一种液压驱动调速的钻井液离心机

马洪钟 徐遵宏

（渤海钻探工程有限公司设备处 天津）

离心机是石油钻井行业中的一种重要固控设备，其作用是用于去除钻井液中直径在2～7 μm的有害固相，主要为细小岩屑。目前，国产离心机大多数都属于固定转速离心机，采用电动机直接驱动，随着国内钻井技术的不断完善，设计井深越来越深，这就要求离心机的处理量更大，转速更高，并具有良好的转速调节性能。因此目前国内钻井队所使用的较先进离心机都是从国外进口。

未解决现存问题，渤海钻探工程有限公司与华油一机（河北）钻井装备有限公司联合研发了LW355×1280Y-N离心机。该离心机采用液压驱动调速系统，处理量可以达到40 m3/h，最高转速可达3900 r/min，在最佳转速2900 r/min的时候分离因数为1672，达到甚至高于国外某些先进高速离心机的分离因数，能够使排出的固相更加干燥，有效地减少钻井液的浪费。液压系统的耐候性好、性能可靠，因此，液压驱动离心机在低温环境和赤道附近的高温环境下均能够可靠的工作，离心机结构见图1。

一、离心机主要特点

稳定的液压驱动及调速系统。液压驱动调速系统是本离心机的最大特点，液压系统可将动力传送远处而不使用机械传动链，这一特点可使动力传输组件的位置在设计上有很大的灵活性。液压系统由电动机、液压变量泵、液压马达、油箱、冷油器、滤油器以及相应的管路等组成。

图1 离心机结构图

（1）工作原理（图2）。电机带动液压泵，液压泵的进口与油箱相连，出口与液压马达的进口相连给液压马达提供能量，液压马达上安装大皮带轮，通过皮带传动将动力传递到小皮带轮，小皮带轮带动离心机滚筒的转动。

图2 液压系统工作流程

（2）调速原理。通过一个旋转式调速手轮调节进入液压变量泵伺服油缸的油量，进而改变伺服油缸的压力来控制变量泵的排量，泵排量的大小决定了液压马达转速的高低，这样就可以依靠一个简单的操纵机构来实现液压马达转速的调整，从而实现滚筒的无级平滑调速。相比于目前离心机常用的电力变频器调速，液压调速具有优点：①液压驱动调速系统的结构简单，操作方便，操作人员无需过多的专业知识，而变频器操作复杂且需要对操作人员进行专业培训；②受环境因素影响较小，而变频器属于精密仪器，受高温、污染等恶劣环境因素影响较大；③液压调速装置价格低廉，变频器价格昂贵。

液压驱动系统的关键部件均采用伊顿流体公司的产品，组成一个自润滑的、闭环系统，具有结构紧凑、可靠性高、不漏油的优点。该传动系统可提供从零到最大转速之间的可变量输出转速，可实现正转或反转，这就使操作人员能准确按照离心机的载荷情况去控制调节转速，达到性能优化。

二、滚筒结构性能优越

离心机滚筒长度2190 mm，具有较大的长径比，根据卧螺离心机的理论计算及进口离心机的使用情况来看，提高长径比L/D到3.6，能有效提高离心机的处理量和钻屑的干燥程度。滚筒主要由外滚筒、内滚筒和螺旋输送器、可单电机驱动的差速器，以及灵敏可靠的力矩式扭矩保护器几部分组成。区别于大多数双电机驱动离心机，该离心机实现了单电机驱动，即电机通过液压系统、皮带传动装置驱动外滚筒转动，内滚筒的转动由差速器控制（图3）。

图3 离心机滚筒结构图

单电机驱动的差速器结构为双级2K-H，啮合方式为双级NGW。结构简图（图4），使用时内齿轮b和b1连接离心机外筒，行星轮H1连接螺旋输送器，太阳轮a固定不动，连接扭矩保护器。这种方式的差速器，通常采用2级或3级减速来实现其较大的传动比，图4中传动比的计算见式（1）。

当滚筒内钻屑难以排出时，造成差速器内部与外筒和螺旋输送器连接的两组齿轮同步旋转，齿轮轴a驱动扭矩保护器旋转，触碰限位开关后输出一路开关量信号控制机组停机，保护机组运行安全。此外在零部件的制造上，滚筒推进器的螺旋推进片采用了碳化钨涂层，能够有效地延长推进器的使用寿命；滚筒的箱体采用了不锈钢材料制作，相比于传统的碳钢材料，防腐蚀性能大大提高。

图4 双级2K-H差速器原理图

三、可靠的电器及自动控制系统

离心机的电气控制系统功能强大，除了为离心机和供液泵供电，还能够根据从现场采集的温度信号、液位信号，离心机运行的速度信号和扭矩信号来自动控制系统的运行，同时提供保证机组运行安全的电气联锁保护。该系统由扭矩保护器，转速传感器，油温、油位传感器和两个防爆控制箱（动力电源箱和控制电路箱）组成。为满足现场使用环境电控箱采用隔爆型，防爆等级ExdⅡBT4，防护等级IP56。

动力电源箱主要为离心机和供液泵供电，可实现功能：离心机主电机、供液泵、冷油泵的启动和停止，并具有基本过载保护的功能；离心机主电机和供液泵的复位功能；冷油泵控制的手动/自动状态切换；过扭矩保护功能，当离心机滚筒扭矩达到设定的扭矩值时，扭矩保护器的输出信号进行离心机过扭矩的停机联锁保护；动力电源箱的面板上有总电源指示灯、离心机、供液泵、冷油泵的运行状态指示、离心机过扭矩报警指示。

控制电路箱用于监视离心机转速、油箱的油温和油位，并实现离心机联锁保护控制，主要功能：转速控制，离心机滚筒的转速由转速传感器来检测，当滚筒转速低于1500 r/min时，供液泵不允许启动，离心机低速运行指示灯亮，当滚筒转速达到1500 r/min时，供液泵自动运行，当滚筒转速高于1500/min时，供液泵自动停止，高速运行指示灯亮，当滚筒转速高于4000 r/min时，离心机自动保护停机，超高速指示灯亮。为实现上述功能在控制箱内安装了一个速度控制器，转速传感器的模拟信号输入控制器，控制器可以输出3路开关量控制信号，分别用于判断滚筒转速低、转速高和转速超高3个状态。

油箱温度控制。在自动状态下当油箱温度高于＞60℃时冷油泵自动启动，当油箱温度降到45℃时冷油泵自动停止，此功能由温度传感器、温度控制器和继电器来实现，温度控制器可以输入油箱温度的模拟信号，输出2路开关量控制信号。离心机转速和油箱温度的设定值可以自由设定，根据需要进行修改。

油箱油位控制。为保证离心机安全，当油箱油位过低时离心机自动停机。

控制箱的面板上有转速高、转速超高、转速低、油温高、油位低5种报警显示和离心机转速、油箱温度、机组累计运行时间3个主要运行参数的实时显示。便于操作人员监视判断离心机的运行状态。

离心机于2008年开始投入华北油田和新疆塔里木油田投入使用，5年来机组运转平稳，噪声低，无任何渗漏现象，没有出现任何机械故障。经用户使用，一致认为其性能可靠、结构新颖、处理量大，并且操作维护方便，很好的控制了钻井液的黏度、固相含量和密度，对提高钻井速度，节省钻井成本。该离心机于2013年申请国家实用新型专利，专利申请号201320578918.5。