活塞膠皮磨損嚴(yán)重，2#泥漿泵更換1個(gè)活塞；而使用傳統(tǒng)活塞的1#泥漿泵更換了2個(gè)活塞。經(jīng)測驗(yàn)，新型模塊化活塞累計(jì)使用時(shí)長約621h。

通過現(xiàn)場應(yīng)用，與傳統(tǒng)型活塞相比，該新型模塊化活塞結(jié)構(gòu)新穎、使用壽命長，至少為傳統(tǒng)活塞的2～4倍，大大減輕了員工勞動(dòng)強(qiáng)度；應(yīng)用新型模塊化活塞，降低了設(shè)備修理時(shí)間，具有節(jié)能、高效等特點(diǎn)，創(chuàng)收顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

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