BSJ5310TGJ型双机双泵固井水泥车研制

李秀珍，王定亚，李小兵，王来智，金连登，张正祖（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002）

BSJ5310TGJ型双机双泵固井水泥车研制

李秀珍，王定亚，李小兵，王来智，金连登，张正祖
（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002）①

为了适应油田恶劣的道路条件，满足大排量、高压力的固井工艺需要，以及自动化固井作业的要求，研制了双机双泵固井水泥车。该车采用车载方式，主要由重型越野底盘、动力系统、自动混浆系统、电气系统、液压系统和高低压管汇系统等组成，最高工作压力97MPa，最大排量3．0m3／min，最大混浆能力2．3m3／min。配置的自动混浆系统采用双变量控制，具有响应速度快、混浆精度高等优点，整车布局合理，操作方便。经性能测试表明，该固井水泥车动力性强，自动化程度高，其运行稳定性和可靠性完全满足当前油气田固井作业要求。

水泥车；结构；控制系统；创新技术

专利技术：国家实用新型专利“新型高能混合器”（CN201895357U）

近年来，世界各国正逐步加大对山区、沙漠和丘陵地区油气田的开采力度，常规的固井水泥车已不能适应恶劣的道路条件和复杂的固井工艺要求。越野性能强、混浆质量稳定、自动化程度高的固井车将取得市场竞争优势。

哈里伯顿、斯伦贝谢以及双S公司的固井设备比较先进，都采用液灰双控的混浆控制系统，混浆密度精确，质量稳定可靠，但其设备价格昂贵，供货周期长，配件供给不足。我国目前制造的固井设备配置的混浆系统主要是基于哈里伯顿的混浆结构而仿制或改进设计开发的，不能完全实现液灰的双变量自动控制。随着油气田的深入开发，具有液灰双变量控制技术的自动混浆系统能满足日趋复杂的固井工艺要求，降低操作人员的劳动强度，提高固井效率和质量。为此，研制了具有液灰双控混浆系统的双机双泵固井水泥车，能满足油田用户对固井作业的新要求，降低固井设备的采购和使用成本，提高固井车市场竞争力。

1　结构及工作原理

1．1 工艺流程

自动混浆系统自动调节清水和干水泥灰的比例，然后通过高能混合器预混，进入到混配罐经搅拌器进一步搅拌混合，形成满足固井作业要求的密度均匀的水泥浆，然后由动力系统驱动柱塞泵，将混配好的水泥浆加压后通过高压管汇泵送至井筒和套管的环形空腔中，从而完成环空固井［1］。

1．2 总体结构方案

双机双泵固井水泥车是在车辆底盘［2-3］上装有2套动力系统和2台柱塞泵的注水泥浆设备，由泵注系统和混浆系统组成。泵注系统的作用是通过柱塞泵向油、气井内泵注水泥浆，混浆系统的功能是配制均匀的、符合密度要求的水泥浆。总体结构布置如图1所示。

图1　双机双泵固井水泥车总体布置示意

1．2．1 重型越野底盘

为满足国内油气田道路条件及运输要求，该车采用车载结构，选择梅赛德斯-奔驰二类越野底盘作为固井装备的安装基座。该底盘具有动力性强、越野性能好、行驶稳定性和可靠性高等特点，完全满足山区、沙漠等无人地区的复杂道路条件的行驶要求。

1．2．2 动力系统

该车的动力系统主要包括发动机和变速箱，为提高固井作业的可靠性，该车配置的发动机选用进口全电脑控制电喷柴油发动机，性能可靠，动力强劲，具有高转速、高水温、低油压和低水位的自动停机保护功能。同时选用液力机械自动变速箱，可与发动机直接联接，有利于缩短整车长度尺寸，提高整车的机动性能。

为满足油气田道路行驶条件，该车配置的发动机与变速箱选用直接联接方式，变速箱输出的动力由传动轴传递至柱塞泵，两台柱塞泵采用对称布置方式，有利于缩短整车外形尺寸，整车布局紧凑合理。如图2所示。

图2　动力传动结构示意

1．2．3 三缸柱塞泵

该车配置了2台SPM公司生产的卧式三缸单作用往复柱塞泵，通过传动轴与变速箱联接。该泵可用于输送固井水泥浆、含砂流体、酸液等油田用液体。动力端由安装在车台发动机上的油泵提供强制润滑。液力端为气动润滑，由气体向油罐提供压力，使油液流向液力端。

不同地区油气田的油气储存条件不同，因而固井作业时所需求的压力、排量以及泥浆密度也不同，为满足多种作业需求，该车配置了双动力系统和双柱塞泵，根据油气田的实际工况，选择使用单动力或双动力系统，通过调节发动机输出功率、转速，变换液力变速箱的挡位以及选择不同柱塞泵的柱塞尺寸，输出不同排量及压力，以满足实际固井作业中的各种参数要求。通过输出选择，该车可输出最大排量为3．0m3／min，最高工作压力可达97MPa。

2　主要技术参数

最高工作压力97MPa

最大排量3m3／min

混浆能力0～2．3m3／min

混浆密度1～2．6g／cm3

密度精度±0．02g／cm3

整车总质量29000kg

整车外形尺寸

10900mm×2500mm×3960mm

3　自动混浆控制系统

3．1 系统组成

自动混浆控制系统为整车的核心部件，主要由高能混合器、混配罐、水流量控制阀、干灰计量阀、清水流量计、密度计、管汇等组成。固井作业之前，首先对井眼进行评估，以确定泥浆的密度和用量；然后向控制系统设置所需的泥浆密度、泥浆用量及流量等相关参数，参数设置后开始进行固井作业，该系统会自动维持水泥浆密度在设定值，并根据柱塞泵泥浆的排出量实时调节水泥浆混配量，持续稳定的完成固井作业。

3．2 控制系统原理

本发明公开了镍钴锰三元材料前驱体分级系统和方法，该系统包括：合成釜，所述合成釜具有原料入口和三元材料前驱体浆料出口；固固分离设备，所述固固分离设备具有三元材料前驱体浆料入口、水入口、小颗粒物料出口和大颗粒物料出口，所述三元材料前驱体浆料入口与所述三元材料前驱体浆料出口相连，所述小颗粒物料出口与所述原料入口相连。该系统可以对镍钴锰三元材料前驱体合成得到的浆料中的颗粒按粒度进行分级，并将小颗粒物料返回合成釜中，从而实现了反应的连续化，且工艺流程简单，适于工业化推广。公开/公告号：CN108314093A 申请/专利权人：中国恩菲工程技术有限公司

传统的混浆控制原理是在确定了水泥浆的排量和密度后，通过系统计算得出清水流量，在保持清水流量不变的情况下对干水泥灰进行自动控制，进而完成符合密度要求的水泥浆。但当作业要求突然发生变化时，其反应速度较慢，且进灰量在施工作业中随着下灰车储灰量的变化而变化，易于造成混浆不均匀，并且该种混浆控制对操作人员的操作技术水平和熟练程度要求较高。

为此，在借鉴和吸收国外最新混浆技术的基础上，设计开发了水泥浆混配的双变量控制技术，可以同时对清水和干水泥灰进行控制，其系统原理图如图3所示。

图3　水泥浆混配自动控制系统原理

为满足油田用户的不同需求，该混浆控制系统有3种控制模式供操作人员选择，即完全自动控制、手动液压控制和手动直接控制。

自动控制系统是由计算机自动采集水泥浆密度信号和清水流量信号，并与系统设定的水泥浆密度值进行比较，进而向比例调节阀发出指令信号，促使液压油缸（回转油缸和双作用直线油缸）动作，以达到调节干水泥灰和清水调节阀阀门的开度，实现水泥浆自动混配的目的。

水泥浆混配的手动液压控制系统根据显示屏显示的水泥浆密度和清水流量数据，手动控制比例调节阀，促使液压油缸（回转油缸和双作用直线油缸）动作，进而控制干水泥灰和清水调节阀阀门的开度，完成水泥浆的混配。

水泥浆混配的手动直接控制是根据干灰调节阀和清水调节阀的刻度盘指示，手动操控干水泥灰和清水调节阀的阀芯旋转，实现干水泥灰和清水的比例进给，完成混浆作业。

4　性能测试

2013-03，根据QC／T252《专用汽车定型试验规程》和GB1589—2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》对双机双泵固井水泥车进行了整车主要尺寸和质量参数测量以及路试试验。试验表明，该车各主要尺寸及质量、轴荷均符合标准规定；路试表明该车行驶稳定可靠，满足油田路况使用要求。

2013-05，依据SY／T5557—2009《固井成套设备规范》［4］和《双机双泵固井水泥车调试规程》对该车进行了全面的室内性能测试。经测试，该车最大工作压力可达97MPa，最大输出排量为3m3／min，最大混浆能力为2．3m3／min，操作控制方便快捷，水泥浆的自动混配稳定可靠，满足固井作业要求。

5　创新技术

1） 自动混浆控制系统。该车的自动混浆控制系统通过采集输出水泥浆的密度和排量，及时自动调整清水和干水泥灰的进给量，混浆密度精确，有利于提高混浆效率和质量，能更好地完成固井作业，该系统已荣获国家发明专利（一种全自动固井水泥浆质量控制及混配系统）。

2） 结构设计。固井水泥车三缸柱塞泵的安装位置由传统的车体中部调整到车体尾部，远离操作仪表控制台，便于高压管汇的安装，有利于提高操作的安全性和柱塞泵及管汇的维修性。

固井水泥车的混配罐和计量罐进行一体化设计，节省了部件安装空间，使整车布局更加紧凑合理，同时有利于清水管汇和循环管汇的安装与维修。

固井水泥车混配罐主体由当前的长方体形改进为圆柱筒形，底部采用圆锥形结构，并将搅拌系统设置在混配罐中央，使水泥浆搅拌混合更均匀化，并有利于固井作业完成后混配罐的清洗。

6　结论

1） 为了满足山区、沙漠和丘陵地区的固井作业要求，研制了全自动双机双泵自动混浆固井水泥车，顺利完成厂内各项性能试验及整车调试。

2） 该车创新使用了清水和干水泥灰双变量控制的全自动混浆系统，并采用双动力系统和柱塞泵，合理布局整车，能满足不同油气田的不同压力及排量固井工艺要求。

3） 为提高固井设备的稳定性和可靠性，该车的主要部件配置了进口件，增加了一定的设备成本，存在维修备件不足或供货周期问题。

4） 该车主要用于油田固井作业，也可用于洗井、岩屑回注和顶替等作业，可完成自制水泥浆、注水泥、替泥浆和碰压等工作，适用于陆地油田、沙漠油田及偏远油区等各种复杂地域条件的作业需求。

5） 该项目后期的改进重点是，在满足整车性能不变的条件下，优先配置国产主要部件，降低设备成本和维修费用，缩短整车生产制造周期，提高整车的经济性。

［1］ 王志佳．固井过程中的重要参数［J］．中国石油和化工标准与质量，2011（8）：148．

［2］ 张旭明，唐卫军．CPT-Y4型固井水泥车静态强度分析及改进［J］．石油矿场机械，2012，41（9）：76-79．

［3］ 李武幸，戴相富，郑满圈，等．双泵固井水泥车的研制［J］．石油机械，2003，31（2）：26-27．

［4］ SY／T5557—2009，固井成套设备规范［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，山东肥城人，工程师，2001年毕业于山东科技大学机械电子工程专业，现从事油气田钻井设备设计，Email：leexiuzhen＠163．com。