王博芳， 張?jiān)瞿辏?趙明建， 劉有平， 廖春林， 杜海波， 趙銳

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司成都研究分院，成都610052；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司，成都610056；4.四川寶石機(jī)械專用車有限公司，四川廣漢 618300；5.四川寶石機(jī)械石油鉆頭有限責(zé)任公司，成都610052）

0 引言

油氣鉆井過程中的泥漿是導(dǎo)致環(huán)境污染的主要源頭，含巖屑的泥漿直接排放不僅污染環(huán)境，同時(shí)浪費(fèi)鉆井液，增加鉆井成本。離心機(jī)是處理固液分離的關(guān)鍵設(shè)備，其處理能力和處理效果直接影響泥漿質(zhì)量。進(jìn)液量、離心轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度之間的合理協(xié)調(diào)才能保證離心機(jī)高效穩(wěn)定的工作，否則就會(huì)出現(xiàn)效率低下、溢流或卡死等問題，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備必須返回基地維修[1]。目前油氣鉆井離心機(jī)絕大部分產(chǎn)品還是只有啟動(dòng)、停機(jī)、急停等功能，最多配備液力耦合器使啟動(dòng)更平穩(wěn)[2]，根據(jù)不同地層返回的泥漿進(jìn)行手動(dòng)調(diào)速，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前鉆井現(xiàn)場的使用要求。文獻(xiàn)[3]詳細(xì)闡述了采用繼電器實(shí)現(xiàn)啟停時(shí)序控制，通過采集主電動(dòng)機(jī)和供料泵的電流信號(hào)輸入到回路調(diào)節(jié)器CD701，再控制變頻器的閉環(huán)控制，使離心機(jī)的參數(shù)能夠根據(jù)鉆遇地層、井深和鉆井工藝的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)供漿泵的排量和高速離心機(jī)的實(shí)際參數(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯。目前自動(dòng)化控制技術(shù)十分成熟，采用PLC或嵌入式系統(tǒng)等可編程控制器，利用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)更加靈活，使鉆井液離心機(jī)的功能更智能。

1 高速鉆井液離心機(jī)原理介紹

為了保護(hù)油氣層，獲得更高的油氣產(chǎn)量，渦輪螺桿鉆具在勘探開發(fā)過程中得到廣泛的應(yīng)用，而泥漿的清潔程度對渦輪螺桿鉆具的使用壽命和性能有很大影響，所以勘探開發(fā)業(yè)主要求沽空系統(tǒng)能嚴(yán)格控制泥漿的清潔程度；當(dāng)前人們的環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，無論是地方政府還是當(dāng)?shù)鼐用瘢瑢︺@井現(xiàn)場的環(huán)保要求也變得越來越高，處理廢棄泥漿的工藝過程更加嚴(yán)格。在廢棄泥漿的處理過程中，盡可能地將泥漿中的固相和液相進(jìn)行徹底分離。而目前固控系統(tǒng)中廣泛采用中速離心機(jī)進(jìn)行分離，低黏度泥漿中可分離的固相顆粒最小直徑為5~7 μm，不能滿足固控系統(tǒng)的新要求，配置高速離心機(jī)是固控系統(tǒng)今后的方向。設(shè)計(jì)的鉆井液高速離心機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆井液高速離心機(jī)參數(shù)

隨著信息和自動(dòng)化技術(shù)在鉆井裝備應(yīng)用的推廣，離心機(jī)傳統(tǒng)操控模式也不能滿足節(jié)能降耗、增強(qiáng)SHE要求的需求，將更多的考慮設(shè)備技術(shù)的先進(jìn)性和安全可靠性[4]。新型高速離心機(jī)必須實(shí)現(xiàn)信息化程度高，采用自動(dòng)或手動(dòng)雙模式控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示離心機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整離心機(jī)轉(zhuǎn)速及差速比；具備自動(dòng)清洗、自動(dòng)解卡、狀態(tài)顯示、故障顯示、報(bào)警及急停功能。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

離心機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用不銹鋼箱體將滾筒總成裝完全包住，不銹鋼箱體由左右兩個(gè)腔室組成，左腔室收集離心機(jī)排除的液相，右腔室收集離心機(jī)排除的固相。主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒內(nèi)裝有螺旋推進(jìn)器，通過滾筒大端的行星差速器，可以相對滾筒旋轉(zhuǎn)，差速器右端也裝有一個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)裝置，為差速器提供一個(gè)輸入轉(zhuǎn)速。

1.2 離心機(jī)的工作原理

送料泵將泥漿泵入高速離心機(jī)的進(jìn)液管，在高速旋轉(zhuǎn)的滾筒帶動(dòng)下，被送進(jìn)來的泥漿高速旋轉(zhuǎn)，被甩到筒壁上的泥漿形成液圈，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下，固相顆粒就克服泥漿的阻力快速積聚到滾筒內(nèi)壁形成固相層，液體形成液相層，完成固液分離的過程。在輔助電動(dòng)機(jī)一定轉(zhuǎn)速下，螺旋推進(jìn)器與滾筒之間形成轉(zhuǎn)速差，螺旋葉片將積聚在滾筒內(nèi)壁上的固相層就從筒壁上刮下并推向滾筒小端，在推進(jìn)過程中進(jìn)行脫水，最后巖屑到達(dá)排砂噴嘴被旋轉(zhuǎn)的滾筒甩出，完成推渣過程。

圖1 離心機(jī)分離原理圖

1.3 控制要求

離心機(jī)的單位時(shí)間的處理量與泥漿的性質(zhì)有關(guān)，泥漿黏度越高、巖屑含量越高時(shí)，單位時(shí)間處理的量就低。在離心機(jī)的工作過程中，離心機(jī)的處理量與送料速度、滾筒旋轉(zhuǎn)速度、推進(jìn)速度有關(guān)。不同的巖層，巖屑性質(zhì)不一樣，使用的泥漿也不一樣，進(jìn)液量不調(diào)整，黏度密度大時(shí)，螺旋推進(jìn)速度過快就會(huì)導(dǎo)致跑漿；固相含量高，推進(jìn)速度慢就容易出現(xiàn)卡阻甚至卡死，高轉(zhuǎn)速又會(huì)過載；黏度低、固相低時(shí)轉(zhuǎn)速不高效率又很低下。3個(gè)電動(dòng)機(jī)的速度必須根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩情況進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)需要監(jiān)測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，根據(jù)電動(dòng)機(jī)當(dāng)前不同的轉(zhuǎn)矩和速度實(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整3個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，讓離心機(jī)時(shí)一直處于不跑漿、不卡阻而處于最大出力能力的最佳工作狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要實(shí)時(shí)監(jiān)測3個(gè)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況，一般采用電流互感器測量電流，但交流電動(dòng)機(jī)的電流與有功功率之間還有相位角，不能直接體現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)載情況，通過傳感器來計(jì)算有功功率比較麻煩。轉(zhuǎn)矩比電流更能反映當(dāng)前的受阻情況。轉(zhuǎn)矩直接監(jiān)測需要在驅(qū)動(dòng)軸上安裝轉(zhuǎn)矩傳感器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)增加機(jī)械結(jié)構(gòu)難度和制造成本，并且收結(jié)構(gòu)影響，其復(fù)合受力導(dǎo)致其檢測的結(jié)果不一定能準(zhǔn)確反映離心機(jī)的真實(shí)負(fù)載情況[2]。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)3個(gè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)速度控制，直接采用3個(gè)變頻器對送料泵電動(dòng)機(jī)、主電動(dòng)機(jī)和輔助電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一般變頻器本身帶有控制器，采用變頻器對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，根據(jù)需要調(diào)整滾筒、螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速以及螺旋推進(jìn)器與滾筒的轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)型可適應(yīng)不同性能的泥漿和不同的泥漿處理要求。同時(shí)變頻器對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)，所以自帶當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩、功率等參數(shù)的監(jiān)視。直接通過變頻器獲取需要的速度和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，變頻器具有轉(zhuǎn)矩參數(shù)，避免在機(jī)械結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)矩傳感器和復(fù)雜的換算。變頻器參數(shù)如表2所示。

表2 鉆井液高速離心機(jī)配置變頻器參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為三層：1)HMI。采用工業(yè)組態(tài)屏，監(jiān)視當(dāng)前離心機(jī)各種參數(shù)，為操作者提供友好的操作界面，根據(jù)不同用戶需求可以任意組態(tài)畫面，使用靈活多樣。2)可編程控制器。實(shí)時(shí)讀取變頻器數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯及數(shù)據(jù)計(jì)算，并給變頻器下發(fā)控制指令，直接采集現(xiàn)場的液位高度等傳感器信號(hào)、直接輸出安全報(bào)警等信號(hào)。3)驅(qū)動(dòng)層。主要是帶通訊網(wǎng)絡(luò)的變頻器，根據(jù)控制器下發(fā)的指令控制電動(dòng)機(jī)按照指定速度運(yùn)行，并將電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給控制器。

每層之間的數(shù)據(jù)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)場布線簡潔，抗干擾能力強(qiáng)，交換數(shù)據(jù)靈活。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要完成鉆井液離心機(jī)的工藝過程控制和狀態(tài)監(jiān)視控。工藝過程控制主要由可編程控制器完成，操作分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式。狀態(tài)監(jiān)視由組態(tài)屏完成。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)控制屬于一鍵啟停模式，在滿足各自啟動(dòng)條件下，主機(jī)、輔機(jī)和供料電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)完成啟動(dòng)，控制器根據(jù)不同電動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)矩、速度判斷當(dāng)前離心機(jī)應(yīng)該處于什么狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使離心機(jī)工作在最佳狀態(tài)，該調(diào)整的控制軟件是根據(jù)高速離心機(jī)原理和現(xiàn)場使用積累的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成類似專家控制系統(tǒng)，屬于離心機(jī)的控制核心程序。停機(jī)過程也是按照停機(jī)條件自動(dòng)順序完成，同時(shí)進(jìn)行清洗，如果清洗過程未完成不會(huì)停機(jī)，避免泥漿干涸導(dǎo)致離心機(jī)卡死的問題。

如果要處理的鉆井液不足，可以根據(jù)實(shí)際需要手動(dòng)調(diào)整各電動(dòng)機(jī)的速度。但在手動(dòng)模式下正常工作時(shí)，必須按照操作規(guī)程進(jìn)行啟停和調(diào)整，出現(xiàn)違規(guī)操作時(shí)系統(tǒng)會(huì)給出警告提示，此時(shí)若忽略提示，再次確認(rèn)操作便可強(qiáng)制執(zhí)行，該功能用于設(shè)備維護(hù)試車等非正常工作狀態(tài)的操作。

HMI設(shè)計(jì)采用成熟的工業(yè)組態(tài)屏，完成各電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)視、處理參數(shù)及報(bào)警狀態(tài)等顯示。

2.3 防爆柜散熱設(shè)計(jì)

圖3 強(qiáng)制散熱隔爆柜結(jié)構(gòu)示意圖

高速離心機(jī)是石油鉆井的固控設(shè)備，安裝在泥漿灌上，器件的工作溫度一般在-20~55℃之間，除非極寒天氣，一般低溫環(huán)境都能正常運(yùn)行。但安裝位置屬于一區(qū)防爆區(qū)域，電控系統(tǒng)都是大功率驅(qū)動(dòng)裝置，必須采用隔爆形式才能滿足防爆要求，而變頻器的發(fā)熱量大，采用普通隔爆柜柜內(nèi)溫升難以得到控制，很容易導(dǎo)致柜內(nèi)的變頻器、可編程控制器等電氣設(shè)備不能正常工作甚至損壞。這也是當(dāng)前阻礙變頻器等先進(jìn)設(shè)備在防爆區(qū)域廣泛應(yīng)用的主要因素，必須采用強(qiáng)制散熱措施，控制柜內(nèi)溫升。

該控制系統(tǒng)的隔爆柜設(shè)計(jì)了獨(dú)特的通風(fēng)系統(tǒng)，保證隔爆的同時(shí)又滿足散熱要求。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。隔爆柜本體主要由前后布置的隔爆室和換熱室組成。兩個(gè)腔室之間的墻板上安裝有散熱銅管和導(dǎo)熱安裝板，大功率的變頻器的主要發(fā)熱元器件安裝在導(dǎo)熱安裝板上，實(shí)現(xiàn)隔爆室和換熱室的熱傳導(dǎo)，在隔爆腔外的隔爆軸流風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制風(fēng)冷作用下保證換熱室的充分散熱，從而很好地控制了隔爆室的溫升，保證元器件安全可靠的運(yùn)行。

3 結(jié)論

該控制系統(tǒng)采用可編程控制器作為核心，通過以太網(wǎng)連接變頻器，信息化程度高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)雙模式控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示離心機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，采用預(yù)置的控制程序?qū)崟r(shí)調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速、螺旋推進(jìn)速度、送料量，使離心機(jī)一直處于最佳工作狀態(tài)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)清洗、遇阻解卡、狀態(tài)顯示、故障報(bào)警及急停等功能。寶石機(jī)械生產(chǎn)制造的LW450×1250BP-N高速大排量離心機(jī)采用該控制系統(tǒng)，如圖4，整機(jī)性能優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

設(shè)計(jì)的控制柜將隔爆、熱傳導(dǎo)和強(qiáng)制風(fēng)冷相結(jié)合，解決了滿足大功率發(fā)熱元器件在一區(qū)及以下區(qū)域的安全可靠使用的難題，實(shí)現(xiàn)了防爆區(qū)域設(shè)備的智能化、自動(dòng)化控制，提高了離心機(jī)的綜合性能，同時(shí)降低現(xiàn)場施工難度，為防爆其他設(shè)備的智能控制柜設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。

圖4 LW450×1250BP-N高速大排量離心機(jī)