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任公司，陜西寶雞721002）①

為了適應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前油氣田固井作業(yè)要求。

水泥車；結構；控制系統(tǒng)；創(chuàng)新技術

專利技術：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惡劣的道路條件和復雜的固井工藝要求。越野性能強、混漿質量穩(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，質量穩(wěn)定可靠，但其設備價格昂貴，供貨周期長，配件供給不足。我國目前制造的固井設備配置的混漿系統(tǒng)主要是基于哈里伯頓的混漿結構而仿制或改進設計開發(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的自動混漿系統(tǒng)能滿足日趨復雜的固井工藝要求，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，降低固井設備的采購和使用成本，提高固井車市場競爭力。

1　結構及工作原理

1．1 工藝流程

自動混漿系統(tǒng)自動調節(jié)清水和干水泥灰的比例，然后通過高能混合器預混，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 總體結構方案

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?？傮w結構布置如圖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

為滿足國內油氣田道路條件及運輸要求，該車采用車載結構，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　動力傳動結構示意

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)，通過調節(jié)發(fā)動機輸出功率、轉速，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97MPa。

2　主要技術參數(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)設置所需的泥漿密度、泥漿用量及流量等相關參數(shù)，參數(shù)設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定值，并根據(jù)柱塞泵泥漿的排出量實時調節(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體漿料出口；固固分離設備，所述固固分離設備具有三元材料前驅體漿料入口、水入口、小顆粒物料出口和大顆粒物料出口，所述三元材料前驅體漿料入口與所述三元材料前驅體漿料出口相連，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/專利權人：中國恩菲工程技術有限公司

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。但當作業(yè)要求突然發(fā)生變化時，其反應速度較慢，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的基礎上，設計開發(fā)了水泥漿混配的雙變量控制技術，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)設定的水泥漿密度值進行比較，進而向比例調節(jié)閥發(fā)出指令信號，促使液壓油缸（回轉油缸和雙作用直線油缸）動作，以達到調節(jié)干水泥灰和清水調節(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)，手動控制比例調節(jié)閥，促使液壓油缸（回轉油缸和雙作用直線油缸）動作，進而控制干水泥灰和清水調節(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)干灰調節(jié)閥和清水調節(jié)閥的刻度盤指示，手動操控干水泥灰和清水調節(jié)閥的閥芯旋轉，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、軸荷及質量限值》對雙機雙泵固井水泥車進行了整車主要尺寸和質量參數(shù)測量以及路試試驗。試驗表明，該車各主要尺寸及質量、軸荷均符合標準規(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《固井成套設備規(guī)范》［4］和《雙機雙泵固井水泥車調試規(guī)程》對該車進行了全面的室內性能測試。經(jīng)測試，該車最大工作壓力可達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

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量控制及混配系統(tǒng)）。

2） 結構設計。固井水泥車三缸柱塞泵的安裝位置由傳統(tǒng)的車體中部調整到車體尾部，遠離操作儀表控制臺，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前的長方體形改進為圓柱筒形，底部采用圓錐形結構，并將攪拌系統(tǒng)設置在混配罐中央，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，順利完成廠內各項性能試驗及整車調試。

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、沙漠油田及偏遠油區(qū)等各種復雜地域條件的作業(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］．中國石油和化工標準與質量，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)于山東科技大學機械電子工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田鉆井設備設計，Email：leexiuzhen＠163．com。