輕型鉆井泥漿泵的研制與開發(fā)

盧 杉

石油被稱為是國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的“血液”，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的命脈，世界各國都把石油開采和保障石油供應(yīng)安全放在國家戰(zhàn)略的重要地位。作為鉆井循環(huán)系統(tǒng)的“心臟”，泥漿泵在鉆井過程中起到不可或缺的作用：以高壓經(jīng)軟管、水龍頭及鉆桿柱中心孔向井底輸送高粘度、大比重和含砂量較高的鉆井液，用以冷卻鉆頭、沖刷井底、破碎巖石，從井底返回時攜帶出巖屑。鉆泥漿泵工作依賴于調(diào)速和排量的穩(wěn)定性，工作環(huán)境惡劣，故其設(shè)計(jì)制造要求較高[1]，見圖1。

圖1 鉆井泥漿泵的結(jié)構(gòu)

1.鉆井泥漿泵研究現(xiàn)狀

隨著對原油的依賴程度不斷加深，我國加大了石油鉆采設(shè)備研發(fā)的力度，制造水平基本上能夠?qū)崿F(xiàn)自給，但現(xiàn)代先進(jìn)的鉆采設(shè)備即超深鉆井泥漿泵設(shè)備與國外先進(jìn)水平還有不小差距。

目前海洋深水油氣田的開發(fā)依靠遠(yuǎn)洋石油鉆井平臺，鉆井深度不斷加深，要求更換大功率和高壓力的石油鉆井泥漿泵，現(xiàn)有技術(shù)為增加泥漿泵的功率和壓力，采用改變泥漿泵本身的體積和結(jié)構(gòu)件的尺寸，增加了泥漿泵的體積和重量。深海鉆井中泥漿泵的運(yùn)輸采用直升飛機(jī)吊裝，泥漿泵的體積和重量不斷增大，其運(yùn)輸和使用受到極大限制。因此，深海鉆井開發(fā)研究大功率、輕便型鉆井泥漿泵迫在眉睫。

國產(chǎn)泥漿泵存在的問題：機(jī)體體積龐大，鉆井泵重量大，難以適應(yīng)現(xiàn)代輕便鉆機(jī)的要求，制約著鉆機(jī)的移運(yùn)性；對大功率泥漿泵的設(shè)計(jì)主要依賴于經(jīng)驗(yàn)，其關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)主要參考國外同類泥漿泵的設(shè)計(jì)尺寸，沒有進(jìn)行過定量的理論研究。

2.研究達(dá)到的目的

旨在為大功率泥漿泵關(guān)鍵零部件尤其是泵體和連桿的設(shè)計(jì)提供理論與技術(shù)依據(jù)，以提高我國泥漿泵的國產(chǎn)化水平，逐步擺脫對國外同類產(chǎn)品的依賴。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的輕型泥漿泵主要應(yīng)用于國內(nèi)外大型石油鉆井平臺，JF-1000型泥漿泵在不增加整套設(shè)備重量的前提下，達(dá)到JF-1300型泥漿泵的功率和壓力，可以同時滿足1000HP和1300HP不同的工況條件，只需更換相應(yīng)電機(jī)就能夠提高泥漿泵的功率等級，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，有效降低了生產(chǎn)成本。本項(xiàng)目技術(shù)先進(jìn)，設(shè)計(jì)合理，在輕型泥漿泵關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面有創(chuàng)新。

3.關(guān)鍵技術(shù)問題主要研究內(nèi)容

JF-1300輕型泥漿泵存在的主要關(guān)鍵技術(shù)問題有以下幾點(diǎn)。

（1）大齒圈和小齒輪軸的材料和工藝研究；

（2）在 1300HP工況下，對 JF-1000泥漿泵泵體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

（3）在 1300HP工況下，對 JF-1000泥漿泵連桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

研究時先從理論分析泥漿泵動力端，找出影響動力端性能的參數(shù)，然后用UG三維軟件進(jìn)行建模，有限元軟件Abaqus動態(tài)仿真并優(yōu)化設(shè)計(jì)：首先對1000HP三缸單作用泥漿泵動力端的曲柄連桿式三缸泵進(jìn)行分析，然后用UG構(gòu)建三維模型和運(yùn)動仿真，在1300HP工況下運(yùn)用有限元軟件ABaqus進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，結(jié)果見圖2、圖 3，解決了目前由曲柄連桿驅(qū)動存在的問題[3]。

圖2 連桿應(yīng)力分析結(jié)果

圖3 出現(xiàn)在曲軸和連桿軸承處的應(yīng)力分析

在此基礎(chǔ)上，分析小齒輪軸和大齒圈的工況，通過改變材料、熱處理工藝和機(jī)加工工藝滿足高一級功率下承載要求；對泥漿泵動力端三維建模；泥漿泵動力端建立了動力學(xué)模型并進(jìn)行了仿真分析；泥漿泵動力端部分部件進(jìn)行了應(yīng)力、應(yīng)變分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過動力端優(yōu)化研究，獲得了泵優(yōu)化參數(shù)，圖4、圖5[4]。

圖4 曲軸的最大壓應(yīng)力分析

圖5 曲軸軸承座與側(cè)板的焊縫接觸處最大應(yīng)力

4.優(yōu)化結(jié)果

（1）改變小齒輪軸材料和兩齒輪加工工藝，增加JF-1000小齒輪軸和大齒圈的整體硬度和齒面硬度，保證兩個齒輪在1300HP工況下強(qiáng)度和硬度足夠。

（2）在泥漿泵1300HP工況下，對JF-1000HP機(jī)殼最大受力條件進(jìn)行有限元分析，判斷機(jī)殼的應(yīng)力集中部位和危險(xiǎn)部位主要集中在兩側(cè)板與曲軸軸承座、隔板連接位置，對機(jī)殼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）通過對連桿最大受力條件進(jìn)行有限元分析，得到最大應(yīng)力位于連桿大頭與桿身的過渡圓角處，把桿身實(shí)體結(jié)構(gòu)改為工字鋼結(jié)構(gòu)，并且減少連桿兩頭壁厚，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過本項(xiàng)目的研究，為JF1300輕型泥漿泵關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

（1）將 1000HP泥漿泵小齒輪軸和大齒圈的整體硬度和齒面硬度分別增加15%和20%，提高齒輪的耐磨性和承載能力，保證齒輪在1300HP工況下強(qiáng)度和硬度足夠。工藝流程:齒坯粗加工-調(diào)質(zhì)-齒坯精加工-齒面加工-齒面激光淬火-磨齒，小齒輪軸的整體布氏硬度為HB255～295，兩齒輪齒面的洛氏硬度為HRC50～55。

（2）根據(jù)有限元分析結(jié)果，針對設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)以及安全系數(shù)過大的尺寸，對泵體關(guān)鍵部位及連桿進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（3）在節(jié)約材料的基礎(chǔ)上，改進(jìn)的泥漿泵泵體及關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)尺寸能滿足1300HP泥漿泵的工作要求。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的泥漿泵主要應(yīng)用于國內(nèi)大型石油鉆井平臺，在不增加重量的前提下，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，使泥漿泵產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化成為可能。

該項(xiàng)目將具有廣闊的市場前景，為保證該項(xiàng)目研究成果的推廣應(yīng)用，采取以下措施：與國內(nèi)泥漿泵生產(chǎn)企業(yè)深入合作，加大合作力度，力爭將此技術(shù)推廣，以期使泥漿泵產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，建立適合自身的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；提高功率泥漿泵的國產(chǎn)化水平，使國內(nèi)石油鉆采設(shè)備行業(yè)逐步擺脫對國外設(shè)計(jì)技術(shù)的依賴。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前對于輕系列鉆井泵的需求，國際市場每年用于遠(yuǎn)洋石油鉆井及其他煤田、礦產(chǎn)、水利等在2000臺以上。該技術(shù)在滿足使用的情況下提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，降低了成本，提高了利潤，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

[1]楊琴.國內(nèi)外鉆井泥漿泵發(fā)展概況[J].機(jī)械工程師，2008(10)：63-64.

[2]宋保華，王立梅，賀建隆.三缸單作用泥漿泵曲軸受力分析[J].化學(xué)工程與裝備，2011(6).

[3]郭紹波.F-1600往復(fù)式泥漿泵機(jī)體有限元分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.

[4]王建平，張盼盼，等.1800HP型泥漿泵泵體有限元仿真分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].機(jī)械工程師，2017（1）.