超高温高压流变仪中高精度压力控制系统的实现

2018-04-28王琪赵建刚韩天夫石凯李梅楠许云博

地质装备 2018年2期

王琪，赵建刚，韩天夫，石凯，李梅楠，许云博

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

随着经济的高速发展，我国对矿产、油气资源的需求不断增长，对外依存度逐年加大，资源保障已上升为国家战略行动。钻探工程是获取地下资源或实物资料的唯一技术方法，深部勘探是解决国内资源短缺的重要途径之一。然而，随着钻孔深度的增加，井下温度和压力越来越高，在钻井施工中要求钻井液具有较好的抗高温高压能力。保证高温高压状态下钻井液流变性能的稳定是深部安全钻进的前提。测定钻井液高温高压流变性是评价和优选深部钻探钻井液必需的基础工作，高温高压流变仪是检测和优选深部钻探耐高温高压钻井液必不可少的实验测试仪器。钻井液被称为钻探工程的血液，主要功能是携带岩屑、稳定井壁、平衡地层压力、冷却和润滑钻具、传递水功率等。钻井液的流变性是指在外力作用下钻井液流动和变形的特性。流变性的主要参数有黏度、切力和剪率。高温高压钻井液流变仪是用于检测抗高温钻井液流变参数的仪器，以优选钻井液配方或体系，满足深部钻井的需要。深海油气钻井、大陆科学钻探、高温地热及干热岩的开采等都面临高温高压的问题。

本文研究高温高压流变仪中的压力控制系统，主要从高精度压力测量，增压泵压力控制，高精度恒压泵的稳定性及超压预防措施等几个方面展开讨论。

2 压力控制系统的组成

经过多年积累的仪器设计及维修经验，广泛利用国内外先进技术和成功范例，结合应用实际，根据最高压力和控制精度的指标要求，力求简单实用，尽可能地利用最少的液压元件来实现高精度压力控制。这样能够降低故障发生概率，降低仪器制造成本。

压力控制系统示意图如图1所示，主要由过滤干燥器，低压表头，高压表头，电气比例阀，电磁阀，气驱增压泵，测试釜，液体杯，电气比例恒压阀组成。其中过滤器用于净化压缩气体，表头用于指示压力；气驱增压泵可以利用较低压力的压缩气体作为动力，将液体增压至较高压力，气驱增压泵的进气压力由电气比例阀控制。测试釜是仪器的核心，其最高耐受压力在260 MPa以上。压力的高精度控制是由电气比例恒压阀实现，基于微处理器的PID控制器，内置USB连接，使用16位A/D转换器，提高了数据采集的分辨率，并提供了暂停控制的新型操作模式，可实现重复性高、精确且稳定可靠的自动化压力控制。虚线表示压缩空气，增压泵及恒压阀左侧实线表示常压液体，右侧实线表示高压液体。压缩空气管路采用聚氨酯PU管，规格为10 mm×6.5 mm。高压管路选用耐压414 MPa的高压不锈钢管，材料为316不锈钢，经过冷拔加工制成，抗拉强度比退火液压油管高出约40%。

图1 压力控制系统组成示意图

3 增压装置

仪器采用压力为0.7 MPa的压缩空气或者氮气作为驱动气源，经过过滤干燥后，分别供给比例增压泵和比例恒压阀。比例增压泵的作用是利用较低压力的压缩气体作为动力，将液体增压至较高压力。选用400倍的比例增压泵，如果采用0.7 MPa的气源，最高可以将液体增压至约280 MPa。气驱比例增压泵可由0.1～1 MPa的空气或惰性气体驱动，其结构紧凑，成本低廉，可广泛应用于机床、石油天然气、化学及石油化工、国防、矿山、工程机械及航天航空等领域。

增压泵前端的电气比例阀可以控制增压泵的进气压力。该阀的型号为ITV 2050，可针对输入信号进行最小压力及最大压力的调节，能以最小压力0～50%(F.S)，最大压力100%～10%(F.S)的范围进行调节。其特点是：可实现压力、速度的无级调节，避免了开关式气阀换向时的冲击现象，能实现远程控制和程序控制；与断续控制相比，系统简化，元件大大减少；与液压比例阀相比，体积小、重量轻、结构简单、成本较低，但响应速度比液压系统慢得多，对负载变化也比较敏感；使用功率小、发热少、噪声低，不会发生火灾，不污染环境。

虽然增压泵可以控制压力，但是只能粗略控制压力，高精度恒压是靠位于后级的电气比例恒压阀ER5000实现的。ER5000是艾默生过程管理推出的新一代系列电子压力控制器，ER系列是基于微处理器的PID控制器。新一代ER5000是ER3000的升级版本，内置USB连接，使用16位A/D转换器，提高了数据采集的分辨率，并提供了暂停控制的新型操作模式，可实现重复性高、精确且稳定可靠的自动化压力控制。ER5000系列可用作独立装置或可连接至任何气动调压器或阀门，对0～0.69 MPa 的清洁干燥惰性气体的压力进行控制。在与TESCOM调压器一起使用时，ER5000可为气体和液体提供分布式压力控制，压力控制范围为真空至206.8 MPa，Cv最大可达12。无论是搭配机械调压器还是单独使用，ER5000都可以提供精确而响应迅速的闭环压力控制，使用户获得任何想要的压力。智能而直观型的ERTuneTM软件可实现快速便捷的安装和调节，具有数据采集及在线维护等功能。 ER5000可提供多种配置，具有足够的灵活性，能够满足种类广泛的应用需求。

4 压力测量及高精度恒压的实现

压力传感器输出的是4～20 mA的电流信号，来避免长距离毫伏级小信号传输时易受到电磁噪声的干扰。ER5000内部的跳线J5可以进行输入源4～20 mA和1～5 V之间的选择，接通后选择输入源为4～20 mA，内部匹配250 Ω电阻，将电流信号转换为电压信号。

图2 ER5000电气比例恒压阀

控制器每25 ms读取一次反馈值并将其与从外部源或从其板载内存中程序文件所获取的设定值进行比较。如果反馈值低于设定值，ER5000将启动进气阀，允许先导压力进入调压器的执行机构，这将导致调压器的主阀打开，从而增加下游系统压力；ER5000将继续传送先导压力至调压器的气动执行机构中，直到反馈值和设定值相等；等到上述两个值相等，进气阀将关闭，在此压力下对系统进行稳定。如果反馈值高于设定值，则ER5000将启动排气阀，从调压器中释放先导压力，先导压力降低可导致调压器主阀关闭，同时也可导致调压器排放口打开，从而排放过量系统压力；结果为下游系统压力降低，ER5000将继续排放先导压力，直到反馈信号等于设定值；等到上述两个值相等，排气阀将关闭，在此压力下对系统进行稳定。

5 安全措施

压力系统的安全措施不仅要考虑压力系统本身，还要结合仪器整机综合考虑。作为高压系统，充分考虑了安全预防措施才能保证系统长时间正常运行。在输入端，设计了带自动泄压的过滤器，可以滤除输入气源中的固体和水蒸气杂质，超过预设气压自动排气。在高压管路中，安装有爆破片容器，液压油超过预设压力，会冲破爆破片，自动泄压。另外，由于压力系统处于半开放状态，液压油容易受到样品污染，因此在高压回路上设计安装了过滤器，可以过滤400目以上的固体颗粒。

作为用于高温高压流变仪的压力系统，在仪器正常运行时，如果样品釜处于高温状态，是不允许立刻泄压的。那么就要求压力系统能够具有断电、断气保压功能。即使在突然断电或没有压缩气体供应时，该系统也能保持高压管路内的压力，直到恢复供电后系统正常运行或者手动泄压。