钻井液高速离心机变频调速闭环控制系统研制.pdf

第 3 8誊 第 期 2 0 1 0年 7月 石 油 钻 探 技 术 I I ’I R I EUM I RI 1 l I NG I 、 E Ct t NI QUE S VOI ．3 8 NO． 4 -I u 1 ． ， 2 0 1 0 ． ． 设 备 与工 具 d o i t 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 2 2 钻 井液 高速离心机变频调速 闭环 控制 系统研 制 冯来 田 董怀荣 1 ．胜利石油管理局 规划计 划处 ， 山东 东 营2 5 7 0 0 0； 2 ．胜利石油管理局 钻井工艺研究 院， 山东 东营2 5 7 0 1 7 摘 要 为使钻 井液 离心机 的参数 能够根据钻 遏地层 、 井深和钻 井工 艺的 变化 自动调 节 ， 研制 出 了基 于 离心 机 主 电机 电 流 为 控 制 信 号 的 变 频 调 速 闭 环 控 制 系统 。 详 细 阐 述 了基 于 离 心 机 主 电 机 电 流 为 控 制 信 号 的 变频 调 速 闭 环 控 制 系统 的 原 理 、 控 制 流 程 以 及 控 制 过 程 设 定 。 现 场 应 用 表 明 钻 井 液 离 心 机 配 套 变 频 调 速 闭 环 控 制 系 统 ， 能 够根 据钻 井工 艺实际情况 以及钻遇 不 同地 层使 用钻 井液 的黏 度 、 密度和 排渣 量的 变化 ， 利 用 离心机 主 电机 电流信号 ， 自动调 节供浆 泵的排 量和 高速 离心机 的 实际参 数 ， 实现钻 井液 离心机 闭环控制 ， 保 证排 渣量 和 离心机 的处理能 力始终处 于最大状 态 ； 钻井液 离心机 变频调速 闭环控 制 系统 的参数能 够 自动调 节， 并 能 实现 自我 保护 ， 可有效避免 离心机过 载 、 堵塞等 故障 的发 生 ， 提 高离心机 的运行 可靠性 ， 减 少因意外故 障 而造 成 的不 必要 的经济 损 失 。 关 键 词 钻 井液 ；离心 机 ；闭环 控 制 ；变 频 ；变 速 装 置 中 图 分 类 号 TE 9 2 6 文 献标 识 码 A 文章 编 号 1 0 0 卜0 8 9 0 2 0 1 0 0 4 0 0 8 9 0 5 Th e De v e l o p m e nt o f Cl o s e d Lo o p Co nt r o l S y s t e m wi t h Fr e q u e nc y Co nv e r s i o n a nd S p e e d Re g u l a t o r i n Hi g h _ S p e e d Ce nt r i f u g e Fe n g La i t i a n Do ng Hu a i r o ng 1 ．Pl a n n i n g De p a r t me n t o f S h e n gl i Pe t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n， Do n g y i n g， S h a n d o n g， 2 5 7 0 0 0 ， Ch i n a； 2 ． Dr i l l i n g Te c h no l o gy Re s e ar c h I ns t i t ut e， She n gl i Pe t r o l e u m A dmi n i s t r at i o n， Do n gyi ng， Sh an do n g， 2 5 70 1 7． Chi na Ab s t r a c t I n o r d e r f o r t h e c e n t r i f u g e p a r a me t e r s t o a d j u s t a u t o ma t i c a l l y b a s e d o n d r i l l e d l a y e r s ， we l l d e pt h， a nd dr i l l i ng t e c hni qu e s， a c l os e d l oo p c on t r ol s ys t e m w i t h f r e q ue n c y c o nv e r s i on a nd s pe e d r e gul a t or w a s d e v e l op e d．Thi s pa pe r d e s c r i be s t he pr i nc i pl e， f l o w c ha r t a nd s e t t i ng o f c l os e d l oo p c o nt r o l s y s t e rn ．The f i e l d a ppl i c a t i on s hows t h a t us i ng m a i n m ot or ’S e l e c t r i c c ur r e nt s i gna l ，t he a c t u a l p a r a m e t e r s a n d c h a r g e p u mp’ S d e l i v e r y v o l u me c a n b e a d j u s t e d a u t o ma t i c a l l y wi t h d i f f e r e n t v i s c o s i t y a n d d e n s i t y， s ol i d c on t e nt of d r i l l i ng f l ui d．I t e ns u r e s t he r e m ov i ng o f s o l i d c o nt e nt s a nd m a xi m i z i ng t he di s po s i n g c a p a c i t y ． Th e c o n t r o l l i n g p a r a me t e r s o f t h i s s y s t e m c a n b e a d j u s t e d a u t o ma t i c a l l y wi t h s e l f p r o t e c t i o n t o a v oi d b r e a kdo wn a nd f or be t t e r pe r f or m a nc e ．The un ne c e s s a r y e c o nomi c l os s e s c a us e d by ac c i de nt a l f a i l ur e s we r e r e d uc e d． Ke y wo r d s d r i l l i ng f l u i d； c e nt r i f ug e； c l o s e c yc l e c on t r ol ； v a r i a b l e f r e qu e n c y； s pe e d c ha ng i n g d e v i c e l 概 述 控 制 系 统 设 计 是 钻 井 液 离 心 机 设 计 的 重 要 方 面， 直接决定了离心机的可靠性、 可操作性 ， 要使离 心机 的分 离性 能 和过 载 保 护 功 能 达 到 最 佳 ， 除 了在 收 稿 日期 2 1 一 5 0 3 ； 改 回 E t 期 2 0 1 。 一 O 6 2 2 作 者 简 介 冯 来 田 1 9 6 3 ， 男 ， 山 东 广饶 人 ． 1 9 8 2年 毕 业 于 山 东第 二 轻 工 业 学 校 计 划 统 计 专 止． J 9 9 6年 获 山 东 经 济 学 院 计 划 统 计 专业学士学位 ． 副 主任 ． 主要从事规 划计划 管理 、 设 务管理 及重 大项 目开 发 管 理 等 2 13 作 。 联 系 方 式 0 5 ,I 6 8 7 1 2 5 ,1 6 ， f l L s l o f ． C O II I 机 械设计 方面予 以考虑 外 ， 还 必 须 配备 较 为完 善 的 控制系统。石油矿场用离心机的控制系统大多数采 用 了普通 的控制形 式 ， 只有启 动 、 停机 、 急停 等功 能 ， 为了使其启动平稳 ， 必须配备液力耦合器 ， 而这限制 了离 心机 的调 速功 能 ] 。 在 现场 应 用 过 程 中 ， 由 于 钻 遇 不 同 地 层 所 使 用 钻 井液 的性 能 不 同 ， 进 入 离 心 机 钻 井 液 的密 度 、 黏 度 、 固相 含 量等 参 数 是 不 断 变 化 的 ， 这 些 参 数 的 改变会使离心机 的处理量 和排渣量 发生变 化 ， 也 就是 说 离心 机 的 负载 是 不 断变 化 的 。如 果 供 浆 泵 对 离 心机 的供 液 量 一 直 保 持 不 变 的 话 ， 当钻 井 液 的密度 、 黏度 和 固相 含 量 等 参 数 较 高 时 ， 就会 发 生 离 心机 过 载 、 堵 塞 等 故 障 ， 严 重 时 必 须 返 回厂 家 拆 开进行 清洗 ， 从 而直 接影 响钻井 生产 ] 。因此 ， 供浆 泵对离 心机 的供液 量应该 根据钻 井液 性能 的变化 而 自动调节 。另外 ， 钻 井 过程 中也 要 求离 心 机 的转 速 应该能够 根据钻 遇 地层 、 井 深 和 钻井 工 艺 的变化 而 自动调节 。 因此 ， 要 提高 离心机 的性 能 ， 非 常有必 要研制 一 种操作简单、 性能可靠的变频调速 自动控制系统 ， 既 能实时控制供浆泵 的供液量 ， 也能控制 离心机的转 速 ， 从 而提 高离 心机 的可靠性 和适应 性 ， 在 钻井 液性 能参 数 密度 、 黏度 、 固相 含 量 等 发 生 变化 时 ， 确 保 离心机能够始终排渣并尽可能发挥其最 大处理 能 力 ， 实 现恒排渣 的功 能 。该 控制 系 统 还应 具 有 很 好 的 自控 能力 ， 在 设 备 发 生 故 障 时 ， 能 自动 停 机 并 报 警 ， 具有远 距离 监控能 力 ， 从 而大 大提高 离心机 的使 用效率并降低风险， 得到最佳的处理效果 ， 避免离心 机发 生过载 、 堵塞 等故 障 。 2 控制原理 离心机 主 电机 电流 的大小 实 际上 也反 映 了离心 机的处 理量 、 所 处 理 钻井 液 的 密度 、 黏度 、 固相 含 量 等参数的高低 。供浆泵供液量越大、 钻井液的密度 、 黏 度和含 砂量越 高 ， 主 电机 的负 载 越 高 ， 排渣 越 多 ， 离 心机主 电机 的工 作 电 流越 大 。反 之 ， 离 心 机 主 电 机 的工作 电流越小 。另外 ， 转鼓 转速 越 高 ， 分离 因数 越大 ， 离心机 的处 理 能力 越 强 ； 分 离 中点 越 小 ， 分 离 固相颗粒 越 多 ， 单 位 时 间 内 钻 井 液 密 度 降 低 越 快 。 因此， 可以根据离心机主电机变频器的电流信号控 制 供浆泵 的供 液液 量 ， 实现 离 心 机负 载 和 性 能 的闭 环反馈 控制E 3 2 。 控制 原 理 及 控 制 流 程 为 实 时 采 集 的 离 心 机 主电机工作 电流作 为控制信号 ， 输 入 回路调节 器 C D 7 0 1并与设 定值相 比较， 根 据离心机 主 电机 电 流 变化 和 比较 的结 果 直 接 控 制 供浆 泵 电 机 的 变频 器 ， 改 变供 浆 泵 电机 的转 速 ， 以 改变 供 浆 泵 的供 液 量 ， 从 而控 制 离 心 机 的 负 载 使 之 形 成 一 个 闭 式 循 环 ， 确 保 离 心机 始 终 处 于 最 佳 工作 状 态 ， 从 而 实 现 恒 排 渣 的功 能 。离 心 机 主 电机 电流 信 号 闭 环 控 制 流 程见 图 1 。 图1 离心机 电机 电流信号闭环 控制流程 基 于上述 控制 原理设 计 而成 的钻井液 离心 机变 频调速 自动控制系统 ， 能够大大提高钻井液高速离 心 机 的性 能 ， 并 具 有 良好 的灵 敏 性 、 可 操 作 性 和 可 靠性 。 3 控制系统组成及主要功能 离 心 机 变 频 调 速 闭 环 控 制 系 统 主要 由控 制 对 象 、 变频 器 、 C D7 0 1回路 调节 器 及其 P I D调 节器 、 温 控模块及其他部件等 5部分组成。 1 控 制对 象 钻 井 液 离 心 机 的 主 电机 功 率 和 离 心式 供浆泵 。 2 变频 器变 频器共 2台 一 台控制 离心 机转 鼓转速及转鼓与输送器之间转速差 ， 从而控制离心 机的运转性能， 并输出离心机主 电机启动 电流信号 和工作 电流信 号作 为控 制供浆 泵变频 器 的输入控 制 信 号 ， 以便控 制供浆 泵 的供液量 ； 另一 台控 制供浆 泵 电机转速以调节其输出流量 ， 从而控制离心机 的处 理量 和排渣 量 。另外 ， 变频器 本身 还有强 大 的控 制 、 冯来 田等 钻 井液 高速 离心机 变频调 速闭环控制 系统研制 9 I 保护 、 报 警 和故 障诊 断等 功能 。 3 C D7 0 1回路 调 节器 及 其 P I D调 节 器 C D7 0 1 回路 调 节器 的主 要作 用是 回路调 节 以及控 制 信号 的 输入 、 输 出、 比较 及控 制 ， 其 中 P I D 控制 是 依 设 定 比 例带 P 、 积 分 时间 I 、 微 分 时 间 D 等 参 数 获 得 稳 定控 制 结果 的控 制方 式 。另 外 ， 它还 有强 大 的报警 、 故 障诊 断和保 护 功能 。 4 温 控模 块根据 控制 原 理 及 电路 图 ， 将 全 部 电器元 器件 及两 台变 频器 安 装在 一个 密 闭 的防爆 控 制 柜上 ， 其 防 爆 等 级 符 合 G B 3 8 3 6 ． 1爆 炸 性 气 体 环 境 用 电气设 备 的要求 。为解 决 防爆控 制 柜 的散热 问 题 ， 专 门设计 了风 机 及 温 控模 块 。 防爆 控 制 柜 内并 联 安装 了两 台风 机 ， 风 机 可 以手 动 启 动 也 可 以 自动 启 动 。根据 控制 柜 内温 度 ， 两 台风 机 可 以单 台运 行 也 可 以 同时运行 。控 制 柜 内有 温 控 仪 ， 实 时 监 测 控 制 柜 内 的温 度 。根 据 使 用 环 境 ， 设 定 最 高 和 最 低 温 度 ， 当温控 仪检 测 的 温度 高 于 设 定 最 高 温 度 时风 机 自动启 动 运 行 ， 当低 于 最 低 温 度 时 风 机 自动 停 机 。 当然 ， 两 台变频 器本 身还 有 散热 功能 。 由于使用环 境最 低 温度 对 变频 器 控制 灵 敏性 有 一 定 影响 。一般要求使用最 低温度 不能低 于 一2 0℃ ， 不 能高 于 5 5℃ 。 防爆 控 制 柜 内电 器 元 器 件 及 变 频 器工 作 时要产 生 热 量 ， 这 些 热 量 都 在 密 闭 的 防爆 控 制箱 内 ， 所 以 一 般 都 能满 足 最 低 温 度 限制 l_ 4 ] 。对 于特殊 寒 冷地 区 ， 如果 环境 温度 特别 低 ， 可 以启 动加 热模 块 ， 该 模块 采 用 P L C控制 。当控制 柜 内工作 温 度低 于 一2 0℃ 时 ， 加 热 板 将 自动启 动 或 手 动 启 动 。 控制 柜 内工作 温度 高 于 O℃时 ， 自动停 止加 热 。 5其 他 部 件 除 以上 几 部 分 外 ， 还 有 电流 、 电 压 、 温 度 、 指 示 灯 等 常 规显 示 表 ， 紧急 停 机 、 复 位 、 时 间继 电器 ， 热 继 电器 等 常 规 电 器 元 器件 以及 箱 体 组 成 。为 了适合 石 油矿 场 工 作 环 境 ， 还 有 减 震 系统 4 个橡 胶减 震 器 组 成 、 警 铃 声 音 报 警 、 警 灯 光 报 警 。特 别是 故 障报 警采 用 警 铃 声 音 报 警 和警 灯 光 报警 联合 报 警 ， 便 于远 距 离观 察 ， 适合 于钻 井 现 场 吵闹 工作 环境 ， 能 够 及 时 提 示 技 术 人 员 处 理 紧 急 故 障 。 4 控 制工作 过程及参数设定 离 心机 变频 调速 闭环 控 制工 作过 程 主要包 括 启 动 、 正常 工作 、 闭环控 制 、 故 障诊 断与 报警 等 。 4 ． 1 启 动 过程 要 以主 电机 的 电流 为 控 制信 号 ， 必须 解 决 主 电 机 空 载启 动 电流 峰 值 问 题 。在 空 载 情 况 下 ， 电 机 刚 启 动 时 ， 会 产生 一 个较 大 的电流 峰值 ， 该 峰值不 能作 为控制 信 号来 控制 供 浆 泵 的 电机 变 频 器 ， 否 则 离 心 机将无 法 启动 和正 常工 作 。这样 ， 在 控制 回路 上 ， 必 须 跳 过启 动 电流 ， 解决 的措 施是 将控 制 主 电机 的时 间继 电器 时 间调整 至 4 5 S ， 可 以避 免 主 电机 启 动 电 流过 大 ， 这 样 在 4 5 S启 动 时 间 内 ， 主 电机 达 到 正 常 工作转 速 ， 此 时 C D7 0 1回路调 节 器 不控 制供 浆 泵 的 变频 器 ， 不起 反馈 控制 作用 。正常启 动 以后 ， 才进 入 反馈 控制 阶段 。实 际上就是 跳 过启 动 瞬间 的电流 峰 值 ， 这 样 就解 决 了启 动 电流 峰值 可 能产 生 假 控 制 信 号 的问题 。 另外 ， 如 果离 心 机 使 用 以 后 ， 没 有 及 时 清 洗 ， 转 鼓 和输送 器之 间 可堵 塞或 冬天 结冰 使转 鼓 与输送 器 粘连 在一 起 了 ， 导 致启 动 电流 过大 ， 甚 至发生 安全 销 被剪 断事 故 。因此 ， 要 保证 离 心机 正常 工作 ， 必须 及 时 、 正确 维护 保养 ， 每 次使 用 后 必 须 及 时 清 洗 ， 冬 天 还要 防止 出现结 冰 情 况 ， 从 而 避 免无 法 启 动 和 正 常 工作 。如 果 在启 动 之 前 ， 转 鼓 和 输送 器 之 间 已经 堵 塞或 结 冰使 转鼓 与 输 送 器粘 连 在 一 起 了 ， 此 时 启 动 电流必然 要 大于 正 常启动 电流 ， 有 可能 在 4 5 S 启 动 时 间之 内 ， 发 生安 全 销被 剪 断 的情 况 。 因在 4 5 S 启 动 时 间内 ， 没 有反 馈 控 制 ， 可 能 出现 两 种 情 况 一 种 是堵 塞 ， 瞬 间启 动 电流过 大 ； 另一种 是启 动 之前 安全 销 已经 断裂 。解 决 方 案 第 一 种 情 况 可 以通 过 主 电 机变 频器 设 定正 常情 况下 最 大启 动 电流 启 ⋯ 该 电 流值 通 过试 验获 得 ， 在 主 电机变 频器 内部 自身 控制 电路解 决 ， 一旦 主 电机 启 动 电 流达 到设 定 自 ⋯ 时 ， 主电机 变频 器发 出报 警 信 号 ， 外 挂 蜂 鸣 器不 停 呜 叫 并 且报 警灯 不停 闪烁 ， 提 示 操 作 人 员 清 洗 离心 机 并 达 到手 动 盘车灵 活 为 止 ， 同时 主 电机 变 频 器控 制 主 电机继 续转 动 ， 避免 主 电机被 启 动起来 ， 转 鼓仍 然处 于停止 状 态 ； 第 二种 情 况 可 以通 过 主 电机 变频 器设 定 最小 启 动 电 流 _『 启 。 ， 实 际上 就 是 无 安 全 销 、 无 差 速 转 鼓与 螺旋 输送 器 同步 同速 度 运 转 时 ， 主 电机 启 动最 大 电流 ， 可 以预 先通 过试 验获 得 ， 在主 电机 变 频 器 内 部 解 决 。一 旦 主 电 机 启 动 电 流 小 于 设 定 ⋯时 ， 主 电机变 频器 发 出报警 信号 ， 外 挂蜂 鸣器 不 停 呜 叫并 且报 警灯 不停 闪烁 ， 提 示操 作人 员检 查 、 更 换 安 全销 并达 到手 动 盘 车 灵 活 为 止 ， 同时 主 电机 变 频 器 控制 主 电机继 续 转 动 ， 从 而避 免 主 电机 被 启 动 起 来 ， 导致 转鼓 和输 送 器 之 间发 生 堵 塞 。 以上 两 种 情况 都是 在 主 电机 4 5 S 启 动 时间 内解 决 ， 实 际 上 两 种情 况都 是避 免在 离 心机 有故 障情 况下 主 电机被 启 动起 来导致 发生 更为严 重 的故障 。 4 ． 2正 常工作状 态 利用 主电机 电流 信号 代替 原来 离心 机差 速器 固 定端扭矩信号， 控制方法基本相同。首先， 在 C D 7 0 1 回路调 节 器控 制 面 板 上 分别 输 入 最 大安 全 停 机 电 流 I m 过 载报 警 停机 信 号 ， 要 小 于 安 全销 被 剪 断 时 的主 电机 电流 、 最 大 正 常 工 作 电 流 j 闭 环 控制 信 号 、 最 低 电流 I ⋯ 安 全 销被 剪 断后 该 电流 作 为 故 障报 警 信 号 。C D 7 0 1回路 调 节 器 同 步 实 时采集 主 电机 变 频器 的电 流输 出信 号 。 。 可 以 通 过试 验 获得 ， 试 验 方 法 是 去 掉 差 速 器 末 端 固定 ， 拆 下 安 全 销 ， 记 录 主 电 机 变 频 器 显 示 的 ， 和 i 。 当采 集 的 小 于 设 定 值 、 大 于 I ⋯ 安全 销 被剪断后电流 设定值 也就是说 ， ⋯ ， 时， 离 心机保持 正 常工 作 状 态 ， 此 时 主 电机 和供 浆 泵 电 机按 照变频 器设定 的最 高转 速 运 转 ， 保证 离 心 机 正 常处理 钻井液 和排 渣 。 4 ． 3工 作过 程中 闭环 控制 状态 当实 时采集 的 大 于 设定 值 、 小 于 J ⋯ 过 载报警停机信号 设定值 也就是说 I 时 ， 说 明离心机 负载增 大 了 。此 时实 时采 集 的 I 通 过 C D 7 0 1回路 调 节 器及 供 浆 泵 电机 变 频 器及 其 他 控 制元 件直 接降 低 供浆 泵 电机 转 速 ， 降 低 供浆 泵 的 供液量 ， 从 而减轻 离心机 的负 载 ， 避 免 出现 离心机 堵 塞和过 载现象 。直 到实 时采集 的 J 小 于 设 定值 时为止 ， 从 而保 证离 心机不 发生过 载现象 ， 达 到随钻 调 节 目的 。 4 ． 4工作 过程 中安全销 剪 断停 机报 警状 态 采 用上 述 控 制方 案 ， 一般 不 会发 生 离 心机 过 载 使安全销剪断 ， 导致离心机堵塞故障的发生 。但现 场应 用过程 中 ， 由于 安 全销 长 期使 用 导 致其 抗 剪 性 能下 降而发 生疲 劳断裂 或使用 过程 中其他 原 因导 致 安全 销剪 断 ， 就 必 须 报 警 停 机 。当 采 集 的 I 小 于 ⋯设定 值 也就是 说 i 时 ， 说 明此 时 安 全销 已经被剪 断 ， 控 制系统 发 出报 警信 号 ， 外 挂蜂 鸣器不 停 呜叫并且 报警灯 不停 地闪烁 ， 提示 操作人 员检 查 、 更换 安全销 并达 到手动 盘车灵 活为止 。 在 控 制系 统 中 ， 离 心 机 主 电机 和供 浆泵 电机 分 别 都具有 自动停 机 、 报 警 、 手 动 停 机 、 紧 急 停 机 急 停 、 复位 等 功 能 。 除 了变 频 器 本 身 报 警 功 能 设 置 外 ， 另加外 挂报 警 蜂 鸣器 和 报 警灯 。当 出现 以下 几 种情 况 时 ， 供 浆 泵 电机 和 离 心 机 主 电 机 必 须 停 机 报警 1 当采集 的 J 小 于 I m i． 设 定值 也就是 说 工 时 ， 说 明此 时安全销 已经 被剪断 ， 控制 系统 发 出 报 警信号 ， 外挂 蜂 鸣器 不 停 呜 叫并 且报 警 灯 不停 地 闪烁 ， 供浆 泵 电机 和 离心机 主 电机 立 即 自动停机 ； 2 当实时采集的 J 大于 j ⋯设定值 也就是说 ⋯J 时 ， 说 明离心机 过载 了 ， 应该 停止 向离心 机 供液 ， 要求控制系统必须发出报警信号， 外挂蜂鸣器 不停 呜 叫并且 报警 灯 不停 闪烁 ， 供 浆泵 电机 和离 心 机 主电机 立 即 自动停 机 。如 果 处理 及 时 ， 安 全销 可 能不 会被 剪断 ， 如果处 理不 及时或 响应 时间慢 ， 有 可 能会 出现安 全销 被剪断 的情况 。 3 当供 浆泵 电机 或 离 心 机 主 电机 变 频 器 出现 故障时 ， 外挂蜂呜器报警 ， 整机必须 自动停机 ； 4 离心 机主 电机发生 非 电气 故 障时 ， 能够 手动 控制 离心 机主 电机和供 浆泵 电机停 机 ； 5 供浆 泵发 生非 电气故 障 时 ， 能够 手动 控制 离 心机主 电机 和供浆泵 电机 停机 ； 6 其他故障或人为需要停机时， 能够手动控制 离心机主电机和供浆泵 电机停机 ； 7 特 殊 紧急情 况 ， 采用 急停按 钮停 机和复 位 。 5 电流 闭环控制与扭矩 闭环控制对 比 反映离心 机负 载的参数 比较 多 ， 有 许多 参数 可以实时采集并 作为反 馈控制信 号， 其 中螺旋 输 送 器 的排渣 扭 矩 实 际上 也 反 映 了离 心 机 负 载 情 况 以及 离心 机 在 某 种 钻 井 液 性 能 下 的处 理 能 力 ， 因 而 实 时采 集 的输 送 器 排 渣 扭 矩 也 可 以 作 为 控 制 信 号 ， 实 时控 制 供 浆泵 的 供 液 量 _ 6 ] 。但 采 集 扭 矩 控 制信 号 需 使 用 扭 矩 传 感 器 ， 因 此 在 使 用 过 程 中易 出现 下列 问题 1 扭矩传 感器 安装 在差速 器 末端 ， 差 速器 与转 鼓装 在一 起 ， 置 于上底 座上 ， 离心 机工作 时产 生 的振 动会影响传感器的性能， 由于传感器抗震性能不好， 容易导 致数 据 失 真 ， 动 态 漂 移 大 ， 长期 使 用 性 能不 可靠 ； 2 由于石 油钻井 用 离心机 长 期在 野外 工 作 ， 工 作条 件和 环境 比较恶 劣 ， 风 沙 、 雨水 对传感 器影 响较 大， 也容易使传感器寿命缩短 ； 3 现场 清洗设 备 时 ， 操作 人 员经 常用 水 冲洗离 心 机 ， 容 易使传 感器进 水 ； 第 3 8卷第 4期 冯来田等 钻 井液高速 离心机 变频调速 闭环控 制 系统研制 4 现 有传感 器 均不 具 有 防爆 性 能 ； 5 从差 速器 末 端获 得 的扭 矩 信号 ， 通过 信 号 线 传送 到控 制 系统 ， 再 反馈 控制 供浆 泵 变频 器 ， 信 号 传 递 路线 较长 ， 系 统灵 敏 性 差 ， 响应 时 间 过 长 ， 在 紧 急 情 况下 反映 较慢 ； 6 由于井 队现 场供 电不稳 定 ， 也 容 易使 传 感 器 发 出 的信号 失 真 ， 因为 扭矩 传 感 器需 要 0 ～ 1 2 V 的 直 流 电源供 电 ； 7 传 感器 价 格 昂贵 ， 易损 坏 ， 维 护 成本 较高 ； 8 传 感器 使 用一段 时 间 以后 ， 就 必 须 进行 重 新 标 定 ， 但 在 现场无 法 标定 。 采 用控 制离 心机 主 电机 的变 频 器输 出 的电流 信 号作为反馈控制信号 ， 离心机 主电机变频器输 出电 流 信号 的采 集不 需要 使 用专 门的 电流测 量仪 器而 是 在 防爆 控制 柜 内从 控 制 主 电机 变 频 器 上 直 接 获 取 ， 不 需要 在离 心 机上 安 装 仪 器 采 集 相 关 参 数 ， 不 再 使 用扭 矩传感 器 ， 克 服 了使 用 扭 矩 传 感 器 的 缺 点 。采 用 主电机 电流 信号 控制 方式 的优点 有 1 直接从 变 频器 获取 主 电机 电流 信 号 ， 数据 采 集 与信 号控 制 非常 准确 、 可 靠 ； 2 结构 非常 简单 ； 3 在 防爆控 制 柜 内部 变 频 器 上 获 取 主 电机 电 流信 号 ， 克 服 了扭 矩传 感器 不具 有 防爆 功 能 的缺点 ， 系统 更加 安全 ； 4 采 用主 电机 变频 器直 接 控 制供 浆 泵 变频 器 ， 流 程简单 而 且响应 非 常快 速 ； 5 使 用维 护成 本低 ； 6 离 心机 整 机 设 计 简 单 ， 尺寸 可 以减 小 ， 制 造 成 本低 。 6 现场应用 截 至 目前 ， 胜 利 油 田为 6台 高速 离 心 机 配 套 了 变 频 调 速 闭 环 控 制 系 统 ， 并 利 用 这 6台 配 套 变 频 调 速 闭环 控制 系统 的 离 心 机 在 胜 利 油 田和 川 东 北 地 区完 成 了 2 1口井 的 施 工 任 务 。配 套 变 频 调 速 控 制 系 统 的 离 心 机 在 施 工 过 程 中 运 转 情 况 良好 ， 没有 出现 故 障 。特 别 是 配 套 自动 变 频 调 速 闭 环 控 制 系统 后 ， 控 制 更 灵 活 ， 操 作 更 方 便 ， 能 够 根 据 钻 井液 性 能 的变化 ， 自动 调 节 主 电机 转 速 、 离 心 机 处 理量 ， 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 。 7 结束语 以离 心机 主 电机 电流 为控制 信 号设计 而 成 的变 频 调 速 闭环控 制 系统 ， 使 离 心机 在 供 浆 量 和 钻 井 液 性 能 参数 密 度 、 黏度 、 固 相含 量 等 发 生 变 化 时 ， 其 处理 量也 随之 变 化 确保 其 始 终 处 于 最 佳 工 作状 态 ， 实现 了离 心机 恒排 渣 的功 能 。离心 机 主电机 电流 信 号采 自于离心 机 变频 防爆 控制 柜 内控制 主 电机 的变 频器 ， 克 服 了使 用扭 矩 传 感 器 本 身 的缺 点 。钻 井 液 高速 离心 机采 用 变频 调速 闭环 控 制 技 术 ， 进 一 步 扩 大 了钻井 液离 心机 的使 用 范 围 ， 具有 一机 多用 功 能 ， 拓宽 了应 用领 域 ， 具 有 很 好 的适 应 性 。采 用 变 频 调 速 闭 环 控 制 系统 后 ， 能 够 自动／ 手 动 调 节 离 心 机 转 速 ， 使离 心机 既 可 以作 为 中速离 心 机使 用 离心机 转 速 1 0 0 0 --2 0 0 0 r ／ rai n ， 也 可 以作 为 高 速 离心 机 使 用 离心 机转 速 2 o o o ～3 o o 0 r ／ rai n ， 能 根 据 钻 井 工艺 要求 ， 有 效控 制钻 井 液 固相含 量 ， 提 高 钻井 液 固 相控 制水 平 。 变 频 调 速 闭环 控 制 系统 具 有 鲜 明 的特 色 ， 动 态 响应 快 ， 可靠 性 高 ， 故 障 诊 断 与 报警 能 力 强 ， 进 一 步 提 高 了钻井 液 高速 离 心 机 的 性 能 ， 特 别 是 离 心机 的 参 数 自动调 节 和 自我 保 护 功 能 的 实现 ， 可 有效 避 免 离 心机 过载 、 堵 塞等 故 障 的发 生 ， 提高 离心 机运 行 的 可 靠性 ， 减 少 了 因意外 故 障而 造 成 的不 必 要 的经 济 损失。该控制系统操作简单 、 现场使用非常方便， 控 制 可靠 、 灵 敏 ， 维护 保养 费用 低 。该控 制 系统 的研制 成 功 对于 其他 类 型离心 机 或其他 机 械设备 控 制系统 设 计 ， 具有 较 高 的参 考 价值 。 参 考 文 献 [ 1 ]张 阳春 ， 杨志 康 ， 郭东 ． 国 内外 石 油 钻采 设 备技 术 水 平分 析 [ M] ． 北京 石油工业出版社 ， 2 0 0 1 4 2 5 2 ． [ 2 ] 龚伟 安． 钻井液固相控制技术与设备E M] ． 北京 石油工业 出版 社 ， 1 9 9 5 2 5 8 2 8 4． E 3 3 董怀荣． 钻井液高速 离心机分 离理论 研究及应 用[ R] ． 山东东 营 胜利油 田博士后研究工作报告 ， 2 0 0 7 1 6 卜1 7 7 ． [ 4 ] 马小亮． 大功率交一 交 变频调 速及矢 量控制 技术 I- M] ． 3版． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 4 2 2 0 6 ． [ 5 ] 董怀荣 ， 王新梅 ， 蔡文军 ， 等． L W4 0 0 1 2 0 0型 变频控制高速 离 心机的研制[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 1 4 5 4 7 ． E 6 3 董怀荣 ， 王平 ， 蔡文军． 一种全 自动闭环控制钻井液高速离心机 E J 3 ． 西部探矿工程 ， 2 0 0 6 ， 1 8 4 2 0 9 2 1 1 ． [ 审稿屈 文涛]