王琪，趙建剛，韓天夫，石凱，李梅楠，許云博

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

隨著經濟的高速發(fā)展，我國對礦產、油氣資源的需求不斷增長，對外依存度逐年加大，資源保障已上升為國家戰(zhàn)略行動。鉆探工程是獲取地下資源或實物資料的唯一技術方法，深部勘探是解決國內資源短缺的重要途徑之一。然而，隨著鉆孔深度的增加，井下溫度和壓力越來越高，在鉆井施工中要求鉆井液具有較好的抗高溫高壓能力。保證高溫高壓狀態(tài)下鉆井液流變性能的穩(wěn)定是深部安全鉆進的前提。測定鉆井液高溫高壓流變性是評價和優(yōu)選深部鉆探鉆井液必需的基礎工作，高溫高壓流變儀是檢測和優(yōu)選深部鉆探耐高溫高壓鉆井液必不可少的實驗測試儀器。鉆井液被稱為鉆探工程的血液，主要功能是攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁、平衡地層壓力、冷卻和潤滑鉆具、傳遞水功率等。鉆井液的流變性是指在外力作用下鉆井液流動和變形的特性。流變性的主要參數有黏度、切力和剪率。高溫高壓鉆井液流變儀是用于檢測抗高溫鉆井液流變參數的儀器，以優(yōu)選鉆井液配方或體系，滿足深部鉆井的需要。深海油氣鉆井、大陸科學鉆探、高溫地熱及干熱巖的開采等都面臨高溫高壓的問題。

本文研究高溫高壓流變儀中的壓力控制系統，主要從高精度壓力測量，增壓泵壓力控制，高精度恒壓泵的穩(wěn)定性及超壓預防措施等幾個方面展開討論。

2 壓力控制系統的組成

經過多年積累的儀器設計及維修經驗，廣泛利用國內外先進技術和成功范例，結合應用實際，根據最高壓力和控制精度的指標要求，力求簡單實用，盡可能地利用最少的液壓元件來實現高精度壓力控制。這樣能夠降低故障發(fā)生概率，降低儀器制造成本。

壓力控制系統示意圖如圖1所示，主要由過濾干燥器，低壓表頭，高壓表頭，電氣比例閥，電磁閥，氣驅增壓泵，測試釜，液體杯，電氣比例恒壓閥組成。其中過濾器用于凈化壓縮氣體，表頭用于指示壓力；氣驅增壓泵可以利用較低壓力的壓縮氣體作為動力，將液體增壓至較高壓力，氣驅增壓泵的進氣壓力由電氣比例閥控制。測試釜是儀器的核心，其最高耐受壓力在260 MPa以上。壓力的高精度控制是由電氣比例恒壓閥實現，基于微處理器的PID控制器，內置USB連接，使用16位A/D轉換器，提高了數據采集的分辨率，并提供了暫?？刂频男滦筒僮髂Ｊ?，可實現重復性高、精確且穩(wěn)定可靠的自動化壓力控制。虛線表示壓縮空氣，增壓泵及恒壓閥左側實線表示常壓液體，右側實線表示高壓液體。壓縮空氣管路采用聚氨酯PU管，規(guī)格為10 mm×6.5 mm。高壓管路選用耐壓414 MPa的高壓不銹鋼管，材料為316不銹鋼，經過冷拔加工制成，抗拉強度比退火液壓油管高出約40%。

圖1 壓力控制系統組成示意圖

3 增壓裝置

儀器采用壓力為0.7 MPa的壓縮空氣或者氮氣作為驅動氣源，經過過濾干燥后，分別供給比例增壓泵和比例恒壓閥。比例增壓泵的作用是利用較低壓力的壓縮氣體作為動力，將液體增壓至較高壓力。選用400倍的比例增壓泵，如果采用0.7 MPa的氣源，最高可以將液體增壓至約280 MPa。氣驅比例增壓泵可由0.1～1 MPa的空氣或惰性氣體驅動，其結構緊湊，成本低廉，可廣泛應用于機床、石油天然氣、化學及石油化工、國防、礦山、工程機械及航天航空等領域。

增壓泵前端的電氣比例閥可以控制增壓泵的進氣壓力。該閥的型號為ITV 2050，可針對輸入信號進行最小壓力及最大壓力的調節(jié)，能以最小壓力0～50%(F.S)，最大壓力100%～10%(F.S)的范圍進行調節(jié)。其特點是：可實現壓力、速度的無級調節(jié)，避免了開關式氣閥換向時的沖擊現象，能實現遠程控制和程序控制；與斷續(xù)控制相比，系統簡化，元件大大減少；與液壓比例閥相比，體積小、重量輕、結構簡單、成本較低，但響應速度比液壓系統慢得多，對負載變化也比較敏感；使用功率小、發(fā)熱少、噪聲低，不會發(fā)生火災，不污染環(huán)境。

雖然增壓泵可以控制壓力，但是只能粗略控制壓力，高精度恒壓是靠位于后級的電氣比例恒壓閥ER5000實現的。ER5000是艾默生過程管理推出的新一代系列電子壓力控制器，ER系列是基于微處理器的PID控制器。新一代ER5000是ER3000的升級版本，內置USB連接，使用16位A/D轉換器，提高了數據采集的分辨率，并提供了暫?？刂频男滦筒僮髂Ｊ剑蓪崿F重復性高、精確且穩(wěn)定可靠的自動化壓力控制。ER5000系列可用作獨立裝置或可連接至任何氣動調壓器或閥門，對0～0.69 MPa 的清潔干燥惰性氣體的壓力進行控制。在與TESCOM調壓器一起使用時，ER5000可為氣體和液體提供分布式壓力控制，壓力控制范圍為真空至206.8 MPa，Cv最大可達12。無論是搭配機械調壓器還是單獨使用，ER5000都可以提供精確而響應迅速的閉環(huán)壓力控制，使用戶獲得任何想要的壓力。智能而直觀型的ERTuneTM軟件可實現快速便捷的安裝和調節(jié)，具有數據采集及在線維護等功能。 ER5000可提供多種配置，具有足夠的靈活性，能夠滿足種類廣泛的應用需求。

4 壓力測量及高精度恒壓的實現

壓力傳感器輸出的是4～20 mA的電流信號，來避免長距離毫伏級小信號傳輸時易受到電磁噪聲的干擾。ER5000內部的跳線J5可以進行輸入源4～20 mA和1～5 V之間的選擇，接通后選擇輸入源為4～20 mA，內部匹配250 Ω電阻，將電流信號轉換為電壓信號。

圖2 ER5000電氣比例恒壓閥

控制器每25 ms讀取一次反饋值并將其與從外部源或從其板載內存中程序文件所獲取的設定值進行比較。如果反饋值低于設定值，ER5000將啟動進氣閥，允許先導壓力進入調壓器的執(zhí)行機構，這將導致調壓器的主閥打開，從而增加下游系統壓力；ER5000將繼續(xù)傳送先導壓力至調壓器的氣動執(zhí)行機構中，直到反饋值和設定值相等；等到上述兩個值相等，進氣閥將關閉，在此壓力下對系統進行穩(wěn)定。如果反饋值高于設定值，則ER5000將啟動排氣閥，從調壓器中釋放先導壓力，先導壓力降低可導致調壓器主閥關閉，同時也可導致調壓器排放口打開，從而排放過量系統壓力；結果為下游系統壓力降低，ER5000將繼續(xù)排放先導壓力，直到反饋信號等于設定值；等到上述兩個值相等，排氣閥將關閉，在此壓力下對系統進行穩(wěn)定。

5 安全措施

壓力系統的安全措施不僅要考慮壓力系統本身，還要結合儀器整機綜合考慮。作為高壓系統，充分考慮了安全預防措施才能保證系統長時間正常運行。在輸入端，設計了帶自動泄壓的過濾器，可以濾除輸入氣源中的固體和水蒸氣雜質，超過預設氣壓自動排氣。在高壓管路中，安裝有爆破片容器，液壓油超過預設壓力，會沖破爆破片，自動泄壓。另外，由于壓力系統處于半開放狀態(tài)，液壓油容易受到樣品污染，因此在高壓回路上設計安裝了過濾器，可以過濾400目以上的固體顆粒。

作為用于高溫高壓流變儀的壓力系統，在儀器正常運行時，如果樣品釜處于高溫狀態(tài)，是不允許立刻泄壓的。那么就要求壓力系統能夠具有斷電、斷氣保壓功能。即使在突然斷電或沒有壓縮氣體供應時，該系統也能保持高壓管路內的壓力，直到恢復供電后系統正常運行或者手動泄壓。

6 結束語

超高溫高壓流變儀是深海油氣鉆井、大陸科學鉆探、高溫地熱及干熱巖的開采中必不可少的實驗儀器，其中高精度壓力控制系統是保證儀器正常運轉必不可少的一部分。

主要參考文獻：

[1] GB/T 16783.1-2006.石油天然氣工業(yè)鉆井液現場測試[S].

[2] API RP 13B-1-2009. 水基鉆井液現場測試的標準程序[S].

[3] 楊振杰, 劉志坤, 張振活. 鉆井液工藝學 [M]. 北京:石油工業(yè)出版社, 2010.

[4] 鄢捷年. 鉆井液工藝學[M]. 北京:中國石油大學出版社,2013.

[5] 趙建剛. 頁巖膨脹抑制劑測試方法研究[J].鉆井液與完井液[J], 2013, 7(30):41-45.

[6] 孫志軍, 黃永亮. 基于ER5000的壓力自動調節(jié)系統的設計[J]. 電子科技, 2016(20).