一种全自动闭环控制钻井液高速离心机

摘要:全自动闭环控制钻井液高速离心机采用创新设计和全变频全自动闭环智能控制技术,能够根据钻井工艺的实际情况以及在不同地层、不同钻进过程中采用不同钻井液性能(包括粘度、密度、固相含量)和排渣量的变化,实时数据采集离心机负载扭矩、处理量等实际参数,通过变频器和自动控制系统实现闭环控制,从而自动改变离心机运行参数,自动调节供浆泵的排量,使得在钻井液性能参数发生变化时,确保排渣量和离心机的处理能力始终处于最佳状态,实现恒排渣的功能,从而得到最佳的处理效果,是石油钻井行业中必备的钻井液固相控制设备。
　　关键词:固相控制;离心机;自动控制;变频调速;钻井液
　　离心机作为一种钻井液固控设备,在钻井作业中有着非常重要的作用,这已为国内外钻井工程人员所公认。合理设计和使用离心机,可有效地控制钻井液的密度,清除钻井液中的有害固相,对提高机械钻速、提高后续设备(钻井泵、钻具、井下仪器等)的使用寿命、节约泥浆药品用量、保护油气层等方面具有重大意义[1]。目前我国几乎所有钻井队都配备的功率为18.5～22ｋＷ、转鼓直径为350～450ｍｍ、转速为1500～1850ｒ/ｍｉｎ的中速离心机,已经难以满足新型钻井工艺要求[1]。特别是一些对钻井液固相控制要求比较高的特殊工艺井,现场用的中速离心机更是难以承担重任。主要原因在于:
　　①现场实际处理量小,特别对密度、粘度较高的钻井液实际处理量更小。
　　②转鼓转速低,一般只有1500～1850ｒ/ｍｉｎ,分离因数小。
　　③由于转速低,离心机分离中点大,导致清除钻井液中有害固相颗粒少,一般只能清除颗粒当量直径10μｍ以上的部分固相。
　　④现场适应性差。目前在用的钻井液离心机由于性能参数不可调,经常出现一些问题:比如当钻井液性能参数发生变化时(密度、粘度、固相含量等),由于产生的固相较多,经常使离心机发生堵塞现象。离心机一旦堵塞,就必须花费大量的人力物力进行解堵,有时必须返回厂家检修解堵;更为严重的是,如果离心机的过载保护装置发生故障,会造成控制系统和电机故障,引起不必要的经济损失。相比于其它固控设备,离心机的可靠性低,不能像振动筛一样连续运行。只是偶尔用于控制钻井液的密度、粘度时才使用,并没有与振动筛配合使用而应用于全井过程以连续清除钻井液中细小固相颗粒。
    我国也只是20世纪90年代中期才开始使用中速离心机并认识到离心机在钻井液固相控制中的巨大作用,特别是在钻一些特殊工艺井过程中作用更大。但随着钻井工艺难度的加大,对固控的要求不断提高,仅有中速离心机还不能很好地解决当今钻井液固相控制问题。要适应新型钻井工艺技术发展的需要,提高钻井液固控水平,必须提高离心机的性能。尤其必须发展大排量、可靠性高、适应我国石油矿场的实际特点的高速离心机。
    1　石油矿场用离心机发展方向
   综合分析国内外固控系统及设备的发展现状,固控系统的发展趋势是以改进振动筛、离心机的性能为核心,简化现有固控系统,减少固控级数以降低成本,提高可靠性,力争使用多台振动筛—中速离心机(转鼓转速<2000ｒ/ｍｉｎ)—高速离心机(转鼓转速>2700ｒ/ｍｉｎ)组成新型固控系统取代现有复杂的多级固控系统。这样不仅省去除砂器、除泥器以及给二者供液的耗能大效率低的砂泵,简化了系统、提高了可靠性,而且对钻井液的密度、粘度、固相含量的控制提供了强有力的手段。纵观国内外离心机发展现状,离心机业已向着大排量、高速、交流变频闭环控制的方向发展。主要有以下几个趋势:
    (1)生产能力(处理量)逐步提高。
    (2)离心机转速趋于高速方向发展。
    (3)传动型式由主、辅2台电机分别驱动转鼓与螺旋输送器,逐步发展为单台电机通过特殊结构的差速器直接传动驱动。
    (4)控制系统趋于全变频自动控制,智能化方向发展。加大转鼓直径、提高处理量的同时,应该同步提高控制系统的可靠性、灵敏性。从一次开钻到完钻,钻井液的性能(密度、粘度)和固相颗粒的分布与含量是不断变化的,要使离心机能够用于全井过程,离心机的转速必须有较大的调整范围,最好是能够根据钻井液性能的变化而自动调整。
    2　ＧＬＷ400×1200-Ｎ型高速离心机结构
    ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全变频自动控制高速离心机整机由转鼓总成(包括转鼓与螺旋输送器等)、主电机、箱体、机座、全变频自动控制系统、供液泵、大小底座及辅助设施组成。主电机通过皮带驱动行星差速器转动,由行星差速器分别带动转鼓和螺旋输送器旋转,并使得二者转向相同但存在一个差转速,一般螺旋输送器转速比转鼓转速略低。由于转鼓高速旋转,密度较大的固相颗粒在离心力的作用下贴附于转鼓内壁,通过螺旋输送器的刮板被刮下并推到底流孔排出,经过分离的液相则由溢流孔排出,达到固液分离的目的。
   　　离心机主电机和供浆泵电机分别采用变频器、离心机负载实时采集与反馈控制部分及其它电气控制元器件组成全变频自动控制系统。除与离心机差速器相连的传感器外,其余元器件都安装在一个控制箱内,形成集成控制装置。该装置除具有控制功能外,还符合石油钻井行业隔爆要求,具有减震功能。除变频器本身具有散热功能外,为保证变频器正常工作,控制箱内安装温度实时检测与风机联动控制装置。当实时检测控制箱内温度高于设定温度(该设定值是保证变频器正常工作温度值),能够自动启动风机冷却控制箱和变频器;当实时检测控制箱内温度低于设定温度(该设定值是保证变频器正常工作温度值),能够自动关闭风机。ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全变频自动控制高速离心机结构上主要有以下几个特点:
    (1)长径比较大(长径比为3)、分离固相更加干燥,减少钻井液的损失。
    (2)差速器差速比大,提高离心机排渣能力和沉渣输送速度。
    (3)全部采用滚动轴承支撑,减小了振动,便于长期运转,提高了工作可靠性。
    (4)螺旋叶片有较高的耐磨性、防腐性,提高了螺旋叶片的寿命。
    (5)采用整体双螺旋叶片的输送器结构,便于加工,提高沉渣输送效果。
    (6)液位调节装置,便于调节干燥区长度和沉渣的干湿性。
    3　全自动闭环控制原理
    全自动闭环控制系统基本原理:从差速器的固定轴端拾取输送器的排渣扭矩信号,然后将该扭矩信号输入变频器控制系统并与设定值比较,变频器及其控制系统根据扭矩信号的变化和比较结果直接反馈控制供浆泵的转速和驱动转鼓的主电机转速,从而改变供浆量和离心机的负载,并使之形成一个闭式循环。使得在钻井液密度、粘度和固相含量等参数发生变化时,确保离心机始终处于最佳工作状态,实现恒排渣的功能,不会产生堵塞和过载现象,从而大大提高了离心机的可靠性和现场适应性。在控制系统中设定3个扭矩信号值:分别是最大安全停机扭矩Ｍｍａｘ、最大工作扭矩Ｍ1、正常空载启动最小扭矩值Ｍｍｉｎ。
    3.1　正常工作状态
    当差速器固定端的扭矩传感器实时检测的动态扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1设定值、大于正常空载启动最小扭矩值Ｍｍｉｎ设定值时(也就是说Ｍｍｉｎ<Ｍ<Ｍ1),离心机保持正常工作状态,此时主电机和供浆泵电机按照变频器设定的最高转速运转,保证离心机正常处理钻井液和排渣功能。
    3.2　闭环控制状态
    当差速器固定端的扭矩传感器实时检测的动态扭矩Ｍ大于最大工作扭矩Ｍ1设定值、小于最大停机扭矩Ｍｍａｘ设定值时(也就是说Ｍ1<Ｍ<Ｍｍａｘ),说明离心机负载增大了。此时实时采集的扭矩信号通过变频器及其控制系统能直接降低供浆泵转速,降低供浆泵的供液量,从而减轻离心机主机的负载,避免离心机堵塞和过载现象。直到实时检测的动态扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1设定值时为止,从而保证离心机不发生过载现象。
    3.3　停机报警状态
    在整套控制系统中,离心机主机和供浆泵电机停机分别都具有自动停机、报警、手动停机、紧急停机(急停)功能。除了变频器本身报警设置外,另加外挂蜂鸣器报警。当出现如下几种情况时,供浆泵电机和离心机主电机必须停机:
   (1)当差速器固定端的扭矩传感器实时检测的动态扭矩Ｍ小于正常空载启动最小扭矩值Ｍｍｉｎ(Ｍ≤Ｍｍｉｎ)时,说明安全销发生断裂或扭矩传感器损坏,供浆泵电机和离心机主电机立即自动停机,并蜂鸣器报警;
   (2)当差速器固定端的扭矩传感器实时检测的动态扭矩Ｍ大于或等于最大停机扭矩Ｍｍａｘ设定值时(也就是说Ｍ≥Ｍｍａｘ),说明离心机过载了,供浆泵和离心机主电机必须自动停机,停止向离心机内部供液,并且蜂鸣器报警。
    (3)当供浆泵电机或离心机主电机变频器故障报警故障时,外挂蜂鸣器要报警,整机必须自动停机;
   (4)主机发生非电气故障时,能够手动控制主机和供浆泵电机停机;
   (5)供浆泵发生非电气故障时,能够手动控制主机和供浆泵电机停机;
   (6)其它故障或人为需要停机时,能够手动控制主机和供浆泵电机停机;
   (7)特殊紧急情况,采用急停按钮停机和复位。
   4　主要技术规范ＧＬＷ400×1200-Ｎ型高速离心机技术规范:
   (1)转鼓内径:400ｍｍ;
   (2)转鼓长度:1200ｍｍ;
   (3)最大处理量:50ｍ3/ｈ;
   (4)转鼓最高转速:3000ｒ/ｍｉｎ;
   (5)分离中点:3μｍ(转鼓最高转速3000ｒ/ｍｉｎ、钻井液密度1.2×103ｋｇ/ｍ3);
   (6)功率:37ｋＷ;
   (7)供液泵功率:7.5ｋＷ。
    5　现场应用
    2003年12月17在胜利黄河钻井四公司32559井队一次安装调试成功。第一口井号为纯68-斜5井,该井是一口双靶点定向斜井,设计井深2941ｍ,该井钻井工艺复杂,要求钻井液性能较高,对特别是对离心机处理钻井液要求较高,必须稳定钻井液性能。在2003年12月21日上午9点从该井二次开钻以后开始使用,钻井液密度在(1.03～1.26)×103ｋｇ/ｍ3之间,处理量达到在35～45ｍ3/ｈ,主机转速在3000ｒ/ｍｉｎ以内稳定运转,排渣效果非常好,各部分运转正常。特别是全变频自动控制系统的运转良好,完全能够根据钻井液性能的变化,采集扭矩反馈控制信号,自动调节离心机处理量和离心机负载,实现了恒排渣的设计性能。主轴承温升正常,仅有28℃左右,整机噪音为85ｄＢ,运转正常。2004年1月9日,该井顺利完钻,完钻井深2941ｍ。截至到2004年8月,该离心机已经在32559井队完成了纯68-斜5井、3-9-206、2-3-斜221和1-2-423等6口井的工业应用,每口井都是从二开以后就一直开始使用,无论是加重钻井液,还是非加重钻井液都能发挥作用。在3000ｒ/ｍｉｎ的转速下,分离中点达到3μｍ,排出的固相更多,显著提高了钻井液固控水平。使用过程中,一直能够按照井队要求连续运行,既可以当作高速离心机使用,又当作中速离心机使用,适应了不同工况要求,取得了非常好的使用效果。
    6　结束语
     ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全变频自动控制高速离心机,具有结构紧凑、使用寿命长、性能可靠等特点,可以清除3μｍ以上的有害固相颗粒,回收液相,并能有效的控制钻井液性能,提高钻井速度,是打深井和水平井等特殊工艺井理想的钻井液净化设备。在加重水基钻井液中,可采用中、高速离心机和双层高频直线振动筛配合使用,实现保持钻井液密度、控制固相和钻井液粘度的目的,从而解决了在加重泥浆井段中使用离心机的问题。
    ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全变频自动控制高速离心机,能够自动调节主机转速,既可以作为中速离心机使用(1200～2000ｒ/ｍｉｎ),也可以作为高速离心机使用(2000～3000ｒ/ｍｉｎ),使得钻井液的性能更加稳定。使用该产品无疑会带来良好的综合经济效益。ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全变频自动控制高速离心机研制成功,形成了钻井液高速离心机负载实时监测与全变频自动闭环控制技术,具有我国自主知识产权(已经获得2项专利授权,专利号分别为200520081438.3和200520081441.5),将极大地提高高速离心机的性能,使之具有更广泛的现场适应性、更高的工作可靠性和最佳的分离效果。可以应用于全钻进过程的固相控制,而且操作简单,使用维护方便,减轻工人劳动强度,不会因为钻井液固相含量高、密度大而出现堵塞或跑钻井液的现象。
    该离心机研制成功,由于转速较高,能够清除钻井液中其它固控设备不能除去的微细固相。与其它固控设备配套使用后,将极大地提高我国钻井液固控水平,能明显降低钻井液中有害固相含量。因此,对提高钻井速度、降低钻井成本、改善钻井液的流变性能、提高后续设备的使用寿命、减少钻具磨损、井下先进仪器(ＭＷＤ等)的使用、油气层保护与井壁稳定性等都有明显的经济与社会效益。