固井用混浆装置的液压驱动方式对比分析.pdf

2 O l 3年 第 4 2卷 第 l O期 第 7 8页 石 油 矿 0 I L FI ELD 场机 械 EQUI P ME NT 2 0 1 3， 4 2 1 0 7 8 ～8 0 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 3 1 0 0 0 7 8 - 0 3 固井用混浆装置 的液压驱动方式对 比分析 张树 立 ， 木合塔尔 克 力木 ， 王 锋 ， 刘士堂 ， 张 伟。 1 ． 烟 台杰瑞 石油装备技 术有 限公 司 ， 新疆 克拉 玛依 8 3 4 0 0 9 ； 3 山东 烟 台 2 6 4 0 0 8 ； 2 ． 中国石油西部钻探工程公司 固井压裂工程公司 ， 烟 台杰瑞石油服务集 团股份 有限公 司 ， 山东 烟 台 2 6 4 0 0 3 摘 要 针 对 固井 自动 混 浆 系统 中混浆装 置 的驱动 问题 ， 对 比分析 了 3种 液压 系统驱 动 方。 单泵减 压 回路 驱动 系统 的成 本最 低 ， 单泵优 先 分流驱 动 系统 的性价 比最 高。为 了解 决低 温带 来的 问题 ， 提 出 了下灰 阀和 高能混合 器 水 阀的 电控 驱 动 方 案 。该 系统 应 用 于 固井设 备 ， 提 高 了控 制 精 度 ， 操 作 简 便 ， 成本低 ， 可使 固并质 量提 高 。 关键 词 固井设 备 ； 混浆 系统 ； 液 压驱动 ； 分 析 中图分 类号 T E 9 2 5 ． 2 0 3 文献标 识码 B Co mp a r i s o n a n d An a l y s i s o f t h e Dr i v i n g Ty p e s o f S l u r r y M i x i ng De v i c e s i n Au t o ma t i c S l u r r y M i x i n g S y s t e m o f Ce me nt i n g Un i t s ZH ANG Shu l i ， M U HETAER Ke l i m u 。， W ANG Fe ng ， LI U Shi t a n g ， ZHANG W e i 。 1 ． Ya n t a i J e r e h Pe t r o l e u m Eq u i p me n t a n d T e c h n o l o gi e s Co ． ， Lt d． ， Ya n t a i 2 6 4 0 0 3 ， Ch i n a； 2． Ce me n t i ng an d Fr a c t ur i ng Engi ne e r i n g Co．， CN PC XI BU Dr i l l i ng Engi ne e r i n g Co．， Lt d．． Ka l a ma y 8 3 4 0 0 9， Ch i n a； 3 ． Y a n t a i J e r e h 0i l f i e l d S e r v i c e s Gr o u p Co ． ， L ． ， Y a n t a i 2 6 4 0 0 3 ， Ch i n a Ab s t r a c t Re g a r di n g t o dr i v i n g t he mi xi n g d e v i c e s of t he a ut o ma t i c s l u r r y mi xi n g s ys t e m i n c e m e n t i n g uni t s， t hr e e hy d r a ul i c s y s t e m dr i v i n g pl a ns we r e c omp a r e d． The d r i v i ng s y s t e m wi t h one c o m mon hy dr a u l i c p ump a nd o ne p r e s s u r e r e du c i n g va l v e ha s t he l owe s t c o s t ， wh i l e t h e d r i vi ng s y s t e m wi t h o ne p r i o r i t y pu m p di v i d i ng f l o ws ha s t he hi gh e s t c o s t pe r f o r m a n c e r a t i o ．I n o r de r t o s ol ve t he pr o bl e m s c a us e d b y l o w a m b i e nt t e m p e r a t u r e， t he e l e c t r i c c o nt r o l a nd d r i v i ng p l a n f o r t he c e m e nt t hr o t t l i ng va l ve a n d t he wa t e r t hr o t t l i n g v a l ve o f t h e hi g h e ne r g y mi xi ng we r e b r ou ght u p． Thi s s y s t e m a pp l i e d i n t he c e m e nt i n g u ni t s i mpr o ve s t he c on t r o l a c c u r a c y a nd t he qu a l i t y o f t he c e m e n t i n g o pe r a t i o ns ， s i mpl i f i e s t he o pe r a t i on s a n d r e du c e s t he c o s t Ke y wo r d s c e me n t i n g e q u i p me n t ； s l u r r y mi x i n g s y s t e m； h y d r a u l i c d r i v i n g； a n a l y s i s 在固井 自动混浆系统l 1 中， 除离心泵的驱动之 外 ， 还有一 部 分是 混 浆 装 置 的驱 动 ， 即 ， 混 浆 罐 搅 拌 器 、 高能 混合 器水 阀 、 下 灰 阀 的驱 动 ， 目前 主要 采 用 液 压驱 动和 电驱 动 2种 方 式 。对 于 液 压驱 动 ， 不 同 的厂家 也有 不 同的 液压 驱 动 系 统 ] 。本 文对 3种 液 压驱 动方 案进 行 对 比分 析 ， 提 出 了下 灰 阀和 高 能 混合器水阀的电控驱动方案， 并与液压驱动方案进 行 了对 比分 析 。 1 液压驱动方式 液压驱动是 目前} 昆浆装置的主流驱动方式 ， 但 是 不 同厂家 的液压 驱 动系 统有 所不 同 。下面介 绍 的 3种不 同液压驱动系统的执行元件及其控制元件 原 理基本相同， 不同点在于动力元件及控制元件 。 收 稿 日期 2 0 1 3 0 7 1 2 作者简介 张树立 1 9 7 6 一 ， 男 ， 山东沂水人 ， 高级工程师 ， 2 0 0 0年毕业 于长安大学工程机械专业 ， 现从 事石油机械 的研究开 发与技术 管理 工作 ， E ma i l z h a n g s l j e r e h ． c o m。 第 4 2卷第 1 o期 张树立 ， 等 固井用混 浆装 置的液压驱动方式对 比分析 1 ． 1分泵 独立 驱动 系统 分 泵 独 立 驱 动 系 统 是 目前 较 多 采 用 的驱 动 方 式。混浆罐搅拌器用一套液压系统驱动， 高能混合 器水 阀和下 灰 阀用 另一套 液 压 系统控 制 。液 压 系统 原 理如 图 1所示 。 1 一下灰 阀驱 动油缸 ； 2 一高能混合器水 阀驱 动油缸 ； 3 节流 阀； 4 一 电磁换 向阀 ； 5 一 手动换 向阀 ； 6 一 节流分流 阀 带溢流 阀 ； 7 一搅 拌器驱动马达 ； 8 一压力表 ； 9 一 回油过滤器 ； 1 O 一液 压泵 1 ； 1 1 一 吸油 过滤器 1 ； 1 2 一液压泵 2 ； 1 3 一 吸油过滤器 2 ； 1 4 一 溢流 阀； 1 5 一溢 流阀卸荷控制 阀； 1 6 一 油箱 图 1 分 泵独立驱动液压原理 这 种 驱 动 系 统 具 有 2套 独 立 系 统 ， 互 不 干 涉 。 但是 ， 系统元件多 ， 管路复杂 ， 成 本高。下灰 阀油缸 和高能混合器水阀油缸分别用电磁换向阀和手动换 向 阀进 行 并联 控制 ， 由 P L C控 制 电磁换 向 阀实 现 自 动控制 ， 由手动换 向阀实现手动控制。下灰 阀油缸 1和高能混合器水 阀油缸 2运动需要 的流量较小 ， 工作时多余 的流量通过溢流阀溢流 ， 造成功率浪费。 1 ． 2 单 泵减 压 回路驱 动 系统 单泵减压 回路驱动系统是烟台杰瑞石油装备技 术 有 限公 司采 用 的一 种 系统 ， 整个 混 浆 装 置 由一 个 液压泵驱动， 主回路驱动混浆罐搅拌器 ， 减压 回路驱 动 高 能 混 合 器 水 阀 和 下 灰 阀 ， 液 压 系 统 原 理 如 图 2 所 示 。 这种驱动系统 由 1台液压泵驱动 ， 系统元件少 ， 管 路简 洁 ， 成 本 低 。减 压 回路 的 减 压 阀 设 定 到 7 ． 5 MP a ， 减压 回路的压力受主 回路的压力的影响， 要求 主回路 的压力要高 于减压 回路 的压力 ， 所 以在操作 顺序上要先开主回路的调速阀启动搅拌器才能进行 高能混合器水阀和下灰 阀的操作 。这种顺序操作有 效地保证了操作的安全性 ， 可以有效地 防止 因误操 作造成 的“ 砸罐” 现象。 1 ～下灰 阀驱动油缸 ； 2 一高能混合器水阀驱动油缸 ； 3 一 节流阀 ； 4 一 电磁换 向阀 ； 5 一 手动换 向阀 ； 6 一 节流分流阀 带溢流阀 ； 7 一搅 拌器驱 动马达； 8 一压力表 ； 9 ～ 回油过滤器 ； 1 O ～ 液压泵 ； l 1 一 吸油过 滤器 1 2 减 压阀 ； 1 3 一油箱 图 2单泵减压 回路驱动液压原理 1 ． 3单泵 优先 分流 回路 驱动 系统 单泵优先分流回路驱动系统也是烟台杰瑞石油 装备技术有限公司采用的一种 系统 ， 整个混浆装 置 由 1台带有优先分流阀的液压泵驱动， 优先 回路驱 动高能混合器水 阀和下灰 阀， 另一 回路驱动混浆罐 搅拌器 ， 液压原理如图 3 所示。 1 一下灰 阀驱动油缸 ； 2 一高能混合器水 阀驱动油缸 ； 3 一 节流阀 ； 4 电磁换 向阀 ； 5 一 手动换向阀 ； 6 一节流分流阀 带溢流 阀 ； 7 一搅 拌器驱动马达 ； 8 一压力表 ； 9 一 回油过滤器 ； 1 O 一 液压 泵 带优先分流 阀 ； 1 1 一吸油过滤器 ； 1 2 一油箱 图 3 单泵优先分流 回路驱动液压原理 优先 回路的特点是系统的流量优先供给优先回 路 ， 剩余的流量供给另一 回路 ， 选型时将优先回路选 为定压 力 回路 ， 保 持 优先 回路 的压力 不变 ， 在 流量变 化的时候优先保证优先 回路 的流量供给， 保证高能 混合器水阀和下灰 阀的驱动操作 ， 剩余的流量供 给 混浆罐搅拌器的驱动。系统将液压泵和优先分流阀 进行了集成 ， 液压元件减少 ， 管路简洁， 由于选用 了 集成优先分流阀的液压泵 ， 成本适中， 比减压回路驱 动系统 稍 高 。 石油 矿场 机械 2 0 1 3 年 1 0月 1 ． 4对 比分析 1 从 上 述 3种 液 压 系 统 的对 比和 分 析 来 看 ， 分泵独立驱动系统元 件最多 ， 管路 最复杂 ， 成本最 高 ； 单泵优先分流回路驱动系统元件最少 ， 管路最简 洁 ， 成本 适 中 ； 单泵 减压 回路 驱动 系统 成本 最低 。 2 由于 3种系统的执行元件及执行元件的控 制元件相同， 存在共 同的缺点 。高能} 昆合器的水阀 和下灰 阀 的驱动 都 是油 缸 做 往 复 运 动 ， 由于 高 能混 合器的水阀和下灰阀驱动所需 的驱动力不大， 动作 的行程也不大 ， 动作的速度也控制在较低 ， 所 以这 2 个 油缸 的缸 径 和实 际 动作 行 程 比较 小 ， 往 复 运 动 到 油缸的液压油量非常小 ， 都是管路 中的液压油。为 了得到较低的速度 ， 在进油缸之间要进行节流调速。 这种 回路在冬季低温的情况下有一定的缺陷， 即， 使 油缸动作的油都是管路 中的低温油， 该 油不能循环 到油箱中和其他系统 的液压油混合升温 ， 导致黏度 增加 ， 加上节流调速阀的作用 ， 使得油缸的动作 比较 缓 慢 ， 节 流 阀调节 时也 比较 困 难 ， 速 度 不 易控 制 ， 要 根据季节温度的变化来调节节流阀的开度。 2 下灰 阀和高能混合器水 阀电控驱动 方式 针对下灰 阀和高能混合器水 阀液压驱动 的缺 陷 ， 烟台杰瑞石油装备技术有限公司提出了混浆罐 搅拌器采用液压驱 动， 而下灰 阀和高能混合 器水 阀 用 电控驱 动 的方案 。 电控驱 动原理 如 图 4 所 示 。 1 一控制器 P L C； 2 一水阀电机驱动器 ； 3 -- 自动控制按钮 ； 4 一 手动控制按钮 ； 5 一 保险 ； 6 ～ 电源 控制 ； 7 一 水阀电机 ； 8 一下灰 阀电机驱动器 ； 9 一下灰 阀电机 图 4 混浆装 置电控 驱动原理 该电控驱动系统 由纯 电气元件组成 ， 水阀电机 和 下灰 阀 电机分别 由水 阀电机 驱动器 和 下灰 阀 电机 驱 动器 控 制 ， 在 自动 控 制 按 钮 工 作 时 ， 通 过 控 制 器 P L C的 P I D计 算 ， 电机 实现 自动控 制 。在 手动 控 制 按钮工作时， 电机实现手动控制， 并实现了 自动与手 动 的无扰 切换 。 与液 压 系 统 的对 比分 析 ， 该 电控 驱 动 系统 具 有 4个优 点 1 选用 了耐 一4 O℃的驱 动 电机 ， 能在 低 温下 正常工作 ， 易于控制， 避免了液压控制水阀和下灰阀 在冬季低温时动作缓慢 的问题 ， 也省去了 因季节温 度 变化 而调 节节 流 阀开度 的麻烦 。 2 提高了控制精度 ， 特别是低速控制的精度 。 3 零 点校 准方 便 ， 利用 电机 特 性 ， 只需 3 S即 可 完成 阀位 的零 点 校 准 ， 解 决 了 不 同设 备 间 的机 械 偏差带来的调试 问题 ， 同时节省了调试时间 。 4 能量提供方便 ， 直接从设备 配置 的电瓶取 电 ， 避 免 了液压 系统 从动 力 系统取 力 ， 进行液 压 能与 机械 能 的转换 ， 提 高 了效 率 ， 同时 节省 了成本 。 3 结 论 1 在固井 自动混浆系统 的动力驱动方 面， 由 分泵独立驱动系统 ， 逐步改进 优化 到单泵减压 回路 驱 动 系统 、 单泵优 先 分流驱 动 系统 。 2 研究了下灰阀和高能混合器水阀的电控驱 动方案， 使控制精 度、 操作 的简 易性进一步提高 ， 使 液压驱动受低温影响的不足得 以解决 。 3 下灰阀和高能混合器水阀的电控驱动方案 已经经过严格 的测试 ， 应用于固井设备 。配置该混 浆系统的固井设备在新疆 、 四川 、 长庆、 华北 等油田 使用， 操作简单 ， 清水及下灰控制精准 ， 密度稳定 ， 混 浆效果得到进一步提高， 完全满足现场作业需求 ， 得 到 客户 的一 致好 评 。 4 固井 自动} 昆浆 系统 中混浆 罐搅 拌器 采用 液 压驱 动 ， 而 下灰 阀 和高 能 混 合 器 水 阀用 电控 驱 动 的 方案 ， 充分结合电气控制与液压控制的优势 ， 适合不 同作业环境， 有较高 的推广应用价值。 参考文献 [ 1 ] 袁 朗 ， 韩 致信 ， 胡 玉霞 ， 等． 微 机 控制 自动混 浆 系统 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 3 ， 3 2 2 3 1 3 4 ． [ 2 ] 王振东． Y L L 5 2 2系列 自动混 浆 固井 水泥 车[ J ] ． 石油 科技论坛 ， 2 0 1 2 3 6 2 6 3 ． [ 3 ] 王来智 ， 李 国明 ， 姚伟锋 ， 等． 测井车新型发 电机 液压传 动系统原理和性能[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 O l O ， 3 9 1 1 72 7 4． [ 4 3 路 甬祥． 液压气 动技术 手册 [K] ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 王 学义 ， 唐 有胜 ， 张永泽 ， 等． Z J 2 0 D B X型斜 井钻 机 液 压 系统设 计[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 2 ， 4 J 1 1 3 5 3 8 ．