泥浆泵的发展综述

摘要：本文介绍了国内和国外钻井泥浆泵的发展及现状，发展趋势，现有泥浆泵存在的主要问题，解决问题的关键，泥浆泵的结构优化，研究现状。

关键词：泥浆泵  现状 发展趋势  冲程  钻井

1  前言

钻井泥浆泵是石油天然气开发中钻机的主要部件之一，是钻井液循环系统的关键设备。在钻井施工过程中﹐它将钻井液经过循环系统及钻杆柱中心直送钻头的底端﹐以达到冷却钻头﹑清洗井底钻屑，并携带岩屑循环到地面，对钻井生产具有重要作用。

2  钻井泥浆泵的发展

早期钻井泵的主要作用是把钻井液输入井底，达到冷却钻头、稳定地层和循携带岩屑的作用。随着钻井技术的不断发展和不断进步，页岩气、深井和超深井的常态化开发，先进的井下动力钻具的使用和高压喷射钻井技术已经成为常态，对泥浆泵的功率、排量和压力等技术参数要求也越来越高。早期钻井泵结构是双缸双作用泵，流量和泵压波动大，震动较大，而且效率低，已经严重不能日益增长的钻井技术要求。体积小、压力波动小、效率高是三缸钻井泵的主要优点。随着钻井技术的不断发展，对钻井泵的要求随之提高，钻井泵生产厂家也在不断的进行结构和性能改进与完善，目前钻井泵技术已经比较成熟，技术参数提升效果显著。

2.1  国内泥浆泵的发展现状

我国泥浆泵是上世纪60年代从美国引进相关的技术，通过不断的改进而发展起来的。目前，我国生产钻井泵的公司主要有宝鸡石油机械有限公司、四川宏华石油设备有限公司等厂家，其生产的系列三缸泵己经运用于我国钻井施工中，并有大部分泥浆泵出口欧美国家。

为了满足现代钻井施工中大功率、高泵压和大排量钻井工艺的技术要求，钻井泵生产厂家设计和制造了F-2200、F-2200HL和QDP-3000等大功率高压泥浆泵。

总体来说，我国对石油钻井泵的研究起步较晚，但通过技术引进、自主研发，我国与国外先进技术的差距正在逐步缩小。

2.2  国外泥浆泵的发展现状

目前，世界各国都在大量研究和使用三缸单作用泥浆泵，并且都是朝着大功率、长冲程、大缸径、高泵压的技术方向发展。

美国目前主要有Letourneau Ells Williams公司、EMSCO公司和IDECO公司等泥浆泵生产厂家，大多采用三缸钻井泵。我国宝鸡石油机械厂生产的F系列泥浆泵就是通过引进EMSCO公司的设计技术。

俄罗斯泥浆泵也是采用三缸泵，阀箱采用I形和L形，活塞与缸套之间的密封装置采用的是比较特别的水封密封。缸套使用双金属浇铸保障其刚性的同时节约成本。动力端采用双斜齿轮和宽槽人字齿轮传动。曲轴是通过直轴与偏心轮组装而来的，机座大部分为铸造或者焊接件为主。

2.3  发展趋势

随着钻井施工技术水平的提升，特别是页岩气开发，深井、超生井等钻井施工中，高泵压、大排量和大功率已经成为常态，作为钻机的主要装备，其性能参数直接影响钻井施工技术的提升。钻井技术的发展方向是采用新工艺、新技术和新装备达到提速、降本、增效。这其中就要求钻井施工采用大排量，高泵压喷射钻井施工，能够降低井下故障的同时，也提升了钻井效率。

目前钻井泵的一些最高技术指标：

1） 3000hp钻井泵是我国输入功率最大的鉆井泵，其最大排量达到76.34L/S，最高泵压都达到了52MPa;

2） 目前泥浆泵最大缸套直径达到了228.6mm，是由Contnienlat1Emsoc公司（美国）生产的FG-2200型钻井泵;

3） ）目前最长的冲程为406.4mm的钻井泵是由oiME公司（美国）生产制造的1700T型钻井泵;

3  现有泥浆泵存在的主要问题

（1）泵的冲程短，排量无法满足大井眼钻井施工的要求。

（2）压力级别低，无法满足页岩气开发、深井和超深井的钻井施工工艺要求。

（3）易损件的使用寿命较短，难以达到钻机的高效能要求。

为解决现有泥浆泵的主要缺点，提高泥浆泵使用性能，主要应进行基本参数的合理选择和结构设计优化。

4  解决问题的关键

为了解决目前现有泥浆泵的主要不足，提高泥浆泵的使用性能，主要适当地对其基本参数进行了合理地选择及对其结构设计的优化。

1  基本参数的合理选择

排量、泵压是衡量钻井泵的主要技术参数，合理匹配参数，对泥浆泵至关重要。

1.1  泵的额定冲次

钻井泵的泵冲是钻井施工过程中主要技术参数之一，降低泵冲能够显著改善泵的吸入性能，可增加易损件寿命。降低泵冲后，活塞的速度降低，活塞与缸套之间产生的摩擦减少，喷淋冷却效果更好，能够增加活塞的使用时间，同时增加了缸套使用时间。

1.2  泵的冲程长度

泵的冲程是泥浆泵的另一主要参数。增加钻井泵的冲程长度，在同样的泵冲和缸套直径的情况下可以大大提高泥浆泵的排量。

1.3  提升液力端端的耐压级别

原来F系列泥浆泵液力端为I型结构，压力为35MPa，已经无法满足现有钻井参数的要求，目前通过对液力端进行改造，把阀箱改造为L型，空气包，管汇进行加强改造，压力级别升级为52MPa，能够充分满足现阶段钻井施工的要求。

5  研究现状

大功率、长冲程、大排量、增加承压能力已经成为钻井泵的技术参数发展方向。钻井泵采用高强度锻焊曲轴等结构设计满足大排量、高泵压，长冲程的要求，提高了阀箱疲劳强度，降低齿轮的啮合不良，提高齿轮接触强度。

1）在材料工艺上的一些代表性研究

汤富荣等，为提高泵缸套的使用时间，缸套采用45号钢进行中频淬火热处理，然后再通过激光硬化处理，达到需要个缸套强度。

张万福等，一种制造新型钻井泵缸套的材料（高铬一鹄合金白口铸铁），并进行试验论证。

2） 排出空气包机理研究上有代表性成果如下：

陈如恒等，从动力学角度出发，分析了钻井泵空气包的工作机理。

任建民等，利用流体动力学、机械振动和控制学等理论推出空气包的强迫振动系统，导出了空气包及导管内的波动流量表达式，提出了两项评价空气包工作的指标。

邬亦炯，在考虑管线中液体惯性影响的基础上，建立了钻井泵空气包之后管线中液体流量的微分方程，对其进行了理论求解，分析了影响钻井泵空气包效能的若干因素。

6  结语

随着钻探开发技术水平的提升，高泵压、大排量已经成为常态，对钻井泵各项参数要求也在不断的提高，钻井泵的结构也在不断改进。特别是在页岩气开发，深井、超生井等钻井施工中，对钻井泵的功率、排量和耐压等级等性能要求越来越高。

国内外钻井泵的发展任然以三缸钻井泵未主，该钻井泵技术已经比较成熟，虽然一些新型钻井泥浆泵已经研制出来，但是目前还不可能取代三缸单作用泥浆泵。根据目前三缸钻井泵所存在的缺点，并解决相关的缺点是关键，进行结构的改进和优化，将是提升钻井泵性能的主要方向。

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作者简介：夏鲲，男，汉族，1987年8月出生，湖北枣阳，长江大学机械设计制造及其自动化。