鉆井泥漿泵壓力保護裝置的研發與應用

摘 要：石油泥漿泵壓力保護裝置是根據泥漿泵在現場使用中暴露出來的問題而設計、改進的一套裝置。該裝置在泥漿泵出現憋泵或是泵壓異常升高時能自動地切斷泥漿泵電機的使能，從而降低泥漿泵的輸出壓力。該裝置對泥漿泵和現場操作人員都起到很大的安全防護作用，結構簡單，操作維護方便，安全性能高。

關鍵詞：泥漿泵 保護 安全 泵壓

中圖分類號：TE921 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（a）-0080-01

目前，機械鉆機和電動鉆機所使用的鉆井泥漿泵均采用安全閥作為安全保護。安全閥是一種安全保護用閥，它的啟閉件受外力作用下處于常閉狀態，當泥漿泵內的介質壓力升高，超過規定值時它的啟閉件受外力作用下剪斷插銷，使得安全閥開啟，同時通過向系統外排放泥漿來防止泥漿泵內泵壓超過規定數值。

泥漿泵安全閥為杠桿式安全閥。由于泥漿泵工作環境惡劣、振動大以及氣候條件差等原因，經常會導致泥漿泵安全閥啟閉件卡死。這時只要發生憋泵現象就很容易導致人生事故和設備事故的發生。在鉆井現場，工作人員還必須每班檢查并保養一次安全閥，如果保養不及時也可能導致安全閥啟閉件銹死。

泥漿泵工作過程中，如果出現泵壓異常升高而使安全閥開啟時，如果現場工作人員沒有及時發現并停泵，也可能導致泄壓管因壓力過高而脫落，這也會給旁邊的工作人員帶來生命危險。

根據這些缺陷，我們對現有的泥漿泵系統進行改進。改進后的泥漿泵系統可以實現在泵壓達到設定的保護值時泥漿泵自動地停止工作。

1 結構及工作原理

1.1 結構

石油泥漿泵壓力保護裝置由壓力傳感器、泥漿泵系統保護值設定手輪、PLC模塊以及數據信號線等組成。壓力傳感器安裝在鉆臺面立管閘門組的傳感器接口上，主要復雜采集泵壓信號并轉換為4～20 mA的電流信號。泥漿泵系統保護值設定手輪安裝在司鉆房內的操作臺上，主要用于設定泥漿泵系統的保護值，當泥漿泵系統的壓力超過手輪的設定保護值時PLC發出停泵信號。PLC模塊安裝在司鉆房的電控箱內，主要負責接受泵壓信號和泥漿泵系統保護值設定的手輪的電壓信號，并將這兩種信號按規定的程序轉換成對應的數據，實時地比較這兩個數據的大小，并根據比較結果來控制泥漿泵電控系統。

1.2 工作原理

泥漿泵系統保護值設定手輪所使用的是10 V的直流電源。當轉動手輪選擇泥漿泵工作壓力從0～35 MPa變化時，泥漿泵系統工作壓力選定手輪輸出0～10 V的直流電壓信號給PLC模塊，這個電壓信號通過PLC的計算會換算成0～27648之間的一個值M1。例如：當轉動手輪選擇泥漿泵工作壓力為17.5 MPa（即中間位置）時，泥漿泵系統工作壓力選定手輪輸出5 V的直流電壓信號給PLC模塊，通過PLC的計算會換算成數值18824。

立管壓力傳感器使用的是24 V直流電源。當立管壓力信號在0～35 MPa之間變化時，立管壓力傳感器輸出4～20 mA的電流信號，這個電流信號通過PLC的計算會換算成0～27648之間的一個值M2。例如：當立管壓力為17.5 MPa時，立管壓力傳感器輸出直流電流信號10 mA給PLC模塊，通過PLC的計算會換算成數值18824。

泥漿泵系統保護值設定手輪與立管壓力傳感器送給PLC模塊的信號分別被PLC換算成數值M1、M2。然后PLC通過比較M1與M2值的大小。當M1大于M2時，立管壓力小于泥漿泵系統工作壓力選定手輪所設定的壓力，泵壓壓限制保護不起作用，發送泥漿泵的使能信號，泥漿泵變頻器正常工作；當M1小于M2時，立管壓力大于泥漿泵系統工作壓力選定手輪所設定的壓力，這時泵壓限制保護起作用，切斷泥漿泵的使能信號[1]，停止泥漿泵的工作，降低泥漿泵的泵壓。

2 安全性能分析

裝置的設計理念是斷電保護、失效保護。當壓力傳感器失靈、信號線斷開或是控制電源突然斷電時，泵壓限制保護就會起作用，自動切斷泥漿泵變頻器的使能。泥漿泵安全閥的使用也不受該裝置的影響。當泥漿泵的泵壓達到安全閥設定的工作壓力時，安全閥的啟閉不受該裝置的影響，正常的起保護作用。在使用中建議將裝置的設定值略低于安全閥的設定值，這樣裝置就可以先于安全閥起保護作用。裝置和安全閥就形成了一個雙重保護的系統。

3 現場安裝及使用

電動鉆機泥漿泵泵壓保護裝置在鉆井隊上的安裝非常的方便。壓力傳感器安裝在鉆臺面立管閘門組的傳感器接口上。泥漿泵系統工作壓力選定手輪安裝在司鉆房內的操作臺上的閑置部分。由于電動鉆機的PLC模塊都有30%的接口和通道是冗余的[2]，所以電動鉆機泥漿泵泵壓保護裝置可直接使用電動鉆機現有PLC模塊上的冗余通道，并且只需要對原有PLC系統中的程序做少量地修改。至于裝置所使用的24VDC和10VDC可從司鉆柜內獲取。

裝置在現場使用中唯一需要人工操作的就只有泥漿泵系統保護值設定手輪。司鉆只需要根據現場工況轉動手輪選擇適當的泥漿泵系統保護設定值。

4 結論

（1）泥漿泵泵壓保護裝置自動化、智能化程度高，系統穩定，安全性高，維護和操作方便，可最大限度的減少鉆井生產事故。

（2）電動鉆機泥漿泵泵壓保護裝置結構簡單、操作維護方便、安全性能高。

（3）該裝置與泥漿泵的安全閥對泥漿泵和現場操作人員形成一個雙重保護的防護系統，提高了安全系數。

（4）該裝置進一步提高了電動鉆機電控系統的自動化和智能化。

（5）可方便的在現有鉆機的基礎上增加該安全裝置。

參考文獻

[1] 張曉軍，王建才，戴克文，等.交流變頻電機自動送鉆系統的原理和應用[J].石油礦場機械，2007，36（11）：32-34.

[2] 鄭蕓哲，齊明俠，沈蓉，等.基于西門子PLC的司鉆控制系統[J].石油礦場機械，2008，37（5）：53-55.