一種全自動閉環(huán)控制鉆井液高速離心機

摘要:全自動閉環(huán)控制鉆井液高速離心機采用創(chuàng)新設(shè)計和全變頻全自動閉環(huán)智能控制技術(shù),能夠根據(jù)鉆井工藝的實際情況以及在不同地層、不同鉆進過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,實時數(shù)據(jù)采集離心機負載扭矩、處理量等實際參數(shù),通過變頻器和自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制,從而自動改變離心機運行參數(shù),自動調(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,確保排渣量和離心機的處理能力始終處于最佳狀態(tài),實現(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;自動控制;變頻調(diào)速;鉆井液
　　離心機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,這已為國內(nèi)外鉆井工程人員所公認。合理設(shè)計和使用離心機,可有效地控制鉆井液的密度,清除鉆井液中的有害固相,對提高機械鉆速、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、保護油氣層等方面具有重大意義[1]。目前我國幾乎所有鉆井隊都配備的功率為18.5～22ｋＷ、轉(zhuǎn)鼓直徑為350～450ｍｍ、轉(zhuǎn)速為1500～1850ｒ/ｍｉｎ的中速離心機,已經(jīng)難以滿足新型鉆井工藝要求[1]。特別是一些對鉆井液固相控制要求比較高的特殊工藝井,現(xiàn)場用的中速離心機更是難以承擔(dān)重任。主要原因在于:
　?、佻F(xiàn)場實際處理量小,特別對密度、粘度較高的鉆井液實際處理量更小。
　　②轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速低,一般只有1500～1850ｒ/ｍｉｎ,分離因數(shù)小。
　　③由于轉(zhuǎn)速低,離心機分離中點大,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)場適應(yīng)性差。目前在用的鉆井液離心機由于性能參數(shù)不可調(diào),經(jīng)常出現(xiàn)一些問題:比如當(dāng)鉆井液性能參數(shù)發(fā)生變化時(密度、粘度、固相含量等),由于產(chǎn)生的固相較多,經(jīng)常使離心機發(fā)生堵塞現(xiàn)象。離心機一旦堵塞,就必須花費大量的人力物力進行解堵,有時必須返回廠家檢修解堵;更為嚴重的是,如果離心機的過載保護裝置發(fā)生故障,會造成控制系統(tǒng)和電機故障,引起不必要的經(jīng)濟損失。相比于其它固控設(shè)備,離心機的可靠性低,不能像振動篩一樣連續(xù)運行。只是偶爾用于控制鉆井液的密度、粘度時才使用,并沒有與振動篩配合使用而應(yīng)用于全井過程以連續(xù)清除鉆井液中細小固相顆粒。
    我國也只是20世紀90年代中期才開始使用中速離心機并認識到離心機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程中作用更大。但隨著鉆井工藝難度的加大,對固控的要求不斷提高,僅有中速離心機還不能很好地解決當(dāng)今鉆井液固相控制問題。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,必須提高離心機的性能。尤其必須發(fā)展大排量、可靠性高、適應(yīng)我國石油礦場的實際特點的高速離心機。
    1　石油礦場用離心機發(fā)展方向
   綜合分析國內(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)展趨勢是以改進振動篩、離心機的性能為核心,簡化現(xiàn)有固控系統(tǒng),減少固控級數(shù)以降低成本,提高可靠性,力爭使用多臺振動篩—中速離心機(轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速<2000ｒ/ｍｉｎ)—高速離心機(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,簡化了系統(tǒng)、提高了可靠性,而且對鉆井液的密度、粘度、固相含量的控制提供了強有力的手段。縱觀國內(nèi)外離心機發(fā)展現(xiàn)狀,離心機業(yè)已向著大排量、高速、交流變頻閉環(huán)控制的方向發(fā)展。主要有以下幾個趨勢:
    (1)生產(chǎn)能力(處理量)逐步提高。
    (2)離心機轉(zhuǎn)速趨于高速方向發(fā)展。
    (3)傳動型式由主、輔2臺電機分別驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器,逐步發(fā)展為單臺電機通過特殊結(jié)構(gòu)的差速器直接傳動驅(qū)動。
    (4)控制系統(tǒng)趨于全變頻自動控制,智能化方向發(fā)展。加大轉(zhuǎn)鼓直徑、提高處理量的同時,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,要使離心機能夠用于全井過程,離心機的轉(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調(diào)整。
    2?。牵蹋?00×1200-Ｎ型高速離心機結(jié)構(gòu)
    ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動控制高速離心機整機由轉(zhuǎn)鼓總成(包括轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器等)、主電機、箱體、機座、全變頻自動控制系統(tǒng)、供液泵、大小底座及輔助設(shè)施組成。主電機通過皮帶驅(qū)動行星差速器轉(zhuǎn)動,由行星差速器分別帶動轉(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,通過螺旋輸送器的刮板被刮下并推到底流孔排出,經(jīng)過分離的液相則由溢流孔排出,達到固液分離的目的。
   　　離心機主電機和供漿泵電機分別采用變頻器、離心機負載實時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控制系統(tǒng)。除與離心機差速器相連的傳感器外,其余元器件都安裝在一個控制箱內(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)安裝溫度實時檢測與風(fēng)機聯(lián)動控制裝置。當(dāng)實時檢測控制箱內(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),能夠自動啟動風(fēng)機冷卻控制箱和變頻器;當(dāng)實時檢測控制箱內(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),能夠自動關(guān)閉風(fēng)機。ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動控制高速離心機結(jié)構(gòu)上主要有以下幾個特點:
    (1)長徑比較大(長徑比為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,提高離心機排渣能力和沉渣輸送速度。
    (3)全部采用滾動軸承支撐,減小了振動,便于長期運轉(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)長度和沉渣的干濕性。
    3　全自動閉環(huán)控制原理
    全自動閉環(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,然后將該扭矩信號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)動轉(zhuǎn)鼓的主電機轉(zhuǎn)速,從而改變供漿量和離心機的負載,并使之形成一個閉式循環(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,確保離心機始終處于最佳工作狀態(tài),實現(xiàn)恒排渣的功能,不會產(chǎn)生堵塞和過載現(xiàn)象,從而大大提高了離心機的可靠性和現(xiàn)場適應(yīng)性。在控制系統(tǒng)中設(shè)定3個扭矩信號值:分別是最大安全停機扭矩Ｍｍａｘ、最大工作扭矩Ｍ1、正常空載啟動最小扭矩值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時檢測的動態(tài)扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設(shè)定值、大于正?？蛰d啟動最小扭矩值Ｍｍｉｎ設(shè)定值時(也就是說Ｍｍｉｎ<Ｍ<Ｍ1),離心機保持正常工作狀態(tài),此時主電機和供漿泵電機按照變頻器設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn),保證離心機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時檢測的動態(tài)扭矩Ｍ大于最大工作扭矩Ｍ1設(shè)定值、小于最大停機扭矩Ｍｍａｘ設(shè)定值時(也就是說Ｍ1<Ｍ<Ｍｍａｘ),說明離心機負載增大了。此時實時采集的扭矩信號通過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,從而減輕離心機主機的負載,避免離心機堵塞和過載現(xiàn)象。直到實時檢測的動態(tài)扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設(shè)定值時為止,從而保證離心機不發(fā)生過載現(xiàn)象。
    3.3　停機報警狀態(tài)
    在整套控制系統(tǒng)中,離心機主機和供漿泵電機停機分別都具有自動停機、報警、手動停機、緊急停機(急停)功能。除了變頻器本身報警設(shè)置外,另加外掛蜂鳴器報警。當(dāng)出現(xiàn)如下幾種情況時,供漿泵電機和離心機主電機必須停機:
   (1)當(dāng)差速器固定端的扭矩傳感器實時檢測的動態(tài)扭矩Ｍ小于正常空載啟動最小扭矩值Ｍｍｉｎ(Ｍ≤Ｍｍｉｎ)時,說明安全銷發(fā)生斷裂或扭矩傳感器損壞,供漿泵電機和離心機主電機立即自動停機,并蜂鳴器報警;
   (2)當(dāng)差速器固定端的扭矩傳感器實時檢測的動態(tài)扭矩Ｍ大于或等于最大停機扭矩Ｍｍａｘ設(shè)定值時(也就是說Ｍ≥Ｍｍａｘ),說明離心機過載了,供漿泵和離心機主電機必須自動停機,停止向離心機內(nèi)部供液,并且蜂鳴器報警。
    (3)當(dāng)供漿泵電機或離心機主電機變頻器故障報警故障時,外掛蜂鳴器要報警,整機必須自動停機;
   (4)主機發(fā)生非電氣故障時,能夠手動控制主機和供漿泵電機停機;
   (5)供漿泵發(fā)生非電氣故障時,能夠手動控制主機和供漿泵電機停機;
   (6)其它故障或人為需要停機時,能夠手動控制主機和供漿泵電機停機;
   (7)特殊緊急情況,采用急停按鈕停機和復(fù)位。
   4　主要技術(shù)規(guī)范ＧＬＷ400×1200-Ｎ型高速離心機技術(shù)規(guī)范:
   (1)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑:400ｍｍ;
   (2)轉(zhuǎn)鼓長度: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: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)場應(yīng)用
    2003年12月17在勝利黃河鉆井四公司32559井隊一次安裝調(diào)試成功。第一口井號為純68-斜5井,該井是一口雙靶點定向斜井,設(shè)計井深2941ｍ,該井鉆井工藝復(fù)雜,要求鉆井液性能較高,對特別是對離心機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,處理量達到在35～45ｍ3/ｈ,主機轉(zhuǎn)速在3000ｒ/ｍｉｎ以內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn),排渣效果非常好,各部分運轉(zhuǎn)正常。特別是全變頻自動控制系統(tǒng)的運轉(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,自動調(diào)節(jié)離心機處理量和離心機負載,實現(xiàn)了恒排渣的設(shè)計性能。主軸承溫升正常,僅有28℃左右,整機噪音為85ｄＢ,運轉(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,該離心機已經(jīng)在32559井隊完成了純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,分離中點達到3μｍ,排出的固相更多,顯著提高了鉆井液固控水平。使用過程中,一直能夠按照井隊要求連續(xù)運行,既可以當(dāng)作高速離心機使用,又當(dāng)作中速離心機使用,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
     ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動控制高速離心機,具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長、性能可靠等特點,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、高速離心機和雙層高頻直線振動篩配合使用,實現(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的問題。
    ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動控制高速離心機,能夠自動調(diào)節(jié)主機轉(zhuǎn)速,既可以作為中速離心機使用(1200～2000ｒ/ｍｉｎ),也可以作為高速離心機使用(2000～3000ｒ/ｍｉｎ),使得鉆井液的性能更加穩(wěn)定。使用該產(chǎn)品無疑會帶來良好的綜合經(jīng)濟效益。ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動控制高速離心機研制成功,形成了鉆井液高速離心機負載實時監(jiān)測與全變頻自動閉環(huán)控制技術(shù),具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)(已經(jīng)獲得2項專利授權(quán),專利號分別為200520081438.3和200520081441.5),將極大地提高高速離心機的性能,使之具有更廣泛的現(xiàn)場適應(yīng)性、更高的工作可靠性和最佳的分離效果。可以應(yīng)用于全鉆進過程的固相控制,而且操作簡單,使用維護方便,減輕工人勞動強度,不會因為鉆井液固相含量高、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)備不能除去的微細固相。與其它固控設(shè)備配套使用后,將極大地提高我國鉆井液固控水平,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、井下先進儀器(ＭＷＤ等)的使用、油氣層保護與井壁穩(wěn)定性等都有明顯的經(jīng)濟與社會效益。