摘要
深海钻探泥浆举升系统在无隔水管泥浆循环钻井（RMR）工艺中具有关键作用。为了提升举升系统的安全余量和适应性，本文对多泵串并联机制进行了深入研究，详细描述了泥浆举升泵的串并联结构设计和工作原理，探讨了串联和并联运行时流量与扬程的关系以及泵组串并联工况点的数解法和图解法步骤。进一步地，利用模型泵实测特性曲线，使用图解法获取了双泵串并联工况下的Q-H特性曲线和工况点，并提出了双泵协同控制的建议。
在使用无隔水管泥浆循环钻井（Riserless Mud Recovery，简称RMR）工艺时，钻井平台上的泥浆泵通过钻杆将泥浆输送至钻头，钻进时产生的岩屑被泥浆携带通过环空返回井口吸入模
图1 RMR系统示例
Fig.1 An example of RMR system
国内外对深海环境中的流体举升泵进行了大量研究。在泵型设计方面，高本金
在水泵并联运行研究方
在水泵串联运行研究方面，邓在
上述研究对多泵协同运行的理论和数值求解方面进行了较为深入的研究，但其研究的前置输入条件为定频定量泵，且输送的介质为水，研究过程较为理想化，研究结果尚不足以直接支撑输送固液气多态混合流、且排量在35~50 Hz之间无极调速的RMR举升泵组的设计和控制机制选择。本文以RMR举升泵组的复杂工况为前提，融合前述学者的理论和试验成果，提出具有针对性的双泵协同作业特性分析结论。
泥浆举升泵是RMR系统实现泥浆高效、长期稳定举升的执行单元。双泵举升系统是将2台举升泵集成在一个橇块中，采用空间集约化设计理念，在可满足需求的情况下，实现举升撬块最小化。举升系统主要由水下电机、泵体、泵组吸液管汇、泵组出液管汇、泵组切换单元、HPU单元、卸荷切换管汇、泵橇块、泵橇承重模块、甲板测控台架等关键部件组成，如
图2 双泵泥浆举升系统总体方案
Fig.2 Scheme of dual‑pump mud lifting system
多工况切换管汇是实现泵组多功能举升的重要部件，其功能有：作为举升系统的功能转换执行单元，通过阀门的开闭组合，实现泵组单泵、双泵串联与并联运行；作为第一级应急装置，可在工况需要时实现泥浆举升泵的卸荷防喷。
若要在双泵系统中实现上述功能，多工况切换管汇原理可按
图3 多工况切换管汇原理
Fig.3 Principle of multi‑condition switching manifold
不同工况的具体原理为：
（1）单泵运行：举升泵1号运行（泵1号开启，泵2号关闭，卸荷阀门关闭，流道阀门1号开启，流道阀门2号开启，流道阀门3号关闭）；举升泵2号运行（泵1号关闭，泵2号开启，卸荷阀门关闭，流道阀门1号关闭，流道阀门2号关闭，流道阀门3号开启）；
（2）双泵串联运行：举升泵1号运行，举升泵2号运行，卸荷阀门关闭，流道阀门1号关闭，流道阀门2号开启，流道阀门3号关闭；
（3）双泵并联运行：举升泵1号运行，举升泵2号运行，卸荷阀门关闭，流道阀门1号开启，流道阀门2号关闭，流道阀门3号开启；
（4）泵组卸荷：卸荷阀门开启即可。
在理想状态下，同型号同规格的2台水泵其流量与扬程关系如下所
串联时：
| （1） |
并联时：
| （2） |
式中：——泵1的流量，
从式（
实际工况中，由于管路摩阻、局部扬程损失等影响，双泵串并联工作的流量和扬程等特性参数是无法通过简单的数值叠加确定的，其工况点需要通过数解法或图解法确定。
根据伯努利能量方程计算泵装置扬程，由计算得到的速度场和压力场以及叶轮上作用的扭矩计算泵装置的水力性能。离心泵串并联装置的进水口与出水口的总能量差定义为装置扬程，计算公式
| （3） |
式中：Q——流量，；——离心泵串并联装置进水断面扬程，m；——离心泵串并联装置出水断面扬程，m；s1——离心泵串并联装置进水断面面积，；s2——离心泵串并联装置出水断面面积，；——离心泵串并联装置进水口各点流速，m/s；——离心泵串并联装置出水口各点流速，m/s；——离心泵串并联装置进水口断面各点流速法向分量，m/s；——离心泵串并联装置出水口断面各点流速法向分量，m/s；——离心泵串并联装置进水断面各点静压，Pa；——离心泵串并联装置出水断面各点静压，Pa；g——重力加速度，。
沿程压降是泥浆沿着管路输送时由于摩擦产生的压力损失，单位压力损失即为水力坡度，其计算公式
| （4） |
式中：Cv——流量系数，——颗粒的密度，；——钻井液的密度，；——海水的密度，；——管道内径，mm；Δ——管道粗糙度，取值0.30；——实际提升速度，m/s，Wgt——颗粒群临界沉降速度，m/s，Re——雷诺系数，g——重力加速度。
要使系统能够正常举升流体，泵串并联后的装置扬程需满足如下关系式：
| （5） |
式中：——管道长度，m；——局部扬程损失，根据管道结构查手册可得，m。
在特定管路系统与固定的操作条件下，将流体流经该管路时所需的压头与流量的关系在坐标图上表示出来，称为管路特性曲线，如
图4 单泵工作点的确定
Fig.4 Method for determining the operating point of a single pump
串联运行的Q-H曲线为两单泵曲线纵向叠加，即把串联的单台水泵的曲线在同一流量下扬程相加，管路系统特性曲线RMC与串联运行的Q-H曲线相交于A点，A点为串联运行时的工况点，A点横坐标QA就是串联运行时的流量，其纵坐标即为工况点时串联运行的扬程。如
图5 相同泵串联运行特性
Fig.5 Characteristics of pumps in series operation
并联运行的Q-H曲线为两单泵曲线横向叠加，即把并联的单台水泵的曲线在同一扬程下流量相加，管路系统特性曲线RMC与并联运行的Q-H曲线相交于M点，M点为并联运行时的工况点，M点横坐标QM就是并联运行时总的流量，为保障系统能够顺利举输送流体，Q运行<QM。如
图6 相同泵并联运行特性
Fig.6 Characteristics of pumps in parallel operation
为了更精确的刻画泥浆举升泵组的水力特性，在采用CFD-DEM耦合计算的方法构建离心泵的计算模型，进行了全尺度流场模拟，对离心泵的叶轮设计、流场和内颗粒分布规律、泥浆携岩运移规律研究的基础上，试制了两级模型泵。将模型泵与混输系统连接，开展了清水工况下两级泵试运行试验以及参数获取试验，通过试验得到模型泵在不同频率下的Q-H特性曲线，见
图7 两级模型泵实测特性
Fig.7 Measured characteristic curves of a two‑stage model pump
应用图解法求解串联和并联情况下的泵组特性曲线。使用管道扬程损失计算公式，计算了不同流量下的管路特性，并将管路特性曲线与泵组特性曲线绘制在同一坐标系中，得到了泵组串并联两种情况下特性曲线与管路损失曲线的相对关系。通过特性曲线图中的交点A，即可确定双泵串联和双泵并联情形下的工况点，图中还针对特定频率列出了该频率下的单泵工作曲线，以辅助说明双泵协作工况下的控制点。
如
图8 举升泵串联工况不同频率Q-H特性
Fig.8 Q-H characteristic curves of lifting pumps in series operation at different frequencies
如
图9 举升泵并联工况不同频率Q-H特性
Fig.9 Q-H characteristic curves of lifting pumps in parallel operation at different frequencies
双泵协作控制参数建议如
| 工况 | 控制频率/Hz | 流量/(m³· | 扬程/m |
|---|---|---|---|
| 双泵串联 | 35 | 140 | 520 |
| 双泵并联 | 50 | 200 | 550 |
（1）泥浆举升泵的串并联运行对于提高系统的安全冗余和适应性具有重要意义，串联和并联运行时的流量与扬程关系复杂，要实现双泵协同控制需明确双泵串并联时的特性曲线。
（2）数解法和图解法是确定泵组串并联工况点的有效方法，为多泵协同控制研究提供了理论依据。
（3）通过模型泵试验，成功获取了泵组在清水工况下的Q-H特性曲线，为双泵协作控制提供了实验数据支持。使用图解法提出了双泵串联和并联时的最佳工况点，包括频率、流量和扬程等参数，为实际工程应用提供了指导。
随着技术的发展和应用的拓展，预计泥浆举升泵的串并联技术将得到更广泛的应用，进一步提高深海泥浆举升系统的效率和可靠性。
参考文献（References）
王嘉瑞，秦如雷，冯起赠，等.大洋钻探井口吸入模块设计与模态分析［J］.钻探工程，2023，50（6）：45-55. [百度学术]
WANG Jiarui， QIN Ruxue， FENG Qizeng， et al. Design and modal analysis of wellhead suction module for ocean drilling［J］. Drilling Engineering， 2023，50（6）：45-55. [百度学术]
陈浩文，于彦江，王艳丽，等.气举技术应用于深海无隔水管泥浆回收钻井工艺可行性分析［J］.钻探工程，2022，49（2）：9-15. [百度学术]
CHEN Haowen， YU Yanjiang， WANG Yanli， et al. Feasibility analysis of gas lift technology for application in deep？sea riserless mud recovery drilling［J］. Drilling Engineering， 2022，49（2）：9-15. [百度学术]
秦如雷，于彦江，陈浩文，等.无隔水管泥浆循环举升泵选型及性能参数计算方法［J］.钻探工程，2021，48（S1）：381-385. [百度学术]
QIN Ruxue， YU Yanjiang， CHEN Haowen， et al. Selection and calculation of parameters of the mud lifting pump for RMR［J］. Drilling Engineering， 2021，48（S1）：381-385. [百度学术]
Brown J D， Urvant V V， Thorogood J L， et al. Deployment of a riserless mud‑recovery system offshore Sakhalin Island［C］//SPE/IADC Drilling Conference. Amsterdam： SPE， 2007：SPE-105212-MS. [百度学术]
高本金，陈国明，殷志明，等.深水无隔水管钻井液回收钻井技术［J］.石油钻采工艺，2009，31（2）：44-47. [百度学术]
GAO Benjin， CHEN Guoming， YIN Zhiming， et al. Deepwater riserless mud recovery drilling technology［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2009，31（2）：44-47. [百度学术]
邹伟生，刘瑞仙，刘少军.粗颗粒海底矿石浆体提升电泵研究［J］.中国机械工程，2019，30（24）：2939-2944. [百度学术]
ZOU Weisheng， LIU Ruixian， LIU Shaojun. Study on lifting motor pumps for coarse particle slurry in sea bed mining［J］. China Mechanical Engineering， 2019，30（24）：2939-2944. [百度学术]
封安东.多泵串并联运行性能分析与试验研究［D］.合肥：安徽农业大学，2023. [百度学术]
FENG Andong. Analysis and experimental study on the performance of multiple pumps operating in series and parallel［D］. Hefei： Anhui Agricultural University， 2023. [百度学术]
符永正，吴克启，蔡亚桥.水泵并联变台数运行的有关问题分析［J］.水泵技术，2005（3）：41-43. [百度学术]
FU Yongzheng， WU Keqi， CAI Yaqiao. Analysis of Some aspects about multiple pumps operation in parallel［J］. Pump Technology， 2005（3）：41-43. [百度学术]
张永秋，张晓霞，雷鹏帅，等.同型号泵并联运行工况点确定的简便方法［J］.兰州交通大学学报，2008，27（4）：73-74. [百度学术]
ZHANG Yongqiu， ZHANG Xiaoxia， LEI Pengshuai， et al. A simplified method to determine the operating point of type pumps in parallel［J］. Journal of Lanzhou Jiaotong University， 2008，27（4）：73-74. [百度学术]
汪建华，汪禹.同型号离心泵并联运行相关问题的探讨［J］．机械研究与应用，2012（1）：57-58. [百度学术]
WANG Jianhua， WANG Yu. Research on relevant problem of same type pumps operation in parallel［J］. Mechanical Research & Application， 2012（1）：57-58. [百度学术]
邓在德.串联泵（机）装置高效运行的设计和选型［J］.节能，1989（3）：29-32. [百度学术]
DENG Zaide. Design and selection of efficient operation of series pump （machine） device［J］. Energy Conservation， 1989（3）：29-32. [百度学术]
叶松涛，谢杰辉，魏秀静，等.串联离心泵节流与变频控制方案比较分析［J］.化工自动化及仪表，2015（1）：7-11. [百度学术]
YE Songtao， XIE Jiehui， WEI Xiujing， et al. Comparative analysis of control schemes for centrifugal pumps in series［J］. Control and Instruments in Chemical Industry， 2015，42（1）：7-11. [百度学术]
许景伟，孟振虎.离心泵串联调速运行的数解方法［J］.油气储运，2009，28（6）：21-25. [百度学术]
XU Jingwei， MENG Zhenhu. Numerical method for variable running speed of centrifugal pumps in series［J］. Oil & Gas Storage and Transportation， 2009，28（6）：21-25. [百度学术]
曾晓渝，孙跃民.离心泵串联供水问题的探讨［J］.重庆电力高等专科学校学报，2010，15（4）：5-7. [百度学术]
ZENG Xiaoyu， SUN Yuemin. A study on the series water supply of the centrifugal pump［J］. Journal of Chongqing Electric Power College， 2010，15（4）：5-7. [百度学术]
王红超，魏志聪，李晓俊，等.多级串并联离心泵运行特性研究［J］.流体机械，2024，52（2）：54-59. [百度学术]
WANG Hongchao， WEI Zhicong， LI Xiaojun， et al. Research on the operating characteristics of multistage series-parallel centrifugal pumps［J］. Fluid Machinery， 2024，52（2）：54-59. [百度学术]
李明桥，刘建华，赵妍.供水泵站工程水泵选型计算实例分析［J］.西北水电，2021（4）：69-71. [百度学术]
LI Mingjiao， LIU Jianhua， ZHAO Yan. Example analysis of pump selection calculation in pump station project［J］. Northwest Water Power， 2021（4）：69-71. [百度学术]
HE G L， XU B C， CHEN H W， et al. Study of the relationships among the reverse torque， vibration， and input parameters of mud pumps in riserless mud recovery drilling［J］. Applied Sciences， 2023，13（21）：11878. [百度学术]
Ramakrishna R， Hemalatha S， Rao D S. Analysis and performance of centrifugal pump impeller［J］. Materials Today： Proceedings， 2022，50：2467-2473. [百度学术]
Smith D， Winters W， Tarr B， et al. Deepwater Riserless Mud Return System for Dual Gradient Tophole Drilling［C］//SPE/IADC Managed Pressure Drilling and Underbalanced Operations Conference and Exhibition. Kuala Lumpur： SPE，2010：SPE-130308-MS. [百度学术]
