王寶忠，孫炬亮，汪曉春，劉賢策，劉 亮，李恒東

（渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程分公司，天津 300280）

0 引言

石油鉆井泵是石油鉆井系統(tǒng)不可缺少的鉆井機(jī)械設(shè)備之一，在鉆進(jìn)過(guò)程中給鉆桿輸送泥漿等介質(zhì)，主要是對(duì)井筒泥漿進(jìn)行循環(huán)，以確保冷卻、沖洗鉆頭、井筒巖屑的攜帶和穩(wěn)固井筒平衡地層壓力等作用。

石油鉆井泵是一種容積式鉆井泵，通過(guò)密封工作腔（泥漿泵缸套）的容積周期性變化，將原動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為輸送液體的壓力能，從而完成作業(yè)。具體過(guò)程是：借助泥漿泵活塞在缸套的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使工作腔容積產(chǎn)生周期性變化，泥漿泵缸套借助密封圈等密封裝置與外界隔絕，并通過(guò)泵閥（吸入閥或排出閥）與管路溝通與閉合，周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到泥漿不間斷地循環(huán)。目前，油田使用的泥漿泵基本上是三缸式泥漿泵（即3 個(gè)缸套）。

鉆井泵安全防護(hù)一直是油田特別關(guān)注的問(wèn)題之一，絕大部分鉆井隊(duì)采用剪切式安全閥對(duì)泥漿泵進(jìn)行保護(hù)：當(dāng)泵壓達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，安全閥的剪切銷會(huì)自動(dòng)剪斷，泥漿由安全閥泄壓管線泄漏，從而保證泥漿泵的壓力降到閾值之下。國(guó)內(nèi)學(xué)者郭公喜闡述了剪銷式安全閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠性和穩(wěn)定性，均優(yōu)于彈簧式安全閥，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)美國(guó)壹銷型剪銷式安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給予肯定，認(rèn)為推廣選用壹銷型剪銷式安全閥很有實(shí)用價(jià)值；田占川等[1]針對(duì)JA-3×35 剪銷式安全閥的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，提出了3 種鉆井泵安全閥試驗(yàn)方法，分別從試驗(yàn)效率和精確度方面對(duì)3 種試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，確定了鉆井泵安全的最優(yōu)試驗(yàn)方法；史衛(wèi)波等[2]對(duì)油田配套的剪銷式安全閥，彈簧復(fù)位式安全閥，分析其應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)，同時(shí)提出優(yōu)化建議，為安全閥的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供新的思路和方法。但是這種保護(hù)方式存在缺陷，剪切銷的硬度過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱都有可能造成泥漿泵的誤動(dòng)作，影響正常的生產(chǎn)作業(yè)，并且存在安全隱患[3]。

尤其冬季鉆井施工作業(yè)，很容易將剪切式安全閥的活塞與缸套凍結(jié)住，會(huì)造成設(shè)備和人員的重大安全事故。吳立東針對(duì)冬季安全閥容易出現(xiàn)的問(wèn)題發(fā)布了專利，具體地說(shuō)是安全閥對(duì)泥漿泵的過(guò)壓保護(hù)作用是非常重要的，安全閥經(jīng)短節(jié)安裝在排出高壓五通的上方，排出歧管的左端，處于流動(dòng)介質(zhì)的下游，安全閥不斷接收到介質(zhì)的傳質(zhì)、傳熱，所以不易凍凝。另外，空氣包裝在排出歧管右端的高壓五通的上方，能正常維持高壓介質(zhì)的壓力平衡。安全閥這種獨(dú)特的設(shè)置結(jié)構(gòu)，使其安全系數(shù)更高，使用維護(hù)非常方便。

以上均沒(méi)有離開(kāi)剪切式安全閥的使用，本研究突破以往的思路，采用智能控制儀進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到對(duì)鉆井泵安全防護(hù)的作用。

1 研究思路與方案實(shí)施

1.1 研究思路

通過(guò)分析鉆井泵安全防護(hù)的原理，采用膜片壓力變送器（0～40 MPa）變送器，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA 電流信號(hào)，供給智能控制儀表進(jìn)行檢測(cè)，促使鉆井泵動(dòng)力端的離合器或者電機(jī)停止輸出動(dòng)力，來(lái)達(dá)到對(duì)鉆井泵液力端輸出壓力的控制，進(jìn)而來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井泵的本質(zhì)安全。研究的目標(biāo)如下：

（1）克服傳統(tǒng)的剪切式安全閥對(duì)鉆井泵進(jìn)行保護(hù)所帶來(lái)的安全隱患，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)泥漿泵壓力并進(jìn)行邏輯判斷，在壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輸出控制信號(hào)使泥漿泵的氣胎離合器（機(jī)械鉆機(jī)）/電機(jī)（電動(dòng)鉆機(jī)）斷開(kāi)，并報(bào)警通知司鉆人員，能有效保護(hù)鉆井泵。

（2）能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)泥漿泵壓力。其特征是：在泥漿泵高壓管線處安裝平面膜片型壓力變送器（0～40 MPa），將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA 電流信號(hào)，供給智能控制儀表檢測(cè)。

（3）根據(jù)要求所述的進(jìn)行邏輯判斷。在壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輸出控制信號(hào)使泥漿泵的氣胎離合器（機(jī)械鉆機(jī)）/電機(jī)（電動(dòng)鉆機(jī)）斷開(kāi)，其特征是：采用智能控制儀表進(jìn)行邏輯判斷，并在儀表中設(shè)定閾值，超過(guò)閾值后由智能控制儀表進(jìn)行輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)后續(xù)的控制電路。

（4）報(bào)警通知司鉆人員，當(dāng)壓力值降到設(shè)定值之下時(shí)裝置恢復(fù)正常的工作模式。

1.2 技術(shù)方案

設(shè)計(jì)的鉆井泵二次壓力保護(hù)裝置裝置原理如圖1 所示：在泥漿泵高壓管線處安裝平面膜片型壓力（0～40 MPa）變送器，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA 電流信號(hào)，供給智能控制儀表進(jìn)行檢測(cè)（圖2）；智能控制儀表檢測(cè)后進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)壓力值超過(guò)設(shè)定值時(shí)輸出控制信號(hào)使泥漿泵的氣胎離合器（機(jī)械鉆機(jī)）/電機(jī)（電動(dòng)鉆機(jī)）斷開(kāi)，并報(bào)警通知司鉆人員；當(dāng)壓力值降到設(shè)定值之下時(shí)，該裝置恢復(fù)正常的工作模式，報(bào)警解除。同時(shí)，該裝置全程用無(wú)紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄壓力值，便于出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行查詢。

圖1 鉆井泵二次壓力保護(hù)裝置原理

圖2 平面膜片型壓力變送器（0～40 MPa）

石油鉆機(jī)有機(jī)械鉆機(jī)和電動(dòng)鉆機(jī)兩種型式，其控制原理也不相同。

（1）機(jī)械鉆機(jī)。智能控制儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由平面膜片型壓力變送器將壓力轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的上限時(shí)，智能控制儀表控制繼電器工作將電磁閥的氣路斷開(kāi)，梭閥動(dòng)作，泥漿泵氣胎離合器隨即停止工作。

（2）電動(dòng)鉆機(jī)。智能控制儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由平面膜片型壓力變送器將壓力轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的上限時(shí)，智能控制儀表控制繼電器動(dòng)作將泥漿泵電機(jī)接線盒中與修理開(kāi)關(guān)相連接的繼電器常閉觸點(diǎn)使能信號(hào)線切斷，泥漿泵隨即停止工作。

1.3 產(chǎn)品選型

鉆井泵二次壓力保護(hù)裝置顯示屏設(shè)有4 個(gè)顯示區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以連接一臺(tái)鉆井泵的工作壓力值，工程師可以在鉆井過(guò)程中，對(duì)所需要的壓力值上限輸入到顯示屏的某個(gè)鉆井泵的區(qū)域內(nèi)。例如，鉆進(jìn)過(guò)程中需要的壓力上限值為15 MPa，那么鉆井泵的剪切銷就應(yīng)安裝在對(duì)應(yīng)的安全閥壓力值銷孔上，鉆井泵壓力保護(hù)裝置的設(shè)定上限值應(yīng)比剪切銷安全閥大1 MPa，當(dāng)鉆井泵高壓泥漿輸出壓力達(dá)到剪切銷安全閥閾值時(shí)，剪切銷安全閥沒(méi)有動(dòng)作，智能儀表開(kāi)始傳輸報(bào)警信號(hào)給司鉆，當(dāng)壓力階梯式上升、到達(dá)智能控制儀表的閾值時(shí)，該儀表立即發(fā)出信號(hào)，遂將鉆井泵動(dòng)力輸入裝置進(jìn)行停機(jī)處理，達(dá)到安全防護(hù)的作用。

由于在油田野外作業(yè)，環(huán)境惡劣，因此保護(hù)裝置中的智能儀表裝置采用威浦IP68 防水密封連接器（圖3）。它是目前最理想的防水連接器，防護(hù)等級(jí)也是行業(yè)最高的標(biāo)準(zhǔn)，不僅防水，還有防塵密封、耐高溫耐老化等特性，非常適用于油田現(xiàn)場(chǎng)。

在泥漿泵高壓管線處安裝平面膜片型壓力（0～40 MPa）變送器，電信號(hào)傳輸過(guò)渡插頭及電磁閥氣路控制裝置見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 威浦IP68 防水密封連接器

圖4 電信號(hào)傳輸過(guò)渡插頭

圖5 電磁閥氣路控制裝置

電磁閥是二位二通常開(kāi)式電磁閥，線圈電壓為直流24 V，當(dāng)?shù)玫?4 V 電信號(hào)時(shí)切斷控制氣路，使離合器斷開(kāi)，鉆井泵停止工作（機(jī)械鉆機(jī)）。當(dāng)?shù)玫?4 V 電信號(hào)時(shí)繼電器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，電機(jī)使能控制信號(hào)丟失，電機(jī)隨即停止工作（電動(dòng)鉆機(jī)），達(dá)到安全保護(hù)作用的目的。

2 應(yīng)用效果及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

該裝置在中國(guó)石油渤海鉆探第三鉆井公司70111 鉆井隊(duì)和BHZ70001 鉆井隊(duì)上使用，尤其是經(jīng)歷冬季鉆井施工作業(yè)，保證了設(shè)備和人員的安全。

新型鉆井泵二次壓力保護(hù)裝置，與傳統(tǒng)的剪切式安全閥對(duì)鉆井泵進(jìn)行保護(hù)方式比具有以下5 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆井泵的壓力，智能儀表上可以實(shí)時(shí)顯示壓力值，方便工作人員監(jiān)測(cè)；②實(shí)時(shí)報(bào)警功能，泥漿泵壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，報(bào)警通知司鉆人員提前進(jìn)行處理；③手動(dòng)恢復(fù)功能，壓力值降到正常范圍內(nèi)解除報(bào)警，手動(dòng)恢復(fù)正常工作模式；④數(shù)據(jù)記錄功能，壓力值記錄保存，方便查詢溯源；⑤能有效地對(duì)泥漿泵進(jìn)行二次安全保護(hù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

鉆井泵二次壓力保護(hù)裝置在傳統(tǒng)鉆井泵壓力保護(hù)裝置基礎(chǔ)上，再疊加一套壓力保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)用無(wú)紙記錄儀進(jìn)行跟蹤記錄壓力值和傳送信號(hào)，并且根據(jù)實(shí)際工作情況可以靈活設(shè)定壓力范圍，在到達(dá)設(shè)定閾值后及時(shí)進(jìn)行控制，這樣就對(duì)鉆井隊(duì)泥漿泵進(jìn)行了二次防護(hù)，能防止泥漿泵在一次防護(hù)失效后造成事故。該裝置能有效解決安全生產(chǎn)的隱患，避免泥漿泵一次防護(hù)失效后損壞設(shè)備，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，適宜大范圍推廣，特別適合冬季鉆井施工的作業(yè)。