摘要:隨著科技的發(fā)展和進步，石油、天然氣和頁巖氣等能源已成為全球所有國家的命脈。然而想要擁有足夠的能源，就必須具備先進的開采技術(shù)，因此鉆井泵的發(fā)展尤為重要。鉆井泵被譽為鉆機的“心臟”，對于鉆機來說至關(guān)重要，而對于鉆井泵來說其液力端易損件的使用壽命與鉆井泵的工作效率和使用壽命息息相關(guān)，因此只有提高鉆井泵液力端易損件的使用壽命才能確保鉆井泵的正常鉆進、較高的工作效率和使用壽命。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和各行各業(yè)的相互促進與相互影響，在未來鉆井泵也會向著信息化、自動化、輕量化、人性化和智能化的方向發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞:鉆井泵液力端;使用壽命;工作效率;人性化

　　1概述

　　隨著時代的進步和信息技術(shù)的發(fā)展以及鉆井工藝技術(shù)的提高，大功率、高泵壓、大排量變成了鉆井泵發(fā)展的必然趨勢，尤其伴隨著一些新技術(shù)和新工藝的發(fā)展如高壓噴射鉆井、叢式定向鉆井、近平衡鉆井和水平井等。正是由于科技和信息技術(shù)的共同帶動之下使得各行各業(yè)能夠緊密配合，協(xié)調(diào)發(fā)展。因此隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展鉆井泵也將向著信息化、自動化、輕量化、人性化、智能化的方向發(fā)展。能源對當今世紀的每一個國家來說都是重中之重，是因為能源是這個世界發(fā)展所不可或缺的關(guān)鍵因素。

　　通過對全球主要大型石油公司和國際能源機構(gòu)歷年所發(fā)布的世界能源展望報告進行梳理和總結(jié)，可以得到2030年世界能源發(fā)展的格局將不會發(fā)生大變化[1]。世界能源消費的主體仍是占全球能源消費總量80%左右的石油、天然氣、煤炭等化石能源。在“一帶一路”戰(zhàn)略下中國與周邊國家在能源雙邊合作上取得了重大進展，而且深化能源合作機制、推進能源共同市場建設(shè)、促進能源設(shè)施互聯(lián)互通，共同推動周邊綠色發(fā)展。因此大功率高泵壓鉆井泵的發(fā)展對我國來說是非常的重要。經(jīng)過了這一百多年不斷地改進和完善，鉆井泵從單缸單作用泵到雙缸雙作用泵再到現(xiàn)在各種型式的鉆井泵，這么多年來不僅提高了鉆井效率，也更加促使了鉆井工藝和技術(shù)的不斷發(fā)展。最近十幾年來鉆井泵主要向高泵壓、大功率、輕量化、機電融合技術(shù)等方向發(fā)展。

　　我國的石油、天然氣、頁巖氣和煤層氣的新增探明技術(shù)可開采量遠遠達不到勘查新增探明地質(zhì)儲量的一半，因此大功率高泵壓鉆井泵的發(fā)展尤為重要，我們只有擁有了先進的高智能技術(shù)才能擁有更多的能源，才能更好地謀求長遠的發(fā)展。而對于鉆井泵來說其液力端易損件的使用壽命與鉆井泵的工作效率和使用壽命息息相關(guān)，因此只有提高鉆井泵液力端易損件的使用壽命才能確保鉆井泵的正常鉆進和較高的工作效率和使用壽命，則3500HP型鉆井泵液力端的研發(fā)是鉆井泵發(fā)展的必然趨勢。

　　2鉆井泵的工作原理

　　鉆井泵的重要組成有動力端和液力端，它們各有其獨特的功能。擁有傳遞動力和轉(zhuǎn)換運動方式這類獨特功能的是動力端，并為液力端提供動力支撐。擁有將機械能轉(zhuǎn)化成液體的動能，以輸送高壓泥漿這類獨特功能的是液力端。當曲柄滑塊機構(gòu)的滑塊即活塞到達最遠點后在曲柄即曲軸總成的帶動下往回運動時吸入閥打開排出閥關(guān)閉，泥漿從泥漿入口進入到活塞缸中，直至滑塊運動到最近點便完成了泥漿的吸入過程，然后在曲柄的帶動下滑塊向最遠點開始運動，此時液缸內(nèi)壓力變大，此時排出閥便會打開，吸入閥便會關(guān)閉，泥漿便從泥漿出口向外排，直至活塞運動至最遠點便完成了泥漿的排出過程。以上便是鉆井泵的工作過程，鉆井泵就是利用吸入泥漿和排出泥漿這兩個過程來完成泥漿的持續(xù)輸出。

　　3鉆井泵液力端總成

　　3.1液力端簡介

　　液力端是鉆井泵的重要組成部分。液力端的類型分為I型(直通型)、L型和T型，液力端優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，缸內(nèi)余隙流道長度短，有利于自吸，缺點是檢修比較困難，因為在更換吸入閥座時必須要拆除上面的排出閥。其檢修和維護方便，因為吸入閥可單獨拆卸，但是結(jié)構(gòu)不緊湊，缸內(nèi)余隙流道長，重量大，自吸能力較差。內(nèi)部余隙容積較小，重量較輕，這是因為其吸入閥水平布置，排出閥垂直布置，但是更換吸入閥時需要卸下吸入液缸和彎管，泥漿漏失較多。

　　液力端作為鉆井泵的重要組成部件，對于鉆井泵來說至關(guān)重要，其易損件的使用壽命與鉆井泵的工作效率和使用壽命息息相關(guān)，因此只有提高鉆井泵液力端易損件的使用壽命才能確保鉆井泵的正常鉆進、較高的工作效率和使用壽命。液力端主要部件有吸入管、排出管、液缸、活塞桿、活塞總成、閥總成、缸套等。

　　由于鉆井泵液力端易損件不過關(guān)從而導致機械鉆速緩慢，限制了大功率高泵壓鉆井泵的發(fā)展。因此，延長易損件的壽命是大功率高泵壓鉆井泵發(fā)展首要解決的關(guān)鍵問題。因此我們就必須要改進液力端密封件的性能，并保證各個元件具有耐腐蝕、耐高溫和耐磨損的性質(zhì)。

　　同時要完善密封元件的受力狀況，則需要設(shè)計精確的結(jié)構(gòu)，只有精確的密封結(jié)構(gòu)才能保證液力端密封元件具有高的承載力、耐高溫、抗老化、摩擦系數(shù)小和自潤滑性能好等特點。泵壓的直接影響因素之一便是液力端密封元件，而且密封不良將會花費非常大的勞動維護量，進而影響鉆井泵效率。衡量液力端密封能力的指標有密封的極限壓力和在該壓力下液力端密封元件的可靠性和使用壽命。

　　因此對于大功率高泵壓鉆井泵液力端的零部件來說，其易損件不僅要具有耐腐蝕和耐磨損的性能，還要能夠承受足夠高的壓力，拿液力端活塞來說，在鉆井泵液力端的泵壓超過42MPa時就要采用柱塞或盤根形式，因為以往的橡膠活塞無法承受高壓。在現(xiàn)實環(huán)境中，液力端不僅要有足夠的密封能力，液缸的抗疲勞強度和使用壽命也至關(guān)重要。

　　3.2泵閥的研究與展望

　　嚴重制約著鉆井泵向大功率，大排量，高泵壓方向發(fā)展的主要因素之一是泵閥，因為其使用壽命短更換次數(shù)頻繁。閥體與閥座的沖擊磨損是泵閥失效的主要原因，因此為了更好的加強泵閥的設(shè)計理論，延長泵閥的壽命，我們必須對泵閥各部分間的沖擊問題以及閥隙流場進行研究。泵閥是控制泥漿單向流動的液壓閉鎖結(jié)構(gòu)，壽命短更換次數(shù)頻繁，嚴重制約著生產(chǎn)效率的提高。

　　因此，對泵閥做沖擊動態(tài)仿真研究意義重大。當伸出厚度取0.5mm左右時，泵閥具有良好的沖擊性能;當閥體錐角取60°時，閥體最大等效應(yīng)力值最小;當閥體錐角取55°時，閥座最大等效應(yīng)力值最小[4-6]，因此通過研究泵閥的沖擊特性，可以更好的完善泵閥的結(jié)構(gòu)，進而降低沖擊磨損對泵閥所造成傷害，延長泵閥的使用壽命，這樣便可以提高液力端的使用壽命和工作效率。為了應(yīng)對不同功率，不同型號鉆井泵泵閥設(shè)計難的問題，我們需對泵閥做參數(shù)化虛擬設(shè)計，這可以完備泵閥的系列化生產(chǎn)。因此，提出泵閥的參數(shù)化虛擬設(shè)計，不僅實現(xiàn)了泵閥的理論計算、理論校核和繪圖的一體化，而且還解決了多種型號鉆井泵泵閥的設(shè)計難題，更縮短了泵閥的研發(fā)時間，這對泵閥來說意義重大。

　　3.3缸套的研究與展望

　　鉆井泵主要易損件之一缸套質(zhì)量和性能的好壞，不僅直接影響鉆井工作的正常進行，而且與建井周期長短和鉆井成本的高低密切相關(guān)。

　　1)缸套的失效原因缸套的失效是由磨損造成的，其磨損主要分為三個階段，初始階段為表面磨損，主要為疲勞磨損，當疲勞磨損達到一定程度后轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙�階段的磨粒磨損，而到了最后階段便是由于前期磨損所造成的裂紋以及缸套內(nèi)壁必然存在的疏松孔洞、夾雜物等缺陷，一起加速了泥漿對缸體的腐蝕作用，因而造成泥漿泄露，泵壓下降，從而致使缸套失效。現(xiàn)今鉆井泵向著大功率、高泵壓、人性化和智能化的方向發(fā)展，因此，鉆井泵的工作壓力非常高，而且鉆井泵輸送的泥漿含有大量的泥沙，泥漿因其地層深度的不同酸堿度也不一樣，具有很強的腐蝕性會加速活塞和缸套的摩擦，從而致使缸套失效。

　　2)缸套壽命的提高缸套受到工作環(huán)境和工作方式的限制，其磨損失效是必然的，因此只有通過應(yīng)用耐高溫，耐磨損和耐腐蝕的新型材料作缸套內(nèi)襯才能提高缸套的性能和使用壽命。陶瓷的硬度大多在1500HV以上，熔點大多在2000℃以上，而且陶瓷的化學性能很穩(wěn)定，在高溫下不易氧化，并對酸性、堿性和鹽類物質(zhì)有著良好的抗腐蝕能力，這些特性遠遠優(yōu)于金屬材料。因此采用陶瓷制作缸套內(nèi)襯可大大提高缸套的性能和使用壽命。

　　3)組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(1)組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)的左右端金屬外套都是很普遍且成本較低的金屬材料，而且該金屬缸套還可以重復使用，有效的提高了材料的利用率。(2)組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)的缸套內(nèi)襯，是由缸套內(nèi)襯的鋼管外套與陶瓷內(nèi)襯經(jīng)過高技術(shù)生產(chǎn)工藝制造生成，該缸套內(nèi)襯充分發(fā)揮了鋼管外套和陶瓷內(nèi)襯的優(yōu)點，陶瓷內(nèi)襯的優(yōu)點是高硬度、高耐磨、耐腐蝕、耐熱性好，鋼管外套的優(yōu)點是強度高、韌性好、耐沖擊、焊接性能好，總之就是該方法克服了陶瓷韌性差、鋼管外套硬度低、耐磨性差的特點。

　　(3)該設(shè)計結(jié)構(gòu)避免了將缸套整體更換，當組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)達到壽命期限后，我們只需將缸套內(nèi)襯更換即可，這樣也大大減少了對材料的浪費，同時還節(jié)省了人工。因此，我的這種設(shè)計方法對材料的利用率和人力的節(jié)省有了很好的改善，這很好的遵循了可持續(xù)發(fā)展理念，同時還可以大大提高缸套的使用壽命，可以滿足各類工業(yè)生產(chǎn)需求。

　　缸套作為液力端的易損件，它的壽命與鉆井泵的使用壽命和鉆井成本息息相關(guān)。對于缸套來說其最主要的特點是耐高壓、耐磨損、抗腐蝕，以及對于配合尺寸精度的控制。隨著時代的進步，缸套的發(fā)展歷程為單金屬缸套→雙金屬缸套→陶瓷缸套。為了使鉆井泵發(fā)展能跟上時代的腳步，并能在硬巖層、深井、超深井以及海上鉆井中發(fā)揮更好的工作效率，壽命長且性能價格比合理的缸套尤為重要[7]。工程陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點，因此組裝式陶瓷缸套的研究和發(fā)展是提高鉆井泵的鉆井成本和使用壽命的必然趨勢。

　　4總結(jié)

　　隨著科技的進步鉆井泵向大功率，大排量，高泵壓的方向發(fā)展。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以及各行各業(yè)的相互影響和相互促進，未來鉆井泵也會向著信息化、自動化、輕量化、智能化和人性化的方向發(fā)展。為了適應(yīng)惡劣的環(huán)境，也為了使各行各業(yè)能夠緊密配合，協(xié)調(diào)發(fā)展，鉆井泵的型式要更趨于多樣化、技術(shù)更趨于先進化、設(shè)計更趨于人性化，因此3500HP型鉆井泵的研發(fā)是鉆井泵發(fā)展的必然趨勢。由于鉆井泵液力端易損件不過關(guān)從而導致機械鉆速緩慢，限制了大功率高泵壓鉆井泵的發(fā)展。因此，想辦法延長易損件的壽命，就是大功率高泵壓鉆井泵的發(fā)展首要解決的關(guān)鍵問題。

　　因此我們就必須要改進液力端密封件的性能，而且要保證各個元件具有耐腐蝕、耐高溫和耐磨損的性質(zhì)。同時要完善密封元件的受力狀況，則需要設(shè)計密封結(jié)構(gòu)，只有精確的密封結(jié)構(gòu)才能保證液力端密封元件具有高的承載力、耐高溫、抗老化、摩擦系數(shù)小和自潤滑性能好等特點。泵閥失效的主要原因是閥體沖擊閥座形成的沖擊磨損，為了更好的加強泵閥的設(shè)計理論，延長泵閥的壽命，我們必須對泵閥各部分間的沖擊問題以及閥隙流場進行研究。為了應(yīng)對不同功率，不同型號鉆井泵泵閥設(shè)計難的問題，我們需對泵閥做參數(shù)化虛擬設(shè)計，這可以完備泵閥的系列化生產(chǎn)。該方法不僅實現(xiàn)了泵閥的理論計算、理論校核和繪圖的一體化，而且還解決了多種型號鉆井泵泵閥的設(shè)計難題，更縮短了泵閥的研發(fā)時間，這對泵閥來說意義重大。

　　缸套作為液力端的易損件，它的壽命與鉆井泵的使用壽命和鉆井成本息息相關(guān)。對于缸套來說其最主要的特點是耐高壓、耐磨損、抗腐蝕，以及對于配合尺寸精度的控制。隨著時代的進步，缸套的發(fā)展歷程為單金屬缸套→雙金屬缸套→陶瓷缸套。為了使鉆井泵發(fā)展能跟上時代的腳步，并能在硬巖層、深井、超深井以及海上鉆井中發(fā)揮更好的工作效率，壽命長且性能價格比合理的缸套尤為重要。工程陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點，因此組裝式陶瓷缸套的研究和發(fā)展是提高鉆井泵的鉆井成本和使用壽命的必然趨勢。

　　參考文獻

　　[1]曹斌，李文濤，杜國敏，吳浩筠.2030年后世界能源將走向何方?———全球主要能源展望報告分析[J].國際石油經(jīng)濟，2016，24(11):8-15.

　　[2]張洪生，遲明，馮殿軍，谷敏永.3NB2200型大功率鉆井泵的泵壓分析研究[J].科學技術(shù)與工程，2009，9(16):4776-4779.

　　[3]李德清，翁衛(wèi)東，李蓉，王榮修.一種新型五缸鉆井泵的設(shè)計[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34(05):60-62.

　　[4]朱修傳.往復泵總體設(shè)計中主要參數(shù)的確定[J].煤礦機械，2007，28(04):29-30.

　　作者：張洪生，褚正賓

　　煤礦工程師論文投稿刊物：《煤質(zhì)技術(shù)》1986年創(chuàng)刊，主要報導：煤炭生產(chǎn)礦井的煤質(zhì)管理、降灰、降水措施與經(jīng)驗：煤礦、電廠、焦化廠和燃料(煤炭、煤建)公司的洗選、篩選加工,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化,動力配煤與提質(zhì)增收的技術(shù)途徑和效益分析：煤炭加工利用及其品質(zhì)要求與對策：礦區(qū)低品位煤的有效利用：貯、運、銷的煤炭管理和質(zhì)量檢測方法及市場分析：煤場建設(shè)與管理：煤炭化驗室的工作經(jīng)驗：新頒布的各類煤質(zhì)標準：國內(nèi)外新的分析方法與儀器設(shè)備：以及與上述內(nèi)容有關(guān)的會議報告和政策法規(guī)等。