BSJ5310TGJ型雙機雙泵固井水泥車研制

李秀珍，王定亞，李小兵，王來智，金連登，張正祖（寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）

BSJ5310TGJ型雙機雙泵固井水泥車研制

李秀珍，王定亞，李小兵，王來智，金連登，張正祖
（寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）①

為了適應(yīng)油田惡劣的道路條件，滿足大排量、高壓力的固井工藝需要，以及自動化固井作業(yè)的要求，研制了雙機雙泵固井水泥車。該車采用車載方式，主要由重型越野底盤、動力系統(tǒng)、自動混漿系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和高低壓管匯系統(tǒng)等組成，最高工作壓力97MPa，最大排量3．0m3／min，最大混漿能力2．3m3／min。配置的自動混漿系統(tǒng)采用雙變量控制，具有響應(yīng)速度快、混漿精度高等優(yōu)點，整車布局合理，操作方便。經(jīng)性能測試表明，該固井水泥車動力性強，自動化程度高，其運行穩(wěn)定性和可靠性完全滿足當(dāng)前油氣田固井作業(yè)要求。

水泥車；結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)；創(chuàng)新技術(shù)

專利技術(shù)：國家實用新型專利“新型高能混合器”（CN201895357U）

近年來，世界各國正逐步加大對山區(qū)、沙漠和丘陵地區(qū)油氣田的開采力度，常規(guī)的固井水泥車已不能適應(yīng)惡劣的道路條件和復(fù)雜的固井工藝要求。越野性能強、混漿質(zhì)量穩(wěn)定、自動化程度高的固井車將取得市場競爭優(yōu)勢。

哈里伯頓、斯倫貝謝以及雙S公司的固井設(shè)備比較先進，都采用液灰雙控的混漿控制系統(tǒng)，混漿密度精確，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，但其設(shè)備價格昂貴，供貨周期長，配件供給不足。我國目前制造的固井設(shè)備配置的混漿系統(tǒng)主要是基于哈里伯頓的混漿結(jié)構(gòu)而仿制或改進設(shè)計開發(fā)的，不能完全實現(xiàn)液灰的雙變量自動控制。隨著油氣田的深入開發(fā)，具有液灰雙變量控制技術(shù)的自動混漿系統(tǒng)能滿足日趨復(fù)雜的固井工藝要求，降低操作人員的勞動強度，提高固井效率和質(zhì)量。為此，研制了具有液灰雙控混漿系統(tǒng)的雙機雙泵固井水泥車，能滿足油田用戶對固井作業(yè)的新要求，降低固井設(shè)備的采購和使用成本，提高固井車市場競爭力。

1　結(jié)構(gòu)及工作原理

1．1 工藝流程

自動混漿系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)清水和干水泥灰的比例，然后通過高能混合器預(yù)混，進入到混配罐經(jīng)攪拌器進一步攪拌混合，形成滿足固井作業(yè)要求的密度均勻的水泥漿，然后由動力系統(tǒng)驅(qū)動柱塞泵，將混配好的水泥漿加壓后通過高壓管匯泵送至井筒和套管的環(huán)形空腔中，從而完成環(huán)空固井［1］。

1．2 總體結(jié)構(gòu)方案

雙機雙泵固井水泥車是在車輛底盤［2-3］上裝有2套動力系統(tǒng)和2臺柱塞泵的注水泥漿設(shè)備，由泵注系統(tǒng)和混漿系統(tǒng)組成。泵注系統(tǒng)的作用是通過柱塞泵向油、氣井內(nèi)泵注水泥漿，混漿系統(tǒng)的功能是配制均勻的、符合密度要求的水泥漿。總體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1　雙機雙泵固井水泥車總體布置示意

1．2．1 重型越野底盤

為滿足國內(nèi)油氣田道路條件及運輸要求，該車采用車載結(jié)構(gòu)，選擇梅賽德斯-奔馳二類越野底盤作為固井裝備的安裝基座。該底盤具有動力性強、越野性能好、行駛穩(wěn)定性和可靠性高等特點，完全滿足山區(qū)、沙漠等無人地區(qū)的復(fù)雜道路條件的行駛要求。

1．2．2 動力系統(tǒng)

該車的動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機和變速箱，為提高固井作業(yè)的可靠性，該車配置的發(fā)動機選用進口全電腦控制電噴柴油發(fā)動機，性能可靠，動力強勁，具有高轉(zhuǎn)速、高水溫、低油壓和低水位的自動停機保護功能。同時選用液力機械自動變速箱，可與發(fā)動機直接聯(lián)接，有利于縮短整車長度尺寸，提高整車的機動性能。

為滿足油氣田道路行駛條件，該車配置的發(fā)動機與變速箱選用直接聯(lián)接方式，變速箱輸出的動力由傳動軸傳遞至柱塞泵，兩臺柱塞泵采用對稱布置方式，有利于縮短整車外形尺寸，整車布局緊湊合理。如圖2所示。

圖2　動力傳動結(jié)構(gòu)示意

1．2．3 三缸柱塞泵

該車配置了2臺SPM公司生產(chǎn)的臥式三缸單作用往復(fù)柱塞泵，通過傳動軸與變速箱聯(lián)接。該泵可用于輸送固井水泥漿、含砂流體、酸液等油田用液體。動力端由安裝在車臺發(fā)動機上的油泵提供強制潤滑。液力端為氣動潤滑，由氣體向油罐提供壓力，使油液流向液力端。

不同地區(qū)油氣田的油氣儲存條件不同，因而固井作業(yè)時所需求的壓力、排量以及泥漿密度也不同，為滿足多種作業(yè)需求，該車配置了雙動力系統(tǒng)和雙柱塞泵，根據(jù)油氣田的實際工況，選擇使用單動力或雙動力系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出功率、轉(zhuǎn)速，變換液力變速箱的擋位以及選擇不同柱塞泵的柱塞尺寸，輸出不同排量及壓力，以滿足實際固井作業(yè)中的各種參數(shù)要求。通過輸出選擇，該車可輸出最大排量為3．0m3／min，最高工作壓力可達(dá)97MPa。

2　主要技術(shù)參數(shù)

最高工作壓力97MPa

最大排量3m3／min

混漿能力0～2．3m3／min

混漿密度1～2．6g／cm3

密度精度±0．02g／cm3

整車總質(zhì)量29000kg

整車外形尺寸

10900mm×2500mm×3960mm

3　自動混漿控制系統(tǒng)

3．1 系統(tǒng)組成

自動混漿控制系統(tǒng)為整車的核心部件，主要由高能混合器、混配罐、水流量控制閥、干灰計量閥、清水流量計、密度計、管匯等組成。固井作業(yè)之前，首先對井眼進行評估，以確定泥漿的密度和用量；然后向控制系統(tǒng)設(shè)置所需的泥漿密度、泥漿用量及流量等相關(guān)參數(shù)，參數(shù)設(shè)置后開始進行固井作業(yè)，該系統(tǒng)會自動維持水泥漿密度在設(shè)定值，并根據(jù)柱塞泵泥漿的排出量實時調(diào)節(jié)水泥漿混配量，持續(xù)穩(wěn)定的完成固井作業(yè)。

3．2 控制系統(tǒng)原理

本發(fā)明公開了鎳鈷錳三元材料前驅(qū)體分級系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括：合成釜，所述合成釜具有原料入口和三元材料前驅(qū)體漿料出口；固固分離設(shè)備，所述固固分離設(shè)備具有三元材料前驅(qū)體漿料入口、水入口、小顆粒物料出口和大顆粒物料出口，所述三元材料前驅(qū)體漿料入口與所述三元材料前驅(qū)體漿料出口相連，所述小顆粒物料出口與所述原料入口相連。該系統(tǒng)可以對鎳鈷錳三元材料前驅(qū)體合成得到的漿料中的顆粒按粒度進行分級，并將小顆粒物料返回合成釜中，從而實現(xiàn)了反應(yīng)的連續(xù)化，且工藝流程簡單，適于工業(yè)化推廣。公開/公告號：CN108314093A 申請/專利權(quán)人：中國恩菲工程技術(shù)有限公司

傳統(tǒng)的混漿控制原理是在確定了水泥漿的排量和密度后，通過系統(tǒng)計算得出清水流量，在保持清水流量不變的情況下對干水泥灰進行自動控制，進而完成符合密度要求的水泥漿。但當(dāng)作業(yè)要求突然發(fā)生變化時，其反應(yīng)速度較慢，且進灰量在施工作業(yè)中隨著下灰車儲灰量的變化而變化，易于造成混漿不均勻，并且該種混漿控制對操作人員的操作技術(shù)水平和熟練程度要求較高。

為此，在借鑒和吸收國外最新混漿技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了水泥漿混配的雙變量控制技術(shù)，可以同時對清水和干水泥灰進行控制，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3　水泥漿混配自動控制系統(tǒng)原理

為滿足油田用戶的不同需求，該混漿控制系統(tǒng)有3種控制模式供操作人員選擇，即完全自動控制、手動液壓控制和手動直接控制。

自動控制系統(tǒng)是由計算機自動采集水泥漿密度信號和清水流量信號，并與系統(tǒng)設(shè)定的水泥漿密度值進行比較，進而向比例調(diào)節(jié)閥發(fā)出指令信號，促使液壓油缸（回轉(zhuǎn)油缸和雙作用直線油缸）動作，以達(dá)到調(diào)節(jié)干水泥灰和清水調(diào)節(jié)閥閥門的開度，實現(xiàn)水泥漿自動混配的目的。

水泥漿混配的手動液壓控制系統(tǒng)根據(jù)顯示屏顯示的水泥漿密度和清水流量數(shù)據(jù)，手動控制比例調(diào)節(jié)閥，促使液壓油缸（回轉(zhuǎn)油缸和雙作用直線油缸）動作，進而控制干水泥灰和清水調(diào)節(jié)閥閥門的開度，完成水泥漿的混配。

水泥漿混配的手動直接控制是根據(jù)干灰調(diào)節(jié)閥和清水調(diào)節(jié)閥的刻度盤指示，手動操控干水泥灰和清水調(diào)節(jié)閥的閥芯旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)干水泥灰和清水的比例進給，完成混漿作業(yè)。

4　性能測試

2013-03，根據(jù)QC／T252《專用汽車定型試驗規(guī)程》和GB1589—2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》對雙機雙泵固井水泥車進行了整車主要尺寸和質(zhì)量參數(shù)測量以及路試試驗。試驗表明，該車各主要尺寸及質(zhì)量、軸荷均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；路試表明該車行駛穩(wěn)定可靠，滿足油田路況使用要求。

2013-05，依據(jù)SY／T5557—2009《固井成套設(shè)備規(guī)范》［4］和《雙機雙泵固井水泥車調(diào)試規(guī)程》對該車進行了全面的室內(nèi)性能測試。經(jīng)測試，該車最大工作壓力可達(dá)97MPa，最大輸出排量為3m3／min，最大混漿能力為2．3m3／min，操作控制方便快捷，水泥漿的自動混配穩(wěn)定可靠，滿足固井作業(yè)要求。

5　創(chuàng)新技術(shù)

1） 自動混漿控制系統(tǒng)。該車的自動混漿控制系統(tǒng)通過采集輸出水泥漿的密度和排量，及時自動調(diào)整清水和干水泥灰的進給量，混漿密度精確，有利于提高混漿效率和質(zhì)量，能更好地完成固井作業(yè)，該系統(tǒng)已榮獲國家發(fā)明專利（一種全自動固井水泥漿質(zhì)量控制及混配系統(tǒng)）。

2） 結(jié)構(gòu)設(shè)計。固井水泥車三缸柱塞泵的安裝位置由傳統(tǒng)的車體中部調(diào)整到車體尾部，遠(yuǎn)離操作儀表控制臺，便于高壓管匯的安裝，有利于提高操作的安全性和柱塞泵及管匯的維修性。

固井水泥車的混配罐和計量罐進行一體化設(shè)計，節(jié)省了部件安裝空間，使整車布局更加緊湊合理，同時有利于清水管匯和循環(huán)管匯的安裝與維修。

固井水泥車混配罐主體由當(dāng)前的長方體形改進為圓柱筒形，底部采用圓錐形結(jié)構(gòu)，并將攪拌系統(tǒng)設(shè)置在混配罐中央，使水泥漿攪拌混合更均勻化，并有利于固井作業(yè)完成后混配罐的清洗。

6　結(jié)論

1） 為了滿足山區(qū)、沙漠和丘陵地區(qū)的固井作業(yè)要求，研制了全自動雙機雙泵自動混漿固井水泥車，順利完成廠內(nèi)各項性能試驗及整車調(diào)試。

2） 該車創(chuàng)新使用了清水和干水泥灰雙變量控制的全自動混漿系統(tǒng)，并采用雙動力系統(tǒng)和柱塞泵，合理布局整車，能滿足不同油氣田的不同壓力及排量固井工藝要求。

3） 為提高固井設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，該車的主要部件配置了進口件，增加了一定的設(shè)備成本，存在維修備件不足或供貨周期問題。

4） 該車主要用于油田固井作業(yè)，也可用于洗井、巖屑回注和頂替等作業(yè)，可完成自制水泥漿、注水泥、替泥漿和碰壓等工作，適用于陸地油田、沙漠油田及偏遠(yuǎn)油區(qū)等各種復(fù)雜地域條件的作業(yè)需求。

5） 該項目后期的改進重點是，在滿足整車性能不變的條件下，優(yōu)先配置國產(chǎn)主要部件，降低設(shè)備成本和維修費用，縮短整車生產(chǎn)制造周期，提高整車的經(jīng)濟性。

［1］ 王志佳．固井過程中的重要參數(shù)［J］．中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011（8）：148．

［2］ 張旭明，唐衛(wèi)軍．CPT-Y4型固井水泥車靜態(tài)強度分析及改進［J］．石油礦場機械，2012，41（9）：76-79．

［3］ 李武幸，戴相富，鄭滿圈，等．雙泵固井水泥車的研制［J］．石油機械，2003，31（2）：26-27．

［4］ SY／T5557—2009，固井成套設(shè)備規(guī)范［S］．

DevelopmentoftheBSJ5310TGJDoubleEngineDoublePumpCementingTruck

LIXiuzhen，WANGDingya，LIXiaobing，WANGLaizhi，JINLiandeng，ZHANGZhengzu
（BaojiOilfieldMachineryCo．，Ltd．，Baoji721002，China）

To better adapt the severe oilfield road to meet the needs of high pressure and large dis- placement cementing technology and the requirement of automatic cementing operation，the BSJ5310TGJ double engine double pump cementing truck was developed．The truck mainly con- sists of heavy off-road chassis，power system，automatic cementing-mixing system，hydraulic sys- tem，high and low pressure manifold system and other components．Its maximum working pres- sure is 97 MPa，its maximum displacement is 3．0 m3／min，its maximum cementing-mixing capaci- ty is 2．3 m3／min．The automatic cementing-mixing system adopts double variable control，has quick response speed and mixing advantages of higher precision．The truck has a reasonable over- all layout and convenient operation．Through performance test shows that the truck has strong performance，good degree of automation and its running stability and reliability meets the require- ments of the current oil and gas well cementing operation．

cementing truck；structure；control system；innovative technolo gy

TE925．2

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．018

1001－3482（2015）08－0075－04

①2015－01－28

李秀珍（1979-），女，山東肥城人，工程師，2001年畢業(yè)于山東科技大學(xué)機械電子工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田鉆井設(shè)備設(shè)計，Email：leexiuzhen＠163．com。