一種全自動(dòng)閉環(huán)控制鉆井液高速離心機(jī)

摘要:全自動(dòng)閉環(huán)控制鉆井液高速離心機(jī)采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)和全變頻全自動(dòng)閉環(huán)智能控制技術(shù),能夠根據(jù)鉆井工藝的實(shí)際情況以及在不同地層、不同鉆進(jìn)過(guò)程中采用不同鉆井液性能(包括粘度、密度、固相含量)和排渣量的變化,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集離心機(jī)負(fù)載扭矩、處理量等實(shí)際參數(shù),通過(guò)變頻器和自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,從而自動(dòng)改變離心機(jī)運(yùn)行參數(shù),自動(dòng)調(diào)節(jié)供漿泵的排量,使得在鉆井液性能參數(shù)發(fā)生變化時(shí),確保排渣量和離心機(jī)的處理能力始終處于最佳狀態(tài),實(shí)現(xiàn)恒排渣的功能,從而得到最佳的處理效果,是石油鉆井行業(yè)中必備的鉆井液固相控制設(shè)備。
　　關(guān)鍵詞:固相控制;離心機(jī);自動(dòng)控制;變頻調(diào)速;鉆井液
　　離心機(jī)作為一種鉆井液固控設(shè)備,在鉆井作業(yè)中有著非常重要的作用,這已為國(guó)內(nèi)外鉆井工程人員所公認(rèn)。合理設(shè)計(jì)和使用離心機(jī),可有效地控制鉆井液的密度,清除鉆井液中的有害固相,對(duì)提高機(jī)械鉆速、提高后續(xù)設(shè)備(鉆井泵、鉆具、井下儀器等)的使用壽命、節(jié)約泥漿藥品用量、保護(hù)油氣層等方面具有重大意義[1]。目前我國(guó)幾乎所有鉆井隊(duì)都配備的功率為18.5～22ｋＷ、轉(zhuǎn)鼓直徑為350～450ｍｍ、轉(zhuǎn)速為1500～1850ｒ/ｍｉｎ的中速離心機(jī),已經(jīng)難以滿足新型鉆井工藝要求[1]。特別是一些對(duì)鉆井液固相控制要求比較高的特殊工藝井,現(xiàn)場(chǎng)用的中速離心機(jī)更是難以承擔(dān)重任。主要原因在于:
　?、佻F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際處理量小,特別對(duì)密度、粘度較高的鉆井液實(shí)際處理量更小。
　　②轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速低,一般只有1500～1850ｒ/ｍｉｎ,分離因數(shù)小。
　?、塾捎谵D(zhuǎn)速低,離心機(jī)分離中點(diǎn)大,導(dǎo)致清除鉆井液中有害固相顆粒少,一般只能清除顆粒當(dāng)量直徑10μｍ以上的部分固相。
　?、墁F(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性差。目前在用的鉆井液離心機(jī)由于性能參數(shù)不可調(diào),經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題:比如當(dāng)鉆井液性能參數(shù)發(fā)生變化時(shí)(密度、粘度、固相含量等),由于產(chǎn)生的固相較多,經(jīng)常使離心機(jī)發(fā)生堵塞現(xiàn)象。離心機(jī)一旦堵塞,就必須花費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行解堵,有時(shí)必須返回廠家檢修解堵;更為嚴(yán)重的是,如果離心機(jī)的過(guò)載保護(hù)裝置發(fā)生故障,會(huì)造成控制系統(tǒng)和電機(jī)故障,引起不必要的經(jīng)濟(jì)損失。相比于其它固控設(shè)備,離心機(jī)的可靠性低,不能像振動(dòng)篩一樣連續(xù)運(yùn)行。只是偶爾用于控制鉆井液的密度、粘度時(shí)才使用,并沒(méi)有與振動(dòng)篩配合使用而應(yīng)用于全井過(guò)程以連續(xù)清除鉆井液中細(xì)小固相顆粒。
    我國(guó)也只是20世紀(jì)90年代中期才開始使用中速離心機(jī)并認(rèn)識(shí)到離心機(jī)在鉆井液固相控制中的巨大作用,特別是在鉆一些特殊工藝井過(guò)程中作用更大。但隨著鉆井工藝難度的加大,對(duì)固控的要求不斷提高,僅有中速離心機(jī)還不能很好地解決當(dāng)今鉆井液固相控制問(wèn)題。要適應(yīng)新型鉆井工藝技術(shù)發(fā)展的需要,提高鉆井液固控水平,必須提高離心機(jī)的性能。尤其必須發(fā)展大排量、可靠性高、適應(yīng)我國(guó)石油礦場(chǎng)的實(shí)際特點(diǎn)的高速離心機(jī)。
    1　石油礦場(chǎng)用離心機(jī)發(fā)展方向
   綜合分析國(guó)內(nèi)外固控系統(tǒng)及設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀,固控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是以改進(jìn)振動(dòng)篩、離心機(jī)的性能為核心,簡(jiǎn)化現(xiàn)有固控系統(tǒng),減少固控級(jí)數(shù)以降低成本,提高可靠性,力爭(zhēng)使用多臺(tái)振動(dòng)篩—中速離心機(jī)(轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速<2000ｒ/ｍｉｎ)—高速離心機(jī)(轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速>2700ｒ/ｍｉｎ)組成新型固控系統(tǒng)取代現(xiàn)有復(fù)雜的多級(jí)固控系統(tǒng)。這樣不僅省去除砂器、除泥器以及給二者供液的耗能大效率低的砂泵,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)、提高了可靠性,而且對(duì)鉆井液的密度、粘度、固相含量的控制提供了強(qiáng)有力的手段。縱觀國(guó)內(nèi)外離心機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀,離心機(jī)業(yè)已向著大排量、高速、交流變頻閉環(huán)控制的方向發(fā)展。主要有以下幾個(gè)趨勢(shì):
    (1)生產(chǎn)能力(處理量)逐步提高。
    (2)離心機(jī)轉(zhuǎn)速趨于高速方向發(fā)展。
    (3)傳動(dòng)型式由主、輔2臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器,逐步發(fā)展為單臺(tái)電機(jī)通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的差速器直接傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
    (4)控制系統(tǒng)趨于全變頻自動(dòng)控制,智能化方向發(fā)展。加大轉(zhuǎn)鼓直徑、提高處理量的同時(shí),應(yīng)該同步提高控制系統(tǒng)的可靠性、靈敏性。從一次開鉆到完鉆,鉆井液的性能(密度、粘度)和固相顆粒的分布與含量是不斷變化的,要使離心機(jī)能夠用于全井過(guò)程,離心機(jī)的轉(zhuǎn)速必須有較大的調(diào)整范圍,最好是能夠根據(jù)鉆井液性能的變化而自動(dòng)調(diào)整。
    2?。牵蹋?00×1200-Ｎ型高速離心機(jī)結(jié)構(gòu)
    ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動(dòng)控制高速離心機(jī)整機(jī)由轉(zhuǎn)鼓總成(包括轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器等)、主電機(jī)、箱體、機(jī)座、全變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)、供液泵、大小底座及輔助設(shè)施組成。主電機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)行星差速器轉(zhuǎn)動(dòng),由行星差速器分別帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器旋轉(zhuǎn),并使得二者轉(zhuǎn)向相同但存在一個(gè)差轉(zhuǎn)速,一般螺旋輸送器轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速略低。由于轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn),密度較大的固相顆粒在離心力的作用下貼附于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁,通過(guò)螺旋輸送器的刮板被刮下并推到底流孔排出,經(jīng)過(guò)分離的液相則由溢流孔排出,達(dá)到固液分離的目的。
   　　離心機(jī)主電機(jī)和供漿泵電機(jī)分別采用變頻器、離心機(jī)負(fù)載實(shí)時(shí)采集與反饋控制部分及其它電氣控制元器件組成全變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)。除與離心機(jī)差速器相連的傳感器外,其余元器件都安裝在一個(gè)控制箱內(nèi),形成集成控制裝置。該裝置除具有控制功能外,還符合石油鉆井行業(yè)隔爆要求,具有減震功能。除變頻器本身具有散熱功能外,為保證變頻器正常工作,控制箱內(nèi)安裝溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)與風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制裝置。當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)控制箱內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度(該設(shè)定值是保證變頻器正常工作溫度值),能夠自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻控制箱和變頻器;當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)控制箱內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度(該設(shè)定值是保證變頻器正常工作溫度值),能夠自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)機(jī)。ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動(dòng)控制高速離心機(jī)結(jié)構(gòu)上主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):
    (1)長(zhǎng)徑比較大(長(zhǎng)徑比為3)、分離固相更加干燥,減少鉆井液的損失。
    (2)差速器差速比大,提高離心機(jī)排渣能力和沉渣輸送速度。
    (3)全部采用滾動(dòng)軸承支撐,減小了振動(dòng),便于長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn),提高了工作可靠性。
    (4)螺旋葉片有較高的耐磨性、防腐性,提高了螺旋葉片的壽命。
    (5)采用整體雙螺旋葉片的輸送器結(jié)構(gòu),便于加工,提高沉渣輸送效果。
    (6)液位調(diào)節(jié)裝置,便于調(diào)節(jié)干燥區(qū)長(zhǎng)度和沉渣的干濕性。
    3　全自動(dòng)閉環(huán)控制原理
    全自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)基本原理:從差速器的固定軸端拾取輸送器的排渣扭矩信號(hào),然后將該扭矩信號(hào)輸入變頻器控制系統(tǒng)并與設(shè)定值比較,變頻器及其控制系統(tǒng)根據(jù)扭矩信號(hào)的變化和比較結(jié)果直接反饋控制供漿泵的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓的主電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而改變供漿量和離心機(jī)的負(fù)載,并使之形成一個(gè)閉式循環(huán)。使得在鉆井液密度、粘度和固相含量等參數(shù)發(fā)生變化時(shí),確保離心機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)恒排渣的功能,不會(huì)產(chǎn)生堵塞和過(guò)載現(xiàn)象,從而大大提高了離心機(jī)的可靠性和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性。在控制系統(tǒng)中設(shè)定3個(gè)扭矩信號(hào)值:分別是最大安全停機(jī)扭矩Ｍｍａｘ、最大工作扭矩Ｍ1、正?？蛰d啟動(dòng)最小扭矩值Ｍｍｉｎ。
    3.1　正常工作狀態(tài)
    當(dāng)差速器固定端的扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設(shè)定值、大于正?？蛰d啟動(dòng)最小扭矩值Ｍｍｉｎ設(shè)定值時(shí)(也就是說(shuō)Ｍｍｉｎ<Ｍ<Ｍ1),離心機(jī)保持正常工作狀態(tài),此時(shí)主電機(jī)和供漿泵電機(jī)按照變頻器設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),保證離心機(jī)正常處理鉆井液和排渣功能。
    3.2　閉環(huán)控制狀態(tài)
    當(dāng)差速器固定端的扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)扭矩Ｍ大于最大工作扭矩Ｍ1設(shè)定值、小于最大停機(jī)扭矩Ｍｍａｘ設(shè)定值時(shí)(也就是說(shuō)Ｍ1<Ｍ<Ｍｍａｘ),說(shuō)明離心機(jī)負(fù)載增大了。此時(shí)實(shí)時(shí)采集的扭矩信號(hào)通過(guò)變頻器及其控制系統(tǒng)能直接降低供漿泵轉(zhuǎn)速,降低供漿泵的供液量,從而減輕離心機(jī)主機(jī)的負(fù)載,避免離心機(jī)堵塞和過(guò)載現(xiàn)象。直到實(shí)時(shí)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設(shè)定值時(shí)為止,從而保證離心機(jī)不發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象。
    3.3　停機(jī)報(bào)警狀態(tài)
    在整套控制系統(tǒng)中,離心機(jī)主機(jī)和供漿泵電機(jī)停機(jī)分別都具有自動(dòng)停機(jī)、報(bào)警、手動(dòng)停機(jī)、緊急停機(jī)(急停)功能。除了變頻器本身報(bào)警設(shè)置外,另加外掛蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)如下幾種情況時(shí),供漿泵電機(jī)和離心機(jī)主電機(jī)必須停機(jī):
   (1)當(dāng)差速器固定端的扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)扭矩Ｍ小于正常空載啟動(dòng)最小扭矩值Ｍｍｉｎ(Ｍ≤Ｍｍｉｎ)時(shí),說(shuō)明安全銷發(fā)生斷裂或扭矩傳感器損壞,供漿泵電機(jī)和離心機(jī)主電機(jī)立即自動(dòng)停機(jī),并蜂鳴器報(bào)警;
   (2)當(dāng)差速器固定端的扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)扭矩Ｍ大于或等于最大停機(jī)扭矩Ｍｍａｘ設(shè)定值時(shí)(也就是說(shuō)Ｍ≥Ｍｍａｘ),說(shuō)明離心機(jī)過(guò)載了,供漿泵和離心機(jī)主電機(jī)必須自動(dòng)停機(jī),停止向離心機(jī)內(nèi)部供液,并且蜂鳴器報(bào)警。
    (3)當(dāng)供漿泵電機(jī)或離心機(jī)主電機(jī)變頻器故障報(bào)警故障時(shí),外掛蜂鳴器要報(bào)警,整機(jī)必須自動(dòng)停機(jī);
   (4)主機(jī)發(fā)生非電氣故障時(shí),能夠手動(dòng)控制主機(jī)和供漿泵電機(jī)停機(jī);
   (5)供漿泵發(fā)生非電氣故障時(shí),能夠手動(dòng)控制主機(jī)和供漿泵電機(jī)停機(jī);
   (6)其它故障或人為需要停機(jī)時(shí),能夠手動(dòng)控制主機(jī)和供漿泵電機(jī)停機(jī);
   (7)特殊緊急情況,采用急停按鈕停機(jī)和復(fù)位。
   4　主要技術(shù)規(guī)范ＧＬＷ400×1200-Ｎ型高速離心機(jī)技術(shù)規(guī)范:
   (1)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑:400ｍｍ;
   (2)轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度:1200ｍｍ;
   (3)最大處理量:50ｍ3/ｈ;
   (4)轉(zhuǎn)鼓最高轉(zhuǎn)速:3000ｒ/ｍｉｎ;
   (5)分離中點(diǎn):3μｍ(轉(zhuǎn)鼓最高轉(zhuǎn)速3000ｒ/ｍｉｎ、鉆井液密度1.2×103ｋｇ/ｍ3);
   (6)功率:37ｋＷ;
   (7)供液泵功率:7.5ｋＷ。
    5　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    2003年12月17在勝利黃河鉆井四公司32559井隊(duì)一次安裝調(diào)試成功。第一口井號(hào)為純68-斜5井,該井是一口雙靶點(diǎn)定向斜井,設(shè)計(jì)井深2941ｍ,該井鉆井工藝復(fù)雜,要求鉆井液性能較高,對(duì)特別是對(duì)離心機(jī)處理鉆井液要求較高,必須穩(wěn)定鉆井液性能。在2003年12月21日上午9點(diǎn)從該井二次開鉆以后開始使用,鉆井液密度在(1.03～1.26)×103ｋｇ/ｍ3之間,處理量達(dá)到在35～45ｍ3/ｈ,主機(jī)轉(zhuǎn)速在3000ｒ/ｍｉｎ以內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),排渣效果非常好,各部分運(yùn)轉(zhuǎn)正常。特別是全變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)良好,完全能夠根據(jù)鉆井液性能的變化,采集扭矩反饋控制信號(hào),自動(dòng)調(diào)節(jié)離心機(jī)處理量和離心機(jī)負(fù)載,實(shí)現(xiàn)了恒排渣的設(shè)計(jì)性能。主軸承溫升正常,僅有28℃左右,整機(jī)噪音為85ｄＢ,運(yùn)轉(zhuǎn)正常。2004年1月9日,該井順利完鉆,完鉆井深2941ｍ。截至到2004年8月,該離心機(jī)已經(jīng)在32559井隊(duì)完成了純68-斜5井、3-9-206、2-3-斜221和1-2-423等6口井的工業(yè)應(yīng)用,每口井都是從二開以后就一直開始使用,無(wú)論是加重鉆井液,還是非加重鉆井液都能發(fā)揮作用。在3000ｒ/ｍｉｎ的轉(zhuǎn)速下,分離中點(diǎn)達(dá)到3μｍ,排出的固相更多,顯著提高了鉆井液固控水平。使用過(guò)程中,一直能夠按照井隊(duì)要求連續(xù)運(yùn)行,既可以當(dāng)作高速離心機(jī)使用,又當(dāng)作中速離心機(jī)使用,適應(yīng)了不同工況要求,取得了非常好的使用效果。
    6　結(jié)束語(yǔ)
     ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動(dòng)控制高速離心機(jī),具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)、性能可靠等特點(diǎn),可以清除3μｍ以上的有害固相顆粒,回收液相,并能有效的控制鉆井液性能,提高鉆井速度,是打深井和水平井等特殊工藝井理想的鉆井液凈化設(shè)備。在加重水基鉆井液中,可采用中、高速離心機(jī)和雙層高頻直線振動(dòng)篩配合使用,實(shí)現(xiàn)保持鉆井液密度、控制固相和鉆井液粘度的目的,從而解決了在加重泥漿井段中使用離心機(jī)的問(wèn)題。
    ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動(dòng)控制高速離心機(jī),能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速,既可以作為中速離心機(jī)使用(1200～2000ｒ/ｍｉｎ),也可以作為高速離心機(jī)使用(2000～3000ｒ/ｍｉｎ),使得鉆井液的性能更加穩(wěn)定。使用該產(chǎn)品無(wú)疑會(huì)帶來(lái)良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動(dòng)控制高速離心機(jī)研制成功,形成了鉆井液高速離心機(jī)負(fù)載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與全變頻自動(dòng)閉環(huán)控制技術(shù),具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)(已經(jīng)獲得2項(xiàng)專利授權(quán),專利號(hào)分別為200520081438.3和200520081441.5),將極大地提高高速離心機(jī)的性能,使之具有更廣泛的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性、更高的工作可靠性和最佳的分離效果?？梢詰?yīng)用于全鉆進(jìn)過(guò)程的固相控制,而且操作簡(jiǎn)單,使用維護(hù)方便,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,不會(huì)因?yàn)殂@井液固相含量高、密度大而出現(xiàn)堵塞或跑鉆井液的現(xiàn)象。
    該離心機(jī)研制成功,由于轉(zhuǎn)速較高,能夠清除鉆井液中其它固控設(shè)備不能除去的微細(xì)固相。與其它固控設(shè)備配套使用后,將極大地提高我國(guó)鉆井液固控水平,能明顯降低鉆井液中有害固相含量。因此,對(duì)提高鉆井速度、降低鉆井成本、改善鉆井液的流變性能、提高后續(xù)設(shè)備的使用壽命、減少鉆具磨損、井下先進(jìn)儀器(ＭＷＤ等)的使用、油氣層保護(hù)與井壁穩(wěn)定性等都有明顯的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。