超高溫高壓流變儀中高精度壓力控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

王琪，趙建剛，韓天夫，石凱，李梅楠，許云博

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)、油氣資源的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)外依存度逐年加大，資源保障已上升為國(guó)家戰(zhàn)略行動(dòng)。鉆探工程是獲取地下資源或?qū)嵨镔Y料的唯一技術(shù)方法，深部勘探是解決國(guó)內(nèi)資源短缺的重要途徑之一。然而，隨著鉆孔深度的增加，井下溫度和壓力越來(lái)越高，在鉆井施工中要求鉆井液具有較好的抗高溫高壓能力。保證高溫高壓狀態(tài)下鉆井液流變性能的穩(wěn)定是深部安全鉆進(jìn)的前提。測(cè)定鉆井液高溫高壓流變性是評(píng)價(jià)和優(yōu)選深部鉆探鉆井液必需的基礎(chǔ)工作，高溫高壓流變儀是檢測(cè)和優(yōu)選深部鉆探耐高溫高壓鉆井液必不可少的實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器。鉆井液被稱為鉆探工程的血液，主要功能是攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁、平衡地層壓力、冷卻和潤(rùn)滑鉆具、傳遞水功率等。鉆井液的流變性是指在外力作用下鉆井液流動(dòng)和變形的特性。流變性的主要參數(shù)有黏度、切力和剪率。高溫高壓鉆井液流變儀是用于檢測(cè)抗高溫鉆井液流變參數(shù)的儀器，以優(yōu)選鉆井液配方或體系，滿足深部鉆井的需要。深海油氣鉆井、大陸科學(xué)鉆探、高溫地?zé)峒案蔁釒r的開采等都面臨高溫高壓的問(wèn)題。

本文研究高溫高壓流變儀中的壓力控制系統(tǒng)，主要從高精度壓力測(cè)量，增壓泵壓力控制，高精度恒壓泵的穩(wěn)定性及超壓預(yù)防措施等幾個(gè)方面展開討論。

2 壓力控制系統(tǒng)的組成

經(jīng)過(guò)多年積累的儀器設(shè)計(jì)及維修經(jīng)驗(yàn)，廣泛利用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和成功范例，結(jié)合應(yīng)用實(shí)際，根據(jù)最高壓力和控制精度的指標(biāo)要求，力求簡(jiǎn)單實(shí)用，盡可能地利用最少的液壓元件來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度壓力控制。這樣能夠降低故障發(fā)生概率，降低儀器制造成本。

壓力控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示，主要由過(guò)濾干燥器，低壓表頭，高壓表頭，電氣比例閥，電磁閥，氣驅(qū)增壓泵，測(cè)試釜，液體杯，電氣比例恒壓閥組成。其中過(guò)濾器用于凈化壓縮氣體，表頭用于指示壓力；氣驅(qū)增壓泵可以利用較低壓力的壓縮氣體作為動(dòng)力，將液體增壓至較高壓力，氣驅(qū)增壓泵的進(jìn)氣壓力由電氣比例閥控制。測(cè)試釜是儀器的核心，其最高耐受壓力在260 MPa以上。壓力的高精度控制是由電氣比例恒壓閥實(shí)現(xiàn)，基于微處理器的PID控制器，內(nèi)置USB連接，使用16位A/D轉(zhuǎn)換器，提高了數(shù)據(jù)采集的分辨率，并提供了暫?？刂频男滦筒僮髂Ｊ?，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)性高、精確且穩(wěn)定可靠的自動(dòng)化壓力控制。虛線表示壓縮空氣，增壓泵及恒壓閥左側(cè)實(shí)線表示常壓液體，右側(cè)實(shí)線表示高壓液體。壓縮空氣管路采用聚氨酯PU管，規(guī)格為10 mm×6.5 mm。高壓管路選用耐壓414 MPa的高壓不銹鋼管，材料為316不銹鋼，經(jīng)過(guò)冷拔加工制成，抗拉強(qiáng)度比退火液壓油管高出約40%。

圖1 壓力控制系統(tǒng)組成示意圖

3 增壓裝置

儀器采用壓力為0.7 MPa的壓縮空氣或者氮?dú)庾鳛轵?qū)動(dòng)氣源，經(jīng)過(guò)過(guò)濾干燥后，分別供給比例增壓泵和比例恒壓閥。比例增壓泵的作用是利用較低壓力的壓縮氣體作為動(dòng)力，將液體增壓至較高壓力。選用400倍的比例增壓泵，如果采用0.7 MPa的氣源，最高可以將液體增壓至約280 MPa。氣驅(qū)比例增壓泵可由0.1～1 MPa的空氣或惰性氣體驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，可廣泛應(yīng)用于機(jī)床、石油天然氣、化學(xué)及石油化工、國(guó)防、礦山、工程機(jī)械及航天航空等領(lǐng)域。

增壓泵前端的電氣比例閥可以控制增壓泵的進(jìn)氣壓力。該閥的型號(hào)為ITV 2050，可針對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行最小壓力及最大壓力的調(diào)節(jié)，能以最小壓力0～50%(F.S)，最大壓力100%～10%(F.S)的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。其特點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)壓力、速度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，避免了開關(guān)式氣閥換向時(shí)的沖擊現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和程序控制；與斷續(xù)控制相比，系統(tǒng)簡(jiǎn)化，元件大大減少；與液壓比例閥相比，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但響應(yīng)速度比液壓系統(tǒng)慢得多，對(duì)負(fù)載變化也比較敏感；使用功率小、發(fā)熱少、噪聲低，不會(huì)發(fā)生火災(zāi)，不污染環(huán)境。

雖然增壓泵可以控制壓力，但是只能粗略控制壓力，高精度恒壓是靠位于后級(jí)的電氣比例恒壓閥ER5000實(shí)現(xiàn)的。ER5000是艾默生過(guò)程管理推出的新一代系列電子壓力控制器，ER系列是基于微處理器的PID控制器。新一代ER5000是ER3000的升級(jí)版本，內(nèi)置USB連接，使用16位A/D轉(zhuǎn)換器，提高了數(shù)據(jù)采集的分辨率，并提供了暫停控制的新型操作模式，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)性高、精確且穩(wěn)定可靠的自動(dòng)化壓力控制。ER5000系列可用作獨(dú)立裝置或可連接至任何氣動(dòng)調(diào)壓器或閥門，對(duì)0～0.69 MPa 的清潔干燥惰性氣體的壓力進(jìn)行控制。在與TESCOM調(diào)壓器一起使用時(shí)，ER5000可為氣體和液體提供分布式壓力控制，壓力控制范圍為真空至206.8 MPa，Cv最大可達(dá)12。無(wú)論是搭配機(jī)械調(diào)壓器還是單獨(dú)使用，ER5000都可以提供精確而響應(yīng)迅速的閉環(huán)壓力控制，使用戶獲得任何想要的壓力。智能而直觀型的ERTuneTM軟件可實(shí)現(xiàn)快速便捷的安裝和調(diào)節(jié)，具有數(shù)據(jù)采集及在線維護(hù)等功能。 ER5000可提供多種配置，具有足夠的靈活性，能夠滿足種類廣泛的應(yīng)用需求。

4 壓力測(cè)量及高精度恒壓的實(shí)現(xiàn)

壓力傳感器輸出的是4～20 mA的電流信號(hào)，來(lái)避免長(zhǎng)距離毫伏級(jí)小信號(hào)傳輸時(shí)易受到電磁噪聲的干擾。ER5000內(nèi)部的跳線J5可以進(jìn)行輸入源4～20 mA和1～5 V之間的選擇，接通后選擇輸入源為4～20 mA，內(nèi)部匹配250 Ω電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

圖2 ER5000電氣比例恒壓閥

控制器每25 ms讀取一次反饋值并將其與從外部源或從其板載內(nèi)存中程序文件所獲取的設(shè)定值進(jìn)行比較。如果反饋值低于設(shè)定值，ER5000將啟動(dòng)進(jìn)氣閥，允許先導(dǎo)壓力進(jìn)入調(diào)壓器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這將導(dǎo)致調(diào)壓器的主閥打開，從而增加下游系統(tǒng)壓力；ER5000將繼續(xù)傳送先導(dǎo)壓力至調(diào)壓器的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，直到反饋值和設(shè)定值相等；等到上述兩個(gè)值相等，進(jìn)氣閥將關(guān)閉，在此壓力下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定。如果反饋值高于設(shè)定值，則ER5000將啟動(dòng)排氣閥，從調(diào)壓器中釋放先導(dǎo)壓力，先導(dǎo)壓力降低可導(dǎo)致調(diào)壓器主閥關(guān)閉，同時(shí)也可導(dǎo)致調(diào)壓器排放口打開，從而排放過(guò)量系統(tǒng)壓力；結(jié)果為下游系統(tǒng)壓力降低，ER5000將繼續(xù)排放先導(dǎo)壓力，直到反饋信號(hào)等于設(shè)定值；等到上述兩個(gè)值相等，排氣閥將關(guān)閉，在此壓力下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定。

5 安全措施

壓力系統(tǒng)的安全措施不僅要考慮壓力系統(tǒng)本身，還要結(jié)合儀器整機(jī)綜合考慮。作為高壓系統(tǒng)，充分考慮了安全預(yù)防措施才能保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。在輸入端，設(shè)計(jì)了帶自動(dòng)泄壓的過(guò)濾器，可以濾除輸入氣源中的固體和水蒸氣雜質(zhì)，超過(guò)預(yù)設(shè)氣壓自動(dòng)排氣。在高壓管路中，安裝有爆破片容器，液壓油超過(guò)預(yù)設(shè)壓力，會(huì)沖破爆破片，自動(dòng)泄壓。另外，由于壓力系統(tǒng)處于半開放狀態(tài)，液壓油容易受到樣品污染，因此在高壓回路上設(shè)計(jì)安裝了過(guò)濾器，可以過(guò)濾400目以上的固體顆粒。

作為用于高溫高壓流變儀的壓力系統(tǒng)，在儀器正常運(yùn)行時(shí)，如果樣品釜處于高溫狀態(tài)，是不允許立刻泄壓的。那么就要求壓力系統(tǒng)能夠具有斷電、斷氣保壓功能。即使在突然斷電或沒有壓縮氣體供應(yīng)時(shí)，該系統(tǒng)也能保持高壓管路內(nèi)的壓力，直到恢復(fù)供電后系統(tǒng)正常運(yùn)行或者手動(dòng)泄壓。

6 結(jié)束語(yǔ)

超高溫高壓流變儀是深海油氣鉆井、大陸科學(xué)鉆探、高溫地?zé)峒案蔁釒r的開采中必不可少的實(shí)驗(yàn)儀器，其中高精度壓力控制系統(tǒng)是保證儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的一部分。

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