往復(fù)泵作為一種常見的流體機(jī)械，是一種高壓容積式泵，在石油礦場有著廣泛的應(yīng)用，詳細(xì)分析了石油礦場主要使用的往復(fù)泵的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀以及技術(shù)性能，重點(diǎn)分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵、液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵兩種類型，還主要闡述了一種新型無壓力脈動(dòng)、恒流量凸輪機(jī)構(gòu)往復(fù)泵的技術(shù)優(yōu)勢。指出未來一段時(shí)期往復(fù)泵應(yīng)該側(cè)重于易損件壽命的提高、側(cè)重于自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用、側(cè)重于故障診斷技術(shù)的應(yīng)用，以提高往復(fù)泵的可靠性和連續(xù)運(yùn)行效率；就技術(shù)性能而言，無壓力脈動(dòng)恒流量往復(fù)泵將是未來一段時(shí)期重點(diǎn)的發(fā)展方向。

　　往復(fù)泵在石油礦場上應(yīng)用非常廣泛。它常常用在高壓下輸送高粘度、大密度和高含砂量的液體，而流量相對(duì)較小。按用途的不同，石油礦場用往復(fù)泵往往被冠以相應(yīng)名稱，例如：在鉆井工程中，為了攜帶出井底的巖屑和供給井底動(dòng)力鉆具的動(dòng)力，用于向井底輸送和循環(huán)鉆井液的往復(fù)泵，稱作鉆井泵或泥漿泵；為了固化井壁，向井底注入高壓水泥的往復(fù)泵，稱作固井泵；為了造成油層的人工裂縫，提高原油產(chǎn)量和采收率，用于向井底注入含有大量固體顆粒的液體或酸堿液體的往復(fù)泵，稱作壓裂泵；在采油過程中，用于在井內(nèi)抽汲原油的往復(fù)泵稱作抽油泵，等等。

　　石油工業(yè)的發(fā)展對(duì)往復(fù)泵提出了更高的要求，主要是壓力越來越高，功率越來越大，而制造和維修成本要低，體積和重量不能過大。由于石油礦場用往復(fù)泵的工作條件都十分惡劣，提高其易損件(主要是泵閥、活塞和缸套等)的工作壽命，就成為往復(fù)泵設(shè)計(jì)、制造和選擇使用中迫切需要解決的問題。近年來，國內(nèi)外在往復(fù)泵的理論和試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)制造和選擇使用等方面，做了許多工作，特別是三缸單作用往復(fù)泵在石油鉆井中的推廣使用，為提高鉆井速度創(chuàng)造了有利的條件。

1、機(jī)械式往復(fù)泵的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)性能及發(fā)展前景

　　往復(fù)泵是最早出現(xiàn)的泵類機(jī)械，曾在工業(yè)屆廣泛應(yīng)用。19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，德國的魏斯特法爾(M.Westphal)和貝爾格(H.Berg)等人曾對(duì)往復(fù)泵技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究作出了杰出的貢獻(xiàn)。貝爾格《活塞泵》一書是當(dāng)時(shí)關(guān)于往復(fù)泵原理和設(shè)計(jì)的權(quán)威性著作。該書中有關(guān)泵閥運(yùn)動(dòng)的分析和公式、吸入與排出過程中液缸內(nèi)壓力變化的規(guī)律、吸入管中的慣性水頭值計(jì)算等至今仍被引用。但在20世紀(jì)中，后起的離心泵、轉(zhuǎn)子泵等在許多應(yīng)用領(lǐng)域取代了往復(fù)泵。其主要原因就是它們結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)。受此影響，往復(fù)泵的技術(shù)基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的研究發(fā)展工作長期停滯不前，特別是在基礎(chǔ)理論方面，往復(fù)泵無論是與內(nèi)燃機(jī)、活塞式壓縮機(jī)等往復(fù)式機(jī)械相比，還是與離心泵等動(dòng)力式泵相比，其差距都是相當(dāng)大的。

　　但是，往復(fù)泵所具有的一些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是其它類型泵無法比擬的。因而它的應(yīng)用也不可被取代。除了上面提到的可實(shí)現(xiàn)恒流量外，還能在嚴(yán)苛條件下輸送特種介質(zhì)(腐蝕性、磨礪性、高粘度、高密度、高溫)、效率高、排出壓力大等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了往復(fù)泵在許多領(lǐng)域保留它的應(yīng)用。但在不同的場合所要求的流量、壓力、功率和驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)型式相差甚遠(yuǎn)，而且為適應(yīng)各種不同的特種介質(zhì)和性能要求，泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式差別很大。從這個(gè)意義上說，往復(fù)泵在今日已不再是通用機(jī)械了。因此應(yīng)注意兩方面：一方面要注意各應(yīng)用內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品、工藝規(guī)模的發(fā)展變化，使各類往復(fù)泵更好地適應(yīng)和滿足生產(chǎn)部門的需要；另一方面各類往復(fù)泵之間仍需要相互借鑒和啟發(fā)。

　　在20世紀(jì)后半葉，為使往復(fù)泵適應(yīng)資源開發(fā)、石油、化工及重型機(jī)器制造等工業(yè)部門的發(fā)展需要，往復(fù)泵的基礎(chǔ)理論研究和新產(chǎn)品開發(fā)又受到一定程度的重視。主要研究成果大多以該領(lǐng)域用泵，如計(jì)量泵、鉆井泥漿泵、化工用泵等專著形式出現(xiàn)。例如我國自行研制的SL系列中速鉆井泵為臥式三缸單作用活塞泵，主要用于高壓噴射鉆井，增強(qiáng)破巖、攜巖效果，提高鉆井速度，該系列泵采用較長沖程、較低泵速的優(yōu)選參數(shù)，在鉆井液密度小于l.5×103kg/m3、海拔500m以下，吸入管線長度小于3.5m 時(shí)可以自然吸入，不配備灌注泵，吸入效率在0.9～0.95之間，為我國發(fā)展鉆井工藝技術(shù)提供了關(guān)鍵的設(shè)備，被國家經(jīng)貿(mào)委批準(zhǔn)為首批替代國外進(jìn)口產(chǎn)品，特別是為我國發(fā)展高壓噴射鉆井工藝技術(shù)作出了巨大貢獻(xiàn)，大大提高了我國快速優(yōu)化鉆井工藝水平。目前國內(nèi)幾乎所有油田都有SL系列中速鉆井泵，到20世紀(jì)30年代幾乎占70%以上。

　　從往復(fù)泵的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來說，國內(nèi)外石油礦場用往復(fù)泵如鉆井泵、注水泵、壓裂泵、水泥泵，均為曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的傳統(tǒng)泵。由此機(jī)構(gòu)所決定的運(yùn)動(dòng)特性，最突出的是兩點(diǎn)，即排出端流量與壓力不穩(wěn)定，需要附加排出預(yù)壓空氣包(減震器)；吸入端存在流體加速度慣性損耗，在泵速高時(shí)需要附加灌注泵。特別是當(dāng)介質(zhì)為假塑性流體(如聚合物溶液)粘度較大，而又不希望通過吸入灌注泵和液流加速度所引起多次剪切稀釋時(shí)，則傳統(tǒng)往復(fù)泵不能很好地滿足現(xiàn)場工藝要求。

　　從往復(fù)泵的液力端動(dòng)密封型式來說，有活塞式、柱塞式兩種，一般來說，高中壓小流量往復(fù)泵，以高泵速、柱塞式為主；高中壓大流量往復(fù)泵，以中等泵速活塞式為主；中低壓大流量泵一般以離心泵為主。如石油礦場所需要的低、中等流量、低、中等泵壓(10～30MPa)的泵，并要求有良好的吸入性能，體積、重量較小，而且有良好的機(jī)動(dòng)性能和可靠性時(shí)，若用曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的傳統(tǒng)往復(fù)泵，上述要求往往互相矛盾。例如，要求體積小，則泵速高；泵速高則吸入性能差、可靠性低。所以目前出現(xiàn)的恒流量往復(fù)泵，可以實(shí)現(xiàn)將瞬變流量改變?yōu)楹懔髁�，取消排出預(yù)壓空氣包，取消吸入灌注泵，符合石油礦場實(shí)際情況。與傳統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵相比，其主要特征是采用較高泵速，以減小體積并具有較低的加速度；排出端疊加流量恒定，以實(shí)現(xiàn)低脈動(dòng)；吸入端疊加加速度為零，以實(shí)現(xiàn)良好的吸入性能。

　　自1901年第一臺(tái)雙缸雙作用活塞式往復(fù)泵在美國得克薩斯州的斯賓爾托普(SPINDLETOP)投入應(yīng)用并成功鉆出具有商業(yè)價(jià)值的石油井以來，往復(fù)泵在石油工業(yè)上應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。隨著鉆井工藝的需求和機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，逐步開發(fā)了系列三缸單作用往復(fù)泵。它與雙缸雙作用活塞式往復(fù)泵相比，泵壓高、重量輕、易損件少、機(jī)械效率高，流量不均勻程度大大減小。如今，廣泛使用的是以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為典型傳動(dòng)方式的三缸或多缸單作用往復(fù)泵。此傳動(dòng)方式簡單可靠，量大面廣。從小型實(shí)驗(yàn)室計(jì)量泵到超過1000kW的大功率石油鉆井泵以及注水、壓裂、固井、輸液等往復(fù)泵，幾乎均此傳動(dòng)方式所覆蓋，可謂獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷、經(jīng)久不衰，以致給人們留下認(rèn)識(shí)上的慣性，即只要一涉及到往復(fù)泵，往往自然而然地把曲柄連桿機(jī)構(gòu)這種傳動(dòng)方式作為不容置疑、非此莫屬的前提條件，從往復(fù)泵的誕生直到今天，也都采用的這種結(jié)構(gòu)或其變形結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律都是類似于正弦或余弦運(yùn)動(dòng)曲線的簡諧運(yùn)動(dòng)的變形。

　　多年來，人們對(duì)這種傳統(tǒng)往復(fù)泵的理論研究與試驗(yàn)研究系統(tǒng)完整，揭示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與動(dòng)力特性、水力特性，對(duì)發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)起到了積極重要的作用。人們在對(duì)傳統(tǒng)往復(fù)泵工作機(jī)理研究逐步深入并取得了積極成果的同時(shí)，也開始認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)所決定的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性局限了往復(fù)泵的應(yīng)用范疇及其發(fā)展。傳統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)形式傳動(dòng)的往復(fù)泵，其柱塞(或活塞)的運(yùn)動(dòng)近似于正弦或余弦曲線的規(guī)律變化。在此前提下，流量是瞬變的，形成排出系統(tǒng)和吸入系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)，柱塞(或活塞)加速度是瞬變的，造成吸入系統(tǒng)慣性也是瞬變的，且泵速越高，加速度越大，慣性損失也越大，且最大值剛好發(fā)生在吸入過程的始點(diǎn)，惡化了往復(fù)泵的自吸性能，惡化了泵閥、柱塞、柱塞密封圈等運(yùn)動(dòng)密封件的工作條件，限制了往復(fù)泵的使用范圍及發(fā)展。過去廣大科研人員從理論到實(shí)踐采取了多種積極的措施來改善往復(fù)泵的吸入條件、流量與壓力的波動(dòng)。所以，傳統(tǒng)的往復(fù)泵往往需配注吸入灌注泵、吸入緩沖器和排出預(yù)壓空氣包。這些配套設(shè)備的使用，在一定程度上緩解了這些矛盾，但沒有從根本上解決問題。從理論上講，傳統(tǒng)的往復(fù)泵是很難自吸的，只是從參數(shù)設(shè)計(jì)及上述配套設(shè)備來改善它的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性所帶來的后果。過去甚至現(xiàn)在仍然有許多科研人員在空氣包的配置及其理論上、灌注泵的配套設(shè)計(jì)及理論基礎(chǔ)上進(jìn)行苦苦研究，并且都建立了相應(yīng)的一套理論，目的都是減輕吸入與排出管內(nèi)液流加速度所帶來的不利影響，他們都沒有從產(chǎn)生這一后果的本質(zhì)方面即動(dòng)力端入手，所以從根本上沒有消除。采用曲柄連桿為傳動(dòng)方式的往復(fù)泵，無論從理論還是實(shí)踐都無法消除液流加速度。輸送的介質(zhì)在吸入與排出管線中總是受到?jīng)_擊和振動(dòng)，屬于非均勻穩(wěn)定流動(dòng)。另外，灌注泵的使用還受許多礦場條件和自然因素等種種條件限制，灌注泵的質(zhì)量、壽命、性能如何、能否與主泵完全匹配都直接影響著主泵的正常工作，也影響著正常生產(chǎn)。雖然傳統(tǒng)往復(fù)泵的適用范圍廣，能在多種工況條件下運(yùn)行輸送多種介質(zhì)。但在某些特殊場合下，特別是介質(zhì)為假塑性流體如聚合物溶液等，粘度較大。傳統(tǒng)往復(fù)泵如不用灌注泵，將無法正常運(yùn)行，但由于工藝措施要求，聚合物溶液在泵進(jìn)、出口粘度相差不大(如5000ppm聚合物母液，降解率要求不大于5%)，

　　在此場合下，這種傳統(tǒng)曲柄連桿往復(fù)泵難以圓滿地承擔(dān)此任。而恒流量往復(fù)泵的誕生，能很好地滿足現(xiàn)場工藝要求。

　　實(shí)現(xiàn)恒流量的一種方式是仍然采用機(jī)械傳動(dòng)方式，只是須改變動(dòng)力端的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式。目前，國內(nèi)只有中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院研制成功了以凸輪傳動(dòng)方式代替曲柄連桿機(jī)構(gòu)的恒流量往復(fù)泵。該類型泵已經(jīng)在現(xiàn)場廣泛推廣應(yīng)用于三次采油注聚合物溶液和注水。但對(duì)于理論研究仍然處于摸索階段，有些認(rèn)識(shí)仍然存在模糊而不能將有關(guān)結(jié)論完全確定。所以仍然需要將研究進(jìn)一步開展，逐步使理論分析和實(shí)驗(yàn)研究趨于豐富和完善。

2、液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的國內(nèi)外發(fā)展概況

　　液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的研制工作在國外開展的比較早。20世紀(jì)70年代初，美國哈利伯頓公司就研制出了HT-1000型液壓驅(qū)動(dòng)高壓壓裂泵。HT-1000型液壓驅(qū)動(dòng)高壓壓裂泵的排出壓力可達(dá)140MPa，沖程長度為1.524m，水功率最大可達(dá)1524kW，泵由三套油缸和泵缸組成，其工作特點(diǎn)是考慮了高壓下液體可壓縮的影響，增加了預(yù)壓過程。當(dāng)泵的兩個(gè)缸分別在吸入和排出過程中時(shí)，泵的第三個(gè)缸同時(shí)做預(yù)壓過程，即做緩慢的壓縮動(dòng)作，使液缸內(nèi)的壓力提高至排出壓力，然后再開始正式的排出過程。如沒有預(yù)壓過程，則泵在由吸入過程突然轉(zhuǎn)變?yōu)榕懦鲞^程時(shí)，由于液體可壓縮以及零件受載變形等因素的影響，短時(shí)間內(nèi)泵沒有液體排出將引起劇烈振動(dòng)。由于采用液壓驅(qū)動(dòng)，而且增加了預(yù)壓過程，HT-1000型高壓壓裂泵的排出壓力波動(dòng)很小，當(dāng)排出壓力為105.5MPa時(shí)，其壓力波動(dòng)只有2.1～3.8MPa，而一般機(jī)動(dòng)往復(fù)泵在同樣排出壓力下，壓力波動(dòng)可達(dá)17.58MPa。HT-1000型高壓壓裂泵由于采用了長沖程、低沖次的工作方式并用液壓驅(qū)動(dòng)代替了機(jī)械驅(qū)動(dòng)，可以降低泵零部件的動(dòng)載荷，也減輕了泵的重量，提高了泵閥、密封件等易損件的壽命和工作可靠性。這種泵可以用于泵送含砂量很高的壓裂液，試驗(yàn)時(shí)曾用砂徑6.2mm、含砂量約1.8～2.4kg/L的壓裂液，其工作狀態(tài)良好，而且，它還可以滿足深部地層和超深部地層的水力壓裂的需要，在深度為4000～4500m 的油井中取得了較好的效果。

　　HT-1000型高壓壓裂泵的缺點(diǎn)是外型尺寸太大，控制系統(tǒng)復(fù)雜：它的長度為7.01m，寬度為1.068m，高1.778m，重量達(dá)7.257t。1985年，美國又研制出了一種液壓驅(qū)動(dòng)三缸單作用泵，它沒有齒輪和曲柄、連桿機(jī)構(gòu)，由一臺(tái)柴油機(jī)或電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一臺(tái)變量液壓泵，用于驅(qū)動(dòng)3個(gè)工作缸，工作缸活塞通過活塞桿帶動(dòng)鉆井泵液缸工作。這種液壓鉆泵不僅使用可靠，而且可以靈活組合使用。2臺(tái)三缸泵可以串聯(lián)使用以提高泵壓，也可以并聯(lián)使用以提高排量，使用非常方便。

　　近些年來，隨著國外液壓技術(shù)的迅猛發(fā)展，液壓元件的質(zhì)量和性能都有很大提高，給液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的發(fā)展提供了良好的條件，國外很多石油機(jī)械生產(chǎn)廠商相繼推出了各種類型和用途的液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵。挪威MH 公司推出了名為Mudmaster的液壓鉆井泵，它的輸入功率為1588kW，以雙缸單作用泵作為基本單元，組成四缸或六缸液壓鉆井泵。這種泵的結(jié)構(gòu)很有特點(diǎn)：活塞的背部直徑較大，頂部的小液缸活塞用于吸入行程。每個(gè)單元泵包括兩個(gè)泵缸活塞組，裝有常規(guī)鉆井泵閥。活塞在下行程時(shí)，排出鉆井液的壓力可達(dá)34.5MPa，活塞加大部分作用于環(huán)形容積，把經(jīng)過單流閥供給的清洗液通過活塞的下部清洗活塞的下部�；钊�在上行程時(shí)完成吸入功能，同時(shí)清洗液通過單流閥充滿環(huán)形空間。利用液壓控制系統(tǒng)保持鉆井泵兩個(gè)單元協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。Mudmaster液壓鉆井泵的缺點(diǎn)是沖洗液對(duì)鉆井液有稀釋作用，會(huì)影響鉆井液的性能。

　　瑞典HK工程公司與挪威Norcem 海洋研究所共同研制了一種立式液壓鉆井泵，它屬于由變量液壓泵驅(qū)動(dòng)的雙缸單作用活塞泵，無齒輪、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)先進(jìn)、新穎。這種單元泵的排量為15.14L/s，泵的排出壓為34.4MPa，每臺(tái)鉆機(jī)配4臺(tái)單元泵，總重量為12.5t。我國在液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的研制方面搞的比較晚，但也做了大量的工作，先后制造出了幾種不同類型的液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵。北京航空航天大學(xué)對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵進(jìn)行了詳細(xì)研究，并設(shè)計(jì)出了一套稱為“低頻大振幅自動(dòng)往復(fù)液壓泥漿泵”，其工作原理是：它的油缸與泥漿活塞連在一起，用液壓活塞桿直接驅(qū)動(dòng)泥漿活塞，使液壓泵輸出的壓能直接轉(zhuǎn)換成泥漿的高壓能。這種泥漿泵的傳動(dòng)鏈短，工作效率較高；液壓活塞與泥漿活塞的運(yùn)動(dòng)方向一致，同軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可將功率損失降到最低值；泥漿輸出近似等流量輸出，較為理想；采用液壓變量泵，可方便實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；液壓系統(tǒng)具有安全溢流功能，使裝置的結(jié)構(gòu)近一步簡化；泵的體積和重量大大減小，經(jīng)濟(jì)效益高。

　　新疆克拉瑪依雙環(huán)實(shí)業(yè)開發(fā)公司研制出了一種臥式雙缸單作用雙向液壓泥漿泵，它的結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱的。這里“雙向”是指液壓活塞在進(jìn)程和回程兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向均為全功率輸出。對(duì)兩個(gè)活塞的一推一拉，實(shí)現(xiàn)了排出和吸入泥漿液的功能。它的液壓活塞在大部分行程里是勻速運(yùn)動(dòng)的，除了在兩端換向瞬間有壓力波動(dòng)外，其余時(shí)間里的流量是非常平穩(wěn)的，而且由于它配置了泥漿液補(bǔ)償裝置，在兩端換向時(shí)，使它的壓力波動(dòng)可控制在20%以內(nèi)。

　　天津理工學(xué)院與石油物探局機(jī)械廠合作，研制成功了YNB-20型單缸雙作用液壓泥漿泵，它由帶單缸雙作用活塞桿的氣缸驅(qū)動(dòng)，其液壓系統(tǒng)裝有液控自動(dòng)換向裝置。它的輸出壓力為20MPa，沖次為82min-1，泥漿輸出流量為300L/min，傳動(dòng)功率為15kW。

　　目前的資料表明，盡管液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵出現(xiàn)了多種形式，但人們并沒有從理論上對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵進(jìn)行細(xì)致的分析、研究，有關(guān)液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的理論還很缺乏，人們對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的認(rèn)識(shí)只限于對(duì)它的性能參數(shù)的測試上，人們在設(shè)計(jì)、制造、使用時(shí)缺乏足夠的理論、試驗(yàn)依據(jù)。液壓往復(fù)泵也有其它許多缺點(diǎn)。如液壓件特別是液壓閥性能、可靠性都難以過關(guān)，從而使得整機(jī)的可靠性大大降低，效率低、發(fā)熱情況嚴(yán)重等。另外，各缸換向時(shí)難以銜接好，使得壓力和流量波動(dòng)有時(shí)較大，液壓系統(tǒng)和泵液力端系統(tǒng)內(nèi)部都存在較大的液力沖擊。所以該類型泵目前仍處與試驗(yàn)研究階段，尚需做大量的工作。特別是要通過對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的理論、試驗(yàn)研究，探索有關(guān)液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的理論，為液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的設(shè)計(jì)、制造、使用提供理論、試驗(yàn)依據(jù)是亟待解決的問題。所以難以大面積推廣應(yīng)用。

3、往復(fù)泵的發(fā)展趨勢與研究方向

　　隨著石油鉆采工藝的發(fā)展，對(duì)往復(fù)泵的要求也越來越高，這對(duì)從事往復(fù)泵研究、設(shè)計(jì)和加工制造人員提出了更新的課題，也推動(dòng)了往復(fù)泵向更高、更深的領(lǐng)域發(fā)展。今后一段時(shí)期，石油礦場用往復(fù)泵主要發(fā)展趨勢和研究方向如下：

　　(1)針對(duì)往復(fù)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高的特點(diǎn)，要努力提高各類往復(fù)泵的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化水平。模塊化設(shè)計(jì)是一個(gè)方向，即以最少數(shù)量的液力端和動(dòng)力端的模塊組合成適應(yīng)范圍極廣的變型產(chǎn)品。還可以用同一尺寸的液力端改變材料后適應(yīng)不同的介質(zhì)和壓力，相同的傳動(dòng)端并聯(lián)成不同缸數(shù)的泵，等等。

　　(2)在提高標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的基礎(chǔ)上，普及CAD/CAM 技術(shù)的應(yīng)用，加強(qiáng)可靠性的研究。提高動(dòng)力端、缸體、泵殼、閥箱等復(fù)雜零部件的設(shè)計(jì)、工藝水平，提高軸承、密封件等基礎(chǔ)元件的質(zhì)量，提高裝配工藝水平。還應(yīng)指出，往復(fù)泵多用于輸送特種介質(zhì)，這是它的優(yōu)勢

　　所在，但由此產(chǎn)生的問題是液力端零件，特別是易損件的壽命較低，因此，重視液力端水力過程機(jī)制研究及其零件失效原因的研究，提高零件的使用壽命，減少停機(jī)修理時(shí)間，也是進(jìn)一步發(fā)揮往復(fù)泵特長的重要課題。

　　(3)隨著鉆采工藝技術(shù)發(fā)展的需要和適應(yīng)不同工況的要求，應(yīng)進(jìn)一步深入加強(qiáng)對(duì)往復(fù)泵的機(jī)理研究，在此基礎(chǔ)上研究新型往復(fù)泵。特別是恒流量往復(fù)泵的誕生，就是為了解決油田三次采油工藝技術(shù)的生產(chǎn)需要而研制成功的，今后應(yīng)該加強(qiáng)無脈動(dòng)恒流量鉆井泵的研制。這進(jìn)一步說明往復(fù)泵的研究應(yīng)隨著生產(chǎn)需要的發(fā)展而不斷發(fā)展。

　　(4)就恒流量往復(fù)泵而言，其實(shí)現(xiàn)形式有多種多樣，但主要形式仍然是兩種：液壓驅(qū)動(dòng)恒流量往復(fù)泵和凸輪傳動(dòng)恒流量往復(fù)泵。前者易于實(shí)現(xiàn)長沖程低沖次，后者易于實(shí)現(xiàn)較短沖程較高沖次，二者在不同場合各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)各揚(yáng)其長，相互借鑒、相互補(bǔ)充。盡管這兩種恒流量往復(fù)泵在現(xiàn)場都有一定數(shù)量的使用，但共同的問題是二者的可靠性仍然不高，與傳統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵相比有一定的差距。主要原因是目前對(duì)恒流量往復(fù)泵的機(jī)理研究和實(shí)現(xiàn)形式研究仍然比較缺乏。所以應(yīng)加強(qiáng)這方面的工作。

　　(5)就凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)恒流量往復(fù)泵與曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵相比而言，由于凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)恒流量往復(fù)泵解決了傳統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵無法解決的壓力與流量波動(dòng)問題，改變了往復(fù)泵的水力特性與動(dòng)力特性，減少的波動(dòng)能至少是傳統(tǒng)往復(fù)泵波動(dòng)能量的80%，且效率較高，結(jié)構(gòu)新穎，性能優(yōu)良，吸入灌注泵、吸入緩沖器和排出預(yù)壓空氣包等配套設(shè)備將不復(fù)存在，大大減少了設(shè)備制造費(fèi)用而且簡化了工藝流程，可廣泛用于油田常壓注水、增壓注水、注粘土膠的堵水工藝以及注聚合物的驅(qū)油工藝。尤其在注聚合物的驅(qū)油工藝中，由于對(duì)聚合物的低剪切性和高的粘度保留率，因此具有更明顯的優(yōu)勢。這種恒流量往復(fù)泵的研制成功，不僅解決了注聚驅(qū)油工藝中注入泵的關(guān)鍵問題，為油田實(shí)施控水穩(wěn)油工程穩(wěn)定原油產(chǎn)量發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)還拓寬了往復(fù)泵研究與開發(fā)的新領(lǐng)域，填補(bǔ)了我國石油礦場恒流量往復(fù)泵的空白。所以往復(fù)泵的發(fā)展方向應(yīng)是恒流量往復(fù)泵。

　　多年來人們對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵的研究比較深入，理論和實(shí)驗(yàn)手段比較完善，積累了豐富的設(shè)計(jì)、制造和使用經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)恒流量往復(fù)泵的研究比較晚，理論和實(shí)驗(yàn)手段均不完備，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)開展對(duì)該類型泵的理論研究，為實(shí)際制造和使用提供理論指導(dǎo)。所以凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)恒流量往復(fù)泵與曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵在相當(dāng)長的歷史階段內(nèi)必將長期共存，并按技術(shù)特征、工況條件、工藝要求、經(jīng)濟(jì)效益來劃分其各自的領(lǐng)域，各揚(yáng)其長，各得其所、互相補(bǔ)充、共同發(fā)展。

　　(6)恒流量往復(fù)泵通過采用凸輪傳動(dòng)裝置作為動(dòng)力端，改變了柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使吸入與排出總管線無液流加速度和液流慣性損失，自吸性能好，泵閥的工況大大改善，提高了易損件的壽命。但其動(dòng)力端的可靠性仍然需要進(jìn)一步提高，所以應(yīng)加強(qiáng)動(dòng)力端凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究，特別應(yīng)該根據(jù)目前我國實(shí)際的制造水平和熱處理工藝技術(shù)，研究出切實(shí)可行的具有較高可靠性的動(dòng)力端，從而提高整機(jī)的可靠性。在相同參數(shù)下，凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)恒流量往復(fù)泵動(dòng)力端結(jié)構(gòu)尺寸要比曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵要大，所以應(yīng)引入優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)恒流量往復(fù)泵。

　　(7)就凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)恒流量往復(fù)泵而言，凸輪的設(shè)計(jì)制造是關(guān)鍵。所以應(yīng)該加強(qiáng)凸輪的CAD和CAM 技術(shù)研究，提高凸輪傳動(dòng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

　　(8)在參數(shù)設(shè)計(jì)上，既要借鑒傳統(tǒng)往復(fù)泵的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，又要根據(jù)凸輪傳動(dòng)的特殊性來統(tǒng)籌兼顧綜合考慮。一般來說，在中速和較低泵速下，往復(fù)泵的可靠性程度較高，所以“適當(dāng)增長沖程長度、合理降低沖次”的技術(shù)路線仍是切合實(shí)際和具有現(xiàn)實(shí)意義的。雖然恒流量往復(fù)泵總管內(nèi)無液流加速度和慣性損失，可以合理提高泵速，但缸內(nèi)仍然有比曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵小25%的液流加速度，所以盲目提高泵速也將引起缸內(nèi)的汽化和水擊并使工況惡化，同樣也會(huì)使得液力端易損件壽命降低。但沖次的提高可以減小柱塞力，降低凸輪與滾輪的接觸應(yīng)力提高其疲勞強(qiáng)度，從而減小動(dòng)力端尺寸和改善凸輪與滾輪摩擦副的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，提高其壽命。同時(shí)沖次的提高可以適當(dāng)縮短沖程長度，從而可以減小凸輪的尺寸，也能夠減小動(dòng)力端的尺寸。從這一點(diǎn)上講，沖次的提高是大大有利的。因此，凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)恒流量往復(fù)泵的參數(shù)設(shè)計(jì)原則是“適當(dāng)縮短沖程長度、合理提高額定泵速”。使恒流量往復(fù)泵的適用領(lǐng)域一方面突破傳統(tǒng)的“中低泵速”運(yùn)行的限制，另一方面又能控制在“較高泵速”的范圍內(nèi)，而絕不是毫無控制地談?wù)撌裁?ldquo;泵速越高越好”，以免走向反面。

　　(9)針對(duì)三次采油注聚合物驅(qū)油工藝技術(shù)的廣泛應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)泵送聚合物溶液過程機(jī)理研究，特別是往復(fù)泵的性能對(duì)泵送聚合物溶液這種假塑性非牛頓流體的性能影響，從而提高其粘度保留率，降低工藝這種工藝成本，提高驅(qū)油效果，為我國穩(wěn)定陸上原油產(chǎn)量作出貢獻(xiàn)。

4、結(jié)論

　　往復(fù)泵作為一種常見的流體機(jī)械，在石油、石化等行業(yè)有著廣泛的推廣應(yīng)用，但隨著我國石油石化工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于輸送不同流體介質(zhì)和不同工況條件而言，對(duì)往復(fù)泵的性能提出了更加高的要求，從往復(fù)泵的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢看，未來一段時(shí)期石油礦場往復(fù)泵要側(cè)重于易損件壽命的提高、側(cè)重于自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用、側(cè)重于故障診斷技術(shù)的應(yīng)用，以提高往復(fù)泵的可靠性和連續(xù)運(yùn)行效率；就技術(shù)性能而言，無壓力脈動(dòng)恒流量往復(fù)泵將是未來一段時(shí)期重點(diǎn)的發(fā)展方向，經(jīng)過已經(jīng)研制成功樣機(jī)并在采油領(lǐng)域得到應(yīng)用，但其可靠性和加工制造的精度，也需要進(jìn)一步提高。這種無脈動(dòng)恒流量往復(fù)泵有著傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)泵無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢，今后應(yīng)該側(cè)重于大功率、高壓力、大排量方向發(fā)展，側(cè)重于向大功率的無脈動(dòng)恒流量鉆井泵的研制，為我國超高壓噴射鉆井以及依靠鉆井液流體傳遞信號(hào)的先進(jìn)測量儀器(MWD\LWD等)提供可靠的技術(shù)保障。