钻井泵二次压力保护装置的研制与应用

王宝忠，孙炬亮，汪晓春，刘贤策，刘 亮，李恒东

（渤海钻探工程有限公司第三钻井工程分公司，天津 300280）

0 引言

石油钻井泵是石油钻井系统不可缺少的钻井机械设备之一，在钻进过程中给钻杆输送泥浆等介质，主要是对井筒泥浆进行循环，以确保冷却、冲洗钻头、井筒岩屑的携带和稳固井筒平衡地层压力等作用。

石油钻井泵是一种容积式钻井泵，通过密封工作腔（泥浆泵缸套）的容积周期性变化，将原动机械能转化为输送液体的压力能，从而完成作业。具体过程是：借助泥浆泵活塞在缸套的往复运动，使工作腔容积产生周期性变化，泥浆泵缸套借助密封圈等密封装置与外界隔绝，并通过泵阀（吸入阀或排出阀）与管路沟通与闭合，周而复始的运动来达到泥浆不间断地循环。目前，油田使用的泥浆泵基本上是三缸式泥浆泵（即3 个缸套）。

钻井泵安全防护一直是油田特别关注的问题之一，绝大部分钻井队采用剪切式安全阀对泥浆泵进行保护：当泵压达到设定的阈值时，安全阀的剪切销会自动剪断，泥浆由安全阀泄压管线泄漏，从而保证泥浆泵的压力降到阈值之下。国内学者郭公喜阐述了剪销式安全阀具有结构简单，工作可靠性和稳定性，均优于弹簧式安全阀，现场对美国壹销型剪销式安全阀的结构设计给予肯定，认为推广选用壹销型剪销式安全阀很有实用价值；田占川等[1]针对JA-3×35 剪销式安全阀的结构和技术特点，提出了3 种钻井泵安全阀试验方法，分别从试验效率和精确度方面对3 种试验方法进行对比，确定了钻井泵安全的最优试验方法；史卫波等[2]对油田配套的剪销式安全阀，弹簧复位式安全阀，分析其应用现状及特点，同时提出优化建议，为安全阀的进一步优化设计和应用提供新的思路和方法。但是这种保护方式存在缺陷，剪切销的硬度过强或过弱都有可能造成泥浆泵的误动作，影响正常的生产作业，并且存在安全隐患[3]。

尤其冬季钻井施工作业，很容易将剪切式安全阀的活塞与缸套冻结住，会造成设备和人员的重大安全事故。吴立东针对冬季安全阀容易出现的问题发布了专利，具体地说是安全阀对泥浆泵的过压保护作用是非常重要的，安全阀经短节安装在排出高压五通的上方，排出歧管的左端，处于流动介质的下游，安全阀不断接收到介质的传质、传热，所以不易冻凝。另外，空气包装在排出歧管右端的高压五通的上方，能正常维持高压介质的压力平衡。安全阀这种独特的设置结构，使其安全系数更高，使用维护非常方便。

以上均没有离开剪切式安全阀的使用，本研究突破以往的思路，采用智能控制仪进行检测，达到对钻井泵安全防护的作用。

1 研究思路与方案实施

1.1 研究思路

通过分析钻井泵安全防护的原理，采用膜片压力变送器（0～40 MPa）变送器，将压力信号转变为4～20 mA 电流信号，供给智能控制仪表进行检测，促使钻井泵动力端的离合器或者电机停止输出动力，来达到对钻井泵液力端输出压力的控制，进而来实现钻井泵的本质安全。研究的目标如下：

（1）克服传统的剪切式安全阀对钻井泵进行保护所带来的安全隐患，能够实时检测泥浆泵压力并进行逻辑判断，在压力超过设定值时，输出控制信号使泥浆泵的气胎离合器（机械钻机）/电机（电动钻机）断开，并报警通知司钻人员，能有效保护钻井泵。

（2）能够实时检测泥浆泵压力。其特征是：在泥浆泵高压管线处安装平面膜片型压力变送器（0～40 MPa），将压力信号转变为4～20 mA 电流信号，供给智能控制仪表检测。

（3）根据要求所述的进行逻辑判断。在压力超过设定值时，输出控制信号使泥浆泵的气胎离合器（机械钻机）/电机（电动钻机）断开，其特征是：采用智能控制仪表进行逻辑判断，并在仪表中设定阈值，超过阈值后由智能控制仪表进行输出控制信号，驱动后续的控制电路。

（4）报警通知司钻人员，当压力值降到设定值之下时装置恢复正常的工作模式。

1.2 技术方案

设计的钻井泵二次压力保护装置装置原理如图1 所示：在泥浆泵高压管线处安装平面膜片型压力（0～40 MPa）变送器，将压力信号转变为4～20 mA 电流信号，供给智能控制仪表进行检测（图2）；智能控制仪表检测后进行逻辑判断，当压力值超过设定值时输出控制信号使泥浆泵的气胎离合器（机械钻机）/电机（电动钻机）断开，并报警通知司钻人员；当压力值降到设定值之下时，该装置恢复正常的工作模式，报警解除。同时，该装置全程用无纸记录仪实时记录压力值，便于出现问题时进行查询。

图1 钻井泵二次压力保护装置原理

图2 平面膜片型压力变送器（0～40 MPa）

石油钻机有机械钻机和电动钻机两种型式，其控制原理也不相同。

（1）机械钻机。智能控制仪表实时监测由平面膜片型压力变送器将压力转换后的电流信号，当超过设定的上限时，智能控制仪表控制继电器工作将电磁阀的气路断开，梭阀动作，泥浆泵气胎离合器随即停止工作。

（2）电动钻机。智能控制仪表实时监测由平面膜片型压力变送器将压力转换后的电流信号，当超过设定的上限时，智能控制仪表控制继电器动作将泥浆泵电机接线盒中与修理开关相连接的继电器常闭触点使能信号线切断，泥浆泵随即停止工作。

1.3 产品选型

钻井泵二次压力保护装置显示屏设有4 个显示区域，每个区域可以连接一台钻井泵的工作压力值，工程师可以在钻井过程中，对所需要的压力值上限输入到显示屏的某个钻井泵的区域内。例如，钻进过程中需要的压力上限值为15 MPa，那么钻井泵的剪切销就应安装在对应的安全阀压力值销孔上，钻井泵压力保护装置的设定上限值应比剪切销安全阀大1 MPa，当钻井泵高压泥浆输出压力达到剪切销安全阀阈值时，剪切销安全阀没有动作，智能仪表开始传输报警信号给司钻，当压力阶梯式上升、到达智能控制仪表的阈值时，该仪表立即发出信号，遂将钻井泵动力输入装置进行停机处理，达到安全防护的作用。

由于在油田野外作业，环境恶劣，因此保护装置中的智能仪表装置采用威浦IP68 防水密封连接器（图3）。它是目前最理想的防水连接器，防护等级也是行业最高的标准，不仅防水，还有防尘密封、耐高温耐老化等特性，非常适用于油田现场。

在泥浆泵高压管线处安装平面膜片型压力（0～40 MPa）变送器，电信号传输过渡插头及电磁阀气路控制装置见图3～图5。

图3 威浦IP68 防水密封连接器

图4 电信号传输过渡插头

图5 电磁阀气路控制装置

电磁阀是二位二通常开式电磁阀，线圈电压为直流24 V，当得到24 V 电信号时切断控制气路，使离合器断开，钻井泵停止工作（机械钻机）。当得到24 V 电信号时继电器常闭触点断开，电机使能控制信号丢失，电机随即停止工作（电动钻机），达到安全保护作用的目的。

2 应用效果及技术创新点

该装置在中国石油渤海钻探第三钻井公司70111 钻井队和BHZ70001 钻井队上使用，尤其是经历冬季钻井施工作业，保证了设备和人员的安全。

新型钻井泵二次压力保护装置，与传统的剪切式安全阀对钻井泵进行保护方式比具有以下5 个优点：①实时监控钻井泵的压力，智能仪表上可以实时显示压力值，方便工作人员监测；②实时报警功能，泥浆泵压力超过设定值时，报警通知司钻人员提前进行处理；③手动恢复功能，压力值降到正常范围内解除报警，手动恢复正常工作模式；④数据记录功能，压力值记录保存，方便查询溯源；⑤能有效地对泥浆泵进行二次安全保护。

3 结束语

钻井泵二次压力保护装置在传统钻井泵压力保护装置基础上，再叠加一套压力保护系统，同时用无纸记录仪进行跟踪记录压力值和传送信号，并且根据实际工作情况可以灵活设定压力范围，在到达设定阈值后及时进行控制，这样就对钻井队泥浆泵进行了二次防护，能防止泥浆泵在一次防护失效后造成事故。该装置能有效解决安全生产的隐患，避免泥浆泵一次防护失效后损坏设备，具有一定的经济效益，适宜大范围推广，特别适合冬季钻井施工的作业。