NC5340TGJ型雙機雙泵固井水泥車研制

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任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；3.成都工業學院 智能制造學院，成都 611730)

隨著石油勘探開發領域擴大，鉆井技術不斷進步,促進了固井技術的進步[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，是油田完成固井、試油等生產任務的主要設備[3]。近年來，世界各國正逐步加大對山區、沙漠和丘陵地區油氣田的開采力度，常規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、混漿質量穩定、自動化程度高的固井車將取得市場競爭優勢[4]。

國外固井設備的生產廠家主要有美國的哈里伯頓、道威爾等企業[5-7]。他們對固井設備的使用已有很長的歷史，有很全面的固井技術儲備，占有一定市場份額，但價格比較昂貴，維護成本較高。國內固井設備的生產廠家主要是中石油的寶雞石油機械有限責任公司，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。國產固井設備經歷了仿造、技術引進，消化吸收，再創新，現已具有一定規模。但是，國內固井設備的穩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固井作業需要。

為此，寶雞石油機械有限責任公司研制了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，以及國內中石化石油工程有限公司第四機械廠自主研發的SJ300型泵，SJ600型泵[9-10]的供貨周期很長，售后服務也很難跟上的難題。隨著各油田的深入開發，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，進而驅動固井泵完成固井施工作業。液力變速箱有多個擋位，使其可以往井筒內輸入多種排量及壓力的水泥漿。柴油機與傳動系統由液體工作介質柔性聯接，減少沖擊和負荷突變[13-14]，同時降低了固井作業的風險，提高了設備的使用壽命。

1 總體方案設計

NC5340TGJ型雙機雙泵固井水泥車為車載式結構，包括汽車底盤、液壓系統、柴油機、液力變速箱、臥式三缸柱塞泵、管匯總成、操作平臺、氣控系統及儀表控制箱等構成，如圖1所示。卡車底盤除完成整車移運功能外，還為液壓系統和冷卻系統提供動力。2臺臥式三缸柱塞泵由柴油機驅動放置于卡車底盤的副梁上，主要用于油田固井作業的水泥漿混配和高壓泵送。整車的操作由電路系統、液壓系統、氣路系統及機械傳動來實現。該車的固井作業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。混合器和混漿罐位于操控臺的右側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初次混合。初次混合的水泥漿不能滿足固井作業需要，該水泥漿在混配罐內經攪拌器攪拌，使預混好的水泥漿混合更加均勻。混配罐底部開有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，混配系統的水泥漿密度通過二次混漿回路的密度計進行測量?；旌暇鶆虻乃酀{經固井泵Ⅰ和固井泵Ⅱ泵入至井筒內，完成固井施工作業。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；3—副梁；4—動力系統；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—循環泵；7—混漿罐；8—灌注泵；9—固井泵Ⅱ；10—供水泵Ⅱ。

3 主要技術參數

NC5340TGJ型雙機雙泵固井水泥車主要技術參數如表1所示。

表1 NC5340TGJ型固井水泥車主要技術參數

4 關鍵技術分析

4.1 電控系統

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。操控臺對發動機的控制主要包括：發動機啟停、油門增減、緊急停機等，同時有發動機水溫、機油油壓實時數據顯示和報警指示燈，以及發動機轉速顯示等。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，監測泵潤滑油壓和油溫。儀表臺、計量罐上方及混漿罐處均設有燈光照明，可以在夜間進行固井施工作業。

4.2 自動混漿系統

自動混漿系統是整車的核心，其控制精度決定固井質量。清水與干水泥灰在混合器內完成混合，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。自動混漿系統主要由密度控制系統和液面控制系統組成。

1)密度控制系統。

當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，確保清水供給穩定無變化?；鞚{系統會不斷通過密度計檢測實際密度值，當發現密度有所變化時，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，也就是在原有自學習基礎上增大或者減小A，以便使清水與干水泥灰混合到一起達到設定的密度值。由于此時吸入、排出管內的水泥漿密度已經不符合要求，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來調控灰閥的開度，而是以(A±δ)的偏移來調整，并通過計算推導這樣調整所要持續的時間。然后再加上或減去δ的偏移量，使控灰閥的調整開度值為前面計算所得到的A。此時混漿罐內的水泥漿密度符合設定值。同時，依據設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情況下清水供給穩定，供給流量不變的控制過程。如果出現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測，從而以一定的控制算法來調整控水閥。

還有一種情況是清水的供給、干灰的供給同時波動，此時就可以發揮自動混漿系統水泥灰、清水同時控制的優點。首先根據排量以及混配速度等參數來調控控水閥、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。密度校準界面如圖3所示。

圖3 密度校準界面

2)液面控制系統。

首先在計算機的系統設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，并將該數據與液面設定數據進行比較，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，從而調節清水比例閥的位置，控制進入混合罐內的清水量，維持液面高度的穩定，實現液面自動控制。

4.3 整車行駛穩定性校核

高海拔(≥3 000 m)地區為氣壓、空氣含氧量及溫度均較低的環境，會對汽車動力性能產生一定的影響，易造成汽車啟動及爬坡困難，導致運行速度降低，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心位置。校核該型固井車上坡時、下坡時、轉彎時的穩定性是否滿足設計要求。

1)上坡和下坡時穩定性校。

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。

按油田山區最大路面坡度42°進行校核，經過計算，整車爬坡與下坡性能均滿足設計要求。

圖4 上坡穩定性校核

圖5 下坡穩定性校核

2)轉彎穩定性校核。

當汽車在坡道上橫向行駛或轉彎時，有可能發生側向傾翻。根據國家標準GB 7258-2017《動車運行安全技術條件》[17]，質量為整備質量的1.2 倍以下的機動車，側傾穩定角≥28°。經計算，該固井車轉彎穩定性能良好，符合國家標準GB 7258-2004要求。如圖6所示。

4.4 動力系統

NC5340TGJ型雙機雙泵固井水泥車有2條動力傳遞路線，第1條是由汽車底盤發動機取力，經分動箱驅動4個液壓泵，其中液壓泵Ⅰ為單聯泵，液壓泵Ⅱ、液壓泵Ⅲ、液壓泵Ⅳ為雙聯泵。液壓泵Ⅰ單獨驅動供水泵Ⅰ，用于對計量水罐內的清水加壓后輸送至混漿系統。雙聯液壓泵Ⅱ除驅動供水泵Ⅱ，還可以用于驅動攪拌器。為了確保固井施工持續進行，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往混漿系統內注入清水。同理，雙聯液壓泵Ⅲ除驅動循環泵，用于循環泥漿罐內的水泥漿外，還用于驅動散熱器，為整車散熱。雙聯泵Ⅳ除驅動循環外，還通過比例閥驅動清水控制油缸和干灰控制油缸。底盤發動機取力傳動路線如圖7所示。

圖6 轉彎穩定性校核

圖7 底盤發動機取力傳動路線

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

圖8 柴油發動機傳動路線

其中，柴油發動機Ⅰ、柴油發動機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)。發動機滿功率輸出，變速箱在鎖閉狀態下工作，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臺發動機轉速為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 試驗及現場應用

5.1 廠內試驗

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

5.2 工業性試驗及現場應用

廠內試驗完成后，需要對整車進行工業性試驗。整車試驗在瀘州某試驗現場進行，試驗持續約150 min，試驗完全按照固井工藝要求進行。試驗結果如表2所示。

從表2現場試驗結果可以看出，NC5340TGJ型固井水泥車的自動混漿系統控制準確，水泥漿密度能達到固井施工作業要求。輸出壓力能滿足碰壓所需要的壓力值。待水泥漿凝固后，經聲幅測井(CBL)和聲波變密度測井(VDL)可知，固井質量良好。固井車現場試驗如圖9所示。

表2 現場試驗結果

圖9 NC5340TGJ型固井車工業試驗照片

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。尤其在進行宜賓某?139.7 mm(5.5英寸)油層套管固井作業時，車注緩凝水泥漿和車注快干水泥漿這兩道關鍵工序時，如圖10現場作業曲線所示，混漿密度穩定在(1.90±0.02) g/cm3，工作壓力穩定在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要求。

6 結論

1)為滿足山區、沙漠和丘陵地區油氣田的開發要求，開發了NC5340TGJ型雙機雙泵固井水泥車。

圖10 現場作業曲線

2)2臺臥式三缸柱塞泵分別由兩臺柴油發動機帶動液力變速箱驅動。液力變速箱具有多個擋位，發動機滿功率輸出，變速箱在鎖閉狀態下時，可以往井筒內輸入不同壓力、不同排量的水泥漿。2臺發動機轉速為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)根據現場施工壓力要求，可以采用單機單泵作業，也可采用雙機雙泵作業。不僅提高了整車作業的靈活性，同時還降低了固井作業風險，能保證不間斷固井施工作業。

4)自動混漿裝置是整臺設備的核心，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，國產柴油機驅動力的固井設備已占據國內油氣田絕大部分市場。國內個別海洋平臺已配置電驅固井橇，長期依賴進口，價格昂貴。陸地油田用電驅固井車在國內還是一片空白?；陔婒尰O備在節約成本、節能減排等方面的優勢，建議后期開展電驅固井設備的研究。