一種吹灰管線壓力異常自動監測保護裝置研制

蘇偉

中國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，石油鉆井現場普遍使用重晶石粉灰罐進行加重鉆井液配制；能夠解決發生溢流時配制加重鉆井液，時間緊，人員嚴重不足，需求量大問題[2]。

灰罐屬于壓力容器，已經納入特種設備進行管理并定期檢測[1]，驅料動力為鉆井隊配備的壓縮空氣，氣壓0.7～1mpa，使用中偶爾會發生石粉在出料管堵塞，現場配備壓力表和泄壓閥[1]，但存在檢測不及時、保養不到位和使用時觀察不到位等問題，不能及時發現堵塞及壓力異常，極易發生壓力突然釋放的不安全事件，需要研發一套系統，及時發現處置解決這一難題。

1 重晶石粉灰罐加重工作流程

（1）從動力機房壓縮空氣房主氣路引出一條氣源管線到重晶石灰罐分壓包。

（2）先開啟加重泵，再開蝶閥⑦、⑨，關蝶閥⑧。（3）開球閥 ②、⑩、③、⑥，再開蝶閥⑤，一分鐘后關蝶閥⑤。（4）開球閥①1進環管，十五分鐘后關球閥②，升壓至0.2MPa后，開蝶閥④，再緩慢開蝶閥⑤控制下灰速度。（5）加重完成后，關球閥①2、蝶閥④，開蝶閥⑤，一分鐘后關球閥⑩，開球閥 ②卸壓，再關蝶閥⑤、球閥②。（6）A罐加重完畢后，如需要繼續加重，則關蝶閥⑦、開蝶閥⑧，重復2-4步驟，加重B罐[2]。

2 壓力異常原因分析（以A 罐為例）

壓縮空氣將罐內重晶石粉通過出灰口，通過連接軟管到達⑦蝶閥然后進入分配管匯多級三叉管，通過⑨蝶閥后經過連接軟管與加重泵加料口進料管線連接，加重泵將循環罐內原有鉆井液吸入與灰罐送來的高比重重晶石粉攪拌混合，從而達到提高鉆井液比重的目的。

使用中因攪拌不均勻，或罐內沉沙造成加重泵排水管線污堵，從而造成壓力升高。

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

3 改進設計

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，未能解決堵塞憋壓問題.

3.2 最終方案

在重晶石灰罐吹灰出料管匯中安裝壓力轉換開關，開關內置壓力傳感器，可以設置壓差并將壓力值轉換成電信號，亦可選擇在三通加料口處加裝法蘭式壓力傳感器，將工作壓力轉換為電信號輸出。

當管線內發生堵塞壓力升高，達到預警壓力時，壓力轉換開關內壓力傳感器將壓力變化轉換成電信號傳遞給控制單元，控制單元將電信號傳送給聲光報警裝置預警。

壓力繼續升高達到預設壓差上限值，再次轉變為電信號通過控制單元傳送給聲光報警裝置發出紅色報警信號警示。

同時控制單元將電信號發送至進氣總閘電磁閥，切斷進氣源；同時將電信號發送至分壓包泄壓電磁閥，泄壓電磁閥延時排放容器及管內壓力。

泄壓電磁閥設置為延后5秒泄壓，保障主氣路氣壓穩定，防止正在使用的其他設備離合器因氣壓過低燒毀。

3.3 方案實施增加設備及功用

在分壓包備用小孔徑管線處安裝壓力傳感器和壓力轉換開關，或在分配器主管后端安裝法蘭式壓力傳感器[2]。

壓力轉換器將氣壓轉換為電信號；壓力轉換器調整界面調整壓差，并設置報警壓力值，工作壓力上限值。

在分壓包旁底座處安裝配電箱，箱內安裝繼電器和交換器，繼電器將壓差開關電信號傳輸給氣源電磁閥、電磁泄壓閥、聲光報警裝置；箱體上部安裝聲光報警器。

在分壓包處管線接口安裝電磁泄壓閥，泄壓閥可以實現延時設置，目的是給主管線電磁閥完全關閉提供足夠時間，從而完全隔斷灰罐與現場氣路系統，防止灰罐系統泄壓工作造成現場氣路系統壓力過低，保障現場其它設備正常工作。

在灰罐系統氣源管線上安裝電磁截止閥，達到自動開啟和關閉灰罐系統氣源目的。

4 自動監測保護裝置配套設備功用及工作流程

自動監測保護裝置結構示意圖，見圖1；加重單元氣管路示意圖，見圖2；圖中：1、氣源；2、灰罐；3、加重罐；4、分配器；5、進灰總管；6、分壓包；7、進氣總管；8、進氣支管；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、環管。

圖1 自動監測保護裝置結構示意圖

圖2 加重單元氣管路示意圖

4.2 自動監測保護裝置報警電路原理

自動監測保護裝置報警電路原理極為簡單，就是通過增加的壓力傳感器，將壓力值對應轉換為電信號接入控制器，并在設置的兩個動作點通過控制器輸出電信號，接通報警器報警，同時驅動其它電器元件按照處置流程工作和關閉。見圖3。

圖3 灰罐自動裝置報警原理圖

4.3 自動監測保護裝置處置流程

本裝置處置方案將氣壓轉換為電信號后，變機械處理為電控自動處理，設置報警壓力和自動處置壓力，兩者之間具有一定壓差，其處置流程是管線發生堵塞，壓力超過工作壓力值，如圖4上部分所示，控制器接到電信號后輸出給聲光報警燈報警提示；壓力繼續升高到預設處置壓力時，如圖4下部分流程線路所示，依照1報警提示--2切斷主氣源保護其它設備--3延時卸壓順序進行工作。

圖4 裝置自動處置流程圖

4.4 “一種吹灰管線堵塞電控監測自動保護裝置”自動處置流程

在灰罐吹灰出料管匯中安裝的壓力轉換開關，內置壓力傳感器可以設置壓差并將壓力值轉換成電信號，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。

當管線內發生堵塞，管內壓力升高，達到預警壓力時，壓力轉換開關內壓力傳感器將壓力變化轉換成電信號傳遞給控制單元，控制單元將電信號傳送給聲光報警裝置，發出聲光預警。

壓力繼續升高達到設定壓差上限值時，轉變為電信號傳送給聲光報警裝置發出紅色報警信號警示。

同時控制單元將電信號發送至進氣總閘電磁閥，切斷進氣源。

同時控制單元將電信號發送至分壓包泄壓電磁閥，泄壓電磁閥延時排放容器及管內壓力。

泄壓電磁閥設置為延后2s泄壓，10s關閉，可以進行0.5到10秒開啟時間設置，0.5到45s關閉時間設置。

泄壓電磁閥設置為延后作用是，保障主氣路氣壓穩定，防止正在使用其他設備離合器因氣壓過低燒毀。

從而達到重晶石粉灰罐吹灰發生堵塞時，實現電控自動化處置，起到安全防護作用。

5 推廣應用與效益

該成果自2022年至今，已廣泛應用于西南油氣田、川西鉆探蓬深、威遠、中淺等重要地區，在鉆井隊現場試驗取得良好應用效果。

直接經濟效益：該成果使得重晶石加重過程達到100%無障礙完成，平均年創造產值=節約1小時×120井次=120小時/24=5天×11萬元=55萬元/年。

減少機械鉆機因安全閥直接泄壓造成系統壓力急速降低，燒毀離合器21套，節約費用=0.498（萬元/套）×21套=10.458（萬元）。

間接經濟效益：該成果近2年來在公司試驗運行中，提高了加重工作效率[3]，減少了員工勞動強度。

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

專利情況：2023年08月，相關成果“一種吹灰管線壓力異常自動監測保護裝置”已完成國家實用新型專利申請，等待授權。

6 結論與建議

關鍵技術：該成果在管線發生堵塞壓力異常時，能夠實現電控制自動化處置，起到安全防護作用。

該研發最終成果為“一種吹灰管線堵塞電控監測自動保護裝置”，該裝置能夠進行有效監測、發現堵塞和壓力異常，并及時預警，自動進行保護，降低風險、快速處理，減少人員傷害、經濟損失。該預警保護系統，成本低易量產，加裝簡單，不改變原有結構，全程自動化控制，值得在鉆井現場大力推廣與應用。