固井水泥車的液壓系統(tǒng)故障排除研究

李建偉

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二固井分公司，天津 300280）

1 固井水泥車相關(guān)概述

1.1 固井作業(yè)的工藝流程

固井工作顧名思義就是加固井壁的相關(guān)作業(yè)過程，在我國的各類油田開采作業(yè)過程中，由于鉆井深度的原因，需要對井壁強度進行一定的加強從而確保鉆井工作能夠繼續(xù)安全、順利進行；除此之外，固井工作還肩負(fù)著對油層、氣體層以及水層的隔離任務(wù)，在勘探開采過程中，采用固井工藝來分層試油。

固井工藝的操作方法是對鉆井下入優(yōu)質(zhì)的鋼管材料，并將鋼管與鉆井之間的間隔出利用水泥進行填充增加強度，如圖1所示的是固井工藝示意圖。

圖1 固井工藝示意圖

固井工藝流程可簡單的將其再細(xì)分為：F套管、注灌和運澆砂漿水泥、碰壓、侯凝、質(zhì)量安全情況檢測和施工績效評價等五個基本操作步驟。其中套管是在泵上下一個頂替套管之后,把這個泵的灌澆水泥和一個砂漿泵全部安裝好放入一個頂替套管內(nèi),再用固定位置鉆井液把這個泵的灌澆水泥和砂漿通過一個頂替套管安裝到該泵的套管內(nèi)面并對外形成環(huán)形的按鉆井液的空間設(shè)計固定具體位置的一種固井工藝作業(yè),該流程也被稱之為上下加注雙重灌澆砂漿水泥。當(dāng)膠塞工藝設(shè)備全部坐落在已經(jīng)完成安裝的坐于上下水泥漿懸浮箍上的一個向下膠塞上之后,地面上的水泥壓力將很快就可能會繼續(xù)上升一定的可測量值(有時也被稱為上下水泥漿的碰壓),該泵的檢測電路信號直接說明注灌澆水泥和砂漿已通過一個頂替套管安裝基本到位,固井的工藝設(shè)備施工已經(jīng)基本結(jié)束。

1.2 固井水泥車的發(fā)展現(xiàn)狀

固井水泥車相關(guān)設(shè)備是固井工作的重要支撐，其作為我國油田勘探開采過程中的關(guān)鍵設(shè)備受到了相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，其中我國最早的固井水泥車在20世紀(jì)80年代左右研發(fā)并形成量產(chǎn)。

圖2 固井水泥車示意圖

2 固井水泥車液壓系統(tǒng)方案設(shè)計與元件研究

2.1 液壓系統(tǒng)總體要求

按照目前我國液壓固井液壓水泥車混漿系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)工作原理性能技術(shù)要求,液壓水泥混漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的基本性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)確定為所應(yīng)符合的如下幾個要求。

（1）對于固井水泥車液壓系統(tǒng)的技術(shù)要求來說，首先應(yīng)該確保該設(shè)備的液壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)長時間的可靠運行，固井工作用時較多，水泥車的液壓系統(tǒng)必須具備滿足長期穩(wěn)定運行的工作要求。同時由于固井工作的環(huán)境較為惡劣，固井水泥車液壓系統(tǒng)應(yīng)具備在惡劣工作條件下能夠保持額定參數(shù)運行，即抗干擾能力要強。

（2）固井水泥車液壓系統(tǒng)應(yīng)該實現(xiàn)如下系統(tǒng)參數(shù)要求。

①在離心泵的輸出排量與壓力層面，液壓系統(tǒng)應(yīng)做到提供充足的轉(zhuǎn)速及扭矩，確保離心泵在規(guī)定轉(zhuǎn)速和扭矩下運行，從而實現(xiàn)混漿工作的參數(shù)要求。

②液壓系統(tǒng)除了要滿足提供足夠轉(zhuǎn)速及扭矩要求外，還應(yīng)確保其轉(zhuǎn)速是可調(diào)的，只有轉(zhuǎn)速可調(diào)才能根據(jù)現(xiàn)場離心泵排量使用需求進行合理調(diào)整，使得效率及利益最大化。

（3）對于液壓系統(tǒng)的工作溫度來說，無論固井水泥車運行時長多久，其液壓系統(tǒng)的溫升應(yīng)小于50℃，避免液壓系統(tǒng)由于溫升過大造成相應(yīng)元器件的損傷，從而影響固井水泥車使用壽命或工作穩(wěn)定性。

2.2 液壓泵和馬達(dá)的參數(shù)設(shè)計與計算

（1）離心泵選型要求。①根據(jù)混漿水泥系統(tǒng)施工作業(yè)性能要求,滿足最小處理最大最小處理密度干混漿水泥2500kg/min,最大處理混漿水泥密度2.49g/cm3的混漿工作性能要求。②根據(jù)單機使用者對市場的實際使用需求及共機使用者對整機中的機械部件配置的實際使用需要,確定共機只是僅需要兩種不同壓力規(guī)格的專用壓力循環(huán)離心泵部件即可或是作為共機使用的對整機中的污水物及混漿物的處理機本系統(tǒng)的主要部件組成動力部件：使用壓力循環(huán)清水泵，工作最大壓力流量1.35m3/min，最大最小工作壓力流量1.6m3/min，壓力0.85～1.2MPa，使用壓力清水循環(huán)泵，工作最大壓力流量3.18m3/min及其最大工作壓力流量最大壓力0.35MPa；使用壓力循環(huán)增壓泵，工作最大壓力流量3.2m3/min及其最大工作壓力流量最大壓力0.35MPa。

（2）離心泵型號的選擇。對于離心泵型號的確定來說，本文所選用的是MISSIONMAGNUM系列離心泵。該款離心泵采用的清水泵規(guī)格為4cm×3cm×13cm、循環(huán)泵規(guī)格為6cm×5cm×14cm、增壓泵規(guī)格為6cm×5cm×14cm。在此規(guī)格下，該款離心泵可以實現(xiàn)清水泵1.41m3/min的工作流量、循環(huán)泵3.93m3/min的工作流量、增壓泵2.87m3/min的工作流量，同時其轉(zhuǎn)速均能達(dá)到最高3500r/min，滿足固井水泥車相關(guān)工作參數(shù)要求。這樣完全充分考慮滿足了目前對于固定臥式鉆井物料加工過程作業(yè)混漿的各種技術(shù)應(yīng)用要求，同時也完全充分考慮了我們看到該液壓泵內(nèi)還留有一定的壓力工作最大裕量，以備其他各種緊急情況臨時使用出現(xiàn)。其中臥式液壓泵最大壓力工作最小轉(zhuǎn)速3500r/min，工作最大最小轉(zhuǎn)速2900r/min。最大主泵工作最小流量1.6m3/min，壓力0.85～1.2MPa。

首先利用式（1）計算離心泵水功率：

其中，p表示壓力，其單位為MPa；Q表示離心泵的流量，單位為m3/s。將數(shù)據(jù)帶入式（1）可以計算得出，P=32kW。

參照《泵產(chǎn)品樣本》中單級單吸式離心泵的效率，取液壓泵效率為72%，則液壓泵軸功率如式（2）所示。

取驅(qū)動液壓泵液壓馬達(dá)效率為80%，則液壓馬達(dá)功率為如式（3）所示。

此時液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速為2900r/min，由公式（4）可以計算出液壓馬達(dá)的輸出扭矩，經(jīng)計算馬達(dá)輸出扭矩為：T≈182.93N.m。

3 固井水泥車液壓系統(tǒng)故障檢測

3.1 故障診斷的分類

對于固井水泥車液壓系統(tǒng)的故障排除，首先需要對故障類型進行分類。故障診斷的分類是指對在同一時間段內(nèi)發(fā)生的不同故障進行特點比對，通過模糊識別將故障癥狀特點和故障原因進行匹配，同時考慮故障發(fā)生的難易性來對固井水泥車液壓系統(tǒng)的故障進行分類。

因此首先應(yīng)對固井水泥車液壓系統(tǒng)的相關(guān)參量進行統(tǒng)計并實行模糊處理，具體處理方式如下：將固井水泥車液壓系統(tǒng)的故障癥狀定為集合A=（a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9），集合A中的元素分別代表固井水泥車液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時的外在表現(xiàn)，其依次是壓力波動大、流量小、內(nèi)泄漏大、油液溫度過高、振動大、相關(guān)含量（銅、鉻、鐵）過高；將固井水泥車液壓系統(tǒng)故障的產(chǎn)生原因定為集合B=（b1，b2，b3，b4，b5，b6，b7，b8，b9，b10），集合B中的各元素分別表示各類故障表現(xiàn)形式；集合C是導(dǎo)致這些故障的故障源，其內(nèi)含有元素c1運行時間長/磨損大、c2油液污染、c3混入空氣、c4混入水分。用隸屬函數(shù)對這種關(guān)系進行模糊量化，假設(shè)隸屬函數(shù)為ijr，其中i表示故障，?。?,10），j表示癥狀，?。?,5）。根據(jù)統(tǒng)計整理得到隸屬函數(shù)如表1所示。

表1 固井水泥車液壓系統(tǒng)的相關(guān)參量隸屬函數(shù)

通過表1可以看出，固井水泥車液壓系統(tǒng)故障和其癥狀的隸屬函數(shù)可以用矩陣R進行表示，矩陣各位置不同的數(shù)值表示故障與癥狀的明顯程度。

其次，對固井水泥車液壓系統(tǒng)的相關(guān)參量進行統(tǒng)計并實行模糊處理后可以由故障與癥狀之間的隸屬關(guān)系求出故障發(fā)生的可能性，具體的處理方法是：將通過故障和癥狀的隸屬關(guān)系求出的故障發(fā)生可能性定義為集合Y（1），Y（1）的計算方法如式（5）所示。

然后由故障與故障源之間的隸屬關(guān)系求出故障發(fā)生的可能性，設(shè)由故障與故障源之間的隸屬關(guān)系求出故障發(fā)生的可能性值集為集合Y（2），Y（2）的計算方法如式（6）所示。最終對集合Y（1）和Y（2）進行加權(quán)求和，得出最后的結(jié)果判斷出固井水泥車液壓系統(tǒng)的故障類型。

3.2 故障的嚴(yán)重程度判斷

設(shè)固井水泥車液壓系統(tǒng)在運行時刻t1的故障為故障A，其故障嚴(yán)重度為y1，在運行時刻t2時的故障嚴(yán)重度為y2，則t2時刻的磨損速度v2可以由式（7）求得。

若運行時刻為t3的故障嚴(yán)重度y3，則其由式（8）可以求出：

4 固井水泥車液壓系統(tǒng)故障排除對策

（1）合理安排使用各種液壓傳動系統(tǒng),不能實現(xiàn)超壓、超負(fù)荷連續(xù)工作。

（2）按規(guī)則要求選擇合適的認(rèn)證油品,不能輕易要求更換新的油品認(rèn)證牌號。

（3）設(shè)備正常工作時,要注意加強日常巡查,控制油箱液壓并將油箱進出液面高度、油液流動溫度控制在合理的溫度范圍內(nèi)。

（4）液壓傳動系統(tǒng)中的零件一旦出現(xiàn)損壞且不能及時修復(fù)，要及時進行更換,不能因為冒險耽誤工作。

（5）針對各種液壓傳動設(shè)備運行中易松動的液壓零件、接頭，進行定期或不定期的液壓緊固處理動作，至少可以保證每月一次。

（6）定期都要清洗一臺液壓機的油箱和電機濾芯。正常工作情況下，液壓機和油箱濾芯要每6個人一月定期清洗1次，濾芯3～6個人每月就要清洗1次。如果碰到工作環(huán)境中的粉塵較大時，清洗工作周期的需要可以相應(yīng)地有所縮短。

（7）定期需要更換新的密封件，密封件的定期更換一般在3年左右一次。

5 結(jié)語

本文著眼于固井水泥車的液壓系統(tǒng)故障排除研究，首先介紹了固井流程以及固井水泥車的發(fā)展現(xiàn)狀；其次在液壓系統(tǒng)總體要求下對固井水泥車液壓系統(tǒng)進行了方案設(shè)計與元件研究，實現(xiàn)了液壓泵和馬達(dá)的參數(shù)設(shè)計；然后從故障診斷分類以及嚴(yán)重度判別兩方面著重對固井水泥車液壓系統(tǒng)故障檢測進行了研究，并最終給出了固井水泥車液壓系統(tǒng)故障排除對策，為固井水泥車液壓系統(tǒng)的相關(guān)研究提供了借鑒。