钻井液加重材料实时回收控制研究.pdf

第 3 8誊 第 1期 2 0 1 0年 j月 石 油 钻 探 技 术 I E TR【 I EUM I RI I I I N TE CHNI QUE S V 1 ．3 8 O ．1 J a n ．， 1 0 l 0 ． -设备与 工具 钻 井液加重材料 实时回收控制研 究 李 俊 吴朝晖 倪学莉 张晓东。 1 ．海洋石油工程股份有限公司． 天津 塘沽3 0 0 4 5 1 ； 2 ．西南石油大学 机电工程学 院， 四J I 『 成都6 1 0 5 0 0 摘 要 针对油田加重材料不能及时回收 ， 造成 资源浪费的 问题 ， 设计 了一套全 自动 闭环控 制 系统 ， 设 计 了上 位 机 的 可视 化 界 面 ． 建 立 了上 位 机 与 下位 机 的 串 口通 信 ， 实现 了上 位机 与 下位 机 的 数据 交换 、 检 测信 号显 示 、 工作 参 数 的 图形 显 示等 ． 达 到 了实时控 制 。 同 时 ， 设 计 了一 套 回收 高 密度 钻 井 液加 重材 料 的 新 型 装 置 。现 场 试验 表 明 ， 在 控 制 系统 与新 型装 置 的配 套 使 用 下． 对 回收 加 重材 料 的含 量 进 行采 样 ， 分析 结果说 明 已达到 高效 回收 的 目标 。 关键 词 钻井液；加重材料 ；回收 装置 ； 计算机控制 系统；离心机；串行通信 中 图 分类 号 TP2 7 3 一． 5 文 献 标识 码 A 文 章 编 号 1 O O 卜0 8 9 0 2 0 1 0 0 卜0 0 6 3 0 4 国内外对废 弃钻 井 液 的处理 有 许 多方 法 ， 如 机 械脱水 法 、 焚 烧 法 、 喷 雾 干 燥 法 、 回 收 循 环 利 用 、 MT C技 术 、 安 全 土 地 掩 埋 法 、 土 地耕 作 法 、 注 人 安 全地层或 环行空 间 、 微生物 法 、 化学 强化 固液分离 技 术以及 固化 法 等 一 。但 这 些典 型 方法 的应 用 均 受 到限制 ， 并 且共 同特 点都是 “ 事后 ” 处理 ， 而加重材 料 包 含在废 弃钻井 液 中 ， 如 在钻 井 过程 中不对 加 重 材 料进行分 离 、 回收再用 ， 就会 造成 效 率 不高 、 成 本 增 加 、 环境污 染等 问题 。 笔者的设计 ， 是希望能够根据钻井液性能及离 心 机性能参数 的改 变 ， 经 传感 器 检测 后 输入 控 制 系 统 ， 控 制系统 根据信 号 值 相应 给 出合 理 回收 高 密度 加 重材料 时离心机 的工 作转 速及 处 理量 ， 要 追 求 准 确 、 实时 回收 ， 必须 通 过计 算 机去 控 制 ， 精确 达 到设 计 要求 ， 真 正“ 实 时” 作 出判 断并 给 出 回收加 重 材 料 合理 的工作参 数值 。 1 ． 2 钻 井液加 重材料 回收控 制 系统模 型 的建立 针 对 影 响 加 重 材 料 回 收 的 因 素 及 对 微 型 计 算 机控 制 系 统 的类 型 分 析 ， 笔 者选 用 监 督 计 算 机 控制 s u p e r v i s o r y c o mp u t e r c o n t r o l ， S C C 系 统 作 为加 重 材 料 回收 的 控 制 系统 模 型 ， 并 建 立 了 回 收 高 密度 加 重 材 料 全 自动 闭 环 控 制 系统 _ 4 ] ， 如 图 1 所 示 。 加 重材 料 回收 控制 系统 流 程 通 过 传感 器检 测 钻井液 的性能参 数一A／ D转 化一 信号 输人 MC S 一 5 1 单 片机一 传人上 位计算 机一根据 程序对 比分析一 程 序 输 出调节变频 器的频 率及 电磁 比例 阀一 调整 离心 机的转 速及离 心机 的进 料量一再 通过传 感器检测 离 心机进料 及转速 等性能 参数反馈 给计算 机一进行 反 馈 调节一 达到预 期 的理 论离心机 进料值 及转速一 回 收加重材 料 。 1 ． 3 卧式螺旋 离心机 的结构与 工作原理 1 钻井液加重材料 回收控制系统 主要结构 卧式螺旋卸料沉降离心机的主要构 1 ． 1 影 响钻 井液加 重材料 回收 的因素 对 影 响钻 井 液 加 重 材料 回 收 的 因素进 行 了分 析 ， 得 知影响 回收加 重 材 料 的因素 包 括钻 井 液性 能 和离 心机 的 工作 参 数 。其 中 钻井 液 的性 能 包 括 黏 度 、 密度等 ； 离 心机 的工作参 数主要有 离心机 的进料 量 、 离心机 的转 速 、 离心 机 轴 承 的扭 矩 、 离心 机 轴 承 的振 动等 。 收 稿 日期 2 0 0 9 ～ 0 3 2 3 ； 改 回 日期 f ⋯u - 1 2 s 基 金 项 目 四 川 省教 育 厅 重点 科 研 项 目” 高 密度 钻 井液 加 重 材 料 回收 利 用 自适 用控 制研 究 ” 编 号 1 7 Z、 1 和 肯部 共 建 ” 石 曲 天 然 气装 备 ” 教 育 部重 点 买验 室 项 目 编 号 ㈦、 6 s I 、 联 合 资助 作 者 简 介 李 俊 1 9 8 1 ． 男 ． 江 西 南 昌 人 ． 2 ⋯ J 年 毕 业 于 江 西 理 工 大学 电 气 工程 及 其 自动 化 专 业 ． 2 ㈨ 8年 获 西 南石 由大 学礼 械 电 子工程 专业硕士学位 ． 主要从事仪表选 型及控 制 系统设计方 向的研 究 工作 。 联 系方 式 0 2 2 6 6 9 0 91 21． 1 i j u n a ma i l ． C O O C C ． C O n 1 ． 1 6 4 石 油 钻 探 技 术 钻井液 密度、 黏度 流量 传感器 传 感 器 采 集 离心机 进料量 比磁 比例阀 A／ D 转换 M 单 C 片 S - 机 51[ ] 232 c] 计 算 机 H 麓 振动、扭 矩传感 器采集 L W 6 0 0 离心机 轴承扭 矩、振动 L W 6 0 0 离心机 主辅 电 机转速 转速 测量仪 图 1 加 重 材 料 回 收 控 制 系统 流 程 件有转鼓 、 螺旋 推进 器 、 差 速 器 、 过载 保 护装 置 和 卸 载装置 ， 如图 2所示 。 1 ．过 载保 护 装 置 ； 2 ．行 星差 速 器 ； 3 ．左 轴 承 ； 4 ．转鼓 ； 5 ．机壳 ； 6 ．螺旋输送器； 7 ．右轴承 ； 8 ．三角皮带轮 ； 9 ．进料管 ； 图 2 卧式 螺 旋 卸 料 沉 降 离 心机 结构 工作 原理机壳 内有两个 装在 左右轴 承上 的同 心 回转部 件 ， 外 面是无孔 转鼓 ， 里面 是螺旋 叶片输送 器 。主 电动机通 过三角皮 带轮 带动转 鼓旋 转 。转鼓 通过左轴 承处 的空 心 轴 与 行 星差 速 器 的 外 壳 相 连 接 ， 行星 差速器 的输 出轴带 动 螺旋 输 送 器 与转 鼓作 同 向转动 ， 但转速 不 同 ， 其转差 率一般 为转鼓 转速 的 0 ． 2 ～3 ． 0 。钻井 液从右 端的 中心加料 管连续送 人机 内 ， 经过螺旋 输 送 器 的 内筒加 料 隔 仓 的进 料孔 进到转鼓 内。在 离 心力 的作 用 下 ， 转 鼓 内形 成 了一 个环形 液池 ， 固体粒 子 离心 沉 降 到转 鼓 内表 面上 而 形成沉渣 ， 由于螺 旋 叶片与转 鼓 的相 对运动 ， 沉渣被 螺旋叶 片推送 到转鼓小 端 的干燥 区 ， 从 排渣 口甩 出 。 在转鼓 大端盖上 开 设有 若 干 溢 流 口， 澄 清 液便 从 此 处流 出 ， 经机壳 的排液 室排 出 。 通过调节溢流 口挡板的位置、 机器转速 、 转鼓与 螺旋输送 器 的转 差 、 进 料速度 ， 可改 变离心 机 的固相 清除率 和沉渣 的含湿量 。 1 ． 4控 制 系统 的工作原 理 根据 钻井液 性能通 过改 变离心 机的进 料量与 主 辅 电机 的转 速 ， 达 到 回收 钻 井 液 加 重 材 料 的 目的 。 闭环控制 系统 的工作原 理是 1 单 片机 的管 脚 P 0口分别 作 为 流 量 Q、 密 度 p 、 黏 度 ／ 1 、 振 动 k 、 扭矩 I 、 角 速度 叫 和 6 0 。的传 感器 经变送 器后 经 A／ D转 换器 的输入端 ， 将 7个采 集 的 信号 经 A／ D转 换 器分 时 编程 传送 给单 片机 的存 储 区 ， 当 7个检 测信 号 全 部 存 储 完 毕 后 ， 单 片 机 端 口 P 3口将信 号通过 串 口通 信传 送给 计算 机 ， 计 算 机根 据 传送 的信号 ， 分析 对 比 ， 确定对 应输 出变频器 的频 率 和进 入离心 机 的流 量 ， 通过 变 频 器 与计 算 机 的 串 口通信 发 出指 令 ， 控制 变 频 器 ， 改 变 主 、 辅 电机 的转 速 ； 单 片机 P 1口作 为 电磁 比例 阀的控 制 输 出端 ， 改 变进入 离心机 的供料 量 ； 2 针对 不 同的振 动 、 扭 矩 和 黏度 等 参数 ， 计 算 机采用 VB程 序语 言进行分 段编 程 ； 3 用 钻 井 液 密度 传 感器 、 黏 度传 感 器 ， 及振 动 传感器 、 扭矩 传感器 ， 分别 测量 出进入 控制 系统 的工 作数据 ； 4 将传 感 器采 集 的数 据 进 行 A／ D转 换 ， 并 输 入到单 片机 中 ， 单 片机将检 测信 号输入 给计算 机 ， 计 算机根 据采集 的数据 ， 经 已编制 程序 的判断 ， 控制 系 统发 出相应 的输 出处 理指令 。 2 控制系统中基于 VB的串行数据通信 2 ． 1基于 VB的 PC机 与单片 机 间的串行数 据通信 目前 ， 通 过计算 机与单 片机 互连 ， 构成 主从 分 布 式控制 系统 ， 从机 单 片机 进 行 数 据 采集 或 实 时控 制 ， 主机 P C机 进行 数据 处理 和 中央 控制 。笔者利 用 VB来 实现 钻井 液加重材 料 回收实 时控 制系 统 的 主机 P C 与从机 单 片机 的 串行通 信 ， 构成 主 从分 布式控 制系统 ， 实现 上位机 与下位 机 的数据交 换 、 检 测信 号显示 、 工作参 数 的图形显 示等l_ 7 _ 8 l 。 2 ． 2基于 V B的 P C机 与变频 器的 串行数 据通信 一 台 P C机 的串 口可 以连 接一 台变频 器 ， 也可 以 Ⅲ 生 I 曩 器 鐾 李 俊 等 钻 井 液 加 重 材料 实 时 回收 控 制 研 究 连接多台变频 器 ， 如 采用 三菱T S U B I S HI F R AS 0 O 变 频器最 多可 以连 接 3 2台 。通用 的 计算 机 一般 只具 有RS 一 2 3 2 接 口 ． 而 变频 器 采用RS 一 4 8 5 接 口， 为 了实 现两者 之间 的通 信 。 需 要 一 个 接 口转 换 器 ， 来 实 现 R S - 2 3 2 与R S 一 4 8 5 之 间的转 换 。R S 2 3 2 ／ R S 4 8 5 转 换器 把变频器 、 计算 机 、 离 心机 三者连接 在一 起 见 图 3 ， 控制 系统 根据检 测 信号 变化 发 出 相直 指令 ， 通 过 改 变输 出变频器 的运行频率 ， 来改变 离心机 的转速 。 计 算 机 H R s 2转32换／ R器 S 传感器检测离心机 中的钻井液参数 s s s} 萃 l霉 主电机 I辅电机 变 频 器 3l 离心机 图 3 变 频 器 、 RS 2 3 2 ／ RS 4 8 5转 换 器 和 微机 的硬 件 连 接 笔者采用 VB 6 ． 0 提供 的串行通信控件 MS C o m m， 编 写 通 信 软 件 ， 建 立 变 频 器 与 计 算 机 的 串 口 通 信 。 。计算 机发 出 指 令 给变 频 器 ， 使 变 频 器 改 变 运行频率 ． 离心机 根据 变 频 器频 率 变化 改 变 自己主 辅 电机 的转速 ， 达 到改 变 离 心机 工 作参 数 实 时 回收 加重材料 的 目的。笔者设 计的钻 井液加重 材料 回收 计算机与 变频器 的串行通 信界面 。 如图 4所示 。 图 4 高密度钻 井液加重材料回收计算机 与变 频 器 的 串 行通 信 界 面 3 钻井液加重材料 回收工艺流程 钻 井液加 重材料 实时新 型 回收装 置 由相应 传感 器 如 流量 、 密度 和黏度 等传感 器 、 变 频器 、 流量计 、 电磁 比例阀 等组 成 ， 如图 所示 。 回收 方 案 利用 传感器 检 测钻 井液 黏 度 、 密度 信号 ， 振 动仪 、 扭 矩 仪 、 速 度 检 测仪 检 测离 心 机 的信 号 和流 量计检测 离 心机 进 料量 信 号 ， 将 上 述 检测 信 号经 A／ D转换器 传入单 片机 和计 算机 ， 计 算机将 反 馈 信号 传给单 片机 与 变频 器 ， 改变 变 频器 的频率 和 电磁 阀的开度 ， 达到 改 变离 心 机转 速 与离 心 机进 料 量 的 目的 图 5 高密度钻 井液 加重材料 回收装置工艺流程 回收工艺 流程运行 模式设 计一个 由混 合仓 与 溢 流仓组成 的中储 罐 ， 其 中} 昆合仓 用 来储 存 一部 分 原浆 和 L W6 0 0离 心 机 分 离 后 含 有 加 重 材 料 的 底 流 ， 溢流仓 用来储存 第一 台离心机 的溢流 ， 便于第二 台离心机 清除有害 固相 。控 制系统 根据检 测信号调 整 L W6 0 0离心 机 的转 速 与进 料 量 。 将 加 重材 料 分 6 6 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 0年 1月 离到混合仓 中进行 回收， 通过泵输送到钻井泵里面， 进入循环系统。有害固相分离到溢流仓用泵泵人到 L W4 5 0离 心机进行 清除 。 4 应用效果 在油 田现场试 验 中 ， 对混合 仓进行 了采样 ， 使用 MS MI C R OP L MS 激 光粒 度 分 析仪 ， 进 行 了粒 度分 析 ， 结果见 表 1 。 表 1 不 同转速下离心机底流 的粒度分布 从 表 1可 以看 出 ， 根 据检 测 到 的钻井 液 性 能参 数 ， 在 新型 回收控制 系统控 制下 ， 调 整离 心机进 料量 的情况 下 ， 随着离心 机转鼓 转速 的降低 ， 离心 机底流 中细粒 子的含 量减少 ， 中粗 颗粒 的含 量增 加 ， 离 心机 的分离粒 度增 大 ， 加 重材 料 的含 量 增 加 。这说 明在 控制 系统与新 型装置 流程下 ， 可高效 回收加重材 料 。 5 结 论 1 设计 出 了一 套 高 密度 钻 井 液 加重 材料 回收 控制系统， 通过编制控制系统程序代码 ， 建立了上位 机 P c 与下位机 单片机 的串口通信， 实现了采集 数据及 信号 的有效传 输 。 2 通过 RS 2 3 2 ／ R S 4 8 5 转 换器 ， 把 变频 器 、 计 算 机、 离心机三者有效地结合在一起， 实现 了随检测信 号变化 控制 系统实 时 发 出相 应 指令 ， 通过 改 变变 频 器的运 行频率 ， 来改 变离 心机 的转速 。 3 设计 了新 型 回收钻 井 液加 重材 料 的装置 ， 在 钻 井过 程 中 ， 这 套 闭环 控制 系统 高效 、 实 时检测钻 井 液与离 心机 的性能 变 化 ， 发 出相 应 指令 改 变 离心 机 的转速 及 处理 量 。在 新 型 装 置 流 程 运 行 下 达 到 了 “ 实时 ” 分离 、 回收加 重材料 的最佳 效果 。 参 考 文 献 [ 1 ] Ri c h a r d s M， Mo n k ma n B， C o me a u P， e t a 1 ． S o l i d s c o n t r o l a n d wa s t e ma n a g e me n t f o r S AG D[ R ] ． S P E 9 7 6 7 0 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] R i c h a r d s M， Mo n k ma n B， C o me a u P， e t a I ． S ma r t c e n t r i f u g e f o r s o l i d a n s we r s t o s o l i d s c o n t r o l [ R] ． S P E 3 9 3 7 8 ， 1 9 9 8 ． [ 3 ] Ar d r e y W E， Ni x G L， Wr i g h t J P ． Au t o ma t i o n o f s o l id s c o n t r o l s y s t e ms [ R] ． S P E 1 4 7 5 1 ， 1 9 8 6 ． [ 4 ] 张晓东 ， 李俊 ， 张斌， 等． 高密度 钻井液加重剂 回收技术[ J ] ． 天 然 气 工 业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 9 4 8 5 O ． [ 5 ] 孙启才 ， 金鼎五． 离心机原理结 构与设计计算 [ M] ． 北京 机械 工 业 出 版 社 ， 1 9 8 6 ． [ 6 ] 张晓东 ， 李俊． 变频器对卧螺 离心机 的高效 控制应用研究 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 8 ， 5 i o 1 2 2 1 2 5 ． [ 7 ] 范逸之 ， 陈立元． V i s u a l B a s i c与 R S 2 3 2串行 通信控制[ M] ． 北 京 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 8 ] 周子琛 ， 申振宁． 用 VB实现计算 机与单片机 的串行通信[ J ] ． 半导体技术 ， 2 0 0 2 ， 2 7 1 4 2 4 4 ． [ 9 ] 张智杰 ， 王新江． 基于 VB的变频器 与微机 的串行 通信[ J ] ．自 动化仪表， 2 0 0 3 ， 2 4 4 5 5 5 7 ． [ 1 0 ] 葛新锋 ， 董永强． 串口通信数据传输及其在变频器控制中的应 用 [ J ] ． 继 电器 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 7 7 2 7 5 ． [ 审稿屈文涛] Re s e a r c h o n Re a l Ti m e Re c l a i mi n g Dr i l l i n g Fl u i d’ S W e i g ht M a t e r i a l Li J u n W u Zh a o hu i Ni Xu e l i Zha ng Xi a o do n g 2 1 ．O f f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o ． ， Lt d ． ，T a n g g u ，T i a n j i n ，3 0 0 4 5 1 ， C h i n a ；2 ．S c h o o l o f E l e c t r o me c ha ni c al En gi n e e r i n g ，So ut hwe s t Pe t r o l e u m Un i ve r s i t y，Che n gdu，Si c hu an，6 1 0 5 00，Chi n a Ab s t r a c t Cons i de r i n g t h e pr o bl e m o f no t be i n g a bl e t o r e c l a i m we i gh t ma t e r i a l i n t i me，a n a ut o ma t i c c o nt r o1 s y s t e m a n d a v i s ua 1 wi nd o w we r e de s i g ne d ． The c o nn e c t i o n b e t we e n ho s t a n d c l i e n t c ompu t e r we r e b ui l d ．Th e d a t a e x c ha ng e，d e t e c t e d s i gn a l d i s pl a y a n d gr a ph i c di s p l a y o f wo r ki ng p a r a me t e r s f o r r e a l t i me c o nt r ol we r e a c h i e v e d．A n e w d e v i c e t o r e c l a i m hi g h d e n s i t y d r i l l i n g f l u i d’ S we i gh t m a t e r i a l wa s de s i gne d． Fi e l d a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e s a mp l i n g a n a l y s i s o f r e c l a i me d we i g h t ma t e r i a l i n d i c a t e s t h a t t h e o b j e c t i v e of e f f e c t i ve r e c l a i m wa s a c hi e ve d by us i ng t he c o nt r o l s y s t e m a nd t h e ne w d e v i c e ． Ke y wo r d s d r i l l i ng f l u i d； we i g ht i ng ma t e r i a l ； r e c o v e r y s y s t e ms；c o mpu t e r c o n t r ol s y s t e m ； c e nt r i f u g es e r i a 1 c o mm u ni c a t i o n