固井水泥車的液壓系統故障排除研究

李建偉

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二固井分公司，天津 300280）

1 固井水泥車相關概述

1.1 固井作業的工藝流程

固井工作顧名思義就是加固井壁的相關作業過程，在我國的各類油田開采作業過程中，由于鉆井深度的原因，需要對井壁強度進行一定的加強從而確保鉆井工作能夠繼續安全、順利進行；除此之外，固井工作還肩負著對油層、氣體層以及水層的隔離任務，在勘探開采過程中，采用固井工藝來分層試油。

固井工藝的操作方法是對鉆井下入優質的鋼管材料，并將鋼管與鉆井之間的間隔出利用水泥進行填充增加強度，如圖1所示的是固井工藝示意圖。

圖1 固井工藝示意圖

固井工藝流程可簡單的將其再細分為：F套管、注灌和運澆砂漿水泥、碰壓、侯凝、質量安全情況檢測和施工績效評價等五個基本操作步驟。其中套管是在泵上下一個頂替套管之后,把這個泵的灌澆水泥和一個砂漿泵全部安裝好放入一個頂替套管內,再用固定位置鉆井液把這個泵的灌澆水泥和砂漿通過一個頂替套管安裝到該泵的套管內面并對外形成環形的按鉆井液的空間設計固定具體位置的一種固井工藝作業,該流程也被稱之為上下加注雙重灌澆砂漿水泥。當膠塞工藝設備全部坐落在已經完成安裝的坐于上下水泥漿懸浮箍上的一個向下膠塞上之后,地面上的水泥壓力將很快就可能會繼續上升一定的可測量值(有時也被稱為上下水泥漿的碰壓),該泵的檢測電路信號直接說明注灌澆水泥和砂漿已通過一個頂替套管安裝基本到位,固井的工藝設備施工已經基本結束。

1.2 固井水泥車的發展現狀

固井水泥車相關設備是固井工作的重要支撐，其作為我國油田勘探開采過程中的關鍵設備受到了相關學者的廣泛關注，其中我國最早的固井水泥車在20世紀80年代左右研發并形成量產。

圖2 固井水泥車示意圖

2 固井水泥車液壓系統方案設計與元件研究

2.1 液壓系統總體要求

按照目前我國液壓固井液壓水泥車混漿系統的基本結構工作原理性能技術要求,液壓水泥混漿系統結構構件設計的基本性能技術標準依據確定為所應符合的如下幾個要求。

（1）對于固井水泥車液壓系統的技術要求來說，首先應該確保該設備的液壓系統可以實現長時間的可靠運行，固井工作用時較多，水泥車的液壓系統必須具備滿足長期穩定運行的工作要求。同時由于固井工作的環境較為惡劣，固井水泥車液壓系統應具備在惡劣工作條件下能夠保持額定參數運行，即抗干擾能力要強。

（2）固井水泥車液壓系統應該實現如下系統參數要求。

①在離心泵的輸出排量與壓力層面，液壓系統應做到提供充足的轉速及扭矩，確保離心泵在規定轉速和扭矩下運行，從而實現混漿工作的參數要求。

②液壓系統除了要滿足提供足夠轉速及扭矩要求外，還應確保其轉速是可調的，只有轉速可調才能根據現場離心泵排量使用需求進行合理調整，使得效率及利益最大化。

（3）對于液壓系統的工作溫度來說，無論固井水泥車運行時長多久，其液壓系統的溫升應小于50℃，避免液壓系統由于溫升過大造成相應元器件的損傷，從而影響固井水泥車使用壽命或工作穩定性。

2.2 液壓泵和馬達的參數設計與計算

（1）離心泵選型要求。①根據混漿水泥系統施工作業性能要求,滿足最小處理最大最小處理密度干混漿水泥2500kg/min,最大處理混漿水泥密度2.49g/cm3的混漿工作性能要求。②根據單機使用者對市場的實際使用需求及共機使用者對整機中的機械部件配置的實際使用需要,確定共機只是僅需要兩種不同壓力規格的專用壓力循環離心泵部件即可或是作為共機使用的對整機中的污水物及混漿物的處理機本系統的主要部件組成動力部件：使用壓力循環清水泵，工作最大壓力流量1.35m3/min，最大最小工作壓力流量1.6m3/min，壓力0.85～1.2MPa，使用壓力清水循環泵，工作最大壓力流量3.18m3/min及其最大工作壓力流量最大壓力0.35MPa；使用壓力循環增壓泵，工作最大壓力流量3.2m3/min及其最大工作壓力流量最大壓力0.35MPa。

（2）離心泵型號的選擇。對于離心泵型號的確定來說，本文所選用的是MISSIONMAGNUM系列離心泵。該款離心泵采用的清水泵規格為4cm×3cm×13cm、循環泵規格為6cm×5cm×14cm、增壓泵規格為6cm×5cm×14cm。在此規格下，該款離心泵可以實現清水泵1.41m3/min的工作流量、循環泵3.93m3/min的工作流量、增壓泵2.87m3/min的工作流量，同時其轉速均能達到最高3500r/min，滿足固井水泥車相關工作參數要求。這樣完全充分考慮滿足了目前對于固定臥式鉆井物料加工過程作業混漿的各種技術應用要求，同時也完全充分考慮了我們看到該液壓泵內還留有一定的壓力工作最大裕量，以備其他各種緊急情況臨時使用出現。其中臥式液壓泵最大壓力工作最小轉速3500r/min，工作最大最小轉速2900r/min。最大主泵工作最小流量1.6m3/min，壓力0.85～1.2MPa。

首先利用式（1）計算離心泵水功率：

其中，p表示壓力，其單位為MPa；Q表示離心泵的流量，單位為m3/s。將數據帶入式（1）可以計算得出，P=32kW。

參照《泵產品樣本》中單級單吸式離心泵的效率，取液壓泵效率為72%，則液壓泵軸功率如式（2）所示。

取驅動液壓泵液壓馬達效率為80%，則液壓馬達功率為如式（3）所示。

此時液壓馬達輸出轉速為2900r/min，由公式（4）可以計算出液壓馬達的輸出扭矩，經計算馬達輸出扭矩為：T≈182.93N.m。

3 固井水泥車液壓系統故障檢測

3.1 故障診斷的分類

對于固井水泥車液壓系統的故障排除，首先需要對故障類型進行分類。故障診斷的分類是指對在同一時間段內發生的不同故障進行特點比對，通過模糊識別將故障癥狀特點和故障原因進行匹配，同時考慮故障發生的難易性來對固井水泥車液壓系統的故障進行分類。

因此首先應對固井水泥車液壓系統的相關參量進行統計并實行模糊處理，具體處理方式如下：將固井水泥車液壓系統的故障癥狀定為集合A=（a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9），集合A中的元素分別代表固井水泥車液壓系統發生故障時的外在表現，其依次是壓力波動大、流量小、內泄漏大、油液溫度過高、振動大、相關含量（銅、鉻、鐵）過高；將固井水泥車液壓系統故障的產生原因定為集合B=（b1，b2，b3，b4，b5，b6，b7，b8，b9，b10），集合B中的各元素分別表示各類故障表現形式；集合C是導致這些故障的故障源，其內含有元素c1運行時間長/磨損大、c2油液污染、c3混入空氣、c4混入水分。用隸屬函數對這種關系進行模糊量化，假設隸屬函數為ijr，其中i表示故障，取（1,10），j表示癥狀，取（1,5）。根據統計整理得到隸屬函數如表1所示。

表1 固井水泥車液壓系統的相關參量隸屬函數

通過表1可以看出，固井水泥車液壓系統故障和其癥狀的隸屬函數可以用矩陣R進行表示，矩陣各位置不同的數值表示故障與癥狀的明顯程度。

其次，對固井水泥車液壓系統的相關參量進行統計并實行模糊處理后可以由故障與癥狀之間的隸屬關系求出故障發生的可能性，具體的處理方法是：將通過故障和癥狀的隸屬關系求出的故障發生可能性定義為集合Y（1），Y（1）的計算方法如式（5）所示。

然后由故障與故障源之間的隸屬關系求出故障發生的可能性，設由故障與故障源之間的隸屬關系求出故障發生的可能性值集為集合Y（2），Y（2）的計算方法如式（6）所示。最終對集合Y（1）和Y（2）進行加權求和，得出最后的結果判斷出固井水泥車液壓系統的故障類型。

3.2 故障的嚴重程度判斷

設固井水泥車液壓系統在運行時刻t1的故障為故障A，其故障嚴重度為y1，在運行時刻t2時的故障嚴重度為y2，則t2時刻的磨損速度v2可以由式（7）求得。

若運行時刻為t3的故障嚴重度y3，則其由式（8）可以求出：

4 固井水泥車液壓系統故障排除對策

（1）合理安排使用各種液壓傳動系統,不能實現超壓、超負荷連續工作。

（2）按規則要求選擇合適的認證油品,不能輕易要求更換新的油品認證牌號。

（3）設備正常工作時,要注意加強日常巡查,控制油箱液壓并將油箱進出液面高度、油液流動溫度控制在合理的溫度范圍內。

（4）液壓傳動系統中的零件一旦出現損壞且不能及時修復，要及時進行更換,不能因為冒險耽誤工作。

（5）針對各種液壓傳動設備運行中易松動的液壓零件、接頭，進行定期或不定期的液壓緊固處理動作，至少可以保證每月一次。

（6）定期都要清洗一臺液壓機的油箱和電機濾芯。正常工作情況下，液壓機和油箱濾芯要每6個人一月定期清洗1次，濾芯3～6個人每月就要清洗1次。如果碰到工作環境中的粉塵較大時，清洗工作周期的需要可以相應地有所縮短。

（7）定期需要更換新的密封件，密封件的定期更換一般在3年左右一次。

5 結語

本文著眼于固井水泥車的液壓系統故障排除研究，首先介紹了固井流程以及固井水泥車的發展現狀；其次在液壓系統總體要求下對固井水泥車液壓系統進行了方案設計與元件研究，實現了液壓泵和馬達的參數設計；然后從故障診斷分類以及嚴重度判別兩方面著重對固井水泥車液壓系統故障檢測進行了研究，并最終給出了固井水泥車液壓系統故障排除對策，為固井水泥車液壓系統的相關研究提供了借鑒。