付 俊，李小兵，雷靜希，李 鵬，嚴金林，范 松，白蘭昌

(1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國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)域擴大，鉆井技術(shù)不斷進步,促進了固井技術(shù)的進步[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[4]。

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

為此，寶雞石油機械有限責(zé)任公司研制了NC5340TGJ型雙機雙泵固井水泥車，固井泵采用“寶石牌”TPI-600S型柱塞泵。2臺臥式三缸柱塞泵安裝在汽車底盤上，由柴油機驅(qū)動。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]價格昂貴的問題，以及國內(nèi)中石化石油工程有限公司第四機械廠自主研發(fā)的SJ300型泵，SJ600型泵[9-10]的供貨周期很長，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帶動液力變速箱，進而驅(qū)動固井泵完成固井施工作業(yè)。液力變速箱有多個擋位，使其可以往井筒內(nèi)輸入多種排量及壓力的水泥漿。柴油機與傳動系統(tǒng)由液體工作介質(zhì)柔性聯(lián)接，減少沖擊和負荷突變[13-14]，同時降低了固井作業(yè)的風(fēng)險，提高了設(shè)備的使用壽命。

1 總體方案設(shè)計

NC5340TGJ型雙機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、液力變速箱、臥式三缸柱塞泵、管匯總成、操作平臺、氣控系統(tǒng)及儀表控制箱等構(gòu)成，如圖1所示?？ㄜ嚨妆P除完成整車移運功能外，還為液壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)提供動力。2臺臥式三缸柱塞泵由柴油機驅(qū)動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)及機械傳動來實現(xiàn)。該車的固井作業(yè)操作均在操作平臺上進行，方便、可靠，可由1人完成，且自動化程度高。操作平臺上安裝有操控臺及護欄，吸入管路和排出管路的控制閥都集中在操控臺周圍。操控臺上裝有各種儀表、控制裝置及自動混漿裝置的計算機系統(tǒng)。混合器和混漿罐位于操控臺的右側(cè)且接近于卡車底盤的尾部。

2 工藝原理

圖2是NC5340TGJ型雙機雙泵固井水泥車工作流程圖。運輸罐車通過輸灰管道將水泥灰顆粒輸送至混合器進灰口，清水離心泵將計量水罐內(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?；炫涔薜撞块_有2個出口，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)泥漿流動的同時，還能進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進行測量。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—動力系統(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；11—操作平臺；12—傳動軸；13—計量水罐；14—取力器；15—作業(yè)管匯。

1—計量水罐；2—供水泵Ⅰ；3—固井泵Ⅰ；4—灰罐車；5—密度計；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型雙機雙泵固井水泥車是通過操作平臺上部的操控臺進行控制。操控臺對發(fā)動機的控制主要包括：發(fā)動機啟停、油門增減、緊急停機等，同時有發(fā)動機水溫、機油油壓實時數(shù)據(jù)顯示和報警指示燈，以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速顯示等。對液力傳動箱的控制主要包括：傳動箱換擋、閉鎖、解鎖，同時顯示液力傳動箱的油溫、油壓。對固井泵主要是顯示排出泵壓及超壓報警，監(jiān)測泵潤滑油壓和油溫。儀表臺、計量罐上方及混漿罐處均設(shè)有燈光照明，可以在夜間進行固井施工作業(yè)。

4.2 自動混漿系統(tǒng)

自動混漿系統(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，進入混合器的清水量與水泥灰量由清水計量閥和干灰計量閥的開度決定。自動混漿系統(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)進入正常固井施工時，通過清水流量計檢測清水的供給流量，確保清水供給穩(wěn)定無變化。混漿系統(tǒng)會不斷通過密度計檢測實際密度值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)密度有所變化時，可以肯定密度變化的原因是供灰量的變化。計算機會重新計算灰閥的開度值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到設(shè)定的密度值。由于此時吸入、排出管內(nèi)的水泥漿密度已經(jīng)不符合要求，為了使密度跟進的速度快，計算機會將灰閥的開度增加或減小得更多一些，也就是首先檢測到密度變化時，并不是以計算得到的灰閥開度A來調(diào)控灰閥的開度，而是以(A±δ)的偏移來調(diào)整，并通過計算推導(dǎo)這樣調(diào)整所要持續(xù)的時間。然后再加上或減去δ的偏移量，使控灰閥的調(diào)整開度值為前面計算所得到的A。此時混漿罐內(nèi)的水泥漿密度符合設(shè)定值。同時，依據(jù)設(shè)定密度值來計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來監(jiān)測，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、干灰的供給同時波動，此時就可以發(fā)揮自動混漿系統(tǒng)水泥灰、清水同時控制的優(yōu)點。首先根據(jù)排量以及混配速度等參數(shù)來調(diào)控控水閥、控灰閥到達一個固定的開度，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)。

首先在計算機的系統(tǒng)設(shè)置界面里啟動液位自動控制功能，工作時，計算機通過超聲波液位計實時檢測液面信號，并將該數(shù)據(jù)與液面設(shè)定數(shù)據(jù)進行比較，同時參考實際泥漿排出量計算此時的清水吸入量。輸出控制信號給清水控制閥，從而調(diào)節(jié)清水比例閥的位置，控制進入混合罐內(nèi)的清水量，維持液面高度的穩(wěn)定，實現(xiàn)液面自動控制。

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，會對汽車動力性能產(chǎn)生一定的影響，易造成汽車啟動及爬坡困難，導(dǎo)致運行速度降低，路段通行能力下降，進而影響行車效率與安全[15]。根據(jù)NC5340TGJ型雙機雙泵固井水泥車載荷分布，采用杠桿平衡法計算整車質(zhì)心位置。校核該型固井車上坡時、下坡時、轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計要求。

1)上坡和下坡時穩(wěn)定性校。

最大爬坡度是指汽車滿載時在良好路面上用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路面上等速上坡時,其運動的慣性力、風(fēng)對汽車的阻力和地面對車輪的滾動摩擦力都可略去不計。計算固井車滿載時的上坡最大坡度α，下坡時的最大坡度β，如圖4～5所示。

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

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，有可能發(fā)生側(cè)向傾翻。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258-2017《動車運行安全技術(shù)條件》[17]，質(zhì)量為整備質(zhì)量的1.2 倍以下的機動車，側(cè)傾穩(wěn)定角≥28°。經(jīng)計算，該固井車轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性能良好，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258-2004要求。如圖6所示。

4.4 動力系統(tǒng)

NC5340TGJ型雙機雙泵固井水泥車有2條動力傳遞路線，第1條是由汽車底盤發(fā)動機取力，經(jīng)分動箱驅(qū)動4個液壓泵，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單獨驅(qū)動供水泵Ⅰ，用于對計量水罐內(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)動供水泵Ⅱ，還可以用于驅(qū)動攪拌器。為了確保固井施工持續(xù)進行，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，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)動散熱器，為整車散熱。雙聯(lián)泵Ⅳ除驅(qū)動循環(huán)外，還通過比例閥驅(qū)動清水控制油缸和干灰控制油缸。底盤發(fā)動機取力傳動路線如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性校核

圖7 底盤發(fā)動機取力傳動路線

第2部分動力傳遞路線是由2臺柴油機分別驅(qū)動2臺液力傳動箱，2臺液力傳動箱分別通過傳動軸驅(qū)動2臺固井泵，2臺固井泵出口并聯(lián)輸出至井口。另外，液力傳動箱還通過取力器驅(qū)動潤滑泵，為泵動力端軸承、齒輪等提供潤滑，良好充分的潤滑保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，延長設(shè)備的使用壽命。柴油發(fā)動機傳動路線如圖8所示。

圖8 柴油發(fā)動機傳動路線

其中，柴油發(fā)動機Ⅰ、柴油發(fā)動機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)動機滿功率輸出，變速箱在鎖閉狀態(tài)下工作，雙機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臺發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 100 r/min,2個變速箱為I檔情況下，輸出最高工作壓力約為100 MPa。

5 試驗及現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 廠內(nèi)試驗

NC5340TGJ型固井水泥車總裝完成后，在廠內(nèi)進行功能性試驗。試驗結(jié)果表明，整車的液壓系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及氣控系統(tǒng)運行正常。試驗完成后，在混漿系統(tǒng)的計算機操作界面進行水、灰的密度模擬。模擬之前，必須起動發(fā)動機，且發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到正常作業(yè)條件，此時水閥和灰閥開度與實際閥位相互對應(yīng)，混配系統(tǒng)模擬會根據(jù)水閥、灰閥的實際位置計算目前密度值，運用此功能可完成作業(yè)前閥位驗證操作。

5.2 工業(yè)性試驗及現(xiàn)場應(yīng)用

廠內(nèi)試驗完成后，需要對整車進行工業(yè)性試驗。整車試驗在瀘州某試驗現(xiàn)場進行，試驗持續(xù)約150 min，試驗完全按照固井工藝要求進行。試驗結(jié)果如表2所示。

從表2現(xiàn)場試驗結(jié)果可以看出，NC5340TGJ型固井水泥車的自動混漿系統(tǒng)控制準(zhǔn)確，水泥漿密度能達到固井施工作業(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)聲幅測井(CBL)和聲波變密度測井(VDL)可知，固井質(zhì)量良好。固井車現(xiàn)場試驗如圖9所示。

表2 現(xiàn)場試驗結(jié)果

圖9 NC5340TGJ型固井車工業(yè)試驗照片

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)。尤其在進行宜賓某?139.7 mm(5.5英寸)油層套管固井作業(yè)時，車注緩凝水泥漿和車注快干水泥漿這兩道關(guān)鍵工序時，如圖10現(xiàn)場作業(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型雙機雙泵固井水泥車。

圖10 現(xiàn)場作業(yè)曲線

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

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

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

5)目前，國產(chǎn)柴油機驅(qū)動力的固井設(shè)備已占據(jù)國內(nèi)油氣田絕大部分市場。國內(nèi)個別海洋平臺已配置電驅(qū)固井橇，長期依賴進口，價格昂貴。陸地油田用電驅(qū)固井車在國內(nèi)還是一片空白?；陔婒?qū)化設(shè)備在節(jié)約成本、節(jié)能減排等方面的優(yōu)勢，建議后期開展電驅(qū)固井設(shè)備的研究。