NC5340TGJ型双机双泵固井水泥车研制

付 俊，李小兵，雷静希，李 鹏，严金林，范 松，白兰昌

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002；3.成都工业学院 智能制造学院，成都 611730)

随着石油勘探开发领域扩大，钻井技术不断进步,促进了固井技术的进步[1-2]。固井车主要用于泵送水泥浆、洗井、配压、试液、挤封、小型酸化等作业，是油田完成固井、试油等生产任务的主要设备[3]。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[4]。

国外固井设备的生产厂家主要有美国的哈里伯顿、道威尔等企业[5-7]。他们对固井设备的使用已有很长的历史，有很全面的固井技术储备，占有一定市场份额，但价格比较昂贵，维护成本较高。国内固井设备的生产厂家主要是中石油的宝鸡石油机械有限责任公司，中石化江汉第四石油机械厂和烟台杰瑞石油装备有限公司等企业。国产固井设备经历了仿造、技术引进，消化吸收，再创新，现已具有一定规模。但是，国内固井设备的稳定性和混浆精度和国外仍有一定的差距，难以更好地满足国内固井作业需要。

为此，宝鸡石油机械有限责任公司研制了NC5340TGJ型双机双泵固井水泥车，固井泵采用“宝石牌”TPI-600S型柱塞泵。2台卧式三缸柱塞泵安装在汽车底盘上，由柴油机驱动。解决了哈里伯顿、斯伦贝谢、双S公司及CD公司配备的SPM600、HT-400柱塞泵[8]价格昂贵的问题，以及国内中石化石油工程有限公司第四机械厂自主研发的SJ300型泵，SJ600型泵[9-10]的供货周期很长，售后服务也很难跟上的难题。随着各油田的深入开发，配置SJ300泵的固井水泥车[11-12]已不能满足一些特殊固井工艺的要求。该型固井车由柴油机带动液力变速箱，进而驱动固井泵完成固井施工作业。液力变速箱有多个挡位，使其可以往井筒内输入多种排量及压力的水泥浆。柴油机与传动系统由液体工作介质柔性联接，减少冲击和负荷突变[13-14]，同时降低了固井作业的风险，提高了设备的使用寿命。

1 总体方案设计

NC5340TGJ型双机双泵固井水泥车为车载式结构，包括汽车底盘、液压系统、柴油机、液力变速箱、卧式三缸柱塞泵、管汇总成、操作平台、气控系统及仪表控制箱等构成，如图1所示。卡车底盘除完成整车移运功能外，还为液压系统和冷却系统提供动力。2台卧式三缸柱塞泵由柴油机驱动放置于卡车底盘的副梁上，主要用于油田固井作业的水泥浆混配和高压泵送。整车的操作由电路系统、液压系统、气路系统及机械传动来实现。该车的固井作业操作均在操作平台上进行，方便、可靠，可由1人完成，且自动化程度高。操作平台上安装有操控台及护栏，吸入管路和排出管路的控制阀都集中在操控台周围。操控台上装有各种仪表、控制装置及自动混浆装置的计算机系统。混合器和混浆罐位于操控台的右侧且接近于卡车底盘的尾部。

2 工艺原理

图2是NC5340TGJ型双机双泵固井水泥车工作流程图。运输罐车通过输灰管道将水泥灰颗粒输送至混合器进灰口，清水离心泵将计量水罐内的清水输送至混合器清水口，水泥灰颗粒和清水在混合器内初次混合。初次混合的水泥浆不能满足固井作业需要，该水泥浆在混配罐内经搅拌器搅拌，使预混好的水泥浆混合更加均匀。混配罐底部开有2个出口，泵吸入口和二次混浆口。引入二次混浆的目的是利用循环泵的大流量，使水泥浆再次高速通过混合器。二次混浆在增大混配罐内泥浆流动的同时，还能进一步提高混合器的自吸能力，混配系统的水泥浆密度通过二次混浆回路的密度计进行测量。混合均匀的水泥浆经固井泵Ⅰ和固井泵Ⅱ泵入至井筒内，完成固井施工作业。为了增加固井泵Ⅰ和固井泵Ⅱ的吸入性能，在固井泵Ⅰ和固井泵Ⅱ的吸入口处增加灌注泵。

1—汽车底盘；2—液压系统；3—副梁；4—动力系统；5—离心泵；6—管汇总成；7—固井泵；8—混浆罐；9—混合器；10—操控台；11—操作平台；12—传动轴；13—计量水罐；14—取力器；15—作业管汇。

1—计量水罐；2—供水泵Ⅰ；3—固井泵Ⅰ；4—灰罐车；5—密度计；6—循环泵；7—混浆罐；8—灌注泵；9—固井泵Ⅱ；10—供水泵Ⅱ。

3 主要技术参数

NC5340TGJ型双机双泵固井水泥车主要技术参数如表1所示。

表1 NC5340TGJ型固井水泥车主要技术参数

4 关键技术分析

4.1 电控系统

NC5340TGJ型双机双泵固井水泥车是通过操作平台上部的操控台进行控制。操控台对发动机的控制主要包括：发动机启停、油门增减、紧急停机等，同时有发动机水温、机油油压实时数据显示和报警指示灯，以及发动机转速显示等。对液力传动箱的控制主要包括：传动箱换挡、闭锁、解锁，同时显示液力传动箱的油温、油压。对固井泵主要是显示排出泵压及超压报警，监测泵润滑油压和油温。仪表台、计量罐上方及混浆罐处均设有灯光照明，可以在夜间进行固井施工作业。

4.2 自动混浆系统

自动混浆系统是整车的核心，其控制精度决定固井质量。清水与干水泥灰在混合器内完成混合，进入混合器的清水量与水泥灰量由清水计量阀和干灰计量阀的开度决定。自动混浆系统主要由密度控制系统和液面控制系统组成。

1)密度控制系统。

当进入正常固井施工时，通过清水流量计检测清水的供给流量，确保清水供给稳定无变化。混浆系统会不断通过密度计检测实际密度值，当发现密度有所变化时，可以肯定密度变化的原因是供灰量的变化。计算机会重新计算灰阀的开度值A，也就是在原有自学习基础上增大或者减小A，以便使清水与干水泥灰混合到一起达到设定的密度值。由于此时吸入、排出管内的水泥浆密度已经不符合要求，为了使密度跟进的速度快，计算机会将灰阀的开度增加或减小得更多一些，也就是首先检测到密度变化时，并不是以计算得到的灰阀开度A来调控灰阀的开度，而是以(A±δ)的偏移来调整，并通过计算推导这样调整所要持续的时间。然后再加上或减去δ的偏移量，使控灰阀的调整开度值为前面计算所得到的A。此时混浆罐内的水泥浆密度符合设定值。同时，依据设定密度值来计算出新的清水和干灰的注入比例，使混配出的全部水泥浆符合要求。

以上是考虑到实际施工过程中大多数情况下清水供给稳定，供给流量不变的控制过程。如果出现清水供给变化影响密度的情况，则可以通过清水流量计来监测，从而以一定的控制算法来调整控水阀。

还有一种情况是清水的供给、干灰的供给同时波动，此时就可以发挥自动混浆系统水泥灰、清水同时控制的优点。首先根据排量以及混配速度等参数来调控控水阀、控灰阀到达一个固定的开度，然后再以上述方法来修正控灰阀、控水阀的开度。密度校准界面如图3所示。

图3 密度校准界面

2)液面控制系统。

首先在计算机的系统设置界面里启动液位自动控制功能，工作时，计算机通过超声波液位计实时检测液面信号，并将该数据与液面设定数据进行比较，同时参考实际泥浆排出量计算此时的清水吸入量。输出控制信号给清水控制阀，从而调节清水比例阀的位置，控制进入混合罐内的清水量，维持液面高度的稳定，实现液面自动控制。

4.3 整车行驶稳定性校核

高海拔(≥3 000 m)地区为气压、空气含氧量及温度均较低的环境，会对汽车动力性能产生一定的影响，易造成汽车启动及爬坡困难，导致运行速度降低，路段通行能力下降，进而影响行车效率与安全[15]。根据NC5340TGJ型双机双泵固井水泥车载荷分布，采用杠杆平衡法计算整车质心位置。校核该型固井车上坡时、下坡时、转弯时的稳定性是否满足设计要求。

1)上坡和下坡时稳定性校。

最大爬坡度是指汽车满载时在良好路面上用I挡克服的最大坡度，代表汽车的爬坡能力[16]。当固井车以较低速度在硬实路面上等速上坡时,其运动的惯性力、风对汽车的阻力和地面对车轮的滚动摩擦力都可略去不计。计算固井车满载时的上坡最大坡度α，下坡时的最大坡度β，如图4～5所示。

按油田山区最大路面坡度42°进行校核，经过计算，整车爬坡与下坡性能均满足设计要求。

图4 上坡稳定性校核

图5 下坡稳定性校核

2)转弯稳定性校核。

当汽车在坡道上横向行驶或转弯时，有可能发生侧向倾翻。根据国家标准GB 7258-2017《动车运行安全技术条件》[17]，质量为整备质量的1.2 倍以下的机动车，侧倾稳定角≥28°。经计算，该固井车转弯稳定性能良好，符合国家标准GB 7258-2004要求。如图6所示。

4.4 动力系统

NC5340TGJ型双机双泵固井水泥车有2条动力传递路线，第1条是由汽车底盘发动机取力，经分动箱驱动4个液压泵，其中液压泵Ⅰ为单联泵，液压泵Ⅱ、液压泵Ⅲ、液压泵Ⅳ为双联泵。液压泵Ⅰ单独驱动供水泵Ⅰ，用于对计量水罐内的清水加压后输送至混浆系统。双联液压泵Ⅱ除驱动供水泵Ⅱ，还可以用于驱动搅拌器。为了确保固井施工持续进行，供水泵Ⅰ与供水泵Ⅱ互为备用。若供水泵Ⅰ不能正常工作时，供水泵Ⅱ可以代替供水泵Ⅰ往混浆系统内注入清水。同理，双联液压泵Ⅲ除驱动循环泵，用于循环泥浆罐内的水泥浆外，还用于驱动散热器，为整车散热。双联泵Ⅳ除驱动循环外，还通过比例阀驱动清水控制油缸和干灰控制油缸。底盘发动机取力传动路线如图7所示。

图6 转弯稳定性校核

图7 底盘发动机取力传动路线

第2部分动力传递路线是由2台柴油机分别驱动2台液力传动箱，2台液力传动箱分别通过传动轴驱动2台固井泵，2台固井泵出口并联输出至井口。另外，液力传动箱还通过取力器驱动润滑泵，为泵动力端轴承、齿轮等提供润滑，良好充分的润滑保证设备的正常运转，延长设备的使用寿命。柴油发动机传动路线如图8所示。

图8 柴油发动机传动路线

其中，柴油发动机Ⅰ、柴油发动机Ⅱ能提供2 100、2 000、1 900、1 800、1 700、1 600、1 500、1 400 r/min 8种转速。变速箱挡位有5个挡位可供选择。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)。发动机满功率输出，变速箱在锁闭状态下工作，双机双泵组合可以往井筒输入80种排量和压力的水泥浆。本车最大排量为3 m3/min，2台发动机转速为2 100 r/min,2个变速箱为I档情况下，输出最高工作压力约为100 MPa。

5 试验及现场应用

5.1 厂内试验

NC5340TGJ型固井水泥车总装完成后，在厂内进行功能性试验。试验结果表明，整车的液压系统、冷却润滑系统、加热系统及气控系统运行正常。试验完成后，在混浆系统的计算机操作界面进行水、灰的密度模拟。模拟之前，必须起动发动机，且发动机转速达到正常作业条件，此时水阀和灰阀开度与实际阀位相互对应，混配系统模拟会根据水阀、灰阀的实际位置计算目前密度值，运用此功能可完成作业前阀位验证操作。

5.2 工业性试验及现场应用

厂内试验完成后，需要对整车进行工业性试验。整车试验在泸州某试验现场进行，试验持续约150 min，试验完全按照固井工艺要求进行。试验结果如表2所示。

从表2现场试验结果可以看出，NC5340TGJ型固井水泥车的自动混浆系统控制准确，水泥浆密度能达到固井施工作业要求。输出压力能满足碰压所需要的压力值。待水泥浆凝固后，经声幅测井(CBL)和声波变密度测井(VDL)可知，固井质量良好。固井车现场试验如图9所示。

表2 现场试验结果

图9 NC5340TGJ型固井车工业试验照片

NC5340TGJ型固井水泥车出厂后，先后完成泸州某ø508 mm(20英寸)的表层套管固井、宜宾某ø244.5 mm(10英寸)的技术套管固井、宜宾某ø139.7 mm(5.5英寸)油层套管固井等多口井的施工作业。尤其在进行宜宾某ø139.7 mm(5.5英寸)油层套管固井作业时，车注缓凝水泥浆和车注快干水泥浆这两道关键工序时，如图10现场作业曲线所示，混浆密度稳定在(1.90±0.02) g/cm3，工作压力稳定在15.32～18.95 MPa，固井泵往井筒泵送水泥浆的排量始终满足施工作业要求。

6 结论

1)为满足山区、沙漠和丘陵地区油气田的开发要求，开发了NC5340TGJ型双机双泵固井水泥车。

图10 现场作业曲线

2)2台卧式三缸柱塞泵分别由两台柴油发动机带动液力变速箱驱动。液力变速箱具有多个挡位，发动机满功率输出，变速箱在锁闭状态下时，可以往井筒内输入不同压力、不同排量的水泥浆。2台发动机转速为2 100 r/min，2个变速箱为I档情况下，最高输出压力为100 MPa。

3)根据现场施工压力要求，可以采用单机单泵作业，也可采用双机双泵作业。不仅提高了整车作业的灵活性，同时还降低了固井作业风险，能保证不间断固井施工作业。

4)自动混浆装置是整台设备的核心，具有手动、自动、半自动3种操作模式可供选择，水泥浆密度波动在±0.02 g cm3。

5)目前，国产柴油机驱动力的固井设备已占据国内油气田绝大部分市场。国内个别海洋平台已配置电驱固井橇，长期依赖进口，价格昂贵。陆地油田用电驱固井车在国内还是一片空白。基于电驱化设备在节约成本、节能减排等方面的优势，建议后期开展电驱固井设备的研究。