范 松，李小兵，張懷文，李 鵬，劉姣利，馬太清，趙明建

(1.寶雞石油機(jī)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.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206;4. 四川寶石機(jī)械專用車有限公司，四川 廣漢 618300)

隨著石油天然氣勘探開發(fā)的不斷深入，國內(nèi)超深井及復(fù)雜井不斷增多，井深更深，水平段更長，大尺寸技術(shù)套管下深不斷增加，環(huán)空容積大，所需固井水泥漿的體積量大、排量大。要求固井設(shè)備滿足大排量、長時(shí)間、持續(xù)不間斷作業(yè)。常規(guī)的固井混漿設(shè)備的排量小，混漿能力2.3 m3/min。為滿足現(xiàn)場大流量水泥漿工況需要，只能采用多臺設(shè)備同時(shí)工作，施工井場裝備多、占用空間大、風(fēng)險(xiǎn)高且增加成本[1-3]。常規(guī)固井混漿設(shè)備大多以進(jìn)口柴油機(jī)為動(dòng)力，與現(xiàn)階段國家大力推進(jìn)環(huán)境污染整治政策不符。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的固井設(shè)備，其噪聲低，零排放，符合國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。動(dòng)力電驅(qū)化可有效提高設(shè)備的國產(chǎn)化率，大幅降低制造及維護(hù)成本，為國產(chǎn)替代進(jìn)口提供了良好契機(jī)。

目前，哈里伯頓(Halliburton)、斯倫貝謝(Schlumberger)、BJ公司等大型油服公司憑借豐富的固井經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)著固井裝備的發(fā)展[4-5]。哈里伯頓ADC○R混合系統(tǒng)、RCM○RIIIr高能混合系統(tǒng)等可自動(dòng)控制進(jìn)入的干物料流量和混合水的流量，可實(shí)現(xiàn)工作期間的速率和密度階段變化。國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要是中石化江漢第四石油機(jī)械廠、山東煙臺杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司及四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，經(jīng)過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和合資建廠等方式，可研發(fā)生產(chǎn)種類齊全的固井設(shè)備。杰瑞公司開發(fā)有固井液批量混設(shè)備和雙混固井橇，使用的都是常規(guī)能力的混合器，雙混固井橇配置2臺混合器，應(yīng)用在中海油服的鉆井平臺，最大混漿能力達(dá)到3.7 m3/min[6-8]。此方案實(shí)現(xiàn)混漿能力的提高，但水閥、灰閥、執(zhí)行油缸和管路等都成倍增加，系統(tǒng)更加復(fù)雜，設(shè)備占用空間也更大。本文介紹了大流量混漿橇，作為自動(dòng)混配的固井設(shè)備，具有自動(dòng)混漿及循環(huán)混漿功能。

1 總體結(jié)構(gòu)

HJQ4-05型大流量固井液自動(dòng)混漿橇采用撬裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示，整體尺寸滿足道路運(yùn)輸和井場條件要求。該裝置由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)混漿，并與固井設(shè)備聯(lián)動(dòng)。以電機(jī)為動(dòng)力進(jìn)行電液復(fù)合控制，其電壓與鉆井系統(tǒng)統(tǒng)一，均為600 V。該撬具有自動(dòng)混漿及循環(huán)混漿功能，混漿橇的操作由電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及機(jī)械傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，所有混漿操作可在平臺上進(jìn)行，方便、可靠，可由1人完成。該系統(tǒng)有遠(yuǎn)程控制接口，自動(dòng)化程度高。設(shè)備主要用于油氣田大排量固井混漿作業(yè)，可完成水泥漿的自動(dòng)混配工作，配合固井泵完成注水泥、替泥漿等工作。

1-液壓系統(tǒng)；2-動(dòng)力系統(tǒng)；3-橇體總成；4-計(jì)量水罐；5-清水管匯；6-電控操作臺；7-二次混漿管匯；8-啟動(dòng)柜；9-混配罐；10-高能混合器；11-操作平臺。圖1 HJQ4-05型大流量固井液自動(dòng)混漿橇結(jié)構(gòu)

2 工作原理

HJQ4-05型大流量固井液自動(dòng)混漿橇由2臺電機(jī)提供動(dòng)力，控制方式為電控液形式。電機(jī)通過分動(dòng)箱將動(dòng)力傳遞給液壓泵組，液壓泵組為執(zhí)行元件提供液壓動(dòng)力。執(zhí)行元件包含：離心泵、擺動(dòng)油缸和攪拌器。電控操作臺內(nèi)安裝控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)混漿橇的操作和控制。氣控柜內(nèi)部安裝有空壓機(jī)和氣控閥組，為氣動(dòng)蝶閥、噴油罐和消泡罐提供氣源。水泥灰從進(jìn)灰管線進(jìn)入高能混合器的進(jìn)灰口。清水通過外供水入口進(jìn)入計(jì)量罐，噴射泵從計(jì)量罐吸水，排出后經(jīng)過過濾器和流量計(jì)進(jìn)入高能混合器的清水入口。水泥灰通過灰閥后向下進(jìn)入高能混合器內(nèi)部腔體，清水通過水閥后噴射入腔體，清水和水泥灰在腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)混，預(yù)混后從下部出口進(jìn)入混配罐，通過多個(gè)攪拌器進(jìn)行再次混合?；炫涔拗胁糠炙酀{通過循環(huán)泵返回高能混合器的二次混漿入口，從而實(shí)現(xiàn)水泥漿的二次和多次混合，提高混合均勻性。循環(huán)支路設(shè)置有測量水泥漿密度的密度計(jì)，實(shí)時(shí)反映泥漿密度，混合好的水泥漿通過灌注泵輸出至固井泵，由固井泵加壓完成注水泥。

現(xiàn)場作業(yè)可采用手動(dòng)或者自動(dòng)混漿模式，手動(dòng)模式通過調(diào)節(jié)旋鈕控制水閥和灰閥的開度，從而控制水量和灰量。自動(dòng)模式則根據(jù)輸入的流量和水泥漿的密度數(shù)值，控制系統(tǒng)計(jì)算出需要的理論清水量和水泥灰量，調(diào)節(jié)水閥和灰閥開度至理論值，根據(jù)密度計(jì)反饋的測量值，保持水閥開度不變，不斷調(diào)節(jié)灰閥開度，使密度計(jì)測量的水泥漿密度值趨近于要求的密度值?？梢员３只议y開度不變，不斷調(diào)節(jié)水閥開度，使密度計(jì)測量的密度值趨近于要求的水泥漿密度值。優(yōu)先采用水閥開度不變，控制灰閥開度的方法。同時(shí)，液位計(jì)設(shè)置高液位和低液位限值，如果超過高液位限值，觸發(fā)信號，減小水閥開度，灰閥開度也跟隨減少；如果低于低液位限值，觸發(fā)信號，增加水閥開度，灰閥開度跟隨增加。目的在于使混配罐內(nèi)液位維持在高低液位之間。

3 技術(shù)參數(shù)

HJQ4-05型大流量固井液自動(dòng)混漿橇的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 HJQ4-05型大流量固井液自動(dòng)混漿橇的主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)構(gòu)組成及原理

4.1 橇體總成

橇體總成包含橇體、啟動(dòng)柜支架和吊裝工具。橇體由鋼材焊接而成，為撬裝設(shè)備提供安裝支撐，同時(shí)也方便混漿橇整體運(yùn)輸和吊裝。啟動(dòng)柜支架通過螺栓安裝在橇體上，吊裝工具運(yùn)輸時(shí)通過U型螺栓固定在計(jì)量罐頂部，需要吊裝時(shí)取下，與橇體上的吊裝耳板配合使用，對整個(gè)混漿橇進(jìn)行吊裝。

4.2 動(dòng)力單元

動(dòng)力單元包含電機(jī)、分動(dòng)箱、聯(lián)軸器和液壓系統(tǒng)。電機(jī)通過聯(lián)軸器與分動(dòng)箱連接。液壓系統(tǒng)包含液壓泵組、油箱、散熱器、液壓馬達(dá)、攪拌馬達(dá)和控制閥組等。如圖2～3所示，液壓泵組由分動(dòng)箱輸入動(dòng)力，分別驅(qū)動(dòng)離心泵的液壓馬達(dá)、攪拌馬達(dá)和擺動(dòng)油缸。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)最高壓力為31 MPa，實(shí)際工作壓力取決于負(fù)載的大小。分動(dòng)箱I安裝3臺閉式泵，分別驅(qū)動(dòng)3臺砂泵(循環(huán)泵和灌注泵)。分動(dòng)箱II安裝3臺閉式泵，分別驅(qū)動(dòng)供水泵和噴射泵，同時(shí)串聯(lián)有齒輪泵，3臺齒輪泵分別驅(qū)動(dòng)水/灰控制缸、攪拌馬達(dá)I/II和攪拌馬達(dá)III/IV，供水泵由單臺閉式泵驅(qū)動(dòng)，噴射泵由2臺閉式泵共同驅(qū)動(dòng)。

圖2 電機(jī)I動(dòng)力傳遞示意圖

圖3 電機(jī)Ⅱ動(dòng)力傳遞示意圖

4.3 混漿設(shè)備

計(jì)量水罐、高能混合器、混配罐、清水管匯和二次混漿管匯共同組成混漿設(shè)備，混漿流程如圖4所示。高能混合器為核心設(shè)備，具有3個(gè)入口和1個(gè)出口，分別是進(jìn)灰口、清水入口、二次混漿入口和下部出口。還配置有灰閥和水閥，閥芯與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)油缸相連，通過調(diào)節(jié)灰閥和水閥的開度控制進(jìn)灰流量和進(jìn)水流量。

圖4 混漿系流程圖

計(jì)量水罐用于儲(chǔ)存清水，內(nèi)部設(shè)置有上下隔板并安裝有水深刻度尺，上部設(shè)置進(jìn)水口和溢流口，底部設(shè)置出水口。上下隔板起減少出水中的氣泡作用，作業(yè)完成后罐內(nèi)流體能充分排出?；炫涔迌?nèi)裝有多個(gè)攪拌器和導(dǎo)波雷達(dá)液壓計(jì)，能充分對泥漿進(jìn)行攪拌，增強(qiáng)混漿效果?；炫涔迌?nèi)的泥漿通過循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)二次混漿及灌漿功能。

清水管匯包含外供水入口、供水泵、噴射泵、過濾器、流量計(jì)、壓力表和清水蝶閥總成。噴射泵入口與計(jì)量罐的出水口連接，供水泵的入口與計(jì)量罐上部的進(jìn)水口連接。噴射泵出口經(jīng)過過濾器和流量計(jì)后與高能混合器的清水入口連接。噴射泵主要作用是從計(jì)量罐吸入清水，然后通過噴射管匯、過濾器、流量計(jì)后，將清水輸送到高能混合器中，與從供灰管線進(jìn)入的干灰進(jìn)行初步混合，并且與循環(huán)管匯中的泥漿進(jìn)行二次混合，以便能夠更加充分地混合水泥漿。利用流量計(jì)可以測得清水的流量，在PLC上可直接顯示，根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)水閥油缸使水的流量達(dá)到合適的值。供水泵主要是從外界給系統(tǒng)供水，可通過控制管匯上的蝶閥使供水泵向計(jì)量罐輸送液體。

二次混漿管匯主要包含循環(huán)泵、灌注泵、密度計(jì)和泥漿蝶閥總成。循環(huán)泵主要作用是從混配罐中吸入水泥漿，然后通過循環(huán)泵排出口，或是循環(huán)水泥漿，在高能混合器內(nèi)與干灰和水進(jìn)行二次混合，再將水泥漿排到混配罐中完成二次循環(huán)混漿，使水泥漿的混合效果更好，保證泥漿密度均勻。另外，還有一部分水泥漿通過密度計(jì)之后排放到混配罐中，主要作用是利用密度計(jì)上的傳感器來測試水泥漿的實(shí)際密度，測試數(shù)值可以直接在PLC上顯示，也可以在二次儀表上直接顯示。循環(huán)泵的另一個(gè)作用是從混配罐中吸入混合好的水泥漿，向灌注泵出口輸送，以保證現(xiàn)場固井泵的正常工作，起到灌注泵的作用。密度計(jì)用來測量水泥漿的實(shí)時(shí)密度，為控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

4.4 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)為氣動(dòng)執(zhí)行器提供控制氣源，同時(shí)給消泡罐和噴油罐提供氣源，氣控原理如圖5所示。

圖5 氣路系統(tǒng)原理

氣控柜內(nèi)安裝有空氣壓縮機(jī)、閥島、自動(dòng)恒溫控制器、加熱器、溫度及壓力傳感器、調(diào)壓閥、球閥、干燥器、氣動(dòng)三聯(lián)件和壓縮氣體儲(chǔ)罐等?？諌簷C(jī)額定壓力0.8 MPa，排量為140 L/min，配置35 L儲(chǔ)氣罐?？諝鈮嚎s系統(tǒng)帶自動(dòng)啟停功能，自動(dòng)監(jiān)測壓縮罐內(nèi)氣體壓力，當(dāng)罐內(nèi)氣體壓力達(dá)到最高設(shè)定壓力時(shí)，空壓機(jī)停止工作；當(dāng)罐內(nèi)氣體壓力降低至最低設(shè)定壓力時(shí)，空壓機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。該功能由柜內(nèi)的壓力繼電器自動(dòng)完成，無需外部控制。儲(chǔ)氣罐的主要作用是將空壓機(jī)產(chǎn)生的氣體儲(chǔ)存起來，為設(shè)備的氣路部件提供氣源。

4.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由電機(jī)啟動(dòng)柜及電控操作臺組成，啟動(dòng)柜用于配電和電機(jī)的啟停，其余控制元器件安裝在操作臺內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)混漿橇的操作和控制。

啟動(dòng)柜進(jìn)線側(cè)電壓為600 V AC，預(yù)留220 V AC供電接口3個(gè)，對2臺電機(jī)分別配置操作按鈕，配套液晶面板對啟動(dòng)柜狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，預(yù)留必備的遠(yuǎn)程接口，分別連接電控操作臺上電機(jī)1和電機(jī)2帶燈按鈕，并以干接點(diǎn)形式提供電機(jī)正常狀態(tài)反饋信號和急停反饋信號。采用底部進(jìn)出線方向，接口形式:插接件或格蘭，防護(hù)等級(不低于)：IP54。

電控操作臺主要用于集成安裝電控按鈕、旋鈕、一體機(jī)等電氣元件，操作面板如圖6～7所示。

圖6 上操作面板

圖7 下操作面板

操作臺上部安裝有觸摸屏、操作按鈕、旋鈕和指示燈等，下部柜體內(nèi)安裝CPU、輸入輸出模塊、電源模塊、繼電器、接觸器、交換機(jī)和端子排等元件。

5 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析

5.1 大流量高能混合器結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)混漿能力進(jìn)行水泥灰和清水流量匹配計(jì)算，分析和確定混合器接口，形成清水入口、二次混漿入口和進(jìn)灰口的位置及尺寸參數(shù)配置。高能混合器結(jié)構(gòu)如圖9所示，灰閥采用臥式結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的立式結(jié)構(gòu)，整體高度尺寸較小，更合適車載工況。水閥采用孔狀噴射結(jié)構(gòu)，噴射水孔交錯(cuò)布置，可設(shè)置的水孔數(shù)量多，相比于傳統(tǒng)錐閥結(jié)構(gòu)，噴水水量更大且噴射方向分散，與水泥灰有更大的接觸面積，交錯(cuò)水孔保證水閥調(diào)節(jié)具有良好的線性度，更適合大流量混漿要求。此外，二次混漿入口的設(shè)計(jì)也滿足2路循環(huán)泥漿同時(shí)進(jìn)入要求，從而提高混合時(shí)間和均勻度。水閥閥芯內(nèi)閥套設(shè)計(jì)為可更換結(jié)構(gòu)，根據(jù)混漿能力要求選擇對應(yīng)的閥套，可實(shí)現(xiàn)少量到大量混漿均能充分混合。分析水孔大小、噴射角度、二次混漿相對水閥位置等因素對混漿效果的影響，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖8 高能混合器結(jié)構(gòu)

5.2 固液氣三相混合機(jī)理分析和仿真

以高能混合器和混配罐為分析對象，進(jìn)行混合原理研究，如圖9所示，采用前期預(yù)混+后期攪拌的方式進(jìn)行混漿，清水和水泥灰在大流量高能混合器中進(jìn)行水灰預(yù)混合，完成后進(jìn)入混配罐進(jìn)行攪拌混合。設(shè)置2臺大排量循環(huán)泵，增加水泥漿在混配罐內(nèi)的攪拌時(shí)間，預(yù)混控制水灰比例，攪拌則進(jìn)一步提高水泥漿均勻度，從而保證水泥漿密度準(zhǔn)確且均勻。

圖9 水與灰混合原理

通過流體分析軟件進(jìn)行固液氣仿真分析，采用稠密離散相模型，其中氣相介質(zhì)為空氣，液相介質(zhì)為清水，固相介質(zhì)為水泥灰顆粒，水與灰顆?；旌闲纬傻哪酀{為粘稠性流動(dòng)介質(zhì)[9-10]。對高能混合器流場情況、預(yù)混效果、出口水灰分布、水閥流量特性進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，混合密度和速度分布如圖10所示，密度分布較均勻。

針對混配罐內(nèi)槳葉結(jié)構(gòu)、安裝位置、選擇方向、轉(zhuǎn)速等因素，進(jìn)行混配罐流場仿真分析[11]，混合情

圖10 混配罐水泥漿混合情況

況如圖11所示。通過混合原理的仿真分析，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速，為系統(tǒng)性能分析、選型和優(yōu)化操作工藝提供了一定的指導(dǎo)。

圖11 混配罐泥漿混合仿真分析結(jié)果

5.3 自動(dòng)混漿系統(tǒng)雙變量雙閉環(huán)PID控制技術(shù)

采用水閥和灰閥雙變量、密度自動(dòng)和液位自動(dòng)雙閉環(huán)控制技術(shù)，水閥和灰閥的控制采用PID控制算法，控制精確，如圖12～13所示。密度自動(dòng)控制系統(tǒng)主要通過控制下灰量來控制泥漿密度。液位控制系統(tǒng)則通過調(diào)節(jié)清水比例閥控制混配罐的液位。密度控制系統(tǒng)維持水泥漿密度在設(shè)定值。液位控制則維持混配罐液面在設(shè)定液面范圍內(nèi)，避免因工作端排量變化造成溢罐或者離心泵吸空。同時(shí)，液位閉環(huán)和密度閉環(huán)相互協(xié)調(diào)動(dòng)作，即液位變化影響水閥開度，水閥開度影響密度自動(dòng)控制，共同形成雙變量、雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)。

圖12 液位自動(dòng)控制框圖

圖13 密度自動(dòng)控制框圖

6 廠內(nèi)試驗(yàn)

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司已完成大流量自動(dòng)混漿橇的制造和廠內(nèi)功能試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖14所示。試驗(yàn)內(nèi)容主要包含：絕緣電阻測量、電氣與控制功能測試、液壓系統(tǒng)測試、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)測試、水泥漿測試和稱重及外形尺寸檢測等。對各執(zhí)行部件進(jìn)行單點(diǎn)測試和聯(lián)調(diào)。首先進(jìn)行試驗(yàn)前控制點(diǎn)位測試，準(zhǔn)備供電電纜并安裝接線，通電前第三方檢測等工作。供電后先后對供配電系統(tǒng)，電機(jī)、氣控柜，氣動(dòng)蝶閥，液壓泵組、控制閥組、控制系統(tǒng)、離心泵、攪拌器和水灰閥等進(jìn)行功能測試。通過各項(xiàng)測試，驗(yàn)證了大流量混漿橇滿足設(shè)計(jì)要求，清水條件下最大排量達(dá)到7 m3/min，水閥入口最大壓力1.3 MPa，閥芯控制也滿足線性度要求，為高精度密度自動(dòng)調(diào)節(jié)提供了有利基礎(chǔ)。

圖14 混漿橇廠內(nèi)試驗(yàn)

7 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的自動(dòng)混漿橇采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，較柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，無污染物排放，國產(chǎn)技術(shù)成熟。供電電壓與鉆機(jī)系統(tǒng)的相同，方便對全井場的供電系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。

2) 配置新型大流量高能混合器和混配系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有水泥漿混配系統(tǒng)的連續(xù)混漿能力不足問題。高能混合器系統(tǒng)的排量大，效率高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)大流量水泥漿混配，提高單臺固井設(shè)備的作業(yè)能力，減少現(xiàn)場固井設(shè)備數(shù)量，實(shí)現(xiàn)大排量，長時(shí)間及持續(xù)不間斷作業(yè)要求，技術(shù)優(yōu)勢明顯，尤其適合超深井和復(fù)雜井的作業(yè)工況。

3) 采用雙變量自動(dòng)混漿系統(tǒng)(水量和灰量雙變量控制)，結(jié)合雙閉環(huán)PID控制技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)和傳感器的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制，水泥漿的密度調(diào)節(jié)更為均勻和準(zhǔn)確，減輕了現(xiàn)場工人勞動(dòng)強(qiáng)度，且避免了操作誤差。