鉆井泵二次壓力保護裝置的研制與應(yīng)用

王寶忠，孫炬亮，汪曉春，劉賢策，劉 亮，李恒東

（渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程分公司，天津 300280）

0 引言

石油鉆井泵是石油鉆井系統(tǒng)不可缺少的鉆井機械設(shè)備之一，在鉆進過程中給鉆桿輸送泥漿等介質(zhì)，主要是對井筒泥漿進行循環(huán)，以確保冷卻、沖洗鉆頭、井筒巖屑的攜帶和穩(wěn)固井筒平衡地層壓力等作用。

石油鉆井泵是一種容積式鉆井泵，通過密封工作腔（泥漿泵缸套）的容積周期性變化，將原動機械能轉(zhuǎn)化為輸送液體的壓力能，從而完成作業(yè)。具體過程是：借助泥漿泵活塞在缸套的往復(fù)運動，使工作腔容積產(chǎn)生周期性變化，泥漿泵缸套借助密封圈等密封裝置與外界隔絕，并通過泵閥（吸入閥或排出閥）與管路溝通與閉合，周而復(fù)始的運動來達到泥漿不間斷地循環(huán)。目前，油田使用的泥漿泵基本上是三缸式泥漿泵（即3 個缸套）。

鉆井泵安全防護一直是油田特別關(guān)注的問題之一，絕大部分鉆井隊采用剪切式安全閥對泥漿泵進行保護：當泵壓達到設(shè)定的閾值時，安全閥的剪切銷會自動剪斷，泥漿由安全閥泄壓管線泄漏，從而保證泥漿泵的壓力降到閾值之下。國內(nèi)學(xué)者郭公喜闡述了剪銷式安全閥具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性和穩(wěn)定性，均優(yōu)于彈簧式安全閥，現(xiàn)場對美國壹銷型剪銷式安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計給予肯定，認為推廣選用壹銷型剪銷式安全閥很有實用價值；田占川等[1]針對JA-3×35 剪銷式安全閥的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點，提出了3 種鉆井泵安全閥試驗方法，分別從試驗效率和精確度方面對3 種試驗方法進行對比，確定了鉆井泵安全的最優(yōu)試驗方法；史衛(wèi)波等[2]對油田配套的剪銷式安全閥，彈簧復(fù)位式安全閥，分析其應(yīng)用現(xiàn)狀及特點，同時提出優(yōu)化建議，為安全閥的進一步優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用提供新的思路和方法。但是這種保護方式存在缺陷，剪切銷的硬度過強或過弱都有可能造成泥漿泵的誤動作，影響正常的生產(chǎn)作業(yè)，并且存在安全隱患[3]。

尤其冬季鉆井施工作業(yè)，很容易將剪切式安全閥的活塞與缸套凍結(jié)住，會造成設(shè)備和人員的重大安全事故。吳立東針對冬季安全閥容易出現(xiàn)的問題發(fā)布了專利，具體地說是安全閥對泥漿泵的過壓保護作用是非常重要的，安全閥經(jīng)短節(jié)安裝在排出高壓五通的上方，排出歧管的左端，處于流動介質(zhì)的下游，安全閥不斷接收到介質(zhì)的傳質(zhì)、傳熱，所以不易凍凝。另外，空氣包裝在排出歧管右端的高壓五通的上方，能正常維持高壓介質(zhì)的壓力平衡。安全閥這種獨特的設(shè)置結(jié)構(gòu)，使其安全系數(shù)更高，使用維護非常方便。

以上均沒有離開剪切式安全閥的使用，本研究突破以往的思路，采用智能控制儀進行檢測，達到對鉆井泵安全防護的作用。

1 研究思路與方案實施

1.1 研究思路

通過分析鉆井泵安全防護的原理，采用膜片壓力變送器（0～40 MPa）變送器，將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA 電流信號，供給智能控制儀表進行檢測，促使鉆井泵動力端的離合器或者電機停止輸出動力，來達到對鉆井泵液力端輸出壓力的控制，進而來實現(xiàn)鉆井泵的本質(zhì)安全。研究的目標如下：

（1）克服傳統(tǒng)的剪切式安全閥對鉆井泵進行保護所帶來的安全隱患，能夠?qū)崟r檢測泥漿泵壓力并進行邏輯判斷，在壓力超過設(shè)定值時，輸出控制信號使泥漿泵的氣胎離合器（機械鉆機）/電機（電動鉆機）斷開，并報警通知司鉆人員，能有效保護鉆井泵。

（2）能夠?qū)崟r檢測泥漿泵壓力。其特征是：在泥漿泵高壓管線處安裝平面膜片型壓力變送器（0～40 MPa），將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA 電流信號，供給智能控制儀表檢測。

（3）根據(jù)要求所述的進行邏輯判斷。在壓力超過設(shè)定值時，輸出控制信號使泥漿泵的氣胎離合器（機械鉆機）/電機（電動鉆機）斷開，其特征是：采用智能控制儀表進行邏輯判斷，并在儀表中設(shè)定閾值，超過閾值后由智能控制儀表進行輸出控制信號，驅(qū)動后續(xù)的控制電路。

（4）報警通知司鉆人員，當壓力值降到設(shè)定值之下時裝置恢復(fù)正常的工作模式。

1.2 技術(shù)方案

設(shè)計的鉆井泵二次壓力保護裝置裝置原理如圖1 所示：在泥漿泵高壓管線處安裝平面膜片型壓力（0～40 MPa）變送器，將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA 電流信號，供給智能控制儀表進行檢測（圖2）；智能控制儀表檢測后進行邏輯判斷，當壓力值超過設(shè)定值時輸出控制信號使泥漿泵的氣胎離合器（機械鉆機）/電機（電動鉆機）斷開，并報警通知司鉆人員；當壓力值降到設(shè)定值之下時，該裝置恢復(fù)正常的工作模式，報警解除。同時，該裝置全程用無紙記錄儀實時記錄壓力值，便于出現(xiàn)問題時進行查詢。

圖1 鉆井泵二次壓力保護裝置原理

圖2 平面膜片型壓力變送器（0～40 MPa）

石油鉆機有機械鉆機和電動鉆機兩種型式，其控制原理也不相同。

（1）機械鉆機。智能控制儀表實時監(jiān)測由平面膜片型壓力變送器將壓力轉(zhuǎn)換后的電流信號，當超過設(shè)定的上限時，智能控制儀表控制繼電器工作將電磁閥的氣路斷開，梭閥動作，泥漿泵氣胎離合器隨即停止工作。

（2）電動鉆機。智能控制儀表實時監(jiān)測由平面膜片型壓力變送器將壓力轉(zhuǎn)換后的電流信號，當超過設(shè)定的上限時，智能控制儀表控制繼電器動作將泥漿泵電機接線盒中與修理開關(guān)相連接的繼電器常閉觸點使能信號線切斷，泥漿泵隨即停止工作。

1.3 產(chǎn)品選型

鉆井泵二次壓力保護裝置顯示屏設(shè)有4 個顯示區(qū)域，每個區(qū)域可以連接一臺鉆井泵的工作壓力值，工程師可以在鉆井過程中，對所需要的壓力值上限輸入到顯示屏的某個鉆井泵的區(qū)域內(nèi)。例如，鉆進過程中需要的壓力上限值為15 MPa，那么鉆井泵的剪切銷就應(yīng)安裝在對應(yīng)的安全閥壓力值銷孔上，鉆井泵壓力保護裝置的設(shè)定上限值應(yīng)比剪切銷安全閥大1 MPa，當鉆井泵高壓泥漿輸出壓力達到剪切銷安全閥閾值時，剪切銷安全閥沒有動作，智能儀表開始傳輸報警信號給司鉆，當壓力階梯式上升、到達智能控制儀表的閾值時，該儀表立即發(fā)出信號，遂將鉆井泵動力輸入裝置進行停機處理，達到安全防護的作用。

由于在油田野外作業(yè)，環(huán)境惡劣，因此保護裝置中的智能儀表裝置采用威浦IP68 防水密封連接器（圖3）。它是目前最理想的防水連接器，防護等級也是行業(yè)最高的標準，不僅防水，還有防塵密封、耐高溫耐老化等特性，非常適用于油田現(xiàn)場。

在泥漿泵高壓管線處安裝平面膜片型壓力（0～40 MPa）變送器，電信號傳輸過渡插頭及電磁閥氣路控制裝置見圖3～圖5。

圖3 威浦IP68 防水密封連接器

圖4 電信號傳輸過渡插頭

圖5 電磁閥氣路控制裝置

電磁閥是二位二通常開式電磁閥，線圈電壓為直流24 V，當?shù)玫?4 V 電信號時切斷控制氣路，使離合器斷開，鉆井泵停止工作（機械鉆機）。當?shù)玫?4 V 電信號時繼電器常閉觸點斷開，電機使能控制信號丟失，電機隨即停止工作（電動鉆機），達到安全保護作用的目的。

2 應(yīng)用效果及技術(shù)創(chuàng)新點

該裝置在中國石油渤海鉆探第三鉆井公司70111 鉆井隊和BHZ70001 鉆井隊上使用，尤其是經(jīng)歷冬季鉆井施工作業(yè)，保證了設(shè)備和人員的安全。

新型鉆井泵二次壓力保護裝置，與傳統(tǒng)的剪切式安全閥對鉆井泵進行保護方式比具有以下5 個優(yōu)點：①實時監(jiān)控鉆井泵的壓力，智能儀表上可以實時顯示壓力值，方便工作人員監(jiān)測；②實時報警功能，泥漿泵壓力超過設(shè)定值時，報警通知司鉆人員提前進行處理；③手動恢復(fù)功能，壓力值降到正常范圍內(nèi)解除報警，手動恢復(fù)正常工作模式；④數(shù)據(jù)記錄功能，壓力值記錄保存，方便查詢溯源；⑤能有效地對泥漿泵進行二次安全保護。

3 結(jié)束語

鉆井泵二次壓力保護裝置在傳統(tǒng)鉆井泵壓力保護裝置基礎(chǔ)上，再疊加一套壓力保護系統(tǒng)，同時用無紙記錄儀進行跟蹤記錄壓力值和傳送信號，并且根據(jù)實際工作情況可以靈活設(shè)定壓力范圍，在到達設(shè)定閾值后及時進行控制，這樣就對鉆井隊泥漿泵進行了二次防護，能防止泥漿泵在一次防護失效后造成事故。該裝置能有效解決安全生產(chǎn)的隱患，避免泥漿泵一次防護失效后損壞設(shè)備，具有一定的經(jīng)濟效益，適宜大范圍推廣，特別適合冬季鉆井施工的作業(yè)。