HJQ4-05型大流量固井液自動混漿橇研制

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.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206;4. 四川寶石機械專用車有限公司，四川 廣漢 618300)

隨著石油天然氣勘探開發的不斷深入，國內超深井及復雜井不斷增多，井深更深，水平段更長，大尺寸技術套管下深不斷增加，環空容積大，所需固井水泥漿的體積量大、排量大。要求固井設備滿足大排量、長時間、持續不間斷作業。常規的固井混漿設備的排量小，混漿能力2.3 m3/min。為滿足現場大流量水泥漿工況需要，只能采用多臺設備同時工作，施工井場裝備多、占用空間大、風險高且增加成本[1-3]。常規固井混漿設備大多以進口柴油機為動力，與現階段國家大力推進環境污染整治政策不符。采用電機驅動的固井設備，其噪聲低，零排放，符合國家產業發展方向。動力電驅化可有效提高設備的國產化率，大幅降低制造及維護成本，為國產替代進口提供了良好契機。

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驗，引導著固井裝備的發展[4-5]。哈里伯頓ADC○R混合系統、RCM○RIIIr高能混合系統等可自動控制進入的干物料流量和混合水的流量，可實現工作期間的速率和密度階段變化。國內生產廠家主要是中石化江漢第四石油機械廠、山東煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司及四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，經過技術引進、消化吸收和合資建廠等方式，可研發生產種類齊全的固井設備。杰瑞公司開發有固井液批量混設備和雙混固井橇，使用的都是常規能力的混合器，雙混固井橇配置2臺混合器，應用在中海油服的鉆井平臺，最大混漿能力達到3.7 m3/min[6-8]。此方案實現混漿能力的提高，但水閥、灰閥、執行油缸和管路等都成倍增加，系統更加復雜，設備占用空間也更大。本文介紹了大流量混漿橇，作為自動混配的固井設備，具有自動混漿及循環混漿功能。

1 總體結構

HJQ4-05型大流量固井液自動混漿橇采用撬裝結構，如圖1所示，整體尺寸滿足道路運輸和井場條件要求。該裝置由計算機控制，實現自動混漿，并與固井設備聯動。以電機為動力進行電液復合控制，其電壓與鉆井系統統一，均為600 V。該撬具有自動混漿及循環混漿功能，混漿橇的操作由電控系統、液壓系統及機械傳動來實現，所有混漿操作可在平臺上進行，方便、可靠，可由1人完成。該系統有遠程控制接口，自動化程度高。設備主要用于油氣田大排量固井混漿作業，可完成水泥漿的自動混配工作，配合固井泵完成注水泥、替泥漿等工作。

1-液壓系統；2-動力系統；3-橇體總成；4-計量水罐；5-清水管匯；6-電控操作臺；7-二次混漿管匯；8-啟動柜；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混漿橇結構

2 工作原理

HJQ4-05型大流量固井液自動混漿橇由2臺電機提供動力，控制方式為電控液形式。電機通過分動箱將動力傳遞給液壓泵組，液壓泵組為執行元件提供液壓動力。執行元件包含：離心泵、擺動油缸和攪拌器。電控操作臺內安裝控制系統，實現對整個混漿橇的操作和控制。氣控柜內部安裝有空壓機和氣控閥組，為氣動蝶閥、噴油罐和消泡罐提供氣源。水泥灰從進灰管線進入高能混合器的進灰口。清水通過外供水入口進入計量罐，噴射泵從計量罐吸水，排出后經過過濾器和流量計進入高能混合器的清水入口。水泥灰通過灰閥后向下進入高能混合器內部腔體，清水通過水閥后噴射入腔體，清水和水泥灰在腔體內實現預混，預混后從下部出口進入混配罐，通過多個攪拌器進行再次混合?；炫涔拗胁糠炙酀{通過循環泵返回高能混合器的二次混漿入口，從而實現水泥漿的二次和多次混合，提高混合均勻性。循環支路設置有測量水泥漿密度的密度計，實時反映泥漿密度，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。

現場作業可采用手動或者自動混漿模式，手動模式通過調節旋鈕控制水閥和灰閥的開度，從而控制水量和灰量。自動模式則根據輸入的流量和水泥漿的密度數值，控制系統計算出需要的理論清水量和水泥灰量，調節水閥和灰閥開度至理論值，根據密度計反饋的測量值，保持水閥開度不變，不斷調節灰閥開度，使密度計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，不斷調節水閥開度，使密度計測量的密度值趨近于要求的水泥漿密度值。優先采用水閥開度不變，控制灰閥開度的方法。同時，液位計設置高液位和低液位限值，如果超過高液位限值，觸發信號，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液位維持在高低液位之間。

3 技術參數

HJQ4-05型大流量固井液自動混漿橇的主要技術參數如表1所示。

表1 HJQ4-05型大流量固井液自動混漿橇的主要技術參數

4 結構組成及原理

4.1 橇體總成

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

4.2 動力單元

動力單元包含電機、分動箱、聯軸器和液壓系統。電機通過聯軸器與分動箱連接。液壓系統包含液壓泵組、油箱、散熱器、液壓馬達、攪拌馬達和控制閥組等。如圖2～3所示，液壓泵組由分動箱輸入動力，分別驅動離心泵的液壓馬達、攪拌馬達和擺動油缸。液壓系統設計最高壓力為31 MPa，實際工作壓力取決于負載的大小。分動箱I安裝3臺閉式泵，分別驅動3臺砂泵(循環泵和灌注泵)。分動箱II安裝3臺閉式泵，分別驅動供水泵和噴射泵，同時串聯有齒輪泵，3臺齒輪泵分別驅動水/灰控制缸、攪拌馬達I/II和攪拌馬達III/IV，供水泵由單臺閉式泵驅動，噴射泵由2臺閉式泵共同驅動。

圖2 電機I動力傳遞示意圖

圖3 電機Ⅱ動力傳遞示意圖

4.3 混漿設備

計量水罐、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備，混漿流程如圖4所示。高能混合器為核心設備，具有3個入口和1個出口，分別是進灰口、清水入口、二次混漿入口和下部出口。還配置有灰閥和水閥，閥芯與回轉驅動油缸相連，通過調節灰閥和水閥的開度控制進灰流量和進水流量。

圖4 混漿系流程圖

計量水罐用于儲存清水，內部設置有上下隔板并安裝有水深刻度尺，上部設置進水口和溢流口，底部設置出水口。上下隔板起減少出水中的氣泡作用，作業完成后罐內流體能充分排出?；炫涔迌妊b有多個攪拌器和導波雷達液壓計，能充分對泥漿進行攪拌，增強混漿效果?；炫涔迌鹊哪酀{通過循環泵實現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、壓力表和清水蝶閥總成。噴射泵入口與計量罐的出水口連接，供水泵的入口與計量罐上部的進水口連接。噴射泵出口經過過濾器和流量計后與高能混合器的清水入口連接。噴射泵主要作用是從計量罐吸入清水，然后通過噴射管匯、過濾器、流量計后，將清水輸送到高能混合器中，與從供灰管線進入的干灰進行初步混合，并且與循環管匯中的泥漿進行二次混合，以便能夠更加充分地混合水泥漿。利用流量計可以測得清水的流量，在PLC上可直接顯示，根據測試所得數據，調節水閥油缸使水的流量達到合適的值。供水泵主要是從外界給系統供水，可通過控制管匯上的蝶閥使供水泵向計量罐輸送液體。

二次混漿管匯主要包含循環泵、灌注泵、密度計和泥漿蝶閥總成。循環泵主要作用是從混配罐中吸入水泥漿，然后通過循環泵排出口，或是循環水泥漿，在高能混合器內與干灰和水進行二次混合，再將水泥漿排到混配罐中完成二次循環混漿，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之后排放到混配罐中，主要作用是利用密度計上的傳感器來測試水泥漿的實際密度，測試數值可以直接在PLC上顯示，也可以在二次儀表上直接顯示。循環泵的另一個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，以保證現場固井泵的正常工作，起到灌注泵的作用。密度計用來測量水泥漿的實時密度，為控制系統提供數據。

4.4 氣路系統

氣路系統為氣動執行器提供控制氣源，同時給消泡罐和噴油罐提供氣源，氣控原理如圖5所示。

圖5 氣路系統原理

氣控柜內安裝有空氣壓縮機、閥島、自動恒溫控制器、加熱器、溫度及壓力傳感器、調壓閥、球閥、干燥器、氣動三聯件和壓縮氣體儲罐等。空壓機額定壓力0.8 MPa，排量為140 L/min，配置35 L儲氣罐。空氣壓縮系統帶自動啟停功能，自動監測壓縮罐內氣體壓力，當罐內氣體壓力達到最高設定壓力時，空壓機停止工作；當罐內氣體壓力降低至最低設定壓力時，空壓機自動啟動。該功能由柜內的壓力繼電器自動完成，無需外部控制。儲氣罐的主要作用是將空壓機產生的氣體儲存起來，為設備的氣路部件提供氣源。

4.5 控制系統

控制系統主要由電機啟動柜及電控操作臺組成，啟動柜用于配電和電機的啟停，其余控制元器件安裝在操作臺內，實現對整個混漿橇的操作和控制。

啟動柜進線側電壓為600 V AC，預留220 V AC供電接口3個，對2臺電機分別配置操作按鈕，配套液晶面板對啟動柜狀態進行監控，預留必備的遠程接口，分別連接電控操作臺上電機1和電機2帶燈按鈕，并以干接點形式提供電機正常狀態反饋信號和急停反饋信號。采用底部進出線方向，接口形式:插接件或格蘭，防護等級(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，下部柜體內安裝CPU、輸入輸出模塊、電源模塊、繼電器、接觸器、交換機和端子排等元件。

5 關鍵結構分析

5.1 大流量高能混合器結構分析

根據混漿能力進行水泥灰和清水流量匹配計算，分析和確定混合器接口，形成清水入口、二次混漿入口和進灰口的位置及尺寸參數配置。高能混合器結構如圖9所示，灰閥采用臥式結構，相比于傳統的立式結構，整體高度尺寸較小，更合適車載工況。水閥采用孔狀噴射結構，噴射水孔交錯布置，可設置的水孔數量多，相比于傳統錐閥結構，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，交錯水孔保證水閥調節具有良好的線性度，更適合大流量混漿要求。此外，二次混漿入口的設計也滿足2路循環泥漿同時進入要求，從而提高混合時間和均勻度。水閥閥芯內閥套設計為可更換結構，根據混漿能力要求選擇對應的閥套，可實現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，確定最優的結構設計。

圖8 高能混合器結構

5.2 固液氣三相混合機理分析和仿真

以高能混合器和混配罐為分析對象，進行混合原理研究，如圖9所示，采用前期預混+后期攪拌的方式進行混漿，清水和水泥灰在大流量高能混合器中進行水灰預混合，完成后進入混配罐進行攪拌混合。設置2臺大排量循環泵，增加水泥漿在混配罐內的攪拌時間，預混控制水灰比例，攪拌則進一步提高水泥漿均勻度，從而保證水泥漿密度準確且均勻。

圖9 水與灰混合原理

通過流體分析軟件進行固液氣仿真分析，采用稠密離散相模型，其中氣相介質為空氣，液相介質為清水，固相介質為水泥灰顆粒，水與灰顆粒混合形成的泥漿為粘稠性流動介質[9-10]。對高能混合器流場情況、預混效果、出口水灰分布、水閥流量特性進行分析，并根據分析結果優化結構設計，混合密度和速度分布如圖10所示，密度分布較均勻。

針對混配罐內槳葉結構、安裝位置、選擇方向、轉速等因素，進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，確定最優結構和轉速，為系統性能分析、選型和優化操作工藝提供了一定的指導。

圖11 混配罐泥漿混合仿真分析結果

5.3 自動混漿系統雙變量雙閉環PID控制技術

采用水閥和灰閥雙變量、密度自動和液位自動雙閉環控制技術，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。密度自動控制系統主要通過控制下灰量來控制泥漿密度。液位控制系統則通過調節清水比例閥控制混配罐的液位。密度控制系統維持水泥漿密度在設定值。液位控制則維持混配罐液面在設定液面范圍內，避免因工作端排量變化造成溢罐或者離心泵吸空。同時，液位閉環和密度閉環相互協調動作，即液位變化影響水閥開度，水閥開度影響密度自動控制，共同形成雙變量、雙閉環PID控制系統。

圖12 液位自動控制框圖

圖13 密度自動控制框圖

6 廠內試驗

寶雞石油機械有限責任公司已完成大流量自動混漿橇的制造和廠內功能試驗，試驗現場如圖14所示。試驗內容主要包含：絕緣電阻測量、電氣與控制功能測試、液壓系統測試、連續運轉測試、水泥漿測試和稱重及外形尺寸檢測等。對各執行部件進行單點測試和聯調。首先進行試驗前控制點位測試，準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，電機、氣控柜，氣動蝶閥，液壓泵組、控制閥組、控制系統、離心泵、攪拌器和水灰閥等進行功能測試。通過各項測試，驗證了大流量混漿橇滿足設計要求，清水條件下最大排量達到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，為高精度密度自動調節提供了有利基礎。

圖14 混漿橇廠內試驗

7 結論

1) 設計的自動混漿橇采用電機驅動，較柴油機驅動，無污染物排放，國產技術成熟。供電電壓與鉆機系統的相同，方便對全井場的供電系統進行集成設計。

2) 配置新型大流量高能混合器和混配系統，解決了現有水泥漿混配系統的連續混漿能力不足問題。高能混合器系統的排量大，效率高，可實現連續大流量水泥漿混配，提高單臺固井設備的作業能力，減少現場固井設備數量，實現大排量，長時間及持續不間斷作業要求，技術優勢明顯，尤其適合超深井和復雜井的作業工況。

3) 采用雙變量自動混漿系統(水量和灰量雙變量控制)，結合雙閉環PID控制技術，通過計算機和傳感器的數據采集和自動控制，水泥漿的密度調節更為均勻和準確，減輕了現場工人勞動強度，且避免了操作誤差。