梁慶榮，王濤濤，張友軍，謝 冬，程 寓

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

基于陸地資源油氣資源開(kāi)采逐漸枯竭的現(xiàn)狀，海上以及非常規(guī)油氣田的勘探與開(kāi)發(fā)需要大排量、高泵壓的鉆井泥漿泵。分析與優(yōu)化鉆井泥漿泵結(jié)構(gòu)是提高泵壓和排量以及控制整體質(zhì)量和占地面積的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于鉆井泥漿泵的動(dòng)力端結(jié)構(gòu)和液力端水力分析做了大量研究。張洪生等[1]對(duì)不同功率、不同型號(hào)鉆井泵泵閥做參數(shù)化虛擬設(shè)計(jì)；徐靜等[2]基于五缸泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于液力端流場(chǎng)入口壓力與泄漏量進(jìn)行分析；張洪生等[3]分析開(kāi)啟閥與關(guān)閉閥滯后角對(duì)于空氣包排出管路流量脈動(dòng)。目前，鉆井泵在鉆完井的實(shí)際應(yīng)用中主要以三缸泵為主，高沖次使得易損件的使用壽命極大地降低，長(zhǎng)沖程增加泥漿泵的占地面積，依靠增加泵速和沖程來(lái)提高排量、泵壓，難以滿足非常規(guī)油氣田勘探與開(kāi)發(fā)實(shí)際需求。因此，設(shè)計(jì)高泵壓、大排量五缸鉆井泥漿泵對(duì)于實(shí)際鉆井作業(yè)具有實(shí)際意義。

針對(duì)海上鉆井泥漿泵減重設(shè)計(jì)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)3 200 HP長(zhǎng)沖程大排量輕量化五缸單作用泥漿泵，該泥漿泵技術(shù)參數(shù)如表1所示。經(jīng)過(guò)液力端的水力性能分析，得以優(yōu)化泥漿泵曲軸連桿機(jī)構(gòu)以及泵閥結(jié)構(gòu)參數(shù)。其還有大排量、長(zhǎng)沖程、低沖次、低能耗、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)，間接提高易損件的使用壽命，更適合非常規(guī)油氣領(lǐng)域大型鉆采作業(yè)。在持續(xù)作業(yè)工況下,泥漿泵的泵閥較常規(guī)作業(yè)更容易損壞，需要使用壽命更長(zhǎng)、可靠性更高的泥漿泵泵閥來(lái)滿足這種非常規(guī)作業(yè)工況[4]。

表1 3 200 HP泥漿泵技術(shù)參數(shù)

1 鉆井泵水力學(xué)分析

1.1 柱塞運(yùn)動(dòng)特性分析

泥漿泵的液力端選擇直通型結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕，缸內(nèi)余隙流道長(zhǎng)度短，有利于自吸[1]。柱塞和十字頭作為聯(lián)結(jié)體，在同一水平面上柱塞和十字頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致，分析柱塞的運(yùn)動(dòng)即分析十字頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

曲軸連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)如圖1所示，柱塞行程的原點(diǎn)在后死點(diǎn)，以向軸右側(cè)為正方向，則作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞十字頭部分的運(yùn)動(dòng)方程如式（1）～（3）所示；柱塞的位移s、速度u、加速度a與一階簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)分量的圖形如圖2所示。

圖1 連桿運(yùn)動(dòng)分析

圖2 柱塞的位移s、速度u、加速度a與曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系

由于連桿的存在，柱塞在吸入（排出）沖程運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱，在吸入沖程的前半沖程，柱塞從前死點(diǎn)出發(fā)，曲柄轉(zhuǎn)角還未轉(zhuǎn)過(guò)90°，柱塞已經(jīng)到達(dá)沖程中點(diǎn)。在吸入沖程與之相反，曲柄轉(zhuǎn)角需要轉(zhuǎn)過(guò)90°，柱塞才能到達(dá)沖程中點(diǎn)，λ 值越大，柱塞延遲到達(dá)時(shí)間越久。此外，速度和加速度在柱塞運(yùn)動(dòng)中也受到連桿的影響，在吸入沖程，柱塞到達(dá)行程中點(diǎn)時(shí)候，速度并未達(dá)到最大值，加速度也沒(méi)有減小到零值；在排出沖程，柱塞還未到達(dá)行程中點(diǎn)時(shí)候，速度達(dá)到最大值，加速度已經(jīng)減小到零值[2]。

1.2 五缸泵理論排量

鉆井泥漿泵的活塞在液缸中往復(fù)1 次，排出SA容積的介質(zhì)，泵在單位時(shí)間內(nèi)排出的介質(zhì)體積稱為泵的理論排量Qs。在每一時(shí)刻排出管匯測(cè)得的流量為瞬時(shí)流量Q(t)。如果泥漿泵的沖次恒定不變，理論排量也恒定，則瞬時(shí)排量是成脈動(dòng)變化的。

五缸單作用泥漿泵的理論排量為：

五缸單作用泵的瞬時(shí)流量Q(t)可以表示為：

式中：A 為活塞的截面積；r 為曲柄的半徑；ω 為曲柄軸的角速度；φm為曲柄軸的轉(zhuǎn)角。

五缸單作用泥漿泵在（0～2 π）周期的具體公式展開(kāi)為[3,5]：

從式中可以看出，Q(t)在0～2π/5、2π/5～4π/5、4π/5～6π/5、6π/5～8π/5、8π/5～2π 這5個(gè)區(qū)間波形是相同的。因此，只需要研究式（6）中的0～2π/5區(qū)間的波形圖，就可以了解五缸泵瞬時(shí)排量的特點(diǎn)。

當(dāng)φm=0～π/5 時(shí)，瞬時(shí)流量Q(t)1為：

當(dāng)φm=π/5～2π/5 時(shí)，瞬時(shí)流量Q(t)2為：

五缸泥漿泵的流量特性曲線如圖3所示，對(duì)比三缸和五缸流量特性曲線可以清楚地看出三缸泥漿泵流量波動(dòng)情況比五缸泥漿泵大，在相同排量下，三缸泵的沖次遠(yuǎn)高于五缸泵，泥漿對(duì)易損件泵閥的沖擊磨損更加嚴(yán)重，五缸泥漿泵易損件及排出管匯的使用壽命更久。

圖3 五缸泥漿泵流量特性曲線

1.3 五缸泵容積效率

泵的實(shí)際排量與理論排量之比被稱為容積效率，容積效率可作為選取泥漿泵的重要參數(shù)和性能指標(biāo)。

單作用泥漿泵的容積效率公式如下：

1.3.1 容積損失

泥漿泵正常工作（介質(zhì)可以充滿液缸，沒(méi)有汽化和氣體析出）的容積損失主要包括以下3個(gè)方面：

（1）因?yàn)闇笮?yīng)，在吸入閥和排出閥關(guān)閉瞬間介質(zhì)回流；

（2）介質(zhì)液體中不同程度含有一定氣體，高壓下液體被壓縮到液缸的死區(qū)位置不能完全排出；

（3）排出過(guò)程，高壓介質(zhì)通過(guò)吸入閥、缸套密封圈等泄漏。

泥漿泵正常工作的泵壓與容積示功圖如圖4所示。

圖4 泥漿泵泵壓容積示功圖

（1）1～2 階段：1 點(diǎn)位置，柱塞從排出過(guò)程結(jié)束即將進(jìn)入吸入過(guò)程，排出閥開(kāi)始關(guān)閉；2點(diǎn)位置，排出閥滯后φd角度后關(guān)閉，ΔVd體積的介質(zhì)經(jīng)排出閥回流液缸，ΔVl體積的介質(zhì)經(jīng)過(guò)液力端密封圈流失，此刻液缸內(nèi)部壓力等于排出口壓力Pd。

（2）2～3 階段：3 點(diǎn)位置，Vc+ΔVd體積的高壓介質(zhì)壓力達(dá)到Pmin時(shí)，吸入閥開(kāi)啟吸入沖程開(kāi)始。

（3）3～4 階段：4 點(diǎn)位置吸入沖程結(jié)束，吸入閥開(kāi)始關(guān)閉，在吸入沖程的平均壓力為Ps。

（4）4～5 階段：5 點(diǎn)位置吸入閥關(guān)閉，滯后角為φs，有ΔVs體積的介質(zhì)從液缸吸入閥流出，氣液總體積為（Vh+Vc-ΔVs）。

（5）5～6（5～7）階段：因?yàn)榻橘|(zhì)的可壓縮性、液缸結(jié)構(gòu)彈性和介質(zhì)內(nèi)部氣體原因，隨著排出沖程開(kāi)始，液缸內(nèi)部壓力增加，介質(zhì)減小了ΔVg體積。若介質(zhì)內(nèi)部不含氣體，在5～7 階段，減小的體積為ΔVp。

（6）6～1（7～1）階段：6（7）點(diǎn)位置液缸內(nèi)部壓力達(dá)到Pmax，排出閥開(kāi)啟，排出沖程開(kāi)始。柱塞再次回到1 點(diǎn)位置時(shí)，液缸排出體積介質(zhì)排出，排出閥開(kāi)始關(guān)閉。

根據(jù)圖4 可以得到排除壓力下泥漿泵容積效率為：

1.3.2 容積效率

當(dāng)液缸壓力等于Ps時(shí)，假設(shè)總體積為(Vm+Vg)的介質(zhì)中純液體體積為Vm，氣體體積為Vg，則介質(zhì)的含氣率為：

吸入沖程結(jié)束，液缸中氣體體積為：

排出閥開(kāi)啟時(shí)液體體積減小量為：

通過(guò)對(duì)比三缸泵10-P-130的參數(shù)ε和C，3 200 HP缸泥漿泵的容積效率ηv計(jì)算如表2所示。

表2 3 200 HP缸泥漿泵的ηv 計(jì)算值

當(dāng)介質(zhì)含氣，為保證泥漿泵正常工作，含氣率K最小值為：

由表2 中3 200 HP 五缸泥漿泵ηv計(jì)算值以及式（16）可以看出，當(dāng)介質(zhì)含氣時(shí)，泥漿泵的容積效率主要取決于含氣率K和參數(shù)ε，φ0的影響相對(duì)較小，所以可以將容積效率簡(jiǎn)化為[6]:

通過(guò)對(duì)比五缸與三缸泵10-P-130 同等壓強(qiáng)下的容積效率，五缸泵的容積效率高于三缸泵1%；相同壓強(qiáng)下，五缸泵排出的流量也比三缸泵高出許多，提高了泥漿泵的水力傳遞效率及能力。

2 泥漿泵液力端閥隙流場(chǎng)分析

2.1 泵閥運(yùn)動(dòng)分析

泵閥的主要零件有閥盤、閥座、彈簧、導(dǎo)向裝置和密封圈，分析泵閥的運(yùn)動(dòng)可以近似等同于研究閥盤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。泵閥的主要作用是，通過(guò)控制液壓缸和吸入管及排出管的交替接通或阻隔，使泥漿單向流動(dòng)，從而進(jìn)行鉆完井作業(yè)。

泵閥結(jié)構(gòu)的工作原理如圖5 所示。在吸入沖程，液壓缸內(nèi)部形成局部真空。在液缸內(nèi)外壓差作用下，吸入閥打開(kāi)，吸入管中的泥漿在大氣壓力下涌入液缸，排出閥閥盤在自重、彈簧力以及液體壓差作用下，迅速落到閥座上，將液壓缸與排出管阻隔；當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)到右死點(diǎn)位置，吸入沖程終止，排出沖程即將開(kāi)始，液壓缸內(nèi)的泥漿推動(dòng)排出閥閥盤上升，在壓力作用下，從閥盤與閥座的間隙流入排出管，此時(shí)吸入閥在自身重力、彈簧力以及液壓缸內(nèi)部壓力作用下，迅速落到閥座上，將液壓缸與吸入管阻隔。

圖5 吸入閥工作原理

2.2 泵閥設(shè)計(jì)

泵閥作為泥漿泵關(guān)鍵的易損件，泵閥工作的好壞程度，直接關(guān)系到泥漿泵的工作效率和壽命。泥漿泵的吸入閥、排出閥大多采用自動(dòng)閥，只有在輸送高黏度流體介質(zhì)時(shí)，為保證泵閥能夠及時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的情況下，才會(huì)采用強(qiáng)制閥[7]。

錐形閥屬于自動(dòng)閥中的彈簧閥，其流道相對(duì)平滑，過(guò)流能力較強(qiáng)，水力損失較小，密封性能良好，常用于輸送高壓，高黏度介質(zhì)。錐形閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 錐形閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖7 Fluent求解流程圖

Fluent 軟件分析流體性能的過(guò)程主要有建立結(jié)構(gòu)模型、劃分網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件和流體參數(shù)、求解計(jì)算、結(jié)果分析。求解的流程圖如圖7所示。

2.3 閥隙流場(chǎng)Fluent建模

泥漿介質(zhì)經(jīng)液缸內(nèi)外壓差作用下，由吸入閥流經(jīng)閥腔，自排出閥流出。泥漿作為賓漢理想塑性流體，在泵閥開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程，閥隙間的流速可以達(dá)到3 m/s，抵抗剪切變形能力顯著降低，切應(yīng)力與變形速率之間呈線性關(guān)系，表現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì)。

根據(jù)前面設(shè)計(jì)計(jì)算，構(gòu)建泵閥結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)模型如圖8所示，泥漿流經(jīng)閥隙的通道命名為閥隙流場(chǎng)，為方便計(jì)算，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的流場(chǎng)如圖9所示。盡管閥隙流場(chǎng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的模型比較規(guī)整，出口邊緣仍然存在尖角，因此在Fluid Flow模塊的mesh中局部控制采用Hex Dominent Method 非結(jié)構(gòu)方法來(lái)劃分網(wǎng)格，閥隙流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖10 所示，最終得到97 871 個(gè)節(jié)點(diǎn)，106 912 個(gè)六面體網(wǎng)格。設(shè)置模型的底面為速度入口，命名為inlet；結(jié)構(gòu)的上半部分環(huán)形圓柱側(cè)面為壓力出口，命名為outlet；將剩余的表面都設(shè)置為wall[8]。

圖8 泵閥三維結(jié)構(gòu)模型

圖9 簡(jiǎn)化閥隙流場(chǎng)

圖10 網(wǎng)格劃分

2.4 泵閥閥隙流場(chǎng)Fluent計(jì)算分析

在Fluent求解器中導(dǎo)入網(wǎng)格，首先進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查check，設(shè)定該時(shí)刻下的介質(zhì)流動(dòng)為瞬態(tài)流動(dòng)（Transient），流動(dòng)方程類型為k-epsilon2 eqn 湍流模型，采用Realizable 計(jì)算方法。對(duì)流體域的上半部分設(shè)定為鋪層動(dòng)網(wǎng)格，假設(shè)閥盤在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中呈勻加速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)五缸泵每分鐘工作100沖次，每轉(zhuǎn)一圈耗時(shí)0.3 s，閥盤運(yùn)動(dòng)的行程為19.05 mm，可以求出加速度為0.423 m/s2。在UDF 中編譯閥盤運(yùn)動(dòng)的速度程序，最后將程序?qū)肭蠼馄魍瓿蓜?dòng)網(wǎng)格設(shè)置。流體的材料添加新物質(zhì)泥漿，其物理參數(shù)密度（Desity）為1 300 kg/m-3；黏 度（Visosity）設(shè) 置 為10-3kg/(m?s)；等壓比熱（Specific Heat）設(shè)定為2 800 J/(kg?K)；導(dǎo)熱系數(shù)（Thermal Conductivity）為1.5 W/(m?K)；流體入口速度設(shè)定為1.578 36 m/s；出口壓力設(shè)定為2.9×107MPa。處理方法采用Cou?pled算法，湍流強(qiáng)度以及其他條件設(shè)置采用軟件默認(rèn)值保持不變；將殘差精度等級(jí)設(shè)定為10-6，采用Stan?dard Initialization 從inlet 進(jìn)行初始化。開(kāi)始計(jì)算時(shí)將時(shí)間步數(shù)設(shè)為40 步，每一步的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.01 s，每一時(shí)間步迭代20次。計(jì)算結(jié)束可以得到如圖11所示的殘差動(dòng)態(tài)。由圖可以看出，當(dāng)?shù)?00 步左右，方程計(jì)算的變量開(kāi)始趨于平衡，所有變量的殘差值都降到低于10-3時(shí)，進(jìn)出口流量守恒基本無(wú)差別，計(jì)算結(jié)果不再隨著迭代的進(jìn)行發(fā)生變化，就可以認(rèn)為迭代計(jì)算結(jié)果收斂。

通過(guò)Fluent 軟件的后處理模塊CFD-Post 對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，生成閥隙的速度、壓力矢量圖和分布圖，如圖12～14 所示。從圖可以看出，泥漿介質(zhì)從閥座孔經(jīng)過(guò)閥隙排出的過(guò)程中，基本是沿著閥盤的中心線方向流動(dòng)，直到與泵閥的閥盤底面發(fā)生沖撞，泥漿運(yùn)動(dòng)的速度方向及大小隨之改變。流體從進(jìn)入閥隙到流出閥隙的過(guò)程中隨著閥盤與閥座之間間隙變小，泥漿的速度越來(lái)越大，靠近泵閥出口處速度達(dá)到最大值3.05 m/s。泥漿在流動(dòng)時(shí)，由于泥漿介質(zhì)有黏度，越靠近泵閥的壁面，泥漿越體現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì)，泵閥壁面處介質(zhì)的速度為0。接近閥盤底面的泥漿要大于流經(jīng)閥座上表面流動(dòng)速度，因此從流體沖蝕的角度考慮，適合在閥座上表面黏結(jié)密封圈。

圖11 殘差動(dòng)態(tài)

圖12 速度流線分布

圖13 速度矢量分布

圖14 平面速度云圖

通過(guò)圖15 流體域的平面壓力云圖可以看出，在泥漿泵缸徑180 mm時(shí)，泥漿介質(zhì)流經(jīng)閥座孔，在流動(dòng)時(shí)對(duì)閥盤底面不斷沖擊產(chǎn)生最大壁面壓力2.901×107Pa，隨著撞擊過(guò)后流體方向改變經(jīng)過(guò)閥隙，遠(yuǎn)離閥盤中心的這部分流體抵消了部分從閥座孔流入流量的壓力沖擊。當(dāng)泥漿介質(zhì)流向閥隙出口，對(duì)壁面的壓力沖擊隨之降低，閥座上支撐面受到壓力沖擊最小，適合在閥座上表面黏結(jié)密封圈。

圖15 平面壓力云圖

經(jīng)過(guò)Fluent 軟件特有的volume Re ndering 全域顯示方法，可以得到如圖16 所示的全域速度云圖以及如圖17 所示的全域壓力云圖。從中可以直觀地看出在閥隙流場(chǎng)中泥漿介質(zhì)的速度變化情況以及泥漿介質(zhì)對(duì)于泵閥壁面的壓力沖擊狀況。將密封圈安裝在介質(zhì)流體速度較小和受沖擊最低的閥座上表面，這樣是為了減少泥漿引起的沖蝕磨損，延長(zhǎng)泥漿泵的工作時(shí)長(zhǎng)[9]。根據(jù)泵閥失效的機(jī)理，介質(zhì)流體流速越大，對(duì)接觸面造成的磨損程度就越大。因此，適當(dāng)?shù)販p小泥漿泵閥隙間介質(zhì)流體的流速可以降低閥盤和閥座的磨損，從而降低泵閥的失效，提升其使用壽命，降低泥漿泵的成本[10]。

圖16 全域速度云圖

圖17 全域壓力云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)新型鉆井泥漿泵的液力端進(jìn)行水力性能分析，根據(jù)MATLAB 軟件定性分析泥漿泵排出管匯的流量脈動(dòng)情況，利用Fluent軟件分析泥漿的速度以及對(duì)泵閥結(jié)構(gòu)的壓力沖擊情況。綜合分析泵閥結(jié)構(gòu)的薄弱位置，將密封圈安裝在介質(zhì)流體速度較小和受沖擊最低的閥座上表面，可以減少密封圈的損耗，延長(zhǎng)泥漿泵的工作時(shí)長(zhǎng)[11]。適當(dāng)調(diào)整泵閥結(jié)構(gòu)過(guò)渡處圓弧度，也可以降低水力沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命的影響。今后油氣生產(chǎn)將以非常規(guī)能源規(guī)模開(kāi)采為主，泥漿泵只有不斷向大排量、輕量化和智能化方向發(fā)展，才能滿足工藝技術(shù)發(fā)展的需求。