钻井液高速离心机数字化自动控制系统研制与应用

高晓军，杨杰

（中国石油川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，陕西 西安 710018）

1 离心机概述

自从上世纪80年代末我国石油钻井行业引进离心机以来，离心机已成为钻井作业中（特别是中深井和水平井）不可或缺的固控设备。钻井液离心机一般安装在固控系统的最后一级，主要用于将悬浮液中固相颗粒直径≥2μm的悬浮液分离，或将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开。钻井液离心机分离度细，能长时间运转以及维护方便，固相控制高效，能提高转速，延长钻头使用寿命，减小水力机械磨损，显著降低泥浆补充和处理的成本等优点，而被广泛应用。

1.1 离心机工作原理

离心机的分离原理是利用滚筒的高速旋转带动进入滚筒中的泥浆高速旋转，泥浆被甩到筒壁上形成一个液圈，液圈中的固相颗粒由于受到大于自身重力几百倍甚至几千倍的离心力的作用，就克服泥浆粘度的阻力快速沉降到滚筒的内壁上，形成固相层，液体形成液相层。在差速器的作用下，螺旋推进器与滚筒形成一定的转速差，于是把已沉降到滚筒内壁上的固相颗粒从筒壁上刮下，被螺旋叶片逐步推向滚筒小端，并在推进过程中进行脱水，最后到达排砂喷嘴后被甩出滚筒，排出罐外。

1.2 高速离心机特点

高速离心机：它的分离因素为1200～2100左右，分离点2～5μm，用于清除有害固相，控制泥浆粘度。

长庆区域低速离心机很少使用，中速离心机多采用星三角启动，无法调整离心机转速，使用受限，而高速离心机采用变频调速，符合电动钻机配置要求。

2 变频控制系统

目前，长庆区域高速离心机变频控制系统采用多键启停，启动操作时，逐步启动辅机、主机、供液泵，停机是也同样，先关闭供液泵，关闭主机，最后停止辅机。控制柜有显示屏，可以显示电流、变频等参数，调整主机速度仍需按钮操作。而且采用变频控制与启动电路分箱安装，下端的电路箱没有防凝露装置，且有轴流风机冷却风道，潮气易进入箱体，容易积水造成电气元器件锈蚀失效，甚至烧毁。

目前长庆区域部分井队循环罐上的清水管线锈蚀严重，已不能正常使用，导致高速离心机滚筒泥浆清洗时，必须通过多节软管（消防水带）连接至水罐处，通过水罐水泵清洗离心机。操作不方便，易疏忽而造成离心机卡死。

3 数字化自动控制系统研制

3.1 电气原理图

图1 电气原理图

根据离心机的工作特性，主辅机电机均采用变频器调速方式，满足不同工况处理泥浆的需求，供液泵与散热风机均采用直接启动的方式。主机与辅机的变频调速给定分为两部分之和，即A=B+C，其中B为触摸屏上设定的频率，触摸屏通过通信方式写入PLC寄存器，PLC再通过RS485写入变频器内部寄存器，C为电位器电压，可以实现频率的精调。

高速离心机运行管理系统是全数字化智能系统，各设备间采用专用通信协议以及主流的MODBUS RTU协议，实现所有数据共享与流转。离心机全部工艺参数均可在触摸屏上设置，所有的运行参数与状态也全部显示在触摸屏上，包括电流、电压、功率、频率、转速、报警信息等。

防爆控制箱上设置了“电源启停”旋钮，“一键启停”旋钮，“防凝露”开关，“故障复位”旋钮，“主辅机速度微调”旋钮，以及各类状态指示灯。进出线采用插接件模式，主机和辅机调速采用变频调速模式，逻辑控制采用PLC逻辑控制。触摸屏上显示系统全参数，包括主辅机运行状态、电流、电压、频率、转速、负载率百分比等。

3.2 结构外形图

图2 外形结构示意图

图3 自动清洗系统示意图

由于变频器是一种大功率器件，在工作时会产生大量的热量，散热不好会导致变频器高温报警，而且还会影响其他电器元件的正常工作。传统的做法是将变频器拆解，各电路板及功率器件安装在防爆箱底板上，利用防爆箱壳体实现散热功能。

该做法有几点不好：（1）变频器拆解后不提供保修服务了；（2）变频器的电路板安装在防爆箱底板上就破坏了原电磁干扰设计（EMI），容易出现一些莫名其妙的问题；（3）防爆箱壳体的自然散热效果不佳。针对这几点，专门设计了双层防爆箱，变频器不拆解，整机主体安装在前层，散热片部分伸出到后层，前后层间采取特殊措施，达到GB3836的防爆要求。在后层安装了一台防爆散热风机，当任意一台变频器工作时就启动防爆散热风机，将变频器的热量完全带走，保证整个系统正常温升。

3.3 设备电气参数

主机功率37kW，转速1460r/min，辅机功率7.5kW，转速1480r/min，供料泵功率11kW。

3.4 防凝露功能实现

防爆控制柜采用全封闭式，减少潮气进入箱体，另本系统在防爆箱操作面板上设计了防凝露开关，在结露严重的秋冬季节时将此开关打开，加热并循环防爆箱内部空气，使其保持恒温（设定值为20℃，超温则停止加热空气），避免水蒸气从空气中凝结出来，短路损毁电器元件，达到“防凝露”基本功能。

3.5 自动清洗功能实现

把原来离心机上的清水管线上手动球阀更换为防爆不锈钢电磁阀（DN50，220V），通过防离心机爆控制箱来控制其打开与关闭。考虑到液体流向问题，还需增加一个单向阀，防止泥浆倒灌。

由于泥浆中含有较多的细小颗粒物，对任何电磁阀阀芯都会有磨损作用，大颗粒物还有可能会堵塞阀芯，导致电磁阀损毁，寿命极短，因此将泥浆管线上的手动球阀更换为防爆电动阀（DN50，220V，蝶阀），用程序控制其打开与关闭。

单独制作一个小水箱（1.5米x1.5米x1.2米），注满水可达2.7立方米，完全满足离心机的清洗量要求。另单独为清洗流程配置一个防爆潜水泵（流量15 m³/h，扬程15米，功率1.5kW），由离心机防爆箱根据清洗流程控制其启停，形成独立清洗系统。

自动清洗内外滚筒流程，不需要人为干预，既减轻了现场工人的劳动强度，也从源头上杜绝了由于人为失误（交接不清楚，忘记清洗或者清洗时间不够，未清洗干净等）造成的泥浆堵塞而损坏设备。

3.6 开机流程

启动前，确保行程开关处于闭合位置。向右旋转“电源启停”旋钮，启动电操机构，电源合闸，指示灯亮。

向左旋转“一键启停”旋钮，系统自动运行，步骤如下。首先启动辅机，辅机运行指示灯亮，开始运行，频率自动缓慢上升至45Hz（该值可根据泥浆比重的变化在触摸屏上设置），速度稳定后可以通过防爆箱上“辅机速度微调”旋钮改变辅机输出频率值（精度可达百分之一），从而对辅机转速进行高精度微调。

辅机平稳运行20秒以后自动启动主机，主机运行指示灯亮，开始运转，频率自动缓慢上升至45Hz（该值可根据泥浆比重的变化在触摸屏上设置），速度稳定后可以通过防爆箱上“主机速度微调”旋钮改变辅机输出频率值（精度可达百分之一），从而对主机转速进行高精度微调。

主机运行平稳后自动打开供液泵电动阀，启动供液泵，整套系统开始工作。

3.7 关机流程

向右旋转“一键启停”旋钮，系统自动停车，步骤如下。

3.7.1 首先停止供料泵

3.7.2 自动打开清洗泵与清洗阀

对离心机内外筒进行清洗，10分钟后清洗结束，自动关闭清洗阀，然后依次进行主机减速停车与辅机减速停车，待辅机完全停止后关闭电源。

4 现场应用

截至目前,长庆区域为2台高速离心机配套了数字化自动控制系统,并利用这2套控制系统的离心机在庆城地区完成了2口井的施工任务。在施工过程中运转情况良好,没有出现故障。并具有控制更灵活,操作更方便,能够适应现场钻井施工工艺要求,为进一步提高钻井液固相控制水平、安全、高效钻井奠定了基础。

5 结语

该控制系统采用PLC逻辑控制作为核心，采用触摸屏，自动化程度高，实现“一键启停”功能，实现离心机自动控制。界面友好，可同时显示全系统参数，报警信息丰富，同时在界面上直接输入，操作简单，可视性程度高。通过主辅机速度微调，使离心机处于最佳工作状态。同时实现自动清洗、故障报警及急停等功能。有利于提高离心机的综合性能，降低现场使用难度。