馬太清，楊 暉，劉有平，楊文偉，侯勇俊，李小兵，王 雷，鄧英康

(1.四川寶石機械專用車有限公司，四川 廣漢 618300； 2.中國石油集團油田技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100097；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610052； 4.西南石油大學(xué) 機電工程學(xué)院，四川 成都 610500；5.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； 6. 成都國科檢測技術(shù)有限公司，四川 成都 610052)

0 引 言

當(dāng)前，我國頁巖氣開采發(fā)展迅猛，國內(nèi)超深井及復(fù)雜地層固井作業(yè)出現(xiàn)的頻次越來越高，解決高壓力、大排量、長時間不間斷固井施工作業(yè)已迫在眉睫。固井車作為石油固井作業(yè)時向井內(nèi)注入水泥漿的關(guān)鍵設(shè)備，其主要包括底盤、臺上原動機、泵注系統(tǒng)、混漿系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。目前，國內(nèi)外代表性的固井車及主要技術(shù)參數(shù)如表1所列，國外以斯倫貝謝[1]為典型代表，其固井車大多采用拖車，最高泵壓20000 psi，泵功率在1000 hp以下，最大混漿能力2.09 m3/min，這個技術(shù)參數(shù)可以滿足北美地區(qū)的固井作業(yè)；國內(nèi)以煙臺杰瑞[2]、石化四機[3-4]、四川寶石等為主， 配備的柱塞泵的功率都有達到了1000 hp以上的，煙臺杰瑞的最大功率達到2250 hp；配置柱塞泵的最高壓力達15000 psi，最大混漿能力已達到2.09 m3/min。即使是這樣，能夠滿足頁巖氣固井作業(yè)需求的固井車極少，很多時候，不得不采用具有大排量高壓力的壓裂車參與替漿作業(yè)，以滿足固井施工工藝要求。從表1可以看出，目前國內(nèi)外固井車臺上原動機都采用的是柴油發(fā)動機，這些大功率柴油機體積大，重量大，使整車重量大，工作噪音大，使用成本高，尾氣環(huán)境污染大。隨著我國電網(wǎng)系統(tǒng)的快速發(fā)展，頁巖氣固井作業(yè)所需的大功率固井車實現(xiàn)電驅(qū)成為可能。此外，固井作業(yè)的自動化和智能化需求，對固井車控制系統(tǒng)提出了新的要求[5-7]。筆者重點介紹了2300型電驅(qū)固井車的關(guān)鍵技術(shù)，通過對供配電單元、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的設(shè)計和優(yōu)化，滿足了頁巖氣固井作業(yè)的新需求。

表1 國內(nèi)外代表性的固井車及主要技術(shù)參數(shù)

1 固井車主要結(jié)構(gòu)組成

該固井車由二類底盤、電控液壓系統(tǒng)、供配電單元、傳動系統(tǒng)、高壓泵注系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、混漿系統(tǒng)等部件組成，如圖1所示。

圖1 2300型電驅(qū)固井車結(jié)構(gòu)簡圖1.二類底盤 2.電控液壓系統(tǒng) 3.供配電單元 4.傳動系統(tǒng) 5.清水管匯 6.清水罐 7.混漿管匯 8.混漿罐 9.供灰管匯 10.高能混合器 11.高壓泵注系統(tǒng) 12.控制系統(tǒng)

1.1 供配電單元

該固井車采用額定容量為2200 kVA、額定輸入電壓為600 V、額定輸入電流為2200 A的供配電單元，可以利用鉆井余電快速在井場實現(xiàn)作業(yè)(一般鉆井電容量為5000 kVA，剩余電量有2000 kVA左右)。通過供配電單元中變壓器、變頻器和開關(guān)電源等元器件將輸入電壓轉(zhuǎn)換為0～600VAC、220VAC及24VDC的輸出電壓，滿足不同負(fù)載的供電需求。

1.2 傳動系統(tǒng)

2300型電驅(qū)固井車采用多電機獨立運行的動力傳動系統(tǒng)(如圖2所示)。1套變頻一體機通過傳動軸直接驅(qū)動柱塞泵完成注水泥漿作業(yè)；輔助動力傳動系統(tǒng)由4臺電機分別驅(qū)動1臺清水泵、1臺供水泵、1臺循環(huán)泵、1臺灌注泵，完成清水的制備和增壓；電機驅(qū)動液壓站由液壓泵、控制閥、油缸和攪拌器等組成，完成水泥漿的制備和灌注、管匯的清洗；電機驅(qū)動空壓機系統(tǒng)由電機、空壓機、蝶閥、消泡劑罐、清洗罐等組成，完成氣控蝶閥的開閉、水泥漿的消泡、混漿罐的清洗等。

圖2 動力系統(tǒng)框圖

1.3 管匯系統(tǒng)

管匯系統(tǒng)由清水管匯、混漿系統(tǒng)、二次混漿系統(tǒng)、清洗管匯和供灰管匯組成，工藝流程見圖3。

圖3 工藝流程圖

清水管匯由上水管、吸水管、出水管、沖洗管等組成。，關(guān)閉閥3、9，打開閥1或2 ；或者關(guān)閉閥1、2，打開閥3、4、7，直接由清水泵供水；打開閥5、9、11、12，清水由清水罐、供水泵、流量計、水閥、高能混合器流入混漿罐?；鞚{系統(tǒng)及二次混漿客匯由下灰閥、水閥、高能混合器、密度計、攪拌器、混漿罐、供水泵、循環(huán)泵和灌注泵等混漿單元部件組成。打開閥14、15、17、18，19，開啟循環(huán)泵，進行水泥漿的制備；打開閥13、21、22，開啟灌注泵，進行水泥漿的灌注。水泥灰由閥20、灰閥進入高能混合器。打開閥5、9、11、12、13、14、15、17、18、19、21、22，關(guān)閉閥20，開啟循環(huán)泵，灌注泵，進行管匯清洗。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)方案如圖4所示，包含兩套控制器組件，分別安放于兩個獨立的箱柜中，其中控制套件1為電驅(qū)傳動組件，完成系統(tǒng)動力傳動、照明、潤滑等常規(guī)功能；控制套件2為固井車專屬控制組件，完成清水和灰的混合密度控制。

圖4 控制系統(tǒng)方案圖

1.5 高壓泵注系統(tǒng)

采用1臺QPI-2500A五缸柱塞泵，置于車尾部，是目前固井車產(chǎn)品中配置功率最大的柱塞泵。

2 主要性能參數(shù)

整車質(zhì)量約44 t，外形尺寸(長×寬×高)12.5 m×2.55 m×4 m，最大工作壓力100 MPa(15 000 psi),泥漿密度精度±0.01～0.02 g/cm3,泥漿密度范圍1.0～2.6 g/cm3,最大混漿能力：2.3 m3/min,最大排量:2.718 m3/min。

3 關(guān)健技術(shù)

3.1 變頻一體機驅(qū)動

變頻驅(qū)動系統(tǒng)位于底盤車上，體積和重量都受到嚴(yán)格限制，將變頻一體機與供配電房放置在同一柜體，形成一體式驅(qū)動裝置，集成度高，接線少，故為最佳選擇。變頻一體機主要由變頻部分和電動機部分組成，其中變頻部分又由主電路、控制電路、驅(qū)動電路等組成[8]。變頻主電路部分采用電壓型交-直-交變頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電源輸入經(jīng)接觸器、電抗器后先通過六脈沖整流電路進行整流，再通過薄膜電容器濾波電路進行濾波穩(wěn)壓，為逆變電路供電，同時控制電路將采集實時信號和外部操作指令，經(jīng)過運算后產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動信號，一方面通過光纖與驅(qū)動電路完成數(shù)據(jù)交換，使驅(qū)動電路接收到IGBT觸發(fā)信號，并將PWM信號隔離放大，通過光纖信號控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷時間；另一方面把變頻器的各種信息處理后送到顯示屏顯示。從而通過IGBT并聯(lián)組成的逆變電路，將直流電逆變成頻率、電壓均可調(diào)的交流電，最后提供給三相異步電動機進行變速控制，電動機轉(zhuǎn)速依據(jù)n=60f/p隨頻率變化。其中輸出電壓范圍為AC 0～600 V，輸出頻率范圍為0～100.3 Hz。

變頻器根據(jù)固井施工所需功率調(diào)節(jié)頻率設(shè)定，從而改變電機參數(shù)，使固井車既能滿足大功率需求，又節(jié)能減耗。

3.2 自動混漿控制系統(tǒng)設(shè)計

混漿控制系統(tǒng)[9]是實現(xiàn)固井車混漿密度精度的關(guān)鍵.為了實現(xiàn)水泥漿的高能循環(huán)混合,控制系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)處理控制、雷達檢測、全自動控制PID以及二次自動整定控制參數(shù)等技術(shù)，形成一套自有的自動混漿控制系統(tǒng)，用于控制其泥漿密度和液位。

自動混漿控制系統(tǒng)由下灰閥、供水閥、高能混合器、擴散槽、攪拌器、過濾網(wǎng)、混漿罐、供水泵、循環(huán)泵和灌注泵等混漿單元部件組成。其工作原理是灰罐的干水泥通過管線輸送到下灰閥，高動混合器高速噴射的水流形成真空，吸入干水泥并與流體混合。

下灰量通過PLC控制下灰閥開口的大小來實現(xiàn)?；旌虾蟮幕鞚{在混漿罐中經(jīng)攪拌葉片進一步混合，水泥漿通過循環(huán)泵實現(xiàn)水泥漿的二次和多次混合?；鞚{罐上的雷達液位計、循環(huán)泥漿管路上的密度檢測儀和噴射管路上的3″流量計分別將泥漿的液面高度、真實密度和水的流量信號反饋給PLC,PLC通過反饋信號和已設(shè)定的密度值進行比對，通過PID控制算法計算達到設(shè)定密度需要的干灰量及下灰比例閥閥位、供水量及供水比例閥閥位發(fā)出指令信號，控制液壓執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整下灰閥、供水閥開口大小，讓水泥漿自動控制到設(shè)定的密度和限定的液面高度。由于密度檢測儀安裝位置決定了其采集數(shù)據(jù)與下灰閥開口及供水閥開口變化不同步，采用脈沖步進控制下灰閥、供水閥開口的大小變化，脈沖步進間隔3～5 s。下灰閥開度與下灰量呈線性比例變化，下灰閥與供水閥開度由擺動液壓缸控制。

操作屏面上，操作者將設(shè)計參數(shù)輸入即可，其計算機的CPU處理模塊響應(yīng)速度為0.001～0.005 us,控制對點數(shù)最大可在256～1024點，且為模塊化設(shè)計，確保實現(xiàn)快速操作反應(yīng)。為獲得精度的信號，該設(shè)備采用MVD技術(shù)的密度傳感器與變送器、流量傳感器，使其具有創(chuàng)新的，多變量的數(shù)字處理能力，保證其更好地實現(xiàn)信號采集工作。

自動混漿控制系統(tǒng)備有手動系統(tǒng)，如果PLC出現(xiàn)故障，操作者可用手動系統(tǒng)完成作業(yè)。

3.3 控制系統(tǒng)優(yōu)化

為使2300型電驅(qū)固井車在施工環(huán)境中更加準(zhǔn)確、高效、可靠作業(yè)，控制系統(tǒng)做出如下優(yōu)化。

(1) 計算機信號處理響應(yīng)快、準(zhǔn)確性高，操作屏面上，操作者將設(shè)計參數(shù)輸入即可快速建立作業(yè)模式并自動計算灰閥的最佳開啟角度，從而有效提高作業(yè)效率。

(2) 采用無風(fēng)扇、流線型的專利設(shè)計、陽光可視、多點觸控、可戴手套觸摸的電容屏，是油氣田鉆采惡劣、炎熱戶外環(huán)境中可靠的工業(yè)平臺之一。

(3) 系統(tǒng)多線程任務(wù)代碼運行，可實時切換操作模式，切實提升了系統(tǒng)的自動化、智能化水平，如果PLC出現(xiàn)故障，操作者可手動完成作業(yè)。

4 主要技術(shù)特點

與國內(nèi)其它固井車對比，2300型電驅(qū)固井車具有以下優(yōu)點。

(1) 下灰閥采用電磁方向閥，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角與下灰閥成線性比例。

(2) 噴射器為線性比例閥，混合能力大，混漿均勻，混合能力達2.3 m3/min。

(3) 自動混漿控制系統(tǒng)反應(yīng)速度快、精度高，混漿精度達±0.002 g/cm3。

(4) 采用非放射性密度計，測量快速準(zhǔn)確。

(5) 泥漿罐泥漿液位采用導(dǎo)波雷達測量，有效消除泥漿泡沫和攪拌引起的測量偏差，泥漿液壓控制更準(zhǔn)確可靠。

(6) 可實現(xiàn)瞬時排量、累計排量、泥漿密度、壓力等數(shù)據(jù)的監(jiān)測，并能以曲線形式顯示，數(shù)據(jù)可下載。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

2300型電驅(qū)固井車主要用于油氣田深井、中深井、淺井的各種固井作業(yè)。1臺車即可完成井深在3 500 m以內(nèi)的自制水泥漿、注水泥、替泥漿、碰壓等各種固井作業(yè)?，F(xiàn)場應(yīng)用中，1臺2300型電驅(qū)固井車與1臺GJC100-30型雙機雙泵固井車進行了對比，二者的工作能力如表2所列。從表可得，采用了相同汽車，占地面積相同，在相同的沖次下壓力提升了1.5倍，排量增大了1.1倍，作業(yè)效率提升了10%，并且作業(yè)噪聲可降低至85 dB以下，施工難度大大降低。

表2 工作能力對照表

6 結(jié) 論

(1) 2300型電驅(qū)固井車設(shè)備能力強 裝機功率相對于傳統(tǒng)雙機雙泵固井車增加一倍以上，提高了持續(xù)工作能力和應(yīng)急處理能力。

(2) 2300型電驅(qū)固井車節(jié)能環(huán)保 上裝設(shè)備均采用電力驅(qū)動，低噪音，零排放，符合國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

(3) 2300型電驅(qū)固井車自動化程度高 泥漿密度、液位等均可由控制系統(tǒng)自動控制，減輕操作人員在整個固井施工作業(yè)時的勞動強度，方便可靠。

(4) 2300型電驅(qū)固井車國產(chǎn)化率高 主要外購件均采用國產(chǎn)件，包括汽車底盤、變頻調(diào)速電機、固井柱塞泵等，降低進口件采購風(fēng)險，節(jié)約制造及維護保養(yǎng)成本，具有良好的市場推廣前景。