2300型電驅固井車研發設計*

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服務有限公司，北京 100097；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，四川 成都 610052； 4.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500；5.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； 6. 成都國科檢測技術有限公司，四川 成都 610052)

0 引 言

當前，我國頁巖氣開采發展迅猛，國內超深井及復雜地層固井作業出現的頻次越來越高，解決高壓力、大排量、長時間不間斷固井施工作業已迫在眉睫。固井車作為石油固井作業時向井內注入水泥漿的關鍵設備，其主要包括底盤、臺上原動機、泵注系統、混漿系統、控制系統等。目前，國內外代表性的固井車及主要技術參數如表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，這個技術參數可以滿足北美地區的固井作業；國內以煙臺杰瑞[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，以滿足固井施工工藝要求。從表1可以看出，目前國內外固井車臺上原動機都采用的是柴油發動機，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，尾氣環境污染大。隨著我國電網系統的快速發展，頁巖氣固井作業所需的大功率固井車實現電驅成為可能。此外，固井作業的自動化和智能化需求，對固井車控制系統提出了新的要求[5-7]。筆者重點介紹了2300型電驅固井車的關鍵技術，通過對供配電單元、傳動系統、控制系統等的設計和優化，滿足了頁巖氣固井作業的新需求。

表1 國內外代表性的固井車及主要技術參數

1 固井車主要結構組成

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

圖1 2300型電驅固井車結構簡圖1.二類底盤 2.電控液壓系統 3.供配電單元 4.傳動系統 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 12.控制系統

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作業(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、變頻器和開關電源等元器件將輸入電壓轉換為0～600VAC、220VAC及24VDC的輸出電壓，滿足不同負載的供電需求。

1.2 傳動系統

2300型電驅固井車采用多電機獨立運行的動力傳動系統(如圖2所示)。1套變頻一體機通過傳動軸直接驅動柱塞泵完成注水泥漿作業；輔助動力傳動系統由4臺電機分別驅動1臺清水泵、1臺供水泵、1臺循環泵、1臺灌注泵，完成清水的制備和增壓；電機驅動液壓站由液壓泵、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；電機驅動空壓機系統由電機、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 動力系統框圖

1.3 管匯系統

管匯系統由清水管匯、混漿系統、二次混漿系統、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。，關閉閥3、9，打開閥1或2 ；或者關閉閥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。混漿系統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，關閉閥20，開啟循環泵，灌注泵，進行管匯清洗。

1.4 控制系統

控制系統方案如圖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為電驅傳動組件，完成系統動力傳動、照明、潤滑等常規功能；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 控制系統方案圖

1.5 高壓泵注系統

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

2 主要性能參數

整車質量約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 關健技術

3.1 變頻一體機驅動

變頻驅動系統位于底盤車上，體積和重量都受到嚴格限制，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-交變頻拓撲結構。電源輸入經接觸器、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，經過運算后產生IGBT的驅動信號，一方面通過光纖與驅動電路完成數據交換，使驅動電路接收到IGBT觸發信號，并將PWM信號隔離放大，通過光纖信號控制IGBT導通和關斷時間；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并聯組成的逆變電路，將直流電逆變成頻率、電壓均可調的交流電，最后提供給三相異步電動機進行變速控制，電動機轉速依據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。

變頻器根據固井施工所需功率調節頻率設定，從而改變電機參數，使固井車既能滿足大功率需求，又節能減耗。

3.2 自動混漿控制系統設計

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

自動混漿控制系統由下灰閥、供水閥、高能混合器、擴散槽、攪拌器、過濾網、混漿罐、供水泵、循環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。混合后的混漿在混漿罐中經攪拌葉片進一步混合，水泥漿通過循環泵實現水泥漿的二次和多次混合。混漿罐上的雷達液位計、循環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定的密度值進行比對，通過PID控制算法計算達到設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出指令信號，控制液壓執行機構調整下灰閥、供水閥開口大小，讓水泥漿自動控制到設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據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，操作者將設計參數輸入即可，其計算機的CPU處理模塊響應速度為0.001～0.005 us,控制對點數最大可在256～1024點，且為模塊化設計，確保實現快速操作反應。為獲得精度的信號，該設備采用MVD技術的密度傳感器與變送器、流量傳感器，使其具有創新的，多變量的數字處理能力，保證其更好地實現信號采集工作。

自動混漿控制系統備有手動系統，如果PLC出現故障，操作者可用手動系統完成作業。

3.3 控制系統優化

為使2300型電驅固井車在施工環境中更加準確、高效、可靠作業，控制系統做出如下優化。

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

(2) 采用無風扇、流線型的專利設計、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、炎熱戶外環境中可靠的工業平臺之一。

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

4 主要技術特點

與國內其它固井車對比，2300型電驅固井車具有以下優點。

(1) 下灰閥采用電磁方向閥，旋轉轉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) 自動混漿控制系統反應速度快、精度高，混漿精度達±0.002 g/cm3。

(4) 采用非放射性密度計，測量快速準確。

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

(6) 可實現瞬時排量、累計排量、泥漿密度、壓力等數據的監測，并能以曲線形式顯示，數據可下載。

5 現場應用

2300型電驅固井車主要用于油氣田深井、中深井、淺井的各種固井作業。1臺車即可完成井深在3 500 m以內的自制水泥漿、注水泥、替泥漿、碰壓等各種固井作業。現場應用中，1臺2300型電驅固井車與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，作業效率提升了10%，并且作業噪聲可降低至85 dB以下，施工難度大大降低。

表2 工作能力對照表

6 結 論

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

(2) 2300型電驅固井車節能環保 上裝設備均采用電力驅動，低噪音，零排放，符合國家產業發展方向。

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

(4) 2300型電驅固井車國產化率高 主要外購件均采用國產件，包括汽車底盤、變頻調速電機、固井柱塞泵等，降低進口件采購風險，節約制造及維護保養成本，具有良好的市場推廣前景。