固井水泥车的液压系统故障排除研究

李建伟

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司第二固井分公司，天津 300280）

1 固井水泥车相关概述

1.1 固井作业的工艺流程

固井工作顾名思义就是加固井壁的相关作业过程，在我国的各类油田开采作业过程中，由于钻井深度的原因，需要对井壁强度进行一定的加强从而确保钻井工作能够继续安全、顺利进行；除此之外，固井工作还肩负着对油层、气体层以及水层的隔离任务，在勘探开采过程中，采用固井工艺来分层试油。

固井工艺的操作方法是对钻井下入优质的钢管材料，并将钢管与钻井之间的间隔出利用水泥进行填充增加强度，如图1所示的是固井工艺示意图。

图1 固井工艺示意图

固井工艺流程可简单的将其再细分为：F套管、注灌和运浇砂浆水泥、碰压、侯凝、质量安全情况检测和施工绩效评价等五个基本操作步骤。其中套管是在泵上下一个顶替套管之后,把这个泵的灌浇水泥和一个砂浆泵全部安装好放入一个顶替套管内,再用固定位置钻井液把这个泵的灌浇水泥和砂浆通过一个顶替套管安装到该泵的套管内面并对外形成环形的按钻井液的空间设计固定具体位置的一种固井工艺作业,该流程也被称之为上下加注双重灌浇砂浆水泥。当胶塞工艺设备全部坐落在已经完成安装的坐于上下水泥浆悬浮箍上的一个向下胶塞上之后,地面上的水泥压力将很快就可能会继续上升一定的可测量值(有时也被称为上下水泥浆的碰压),该泵的检测电路信号直接说明注灌浇水泥和砂浆已通过一个顶替套管安装基本到位,固井的工艺设备施工已经基本结束。

1.2 固井水泥车的发展现状

固井水泥车相关设备是固井工作的重要支撑，其作为我国油田勘探开采过程中的关键设备受到了相关学者的广泛关注，其中我国最早的固井水泥车在20世纪80年代左右研发并形成量产。

图2 固井水泥车示意图

2 固井水泥车液压系统方案设计与元件研究

2.1 液压系统总体要求

按照目前我国液压固井液压水泥车混浆系统的基本结构工作原理性能技术要求,液压水泥混浆系统结构构件设计的基本性能技术标准依据确定为所应符合的如下几个要求。

（1）对于固井水泥车液压系统的技术要求来说，首先应该确保该设备的液压系统可以实现长时间的可靠运行，固井工作用时较多，水泥车的液压系统必须具备满足长期稳定运行的工作要求。同时由于固井工作的环境较为恶劣，固井水泥车液压系统应具备在恶劣工作条件下能够保持额定参数运行，即抗干扰能力要强。

（2）固井水泥车液压系统应该实现如下系统参数要求。

①在离心泵的输出排量与压力层面，液压系统应做到提供充足的转速及扭矩，确保离心泵在规定转速和扭矩下运行，从而实现混浆工作的参数要求。

②液压系统除了要满足提供足够转速及扭矩要求外，还应确保其转速是可调的，只有转速可调才能根据现场离心泵排量使用需求进行合理调整，使得效率及利益最大化。

（3）对于液压系统的工作温度来说，无论固井水泥车运行时长多久，其液压系统的温升应小于50℃，避免液压系统由于温升过大造成相应元器件的损伤，从而影响固井水泥车使用寿命或工作稳定性。

2.2 液压泵和马达的参数设计与计算

（1）离心泵选型要求。①根据混浆水泥系统施工作业性能要求,满足最小处理最大最小处理密度干混浆水泥2500kg/min,最大处理混浆水泥密度2.49g/cm3的混浆工作性能要求。②根据单机使用者对市场的实际使用需求及共机使用者对整机中的机械部件配置的实际使用需要,确定共机只是仅需要两种不同压力规格的专用压力循环离心泵部件即可或是作为共机使用的对整机中的污水物及混浆物的处理机本系统的主要部件组成动力部件：使用压力循环清水泵，工作最大压力流量1.35m3/min，最大最小工作压力流量1.6m3/min，压力0.85～1.2MPa，使用压力清水循环泵，工作最大压力流量3.18m3/min及其最大工作压力流量最大压力0.35MPa；使用压力循环增压泵，工作最大压力流量3.2m3/min及其最大工作压力流量最大压力0.35MPa。

（2）离心泵型号的选择。对于离心泵型号的确定来说，本文所选用的是MISSIONMAGNUM系列离心泵。该款离心泵采用的清水泵规格为4cm×3cm×13cm、循环泵规格为6cm×5cm×14cm、增压泵规格为6cm×5cm×14cm。在此规格下，该款离心泵可以实现清水泵1.41m3/min的工作流量、循环泵3.93m3/min的工作流量、增压泵2.87m3/min的工作流量，同时其转速均能达到最高3500r/min，满足固井水泥车相关工作参数要求。这样完全充分考虑满足了目前对于固定卧式钻井物料加工过程作业混浆的各种技术应用要求，同时也完全充分考虑了我们看到该液压泵内还留有一定的压力工作最大裕量，以备其他各种紧急情况临时使用出现。其中卧式液压泵最大压力工作最小转速3500r/min，工作最大最小转速2900r/min。最大主泵工作最小流量1.6m3/min，压力0.85～1.2MPa。

首先利用式（1）计算离心泵水功率：

其中，p表示压力，其单位为MPa；Q表示离心泵的流量，单位为m3/s。将数据带入式（1）可以计算得出，P=32kW。

参照《泵产品样本》中单级单吸式离心泵的效率，取液压泵效率为72%，则液压泵轴功率如式（2）所示。

取驱动液压泵液压马达效率为80%，则液压马达功率为如式（3）所示。

此时液压马达输出转速为2900r/min，由公式（4）可以计算出液压马达的输出扭矩，经计算马达输出扭矩为：T≈182.93N.m。

3 固井水泥车液压系统故障检测

3.1 故障诊断的分类

对于固井水泥车液压系统的故障排除，首先需要对故障类型进行分类。故障诊断的分类是指对在同一时间段内发生的不同故障进行特点比对，通过模糊识别将故障症状特点和故障原因进行匹配，同时考虑故障发生的难易性来对固井水泥车液压系统的故障进行分类。

因此首先应对固井水泥车液压系统的相关参量进行统计并实行模糊处理，具体处理方式如下：将固井水泥车液压系统的故障症状定为集合A=（a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9），集合A中的元素分别代表固井水泥车液压系统发生故障时的外在表现，其依次是压力波动大、流量小、内泄漏大、油液温度过高、振动大、相关含量（铜、铬、铁）过高；将固井水泥车液压系统故障的产生原因定为集合B=（b1，b2，b3，b4，b5，b6，b7，b8，b9，b10），集合B中的各元素分别表示各类故障表现形式；集合C是导致这些故障的故障源，其内含有元素c1运行时间长/磨损大、c2油液污染、c3混入空气、c4混入水分。用隶属函数对这种关系进行模糊量化，假设隶属函数为ijr，其中i表示故障，取（1,10），j表示症状，取（1,5）。根据统计整理得到隶属函数如表1所示。

表1 固井水泥车液压系统的相关参量隶属函数

通过表1可以看出，固井水泥车液压系统故障和其症状的隶属函数可以用矩阵R进行表示，矩阵各位置不同的数值表示故障与症状的明显程度。

其次，对固井水泥车液压系统的相关参量进行统计并实行模糊处理后可以由故障与症状之间的隶属关系求出故障发生的可能性，具体的处理方法是：将通过故障和症状的隶属关系求出的故障发生可能性定义为集合Y（1），Y（1）的计算方法如式（5）所示。

然后由故障与故障源之间的隶属关系求出故障发生的可能性，设由故障与故障源之间的隶属关系求出故障发生的可能性值集为集合Y（2），Y（2）的计算方法如式（6）所示。最终对集合Y（1）和Y（2）进行加权求和，得出最后的结果判断出固井水泥车液压系统的故障类型。

3.2 故障的严重程度判断

设固井水泥车液压系统在运行时刻t1的故障为故障A，其故障严重度为y1，在运行时刻t2时的故障严重度为y2，则t2时刻的磨损速度v2可以由式（7）求得。

若运行时刻为t3的故障严重度y3，则其由式（8）可以求出：

4 固井水泥车液压系统故障排除对策

（1）合理安排使用各种液压传动系统,不能实现超压、超负荷连续工作。

（2）按规则要求选择合适的认证油品,不能轻易要求更换新的油品认证牌号。

（3）设备正常工作时,要注意加强日常巡查,控制油箱液压并将油箱进出液面高度、油液流动温度控制在合理的温度范围内。

（4）液压传动系统中的零件一旦出现损坏且不能及时修复，要及时进行更换,不能因为冒险耽误工作。

（5）针对各种液压传动设备运行中易松动的液压零件、接头，进行定期或不定期的液压紧固处理动作，至少可以保证每月一次。

（6）定期都要清洗一台液压机的油箱和电机滤芯。正常工作情况下，液压机和油箱滤芯要每6个人一月定期清洗1次，滤芯3～6个人每月就要清洗1次。如果碰到工作环境中的粉尘较大时，清洗工作周期的需要可以相应地有所缩短。

（7）定期需要更换新的密封件，密封件的定期更换一般在3年左右一次。

5 结语

本文着眼于固井水泥车的液压系统故障排除研究，首先介绍了固井流程以及固井水泥车的发展现状；其次在液压系统总体要求下对固井水泥车液压系统进行了方案设计与元件研究，实现了液压泵和马达的参数设计；然后从故障诊断分类以及严重度判别两方面着重对固井水泥车液压系统故障检测进行了研究，并最终给出了固井水泥车液压系统故障排除对策，为固井水泥车液压系统的相关研究提供了借鉴。