一種吹灰管線(xiàn)壓力異常自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置研制

蘇偉

中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司 四川 成都 610051

為防止粉塵污染，石油鉆井現(xiàn)場(chǎng)普遍使用重晶石粉灰罐進(jìn)行加重鉆井液配制；能夠解決發(fā)生溢流時(shí)配制加重鉆井液，時(shí)間緊，人員嚴(yán)重不足，需求量大問(wèn)題[2]。

灰罐屬于壓力容器，已經(jīng)納入特種設(shè)備進(jìn)行管理并定期檢測(cè)[1]，驅(qū)料動(dòng)力為鉆井隊(duì)配備的壓縮空氣，氣壓0.7～1mpa，使用中偶爾會(huì)發(fā)生石粉在出料管堵塞，現(xiàn)場(chǎng)配備壓力表和泄壓閥[1]，但存在檢測(cè)不及時(shí)、保養(yǎng)不到位和使用時(shí)觀察不到位等問(wèn)題，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)堵塞及壓力異常，極易發(fā)生壓力突然釋放的不安全事件，需要研發(fā)一套系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處置解決這一難題。

1 重晶石粉灰罐加重工作流程

（1）從動(dòng)力機(jī)房壓縮空氣房主氣路引出一條氣源管線(xiàn)到重晶石灰罐分壓包。

（2）先開(kāi)啟加重泵，再開(kāi)蝶閥⑦、⑨，關(guān)蝶閥⑧。（3）開(kāi)球閥 ②、⑩、③、⑥，再開(kāi)蝶閥⑤，一分鐘后關(guān)蝶閥⑤。（4）開(kāi)球閥①1進(jìn)環(huán)管，十五分鐘后關(guān)球閥②，升壓至0.2MPa后，開(kāi)蝶閥④，再緩慢開(kāi)蝶閥⑤控制下灰速度。（5）加重完成后，關(guān)球閥①2、蝶閥④，開(kāi)蝶閥⑤，一分鐘后關(guān)球閥⑩，開(kāi)球閥 ②卸壓，再關(guān)蝶閥⑤、球閥②。（6）A罐加重完畢后，如需要繼續(xù)加重，則關(guān)蝶閥⑦、開(kāi)蝶閥⑧，重復(fù)2-4步驟，加重B罐[2]。

2 壓力異常原因分析（以A 罐為例）

壓縮空氣將罐內(nèi)重晶石粉通過(guò)出灰口，通過(guò)連接軟管到達(dá)⑦蝶閥然后進(jìn)入分配管匯多級(jí)三叉管，通過(guò)⑨蝶閥后經(jīng)過(guò)連接軟管與加重泵加料口進(jìn)料管線(xiàn)連接，加重泵將循環(huán)罐內(nèi)原有鉆井液吸入與灰罐送來(lái)的高比重重晶石粉攪拌混合，從而達(dá)到提高鉆井液比重的目的。

使用中因攪拌不均勻，或罐內(nèi)沉沙造成加重泵排水管線(xiàn)污堵，從而造成壓力升高。

使用后卸放入泥漿罐的放空管沒(méi)有清掃干凈，鉆井液凝固造成管線(xiàn)堵塞[3]，從而造成壓力升高。原有系統(tǒng)安裝有壓力表和泄壓閥。使用時(shí)壓力表沒(méi)有人觀察，超壓時(shí)操作者不能知曉。安全閥缺乏保養(yǎng)和檢查，銹蝕后沒(méi)有更換，造成超壓不動(dòng)作失去保護(hù)作用[1]。安全閥能夠起到作用時(shí)，因泄壓太快會(huì)造成鉆井現(xiàn)場(chǎng)氣路系統(tǒng)壓力極速降低，使帶負(fù)荷離合器燒毀。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 初期方案

采用在主氣源加裝減壓閥，軟管連接處抱箍連接固定，改為由壬和法蘭固定，未能解決堵塞憋壓?jiǎn)栴}.

3.2 最終方案

在重晶石灰罐吹灰出料管匯中安裝壓力轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)內(nèi)置壓力傳感器，可以設(shè)置壓差并將壓力值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，亦可選擇在三通加料口處加裝法蘭式壓力傳感器，將工作壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

當(dāng)管線(xiàn)內(nèi)發(fā)生堵塞壓力升高，達(dá)到預(yù)警壓力時(shí)，壓力轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)內(nèi)壓力傳感器將壓力變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞給控制單元，控制單元將電信號(hào)傳送給聲光報(bào)警裝置預(yù)警。

壓力繼續(xù)升高達(dá)到預(yù)設(shè)壓差上限值，再次轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)通過(guò)控制單元傳送給聲光報(bào)警裝置發(fā)出紅色報(bào)警信號(hào)警示。

同時(shí)控制單元將電信號(hào)發(fā)送至進(jìn)氣總閘電磁閥，切斷進(jìn)氣源；同時(shí)將電信號(hào)發(fā)送至分壓包泄壓電磁閥，泄壓電磁閥延時(shí)排放容器及管內(nèi)壓力。

泄壓電磁閥設(shè)置為延后5秒泄壓，保障主氣路氣壓穩(wěn)定，防止正在使用的其他設(shè)備離合器因氣壓過(guò)低燒毀。

3.3 方案實(shí)施增加設(shè)備及功用

在分壓包備用小孔徑管線(xiàn)處安裝壓力傳感器和壓力轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，或在分配器主管后端安裝法蘭式壓力傳感器[2]。

壓力轉(zhuǎn)換器將氣壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；壓力轉(zhuǎn)換器調(diào)整界面調(diào)整壓差，并設(shè)置報(bào)警壓力值，工作壓力上限值。

在分壓包旁底座處安裝配電箱，箱內(nèi)安裝繼電器和交換器，繼電器將壓差開(kāi)關(guān)電信號(hào)傳輸給氣源電磁閥、電磁泄壓閥、聲光報(bào)警裝置；箱體上部安裝聲光報(bào)警器。

在分壓包處管線(xiàn)接口安裝電磁泄壓閥，泄壓閥可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)設(shè)置，目的是給主管線(xiàn)電磁閥完全關(guān)閉提供足夠時(shí)間，從而完全隔斷灰罐與現(xiàn)場(chǎng)氣路系統(tǒng)，防止灰罐系統(tǒng)泄壓工作造成現(xiàn)場(chǎng)氣路系統(tǒng)壓力過(guò)低，保障現(xiàn)場(chǎng)其它設(shè)備正常工作。

在灰罐系統(tǒng)氣源管線(xiàn)上安裝電磁截止閥，達(dá)到自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉灰罐系統(tǒng)氣源目的。

4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置配套設(shè)備功用及工作流程

自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖1；加重單元?dú)夤苈肥疽鈭D，見(jiàn)圖2；圖中：1、氣源；2、灰罐；3、加重罐；4、分配器；5、進(jìn)灰總管；6、分壓包；7、進(jìn)氣總管；8、進(jìn)氣支管；9、加壓管；10、出灰分管；11、加重泵；12、吹料管；13、電磁泄壓閥；14、電磁閥；15、掃氣管；16、環(huán)管。

圖1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 加重單元?dú)夤苈肥疽鈭D

4.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置報(bào)警電路原理

自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置報(bào)警電路原理極為簡(jiǎn)單，就是通過(guò)增加的壓力傳感器，將壓力值對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)接入控制器，并在設(shè)置的兩個(gè)動(dòng)作點(diǎn)通過(guò)控制器輸出電信號(hào)，接通報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)驅(qū)動(dòng)其它電器元件按照處置流程工作和關(guān)閉。見(jiàn)圖3。

圖3 灰罐自動(dòng)裝置報(bào)警原理圖

4.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置處置流程

本裝置處置方案將氣壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，變機(jī)械處理為電控自動(dòng)處理，設(shè)置報(bào)警壓力和自動(dòng)處置壓力，兩者之間具有一定壓差，其處置流程是管線(xiàn)發(fā)生堵塞，壓力超過(guò)工作壓力值，如圖4上部分所示，控制器接到電信號(hào)后輸出給聲光報(bào)警燈報(bào)警提示；壓力繼續(xù)升高到預(yù)設(shè)處置壓力時(shí)，如圖4下部分流程線(xiàn)路所示，依照1報(bào)警提示--2切斷主氣源保護(hù)其它設(shè)備--3延時(shí)卸壓順序進(jìn)行工作。

圖4 裝置自動(dòng)處置流程圖

4.4 “一種吹灰管線(xiàn)堵塞電控監(jiān)測(cè)自動(dòng)保護(hù)裝置”自動(dòng)處置流程

在灰罐吹灰出料管匯中安裝的壓力轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，內(nèi)置壓力傳感器可以設(shè)置壓差并將壓力值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，或三通加料口處加裝法蘭式壓力傳感器將壓力輸出為電信號(hào)。

當(dāng)管線(xiàn)內(nèi)發(fā)生堵塞，管內(nèi)壓力升高，達(dá)到預(yù)警壓力時(shí)，壓力轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)內(nèi)壓力傳感器將壓力變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞給控制單元，控制單元將電信號(hào)傳送給聲光報(bào)警裝置，發(fā)出聲光預(yù)警。

壓力繼續(xù)升高達(dá)到設(shè)定壓差上限值時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳送給聲光報(bào)警裝置發(fā)出紅色報(bào)警信號(hào)警示。

同時(shí)控制單元將電信號(hào)發(fā)送至進(jìn)氣總閘電磁閥，切斷進(jìn)氣源。

同時(shí)控制單元將電信號(hào)發(fā)送至分壓包泄壓電磁閥，泄壓電磁閥延時(shí)排放容器及管內(nèi)壓力。

泄壓電磁閥設(shè)置為延后2s泄壓，10s關(guān)閉，可以進(jìn)行0.5到10秒開(kāi)啟時(shí)間設(shè)置，0.5到45s關(guān)閉時(shí)間設(shè)置。

泄壓電磁閥設(shè)置為延后作用是，保障主氣路氣壓穩(wěn)定，防止正在使用其他設(shè)備離合器因氣壓過(guò)低燒毀。

從而達(dá)到重晶石粉灰罐吹灰發(fā)生堵塞時(shí)，實(shí)現(xiàn)電控自動(dòng)化處置，起到安全防護(hù)作用。

5 推廣應(yīng)用與效益

該成果自2022年至今，已廣泛應(yīng)用于西南油氣田、川西鉆探蓬深、威遠(yuǎn)、中淺等重要地區(qū)，在鉆井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得良好應(yīng)用效果。

直接經(jīng)濟(jì)效益：該成果使得重晶石加重過(guò)程達(dá)到100%無(wú)障礙完成，平均年創(chuàng)造產(chǎn)值=節(jié)約1小時(shí)×120井次=120小時(shí)/24=5天×11萬(wàn)元=55萬(wàn)元/年。

減少機(jī)械鉆機(jī)因安全閥直接泄壓造成系統(tǒng)壓力急速降低，燒毀離合器21套，節(jié)約費(fèi)用=0.498（萬(wàn)元/套）×21套=10.458（萬(wàn)元）。

間接經(jīng)濟(jì)效益：該成果近2年來(lái)在公司試驗(yàn)運(yùn)行中，提高了加重工作效率[3]，減少了員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

安全可靠，避免了蹩壓造成分配器管線(xiàn)脫落，抱箍飛出傷人事件，安全操作率達(dá)100% 。

專(zhuān)利情況：2023年08月，相關(guān)成果“一種吹灰管線(xiàn)壓力異常自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置”已完成國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)，等待授權(quán)。

6 結(jié)論與建議

關(guān)鍵技術(shù)：該成果在管線(xiàn)發(fā)生堵塞壓力異常時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)電控制自動(dòng)化處置，起到安全防護(hù)作用。

該研發(fā)最終成果為“一種吹灰管線(xiàn)堵塞電控監(jiān)測(cè)自動(dòng)保護(hù)裝置”，該裝置能夠進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)、發(fā)現(xiàn)堵塞和壓力異常，并及時(shí)預(yù)警，自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)，降低風(fēng)險(xiǎn)、快速處理，減少人員傷害、經(jīng)濟(jì)損失。該預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)，成本低易量產(chǎn)，加裝簡(jiǎn)單，不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)，全程自動(dòng)化控制，值得在鉆井現(xiàn)場(chǎng)大力推廣與應(yīng)用。