NC5340TGJ型雙機(jī)雙泵固井水泥車研制

付 俊，李小兵，雷靜希，李 鵬，嚴(yán)金林，范 松，白蘭昌

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；3.成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，成都 611730)

隨著石油勘探開發(fā)領(lǐng)域擴(kuò)大，鉆井技術(shù)不斷進(jìn)步,促進(jìn)了固井技術(shù)的進(jìn)步[1-2]。固井車主要用于泵送水泥漿、洗井、配壓、試液、擠封、小型酸化等作業(yè)，是油田完成固井、試油等生產(chǎn)任務(wù)的主要設(shè)備[3]。近年來，世界各國(guó)正逐步加大對(duì)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(qiáng)、混漿質(zhì)量穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高的固井車將取得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[4]。

國(guó)外固井設(shè)備的生產(chǎn)廠家主要有美國(guó)的哈里伯頓、道威爾等企業(yè)[5-7]。他們對(duì)固井設(shè)備的使用已有很長(zhǎng)的歷史，有很全面的固井技術(shù)儲(chǔ)備，占有一定市場(chǎng)份額，但價(jià)格比較昂貴，維護(hù)成本較高。國(guó)內(nèi)固井設(shè)備的生產(chǎn)廠家主要是中石油的寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，中石化江漢第四石油機(jī)械廠和煙臺(tái)杰瑞石油裝備有限公司等企業(yè)。國(guó)產(chǎn)固井設(shè)備經(jīng)歷了仿造、技術(shù)引進(jìn)，消化吸收，再創(chuàng)新，現(xiàn)已具有一定規(guī)模。但是，國(guó)內(nèi)固井設(shè)備的穩(wěn)定性和混漿精度和國(guó)外仍有一定的差距，難以更好地滿足國(guó)內(nèi)固井作業(yè)需要。

為此，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制了NC5340TGJ型雙機(jī)雙泵固井水泥車，固井泵采用“寶石牌”TPI-600S型柱塞泵。2臺(tái)臥式三缸柱塞泵安裝在汽車底盤上，由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。解決了哈里伯頓、斯倫貝謝、雙S公司及CD公司配備的SPM600、HT-400柱塞泵[8]價(jià)格昂貴的問題，以及國(guó)內(nèi)中石化石油工程有限公司第四機(jī)械廠自主研發(fā)的SJ300型泵，SJ600型泵[9-10]的供貨周期很長(zhǎng)，售后服務(wù)也很難跟上的難題。隨著各油田的深入開發(fā)，配置SJ300泵的固井水泥車[11-12]已不能滿足一些特殊固井工藝的要求。該型固井車由柴油機(jī)帶動(dòng)液力變速箱，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)固井泵完成固井施工作業(yè)。液力變速箱有多個(gè)擋位，使其可以往井筒內(nèi)輸入多種排量及壓力的水泥漿。柴油機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)由液體工作介質(zhì)柔性聯(lián)接，減少?zèng)_擊和負(fù)荷突變[13-14]，同時(shí)降低了固井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備的使用壽命。

1 總體方案設(shè)計(jì)

NC5340TGJ型雙機(jī)雙泵固井水泥車為車載式結(jié)構(gòu)，包括汽車底盤、液壓系統(tǒng)、柴油機(jī)、液力變速箱、臥式三缸柱塞泵、管匯總成、操作平臺(tái)、氣控系統(tǒng)及儀表控制箱等構(gòu)成，如圖1所示。卡車底盤除完成整車移運(yùn)功能外，還為液壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)提供動(dòng)力。2臺(tái)臥式三缸柱塞泵由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)放置于卡車底盤的副梁上，主要用于油田固井作業(yè)的水泥漿混配和高壓泵送。整車的操作由電路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)及機(jī)械傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。該車的固井作業(yè)操作均在操作平臺(tái)上進(jìn)行，方便、可靠，可由1人完成，且自動(dòng)化程度高。操作平臺(tái)上安裝有操控臺(tái)及護(hù)欄，吸入管路和排出管路的控制閥都集中在操控臺(tái)周圍。操控臺(tái)上裝有各種儀表、控制裝置及自動(dòng)混漿裝置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。混合器和混漿罐位于操控臺(tái)的右側(cè)且接近于卡車底盤的尾部。

2 工藝原理

圖2是NC5340TGJ型雙機(jī)雙泵固井水泥車工作流程圖。運(yùn)輸罐車通過輸灰管道將水泥灰顆粒輸送至混合器進(jìn)灰口，清水離心泵將計(jì)量水罐內(nèi)的清水輸送至混合器清水口，水泥灰顆粒和清水在混合器內(nèi)初次混合。初次混合的水泥漿不能滿足固井作業(yè)需要，該水泥漿在混配罐內(nèi)經(jīng)攪拌器攪拌，使預(yù)混好的水泥漿混合更加均勻。混配罐底部開有2個(gè)出口，泵吸入口和二次混漿口。引入二次混漿的目的是利用循環(huán)泵的大流量，使水泥漿再次高速通過混合器。二次混漿在增大混配罐內(nèi)泥漿流動(dòng)的同時(shí)，還能進(jìn)一步提高混合器的自吸能力，混配系統(tǒng)的水泥漿密度通過二次混漿回路的密度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。混合均勻的水泥漿經(jīng)固井泵Ⅰ和固井泵Ⅱ泵入至井筒內(nèi)，完成固井施工作業(yè)。為了增加固井泵Ⅰ和固井泵Ⅱ的吸入性能，在固井泵Ⅰ和固井泵Ⅱ的吸入口處增加灌注泵。

1—汽車底盤；2—液壓系統(tǒng)；3—副梁；4—?jiǎng)恿ο到y(tǒng)；5—離心泵；6—管匯總成；7—固井泵；8—混漿罐；9—混合器；10—操控臺(tái)；11—操作平臺(tái)；12—傳動(dòng)軸；13—計(jì)量水罐；14—取力器；15—作業(yè)管匯。

1—計(jì)量水罐；2—供水泵Ⅰ；3—固井泵Ⅰ；4—灰罐車；5—密度計(jì)；6—循環(huán)泵；7—混漿罐；8—灌注泵；9—固井泵Ⅱ；10—供水泵Ⅱ。

3 主要技術(shù)參數(shù)

NC5340TGJ型雙機(jī)雙泵固井水泥車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 NC5340TGJ型固井水泥車主要技術(shù)參數(shù)

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 電控系統(tǒng)

NC5340TGJ型雙機(jī)雙泵固井水泥車是通過操作平臺(tái)上部的操控臺(tái)進(jìn)行控制。操控臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)啟停、油門增減、緊急停機(jī)等，同時(shí)有發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、機(jī)油油壓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警指示燈，以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯示等。對(duì)液力傳動(dòng)箱的控制主要包括：傳動(dòng)箱換擋、閉鎖、解鎖，同時(shí)顯示液力傳動(dòng)箱的油溫、油壓。對(duì)固井泵主要是顯示排出泵壓及超壓報(bào)警，監(jiān)測(cè)泵潤(rùn)滑油壓和油溫。儀表臺(tái)、計(jì)量罐上方及混漿罐處均設(shè)有燈光照明，可以在夜間進(jìn)行固井施工作業(yè)。

4.2 自動(dòng)混漿系統(tǒng)

自動(dòng)混漿系統(tǒng)是整車的核心，其控制精度決定固井質(zhì)量。清水與干水泥灰在混合器內(nèi)完成混合，進(jìn)入混合器的清水量與水泥灰量由清水計(jì)量閥和干灰計(jì)量閥的開度決定。自動(dòng)混漿系統(tǒng)主要由密度控制系統(tǒng)和液面控制系統(tǒng)組成。

1)密度控制系統(tǒng)。

當(dāng)進(jìn)入正常固井施工時(shí)，通過清水流量計(jì)檢測(cè)清水的供給流量，確保清水供給穩(wěn)定無變化。混漿系統(tǒng)會(huì)不斷通過密度計(jì)檢測(cè)實(shí)際密度值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)密度有所變化時(shí)，可以肯定密度變化的原因是供灰量的變化。計(jì)算機(jī)會(huì)重新計(jì)算灰閥的開度值A(chǔ)，也就是在原有自學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上增大或者減小A，以便使清水與干水泥灰混合到一起達(dá)到設(shè)定的密度值。由于此時(shí)吸入、排出管內(nèi)的水泥漿密度已經(jīng)不符合要求，為了使密度跟進(jìn)的速度快，計(jì)算機(jī)會(huì)將灰閥的開度增加或減小得更多一些，也就是首先檢測(cè)到密度變化時(shí)，并不是以計(jì)算得到的灰閥開度A來調(diào)控灰閥的開度，而是以(A±δ)的偏移來調(diào)整，并通過計(jì)算推導(dǎo)這樣調(diào)整所要持續(xù)的時(shí)間。然后再加上或減去δ的偏移量，使控灰閥的調(diào)整開度值為前面計(jì)算所得到的A。此時(shí)混漿罐內(nèi)的水泥漿密度符合設(shè)定值。同時(shí)，依據(jù)設(shè)定密度值來計(jì)算出新的清水和干灰的注入比例，使混配出的全部水泥漿符合要求。

以上是考慮到實(shí)際施工過程中大多數(shù)情況下清水供給穩(wěn)定，供給流量不變的控制過程。如果出現(xiàn)清水供給變化影響密度的情況，則可以通過清水流量計(jì)來監(jiān)測(cè)，從而以一定的控制算法來調(diào)整控水閥。

還有一種情況是清水的供給、干灰的供給同時(shí)波動(dòng)，此時(shí)就可以發(fā)揮自動(dòng)混漿系統(tǒng)水泥灰、清水同時(shí)控制的優(yōu)點(diǎn)。首先根據(jù)排量以及混配速度等參數(shù)來調(diào)控控水閥、控灰閥到達(dá)一個(gè)固定的開度，然后再以上述方法來修正控灰閥、控水閥的開度。密度校準(zhǔn)界面如圖3所示。

圖3 密度校準(zhǔn)界面

2)液面控制系統(tǒng)。

首先在計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)設(shè)置界面里啟動(dòng)液位自動(dòng)控制功能，工作時(shí)，計(jì)算機(jī)通過超聲波液位計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)液面信號(hào)，并將該數(shù)據(jù)與液面設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，同時(shí)參考實(shí)際泥漿排出量計(jì)算此時(shí)的清水吸入量。輸出控制信號(hào)給清水控制閥，從而調(diào)節(jié)清水比例閥的位置，控制進(jìn)入混合罐內(nèi)的清水量，維持液面高度的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)液面自動(dòng)控制。

4.3 整車行駛穩(wěn)定性校核

高海拔(≥3 000 m)地區(qū)為氣壓、空氣含氧量及溫度均較低的環(huán)境，會(huì)對(duì)汽車動(dòng)力性能產(chǎn)生一定的影響，易造成汽車啟動(dòng)及爬坡困難，導(dǎo)致運(yùn)行速度降低，路段通行能力下降，進(jìn)而影響行車效率與安全[15]。根據(jù)NC5340TGJ型雙機(jī)雙泵固井水泥車載荷分布，采用杠桿平衡法計(jì)算整車質(zhì)心位置。校核該型固井車上坡時(shí)、下坡時(shí)、轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1)上坡和下坡時(shí)穩(wěn)定性校。

最大爬坡度是指汽車滿載時(shí)在良好路面上用I擋克服的最大坡度，代表汽車的爬坡能力[16]。當(dāng)固井車以較低速度在硬實(shí)路面上等速上坡時(shí),其運(yùn)動(dòng)的慣性力、風(fēng)對(duì)汽車的阻力和地面對(duì)車輪的滾動(dòng)摩擦力都可略去不計(jì)。計(jì)算固井車滿載時(shí)的上坡最大坡度α，下坡時(shí)的最大坡度β，如圖4～5所示。

按油田山區(qū)最大路面坡度42°進(jìn)行校核，經(jīng)過計(jì)算，整車爬坡與下坡性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 上坡穩(wěn)定性校核

圖5 下坡穩(wěn)定性校核

2)轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性校核。

當(dāng)汽車在坡道上橫向行駛或轉(zhuǎn)彎時(shí)，有可能發(fā)生側(cè)向傾翻。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258-2017《動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[17]，質(zhì)量為整備質(zhì)量的1.2 倍以下的機(jī)動(dòng)車，側(cè)傾穩(wěn)定角≥28°。經(jīng)計(jì)算，該固井車轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性能良好，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258-2004要求。如圖6所示。

4.4 動(dòng)力系統(tǒng)

NC5340TGJ型雙機(jī)雙泵固井水泥車有2條動(dòng)力傳遞路線，第1條是由汽車底盤發(fā)動(dòng)機(jī)取力，經(jīng)分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)4個(gè)液壓泵，其中液壓泵Ⅰ為單聯(lián)泵，液壓泵Ⅱ、液壓泵Ⅲ、液壓泵Ⅳ為雙聯(lián)泵。液壓泵Ⅰ單獨(dú)驅(qū)動(dòng)供水泵Ⅰ，用于對(duì)計(jì)量水罐內(nèi)的清水加壓后輸送至混漿系統(tǒng)。雙聯(lián)液壓泵Ⅱ除驅(qū)動(dòng)供水泵Ⅱ，還可以用于驅(qū)動(dòng)攪拌器。為了確保固井施工持續(xù)進(jìn)行，供水泵Ⅰ與供水泵Ⅱ互為備用。若供水泵Ⅰ不能正常工作時(shí)，供水泵Ⅱ可以代替供水泵Ⅰ往混漿系統(tǒng)內(nèi)注入清水。同理，雙聯(lián)液壓泵Ⅲ除驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵，用于循環(huán)泥漿罐內(nèi)的水泥漿外，還用于驅(qū)動(dòng)散熱器，為整車散熱。雙聯(lián)泵Ⅳ除驅(qū)動(dòng)循環(huán)外，還通過比例閥驅(qū)動(dòng)清水控制油缸和干灰控制油缸。底盤發(fā)動(dòng)機(jī)取力傳動(dòng)路線如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性校核

圖7 底盤發(fā)動(dòng)機(jī)取力傳動(dòng)路線

第2部分動(dòng)力傳遞路線是由2臺(tái)柴油機(jī)分別驅(qū)動(dòng)2臺(tái)液力傳動(dòng)箱，2臺(tái)液力傳動(dòng)箱分別通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)2臺(tái)固井泵，2臺(tái)固井泵出口并聯(lián)輸出至井口。另外，液力傳動(dòng)箱還通過取力器驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑泵，為泵動(dòng)力端軸承、齒輪等提供潤(rùn)滑，良好充分的潤(rùn)滑保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)路線如圖8所示。

圖8 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)路線

其中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ能提供2 100、2 000、1 900、1 800、1 700、1 600、1 500、1 400 r/min 8種轉(zhuǎn)速。變速箱擋位有5個(gè)擋位可供選擇。固井泵Ⅰ采用441 kW柱塞泵(配76.2 mm柱塞)，固井泵Ⅱ采用441 kW柱塞泵(配114.3 mm柱塞)。發(fā)動(dòng)機(jī)滿功率輸出，變速箱在鎖閉狀態(tài)下工作，雙機(jī)雙泵組合可以往井筒輸入80種排量和壓力的水泥漿。本車最大排量為3 m3/min，2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min,2個(gè)變速箱為I檔情況下，輸出最高工作壓力約為100 MPa。

5 試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 廠內(nèi)試驗(yàn)

NC5340TGJ型固井水泥車總裝完成后，在廠內(nèi)進(jìn)行功能性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，整車的液壓系統(tǒng)、冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及氣控系統(tǒng)運(yùn)行正常。試驗(yàn)完成后，在混漿系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)操作界面進(jìn)行水、灰的密度模擬。模擬之前，必須起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到正常作業(yè)條件，此時(shí)水閥和灰閥開度與實(shí)際閥位相互對(duì)應(yīng)，混配系統(tǒng)模擬會(huì)根據(jù)水閥、灰閥的實(shí)際位置計(jì)算目前密度值，運(yùn)用此功能可完成作業(yè)前閥位驗(yàn)證操作。

5.2 工業(yè)性試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

廠內(nèi)試驗(yàn)完成后，需要對(duì)整車進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。整車試驗(yàn)在瀘州某試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)持續(xù)約150 min，試驗(yàn)完全按照固井工藝要求進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，NC5340TGJ型固井水泥車的自動(dòng)混漿系統(tǒng)控制準(zhǔn)確，水泥漿密度能達(dá)到固井施工作業(yè)要求。輸出壓力能滿足碰壓所需要的壓力值。待水泥漿凝固后，經(jīng)聲幅測(cè)井(CBL)和聲波變密度測(cè)井(VDL)可知，固井質(zhì)量良好。固井車現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖9所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

圖9 NC5340TGJ型固井車工業(yè)試驗(yàn)照片

NC5340TGJ型固井水泥車出廠后，先后完成瀘州某?508 mm(20英寸)的表層套管固井、宜賓某?244.5 mm(10英寸)的技術(shù)套管固井、宜賓某?139.7 mm(5.5英寸)油層套管固井等多口井的施工作業(yè)。尤其在進(jìn)行宜賓某?139.7 mm(5.5英寸)油層套管固井作業(yè)時(shí)，車注緩凝水泥漿和車注快干水泥漿這兩道關(guān)鍵工序時(shí)，如圖10現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)曲線所示，混漿密度穩(wěn)定在(1.90±0.02) g/cm3，工作壓力穩(wěn)定在15.32～18.95 MPa，固井泵往井筒泵送水泥漿的排量始終滿足施工作業(yè)要求。

6 結(jié)論

1)為滿足山區(qū)、沙漠和丘陵地區(qū)油氣田的開發(fā)要求，開發(fā)了NC5340TGJ型雙機(jī)雙泵固井水泥車。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)曲線

2)2臺(tái)臥式三缸柱塞泵分別由兩臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液力變速箱驅(qū)動(dòng)。液力變速箱具有多個(gè)擋位，發(fā)動(dòng)機(jī)滿功率輸出，變速箱在鎖閉狀態(tài)下時(shí)，可以往井筒內(nèi)輸入不同壓力、不同排量的水泥漿。2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，2個(gè)變速箱為I檔情況下，最高輸出壓力為100 MPa。

3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工壓力要求，可以采用單機(jī)單泵作業(yè)，也可采用雙機(jī)雙泵作業(yè)。不僅提高了整車作業(yè)的靈活性，同時(shí)還降低了固井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，能保證不間斷固井施工作業(yè)。

4)自動(dòng)混漿裝置是整臺(tái)設(shè)備的核心，具有手動(dòng)、自動(dòng)、半自動(dòng)3種操作模式可供選擇，水泥漿密度波動(dòng)在±0.02 g cm3。

5)目前，國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)力的固井設(shè)備已占據(jù)國(guó)內(nèi)油氣田絕大部分市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)個(gè)別海洋平臺(tái)已配置電驅(qū)固井橇，長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。陸地油田用電驅(qū)固井車在國(guó)內(nèi)還是一片空白。基于電驅(qū)化設(shè)備在節(jié)約成本、節(jié)能減排等方面的優(yōu)勢(shì)，建議后期開展電驅(qū)固井設(shè)備的研究。