鉆井泵二次壓力保護裝置的研制與應用

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不可缺少的鉆井機械設備之一，在鉆進過程中給鉆桿輸送泥漿等介質，主要是對井筒泥漿進行循環，以確保冷卻、沖洗鉆頭、井筒巖屑的攜帶和穩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，通過密封工作腔（泥漿泵缸套）的容積周期性變化，將原動機械能轉化為輸送液體的壓力能，從而完成作業。具體過程是：借助泥漿泵活塞在缸套的往復運動，使工作腔容積產生周期性變化，泥漿泵缸套借助密封圈等密封裝置與外界隔絕，并通過泵閥（吸入閥或排出閥）與管路溝通與閉合，周而復始的運動來達到泥漿不間斷地循環。目前，油田使用的泥漿泵基本上是三缸式泥漿泵（即3 個缸套）。

鉆井泵安全防護一直是油田特別關注的問題之一，絕大部分鉆井隊采用剪切式安全閥對泥漿泵進行保護：當泵壓達到設定的閾值時，安全閥的剪切銷會自動剪斷，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。國內學者郭公喜闡述了剪銷式安全閥具有結構簡單，工作可靠性和穩定性，均優于彈簧式安全閥，現場對美國壹銷型剪銷式安全閥的結構設計給予肯定，認為推廣選用壹銷型剪銷式安全閥很有實用價值；田占川等[1]針對JA-3×35 剪銷式安全閥的結構和技術特點，提出了3 種鉆井泵安全閥試驗方法，分別從試驗效率和精確度方面對3 種試驗方法進行對比，確定了鉆井泵安全的最優試驗方法；史衛波等[2]對油田配套的剪銷式安全閥，彈簧復位式安全閥，分析其應用現狀及特點，同時提出優化建議，為安全閥的進一步優化設計和應用提供新的思路和方法。但是這種保護方式存在缺陷，剪切銷的硬度過強或過弱都有可能造成泥漿泵的誤動作，影響正常的生產作業，并且存在安全隱患[3]。

尤其冬季鉆井施工作業，很容易將剪切式安全閥的活塞與缸套凍結住，會造成設備和人員的重大安全事故。吳立東針對冬季安全閥容易出現的問題發布了專利，具體地說是安全閥對泥漿泵的過壓保護作用是非常重要的，安全閥經短節安裝在排出高壓五通的上方，排出歧管的左端，處于流動介質的下游，安全閥不斷接收到介質的傳質、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的壓力平衡。安全閥這種獨特的設置結構，使其安全系數更高，使用維護非常方便。

以上均沒有離開剪切式安全閥的使用，本研究突破以往的思路，采用智能控制儀進行檢測，達到對鉆井泵安全防護的作用。

1 研究思路與方案實施

1.1 研究思路

通過分析鉆井泵安全防護的原理，采用膜片壓力變送器（0～40 MPa）變送器，將壓力信號轉變為4～20 mA 電流信號，供給智能控制儀表進行檢測，促使鉆井泵動力端的離合器或者電機停止輸出動力，來達到對鉆井泵液力端輸出壓力的控制，進而來實現鉆井泵的本質安全。研究的目標如下：

（1）克服傳統的剪切式安全閥對鉆井泵進行保護所帶來的安全隱患，能夠實時檢測泥漿泵壓力并進行邏輯判斷，在壓力超過設定值時，輸出控制信號使泥漿泵的氣胎離合器（機械鉆機）/電機（電動鉆機）斷開，并報警通知司鉆人員，能有效保護鉆井泵。

（2）能夠實時檢測泥漿泵壓力。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），將壓力信號轉變為4～20 mA 電流信號，供給智能控制儀表檢測。

（3）根據要求所述的進行邏輯判斷。在壓力超過設定值時，輸出控制信號使泥漿泵的氣胎離合器（機械鉆機）/電機（電動鉆機）斷開，其特征是：采用智能控制儀表進行邏輯判斷，并在儀表中設定閾值，超過閾值后由智能控制儀表進行輸出控制信號，驅動后續的控制電路。

（4）報警通知司鉆人員，當壓力值降到設定值之下時裝置恢復正常的工作模式。

1.2 技術方案

設計的鉆井泵二次壓力保護裝置裝置原理如圖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，將壓力信號轉變為4～20 mA 電流信號，供給智能控制儀表進行檢測（圖2）；智能控制儀表檢測后進行邏輯判斷，當壓力值超過設定值時輸出控制信號使泥漿泵的氣胎離合器（機械鉆機）/電機（電動鉆機）斷開，并報警通知司鉆人員；當壓力值降到設定值之下時，該裝置恢復正常的工作模式，報警解除。同時，該裝置全程用無紙記錄儀實時記錄壓力值，便于出現問題時進行查詢。

圖1 鉆井泵二次壓力保護裝置原理

圖2 平面膜片型壓力變送器（0～40 MPa）

石油鉆機有機械鉆機和電動鉆機兩種型式，其控制原理也不相同。

（1）機械鉆機。智能控制儀表實時監測由平面膜片型壓力變送器將壓力轉換后的電流信號，當超過設定的上限時，智能控制儀表控制繼電器工作將電磁閥的氣路斷開，梭閥動作，泥漿泵氣胎離合器隨即停止工作。

（2）電動鉆機。智能控制儀表實時監測由平面膜片型壓力變送器將壓力轉換后的電流信號，當超過設定的上限時，智能控制儀表控制繼電器動作將泥漿泵電機接線盒中與修理開關相連接的繼電器常閉觸點使能信號線切斷，泥漿泵隨即停止工作。

1.3 產品選型

鉆井泵二次壓力保護裝置顯示屏設有4 個顯示區域，每個區域可以連接一臺鉆井泵的工作壓力值，工程師可以在鉆井過程中，對所需要的壓力值上限輸入到顯示屏的某個鉆井泵的區域內。例如，鉆進過程中需要的壓力上限值為15 MPa，那么鉆井泵的剪切銷就應安裝在對應的安全閥壓力值銷孔上，鉆井泵壓力保護裝置的設定上限值應比剪切銷安全閥大1 MPa，當鉆井泵高壓泥漿輸出壓力達到剪切銷安全閥閾值時，剪切銷安全閥沒有動作，智能儀表開始傳輸報警信號給司鉆，當壓力階梯式上升、到達智能控制儀表的閾值時，該儀表立即發出信號，遂將鉆井泵動力輸入裝置進行停機處理，達到安全防護的作用。

由于在油田野外作業，環境惡劣，因此保護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，防護等級也是行業最高的標準，不僅防水，還有防塵密封、耐高溫耐老化等特性，非常適用于油田現場。

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

圖3 威浦IP68 防水密封連接器

圖4 電信號傳輸過渡插頭

圖5 電磁閥氣路控制裝置

電磁閥是二位二通常開式電磁閥，線圈電壓為直流24 V，當得到24 V 電信號時切斷控制氣路，使離合器斷開，鉆井泵停止工作（機械鉆機）。當得到24 V 電信號時繼電器常閉觸點斷開，電機使能控制信號丟失，電機隨即停止工作（電動鉆機），達到安全保護作用的目的。

2 應用效果及技術創新點

該裝置在中國石油渤海鉆探第三鉆井公司70111 鉆井隊和BHZ70001 鉆井隊上使用，尤其是經歷冬季鉆井施工作業，保證了設備和人員的安全。

新型鉆井泵二次壓力保護裝置，與傳統的剪切式安全閥對鉆井泵進行保護方式比具有以下5 個優點：①實時監控鉆井泵的壓力，智能儀表上可以實時顯示壓力值，方便工作人員監測；②實時報警功能，泥漿泵壓力超過設定值時，報警通知司鉆人員提前進行處理；③手動恢復功能，壓力值降到正常范圍內解除報警，手動恢復正常工作模式；④數據記錄功能，壓力值記錄保存，方便查詢溯源；⑤能有效地對泥漿泵進行二次安全保護。

3 結束語

鉆井泵二次壓力保護裝置在傳統鉆井泵壓力保護裝置基礎上，再疊加一套壓力保護系統，同時用無紙記錄儀進行跟蹤記錄壓力值和傳送信號，并且根據實際工作情況可以靈活設定壓力范圍，在到達設定閾值后及時進行控制，這樣就對鉆井隊泥漿泵進行了二次防護，能防止泥漿泵在一次防護失效后造成事故。該裝置能有效解決安全生產的隱患，避免泥漿泵一次防護失效后損壞設備，具有一定的經濟效益，適宜大范圍推廣，特別適合冬季鉆井施工的作業。