摘要:全自動閉環控制鉆井液高速離心機采用創新設計和全變頻全自動閉環智能控制技術,能夠根據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,實時數據采集離心機負載扭矩、處理量等實際參數,通過變頻器和自動控制系統實現閉環控制,從而自動改變離心機運行參數,自動調節供漿泵的排量,使得在鉆井液性能參數發生變化時,確保排渣量和離心機的處理能力始終處于最佳狀態,實現恒排渣的功能,從而得到最佳的處理效果,是石油鉆井行業中必備的鉆井液固相控制設備。
　　關鍵詞:固相控制;離心機;自動控制;變頻調速;鉆井液
　　離心機作為一種鉆井液固控設備,在鉆井作業中有著非常重要的作用,這已為國內外鉆井工程人員所公認。合理設計和使用離心機,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、提高后續設備(鉆井泵、鉆具、井下儀器等)的使用壽命、節約泥漿藥品用量、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、轉鼓直徑為350～450ｍｍ、轉速為1500～1850ｒ/ｍｉｎ的中速離心機,已經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,現場用的中速離心機更是難以承擔重任。主要原因在于:
　　①現場實際處理量小,特別對密度、粘度較高的鉆井液實際處理量更小。
　　②轉鼓轉速低,一般只有1500～1850ｒ/ｍｉｎ,分離因數小。
　　③由于轉速低,離心機分離中點大,導致清除鉆井液中有害固相顆粒少,一般只能清除顆粒當量直徑10μｍ以上的部分固相。
　　④現場適應性差。目前在用的鉆井液離心機由于性能參數不可調,經常出現一些問題:比如當鉆井液性能參數發生變化時(密度、粘度、固相含量等),由于產生的固相較多,經常使離心機發生堵塞現象。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生故障,會造成控制系統和電機故障,引起不必要的經濟損失。相比于其它固控設備,離心機的可靠性低,不能像振動篩一樣連續運行。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用于全井過程以連續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今鉆井液固相控制問題。要適應新型鉆井工藝技術發展的需要,提高鉆井液固控水平,必須提高離心機的性能。尤其必須發展大排量、可靠性高、適應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展方向
   綜合分析國內外固控系統及設備的發展現狀,固控系統的發展趨勢是以改進振動篩、離心機的性能為核心,簡化現有固控系統,減少固控級數以降低成本,提高可靠性,力爭使用多臺振動篩—中速離心機(轉鼓轉速<2000ｒ/ｍｉｎ)—高速離心機(轉鼓轉速>2700ｒ/ｍｉｎ)組成新型固控系統取代現有復雜的多級固控系統。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、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。縱觀國內外離心機發展現狀,離心機業已向著大排量、高速、交流變頻閉環控制的方向發展。主要有以下幾個趨勢:
    (1)生產能力(處理量)逐步提高。
    (2)離心機轉速趨于高速方向發展。
    (3)傳動型式由主、輔2臺電機分別驅動轉鼓與螺旋輸送器,逐步發展為單臺電機通過特殊結構的差速器直接傳動驅動。
    (4)控制系統趨于全變頻自動控制,智能化方向發展。加大轉鼓直徑、提高處理量的同時,應該同步提高控制系統的可靠性、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,離心機的轉速必須有較大的調整范圍,最好是能夠根據鉆井液性能的變化而自動調整。
    2　ＧＬＷ400×1200-Ｎ型高速離心機結構
    ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動控制高速離心機整機由轉鼓總成(包括轉鼓與螺旋輸送器等)、主電機、箱體、機座、全變頻自動控制系統、供液泵、大小底座及輔助設施組成。主電機通過皮帶驅動行星差速器轉動,由行星差速器分別帶動轉鼓和螺旋輸送器旋轉,并使得二者轉向相同但存在一個差轉速,一般螺旋輸送器轉速比轉鼓轉速略低。由于轉鼓高速旋轉,密度較大的固相顆粒在離心力的作用下貼附于轉鼓內壁,通過螺旋輸送器的刮板被刮下并推到底流孔排出,經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。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,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,控制箱內安裝溫度實時檢測與風機聯動控制裝置。當實時檢測控制箱內溫度高于設定溫度(該設定值是保證變頻器正常工作溫度值),能夠自動啟動風機冷卻控制箱和變頻器;當實時檢測控制箱內溫度低于設定溫度(該設定值是保證變頻器正常工作溫度值),能夠自動關閉風機。ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動控制高速離心機結構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,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構,便于加工,提高沉渣輸送效果。
    (6)液位調節裝置,便于調節干燥區長度和沉渣的干濕性。
    3　全自動閉環控制原理
    全自動閉環控制系統基本原理: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并與設定值比較,變頻器及其控制系統根據扭矩信號的變化和比較結果直接反饋控制供漿泵的轉速和驅動轉鼓的主電機轉速,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。使得在鉆井液密度、粘度和固相含量等參數發生變化時,確保離心機始終處于最佳工作狀態,實現恒排渣的功能,不會產生堵塞和過載現象,從而大大提高了離心機的可靠性和現場適應性。在控制系統中設定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
    當差速器固定端的扭矩傳感器實時檢測的動態扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設定值、大于正常空載啟動最小扭矩值Ｍｍｉｎ設定值時(也就是說Ｍｍｉｎ<Ｍ<Ｍ1),離心機保持正常工作狀態,此時主電機和供漿泵電機按照變頻器設定的最高轉速運轉,保證離心機正常處理鉆井液和排渣功能。
    3.2　閉環控制狀態
    當差速器固定端的扭矩傳感器實時檢測的動態扭矩Ｍ大于最大工作扭矩Ｍ1設定值、小于最大停機扭矩Ｍｍａｘ設定值時(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能直接降低供漿泵轉速,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象。直到實時檢測的動態扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設定值時為止,從而保證離心機不發生過載現象。
    3.3　停機報警狀態
    在整套控制系統中,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置外,另加外掛蜂鳴器報警。當出現如下幾種情況時,供漿泵電機和離心機主電機必須停機:
   (1)當差速器固定端的扭矩傳感器實時檢測的動態扭矩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)當差速器固定端的扭矩傳感器實時檢測的動態扭矩Ｍ大于或等于最大停機扭矩Ｍｍａｘ設定值時(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,停止向離心機內部供液,并且蜂鳴器報警。
    (3)當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位。
   4　主要技術規范ＧＬＷ400×1200-Ｎ型高速離心機技術規范:
   (1)轉鼓內徑:400ｍｍ;
   (2)轉鼓長度:1200ｍｍ;
   (3)最大處理量:50ｍ3/ｈ;
   (4)轉鼓最高轉速:3000ｒ/ｍｉｎ;
   (5)分離中點:3μｍ(轉鼓最高轉速3000ｒ/ｍｉｎ、鉆井液密度1.2×103ｋｇ/ｍ3);
   (6)功率:37ｋＷ;
   (7)供液泵功率:7.5ｋＷ。
    5　現場應用
    2003年12月17在勝利黃河鉆井四公司32559井隊一次安裝調試成功。第一口井號為純68-斜5井,該井是一口雙靶點定向斜井,設計井深2941ｍ,該井鉆井工藝復雜,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,主機轉速在3000ｒ/ｍｉｎ以內穩定運轉,排渣效果非常好,各部分運轉正常。特別是全變頻自動控制系統的運轉良好,完全能夠根據鉆井液性能的變化,采集扭矩反饋控制信號,自動調節離心機處理量和離心機負載,實現了恒排渣的設計性能。主軸承溫升正常,僅有28℃左右,整機噪音為85ｄＢ,運轉正常。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口井的工業應用,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揮作用。在3000ｒ/ｍｉｎ的轉速下,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運行,既可以當作高速離心機使用,又當作中速離心機使用,適應了不同工況要求,取得了非常好的使用效果。
    6　結束語
     ＧＬＷ400×1200-Ｎ型全變頻自動控制高速離心機,具有結構緊湊、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,能夠自動調節主機轉速,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定。使用該產品無疑會帶來良好的綜合經濟效益。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測與全變頻自動閉環控制技術,具有我國自主知識產權(已經獲得2項專利授權,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場適應性、更高的工作可靠性和最佳的分離效果。可以應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、密度大而出現堵塞或跑鉆井液的現象。
    該離心機研制成功,由于轉速較高,能夠清除鉆井液中其它固控設備不能除去的微細固相。與其它固控設備配套使用后,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、提高后續設備的使用壽命、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定性等都有明顯的經濟與社會效益。