CN112171912B - 一种大体量水泥浆混配装置及其混配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大体量水泥浆混配装置，包括撬体，撬体上依次设置有动力支架、水罐、操作平台、混配罐以及启动柜支架，动力支架包括液压油箱和气控柜，动力支架的下部还安装有两台电机，每台电机通过联轴器连接分动箱，分动箱上安装有液压泵组；本发明还公开了该装置的混配方法：步骤1：计算需要的理论清水和水泥灰量，调节水阀和灰阀的开度至理论值，控制调节灰阀和水阀的开度，使密度计测量的密度不断趋近于要求密度；步骤2：低于低液位值触发信号增加水阀和灰阀的开度，对液位值变化速度求导后得出变化加速度，根据其控制水阀减小和增大的速度。本发明可实现高效率混配，混配均匀，混配体量大，满足现场工况。

Description

一种大体量水泥浆混配装置及其混配方法

技术领域

本发明属于油气田固井设备技术领域，具体涉及一种大体量水泥浆混配装置，还涉及一种该装置的混配方法。

背景技术

固井是钻完井作业过程中不可缺少的一个重要环节，它包括下套管和注水泥。固井的主要目的是保护和支撑油气井内的套管，封隔油、气和水等地层。向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业称为固井。其中水泥浆需现场混配，根据要求配制含不同物质和多种密度的均匀固井水泥浆，同时随着油田作业效率的提高，超深井和固化距离的增加，对于大排量车载混配装置的需求也越来越大，常规混配装置现场混配能力一般为2.3方/分钟，混配量比较小，大排量水泥浆只能采用多台固井车进行混配和灌注，设备、占地空间和连接管汇都比较多，风险大，成本高。大排量的要求则对应更大体积和功率的组成设备，而公路和山路对道路车辆运输有限制，设备无法完全集成安装在汽车底盘上，因此需对大体量固井设备进行模块化设计，采用混配装置和固井泵注两个模块，分别运输，现场集成和配合工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种大体量水泥浆混配装置，解决现有技术的水泥浆混配设备存在的混配效率较低，混配均匀性不高的问题。

本发明还提供一种该装置的混配方法。

本发明所采用的技术方案是，

一种大体量水泥浆混配装置，包括撬体，撬体上依次设置有动力支架、水罐、操作平台、混配罐以及启动柜支架，动力支架包括液压油箱和气控柜，动力支架的下部还安装有两台电机，每台电机通过联轴器连接分动箱，分动箱上安装有液压泵组；

操作平台上安装有电控操作台、喷油罐以及消泡罐，操作平台的下部还安装有清水管汇；混配罐的顶部安装有高能混合器，高能混合器开设有进灰口，混配罐的周围安装有二次混浆管汇；启动柜支架上安装有电机启动柜和灰管支架，灰管支架用于与待进灰管线连接，以便对进灰口进行固定。

本发明的特点还在于，

高能混合器还包括有清水入口、二次混浆入口和下部出口，高能混合器还设置有灰阀和水阀；

灰阀的中间安装有第一转动阀芯，第一转动阀芯连接有第一回转驱动装置，水阀的中间安装有第二转动阀芯，第二转动阀芯连接有第二回转驱动装置，混配罐通过调节灰阀和水阀的阀芯开度，从而控制进灰和进水量。

水罐内设置有上隔水板和下隔水板，水罐的下部设置有出水口和冷却水口，出水口连接有第一清水泵和第二清水泵的进水口，冷却水口连接有冷却水泵，冷却水泵连接有散热器，冷却水泵的出口通过散热器后返回水罐到上部；水罐的顶部通过U形螺栓安装有吊装工具；水罐的进水口布置在下隔水板的一侧、通过橡胶水管伸入水罐的底部，水罐的出水口设置在上隔水板的另一侧。

混配罐的顶部安装有四个搅拌器、内部安装有液位计。

清水管汇包括外供水入口、第一清水泵、第二清水泵、水源入口，过滤器、流量计、压力表以及清水蝶阀总成；第一清水泵和第二清水泵的入口与水罐的出水口连接，外供水入口与水罐的进水口连接，第二清水泵和第一清水泵的出口经过过滤器和流量计后与连接高能混合器的清水入口，第一清水泵的出口分出一路与水罐的进水口连接，第一清水泵的入口并联有水源入口。

二次混浆管汇包括第一砂泵、第二砂泵、第三砂泵、密度计以及泥浆蝶阀总成，第一砂泵的入口连接于混配罐的第一出口，第二砂泵的入口连接于混配罐的第二出口，第三砂泵的入口连接于混配罐的第三出口，第一砂泵的出口分为三路，其中一路通过所述密度计后返回混配罐，另外两路分别与高能混合器的二次混浆入口和第三砂泵的出口连接，第二砂泵的出口分别与高能混合器的二次混浆入口和第三砂泵的出口连接，混配罐的第四出口与第三砂泵的出口连接。

本发明的另一个技术方案是一种大体量水泥浆混配装置的混配方法，具体按照如下步骤进行：

步骤1：根据需求的排量和密度，计算出需要的理论清水和水泥灰量，调节水阀和灰阀的开度至理论值，根据密度计反馈的测量值，控制调节灰阀和水阀的开度，使密度计测量的密度不断趋近于要求密度；

步骤2：低于低液位值则触发信号增加水阀开度，灰阀跟随增加，对液位值变化速度求导，得出变化加速度，通过加速度参数控制水阀减小和增大的速度。

步骤1中，控制调节灰阀和水阀的开度具体包括：保持水阀的开度不变，不断调节灰阀的开度。

步骤1中，控制调节灰阀和水阀的开度具体包括：

通过保持灰阀的开度不变，不断调节水阀的开度；同时液位计设置高液位和低液位值，超过高液位后触发信号减小水阀和灰阀的开度。

本发明的有益效果是，一种大体量水泥浆混配装置的现场适应性强，配置外供水口和水源入口，现场水源有无压力均可使用；

装置的冗余性强，可实现多种工作方式，第一清水泵可做第二清水泵，循环泵和第三砂泵可互为备份，循环泵故障情况下，第三砂泵可实现同时灌注和循环。第三砂泵故障情况下，循环泵可实现同时循环和灌注；

装置的混浆能力大，设备采用大体量高能混合器混浆，同时采用两台循环泵进行二次循环，混浆效率高，混浆更均匀，满足大排量固井施工条件，有限减少现场设备数量及占地空间；

装置节能环保，采用600V电机驱动，电源可直接取自井场钻井系统，相对传统柴油机驱动，具有效率高、尺寸小和零排放的优点；

整机采用撬装设计，结构紧凑，不超限，满足公路运输条件。

附图说明

图1是是本发明一种大体量水泥浆混配装置的结构示意图；

图2是本发明一种大体量水泥浆混配装置的侧视示意图；

图3是本发明一种大体量水泥浆混配装置的俯视示意图；

图4是本发明一种大体量水泥浆混配装置的混配方法的流程示意图；

图5本发明一种大体量水泥浆混配装置中高能混合器的结构示意图。

图中，1.橇体，2.动力支架，3.水罐；

301.上隔水板，302.下隔水板，303.出水口，304.冷却水口；

4.操作平台，5.混配罐；

501.第一出口，502.第二出口，503.第三出口，504.第四出口；

6.启动柜支架，7.液压油箱，8.气控柜，9.电机，10.分动箱，11.液压泵组，12.电控操作台，13.喷油罐，14.消泡罐，15.清水管汇，16.二次混浆管汇，17.电机启动柜，18.灰管支架，19.高能混合器；

1901.进灰口，1902.二次混浆入口，1903.清水入口，1904.下部出口；

20.灰阀；

2001.第一转动阀芯；

21.水阀；

2101.第二转动阀芯；

22.第一回转驱动装置，23.外供水入口，24.第一清水泵，25.第二清水泵，26.散热器，27.冷却水泵，28.水源入口，29.过滤器，30.流量计，31.压力表，32.第一砂泵，33.第二砂泵，34.密度计，35.第三砂泵，36.搅拌器，37.液位计，38.吊装工具，40.蝶阀a，41.蝶阀b，42.蝶阀c，43.第二回转驱动装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种大体量水泥浆混配装置及其混配方法进行详细说明。

如图1、图2和图3所示，一种大体量水泥浆混配装置，包括撬体1，撬体1上依次设置有动力支架2、水罐3、操作平台4、混配罐5以及启动柜支架6，动力支架2包括液压油箱7和气控柜8，动力支架2的下部还安装有两台电机9，每台电机9通过联轴器连接分动箱10，分动箱10上安装有液压泵组11；

操作平台4上安装有电控操作台12、喷油罐13以及消泡罐14，操作平台4的下部还安装有清水管汇15；混配罐5的顶部安装有高能混合器19，高能混合器19包括有进灰口1901，混配罐5的周围安装有二次混浆管汇16；启动柜支架6上安装有电机启动柜17和灰管支架18，灰管支架18用于与待进灰管线连接，以便对进灰口1901进行固定。

本发明一种大体量水泥浆混配装置的喷油罐13和消泡罐14的顶部通过气管线与气控柜连接，底部通过管线到达混配罐5的顶部，实现对罐内部喷油和泥浆的消泡工作。

如图5所示，进一步地，高能混合器19还包括有清水入口1903、二次混浆入口1902和下部出口1904，高能混合器19还设置有灰阀20和水阀21；

灰阀20的中间安装有第一转动阀芯2001，第一转动阀芯2001连接有第一回转驱动装置22，水阀21的中间安装有第二转动阀芯2101，第二转动阀芯2101连接有第二回转驱动装置43，混配罐5通过调节灰阀20和水阀21的阀芯开度，从而控制进灰和进水量。

如图4所示，进一步地，水罐3内设置有上隔水板301和下隔水板302，水罐3的下部设置有出水口303和冷却水口304，出水口303连接有第一清水泵24和第二清水泵25的进水口，冷却水口304连接有冷却水泵27，冷却水泵27连接有散热器26，冷却水泵27的出口通过散热器26后返回水罐3到上部；水罐3的顶部通过U形螺栓安装有吊装工具38；水罐3的进水口布置在下隔水板302的一侧、通过橡胶水管伸入水罐3的底部，水罐3的出水口设置在上隔水板301的另一侧。

本发明一种大体量水泥浆混配装置的清水进入水罐后由右向左流动，通过上下隔水板减少和消除水中气泡，含有气泡的水会影响第二清水泵、第一清水泵和流量计的正常工作。吊装工具运输时固定在水罐顶部，到达工作地点时取下，安装在橇体的吊装耳板上使用，完成吊装后放置附近，待下次需要吊装时再使用，这样的吊装工具体积小，重量轻，使用方便。

进一步地，混配罐5的顶部安装有四个搅拌器36、内部安装有液位计37。

本发明一种大体量水泥浆混配装置中的混配罐5的作用是对高能混合器19预混后的水泥浆进行再次搅拌和混匀。清水和水泥灰通过高能混合器19进行前期的预混合，混合后的水泥浆进去混配罐5，会通过搅拌器36继续混合。

进一步地，清水管汇15包括外供水入口23、第一清水泵24、第二清水泵25、水源入口28，过滤器29、流量计30、压力表31以及清水蝶阀总成；第一清水泵24和第二清水泵25的入口与水罐3的出水口连接，外供水入口23与水罐3的进水口连接，第二清水泵25和第一清水泵24的出口经过过滤器29和流量计30后与连接高能混合器19的清水入口，第一清水泵24的出口分出一路与水罐3的进水口连接，第一清水泵24的入口并联有水源入口28。

如图4所示，进一步地，二次混浆管汇16包括第一砂泵32、第二砂泵33、第三砂泵35、密度计34以及泥浆蝶阀总成，第一砂泵32的入口连接于混配罐5的第一出口501，第二砂泵33的入口连接于混配罐5的第二出口502，第三砂泵35的入口连接于混配罐5的第三出口503，第一砂泵32的出口分为三路，其中一路通过密度计34后返回混配罐5，另外两路分别与高能混合器19的二次混浆入口1902和第三砂泵35的出口连接，第二砂泵33的出口分别与高能混合器19的二次混浆入口1902和第三砂泵35的出口连接，混配罐5的第四出口504与第三砂泵35的出口连接。

本发明一种大体量水泥浆混配装置的混配方法，具体按照如下步骤进行：

步骤1：根据需求的排量和密度，计算出需要的理论清水和水泥灰量，调节水阀21和灰阀20的开度至理论值，根据密度计34反馈的测量值，控制调节灰阀20和水阀21的开度，使密度计34测量的密度不断趋近于要求密度；

步骤2：低于低液位值则触发信号增加水阀开度，灰阀20跟随增加，对液位值变化速度求导，得出变化加速度，通过加速度参数控制水阀21减小和增大的速度。

进一步地，步骤1中，控制调节灰阀20和水阀21的开度具体包括：保持水阀21的开度不变，不断调节灰阀20的开度。

进一步地，步骤1中，控制调节灰阀20和水阀21的开度具体包括：

通过保持灰阀20的开度不变，不断调节水阀21的开度；同时液位计37设置高液位和低液位值，超过高液位后触发信号减小水阀21和灰阀20的开度。

本发明一种大体量水泥浆混配装置的混配方法根据需求的排量和密度，计算出需要的理论清水和水泥灰量，调节水阀21和灰阀20开度至理论值，根据密度计34反馈的测量值，保持水阀21开度不变，不断调节灰阀20开度，使密度计34测量的密度不断趋近于要求密度；可以保持灰阀20开度不变，不断调节水阀21开度，使密度计34测量的密度不断趋近于要求密度。同时液位计37设置高液位和低液位值，超过高液位后触发信号减小水阀21开度，灰阀20也跟随减少；低于低液位值则触发信号增加水阀开度，灰阀20跟随增加，对液位值变化速度求导，得出变化加速度，通过加速度参数控制水阀21减小和增大的速度，液压变化越快，水阀21开度变化也越快，目的在于使混配罐5的内液位维持在高低液位之间，同时防止排量突变引起的溢罐或者离心泵吸空。

外供水源有压力则直接通过外供水入口23进入并流向水罐3使用，外供水源没有压力则由水源入口28进入，通过第一清水泵24抽入水罐3。第一清水泵24可作为第二清水泵25的备用泵使用，当第二清水泵25故障时，打开蝶阀b41，关闭蝶阀a40，则第一清水泵24出口清水进去高能混合器19的清水入口1903。第一砂泵32、第二砂泵33与第三砂泵35可互为备份，当其中一个故障时，可通过蝶阀c42切换。

本发明一种大体量水泥浆混配装置的工作原理为：电机9通过分动箱10将动力传递给液压泵组11，液压泵组11为执行元件提供液压动力，执行元件包含：第一清水泵24、第二清水泵25、第一砂泵32、第二砂泵33、第三砂泵35、回转驱动装置22和搅拌器36，电控操作台12内安装控制系统，实现对整个混配装置的操作和控制，气控柜8的内部安装有空压机和气控阀组，为气动蝶阀、喷油罐13和消泡罐14提供气源。水泥灰从进灰管线进入高能混合器19的进灰口1901，清水通过外供水入口23进去水罐3，第二清水泵25从水罐3吸水，排出后经过过滤器29和流量计30进去高能混合器19的清水入口1903，水泥灰通过灰阀20后向下进入高能混合器19内部腔体，清水通过水阀21后喷射入腔体，清水和水泥灰在腔体内实现预混，预混后从下部出口进去混配罐5，通过4个搅拌器36进行再次混合，混配罐5中部分泥浆通过第一砂泵32和第二砂泵33返回高能混合器19的二次混浆入口1902，从而实现水泥浆的二次和多次混合，提高了高能混合器19的均匀性，同时第一砂泵32的出口支路设置有测量水泥浆密度的密度计34，实时反映泥浆的密度，混合好的水泥浆通过第三砂泵35输出，用于现场固井泵的泵注。

清水管汇可实现三种工况：

外部有压力的清水进去外供水入口23，流向水罐3，第一清水泵24停用，仅第二清水泵24从水罐3吸水，排出后通过过滤器29和流量计30后进入高能混合器19的清水入口；

外部无压力的清水进入水源入口，通过第一清水泵24增压后进去水罐3，第二清水泵25从水罐3吸水，排出后通过过滤器29和流量计30后进入高能混合器19的清水入口；

第二清水泵25故障时，打开蝶阀a40，关闭蝶阀b41，第一清水泵24从水罐3吸水，排出后通过过滤器29和流量计30后进入高能混合器19的清水入口。

混浆管汇可实现三种工况：正常工况，第一砂泵32和第二砂泵33进行水泥浆循环，第三砂泵35进行灌注输出，灌注能力不足时可从第四出口（504）进行自吸；

第一砂泵32或第二砂泵33故障时，打开蝶阀c，第三砂泵可同时实现泥浆的灌注和循环；

第三砂泵故障时，打开蝶阀c42，第一砂泵32和第二砂泵33可同时实现泥浆的循环和灌注。

本发明一种大体量水泥浆混配装置，可实现高效率混配，混配均匀，混配体量大，满足大排量固井施工条件，有限减少现场设备数量及占地空间，满足现场的高质量泥浆的大量连续供给，具有一定的实用性。

Claims (2)

1.一种大体量水泥浆混配装置的混配方法，所述装置包括撬体（1），所述撬体（1）上依次设置有动力支架（2）、水罐（3）、操作平台（4）、混配罐（5）以及启动柜支架（6），所述动力支架（2）包括液压油箱（7）和气控柜（8），所述动力支架（2）的下部还安装有两台电机（9），每台所述电机（9）通过联轴器连接分动箱（10），所述分动箱（10）上安装有液压泵组（11）；

所述操作平台（4）上安装有电控操作台（12）、喷油罐（13）以及消泡罐（14），所述操作平台（4）的下部还安装有清水管汇（15）；所述混配罐（5）的顶部安装有高能混合器（19），所述高能混合器（19）包括有进灰口（1901），所述混配罐（5）的周围安装有二次混浆管汇（16）；所述启动柜支架（6）上安装有电机启动柜（17）和灰管支架（18），所述灰管支架（18）用于与待进灰管线连接，以便对进灰口（1901）进行固定；

所述高能混合器（19）还包括有清水入口（1903）、二次混浆入口（1902）和下部出口（1904），所述高能混合器（19）还设置有灰阀（20）和水阀（21）；

所述灰阀（20）的中间安装有第一转动阀芯（2001），所述第一转动阀芯（2001）连接有第一回转驱动装置（22），所述水阀（21）的中间安装有第二转动阀芯（2101），所述第二转动阀芯（2101）连接有第二回转驱动装置（43），所述混配罐（5）通过调节灰阀（20）和水阀（21）的阀芯开度，从而控制进灰和进水量；

所述水罐（3）内设置有上隔水板（301）和下隔水板（302），所述水罐（3）的下部设置有出水口（303）和冷却水口（304），所述出水口（303）连接有第一清水泵（24）和第二清水泵（25）的进水口，所述冷却水口（304）连接有冷却水泵（27），所述冷却水泵（27）连接有散热器（26），所述冷却水泵（27）的出口通过散热器（26）后返回水罐（3）到上部；所述水罐（3）的顶部通过U形螺栓安装有吊装工具（38）；所述水罐（3）的进水口布置在下隔水板（302）的一侧、通过橡胶水管伸入水罐（3）的底部，所述水罐（3）的出水口设置在上隔水板（301）的另一侧；

所述清水管汇（15）包括外供水入口（23）、第一清水泵（24）、第二清水泵（25）、水源入口（28），过滤器（29）、流量计（30）、压力表（31）以及清水蝶阀总成；所述第一清水泵（24）和第二清水泵（25）的入口与水罐（3）的出水口连接，所述外供水入口（23）与水罐（3）的进水口连接，所述第二清水泵（25）和第一清水泵（24）的出口经过过滤器（29）和流量计（30）后与连接高能混合器（19）的清水入口，所述第一清水泵（24）的出口分出一路与水罐（3）的进水口连接，所述第一清水泵（24）的入口并联有水源入口（28）；

所述二次混浆管汇（16）包括第一砂泵（32）、第二砂泵（33）、第三砂泵（35）、密度计（34）以及泥浆蝶阀总成，所述第一砂泵（32）的入口连接于混配罐（5）的第一出口（501），所述第二砂泵（33）的入口连接于混配罐（5）的第二出口（502），所述第三砂泵（35）的入口连接于混配罐（5）的第三出口（503），所述第一砂泵（32）的出口分为三路，其中一路通过所述密度计（34）后返回混配罐（5），另外两路分别与所述高能混合器（19）的二次混浆入口（1902）和第三砂泵（35）的出口连接，所述第二砂泵（33）的出口分别与高能混合器（19）的二次混浆入口（1902）和第三砂泵（35）的出口连接，所述混配罐（5）的第四出口（504）与第三砂泵（35）的出口连接；

所述混配方法具体按照如下步骤进行：

步骤1：根据需求的排量和密度，计算出需要的理论清水和水泥灰量，调节水阀（21）和灰阀（20）的开度至理论值，根据密度计（34）反馈的测量值，控制调节灰阀（20）和水阀（21）的开度，使密度计（34）测量的密度不断趋近于要求密度；

控制调节灰阀（20）和水阀（21）的开度具体包括：保持水阀（21）的开度不变，不断调节灰阀（20）的开度；

控制调节灰阀（20）和水阀（21）的开度具体包括：

通过保持灰阀（20）的开度不变，不断调节水阀（21）的开度；同时液位计（37）设置高液位和低液位值，超过高液位后触发信号减小水阀（21）和灰阀（20）的开度；

步骤2：低于低液位值则触发信号增加水阀开度，灰阀（20）跟随增加，对液位值变化速度求导，得出变化加速度，通过加速度参数控制水阀（21）减小和增大的速度。

2.根据权利要求1所述的一种大体量水泥浆混配装置的混配方法，其特征在于，所述混配罐（5）的顶部安装有四个搅拌器（36）、内部安装有液位计（37）。

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