钻井泥浆泵压力保护装置的研发与应用
摘要:石油泥浆泵压力保护装置是根据泥浆泵在现场使用中暴露出来的问题而设计、改进的一套装置。

该装置在泥浆泵出现憋泵或是泵压异常升高时能自动地切断泥浆泵电机的使能,从而降低泥浆泵的输出压力。

该装置对泥浆泵和现场操作人员都起到很大的安全防护作用,结构简单,操作维护方便,安全性能高。

关键词:泥浆泵保护安全泵压
目前,机械钻机和电动钻机所使用的钻井泥浆泵均采用安全阀作为安全保护。

安全阀是一种安全保护用阀,它的启闭件受外力作用下处于常闭状态,当泥浆泵内的介质压力升高,超过规定值时它的启闭件受外力作用下剪断插销,使得安全阀开启,同时通过向系统外排放泥浆来防止泥浆泵内泵压超过规定数值。

泥浆泵安全阀为杠杆式安全阀。

由于泥浆泵工作环境恶劣、振动大以及气候条件差等原因,经常会导致泥浆泵安全阀启闭件卡死。

这时只要发生憋泵现象就很容易导致人生事故和设备事故的发生。

在钻井现场,工作人员还必须每班检查并保养一次安全阀,如果保养不及时也可能导致安全阀启闭件锈死。

泥浆泵工作过程中,如果出现泵压异常升高而使安全阀开启时,如果现场工作人员没有及时发现并停泵,也可能导致泄压管因压力过高而脱落,这也会给旁边的工作人员带来生命危险。

根据这些缺陷,我们对现有的泥浆泵系统进行改进。

改进后的泥浆泵系统可以实现在泵压达到设定的保护值时泥浆泵自动地停止工作。

1 结构及工作原理
1.1 结构
石油泥浆泵压力保护装置由压力传感器、泥浆泵系统保护值设定手轮、PLC模块以及数据信号线等组成。

压力传感器安装在钻台面立管闸门组的传感器接口上,主要复杂采集泵压信号并转换为4～20 mA 的电流信号。

泥浆泵系统保护值设定手轮安装在司钻房内的操作台上,主要用于设定泥浆泵系统的保护值,当泥浆泵系统的压力超过手轮的设定保护值时PLC发出停泵信号。

PLC模块安装在司钻房的电控箱内,主要负责接受泵压信号和泥浆泵系统保护值设定的手轮的电压信号,并将这两种信号按规定的程序转换成对应的数据,实时地比较这两个数据的大小,并根据比较结果来控制泥浆泵电控系统。

1.2 工作原理
泥浆泵系统保护值设定手轮所使用的是10 V的直流电源。

当转动手轮选择泥浆泵工作压力从0～35 MPa变化时,泥浆泵系统工作压力选定手轮输出0～10 V的直流电压信号给PLC模块,这个电压信号通过PLC的计算会换算成0～27648之间的一个值M1。

例如:当转动手轮选择泥浆泵工作压力为17.5 MPa(即中间位置)时,泥浆泵系统工
作压力选定手轮输出5 V的直流电压信号给PLC模块,通过PLC的计算会换算成数值18824。

立管压力传感器使用的是24 V直流电源。

当立管压力信号在0～35 MPa之间变化时,立管压力传感器输出4～20 mA的电流信号,这个电流信号通过PLC的计算会换算成0～27648之间的一个值M2。

例如:当立管压力为17.5 MPa时,立管压力传感器输出直流电流信号10 mA给PLC模块,通过PLC的计算会换算成数值18824。

泥浆泵系统保护值设定手轮与立管压力传感器送给PLC模块的信号分别被PLC换算成数值M1、M2。

然后PLC通过比较M1与M2值的大小。

当M1大于M2时,立管压力小于泥浆泵系统工作压力选定手轮所设定的压力,泵压压限制保护不起作用,发送泥浆泵的使能信号,泥浆泵变频器正常工作;当M1小于M2时,立管压力大于泥浆泵系统工作压力选定手轮所设定的压力,这时泵压限制保护起作用,切断泥浆泵的使能信号[1],停止泥浆泵的工作,降低泥浆泵的泵压。

2 安全性能分析
装置的设计理念是断电保护、失效保护。

当压力传感器失灵、信号线断开或是控制电源突然断电时,泵压限制保护就会起作用,自动切断泥浆泵变频器的使能。

泥浆泵安全阀的使用也不受该装置的影响。

当泥浆泵的泵压达到安全阀设定的工作压力时,安全阀的启闭不受该装置的影响,正常的起保护作用。

在使用中建议将装置的设定值略低
于安全阀的设定值,这样装置就可以先于安全阀起保护作用。

装置和安全阀就形成了一个双重保护的系统。

3 现场安装及使用
电动钻机泥浆泵泵压保护装置在钻井队上的安装非常的方便。

压力传感器安装在钻台面立管闸门组的传感器接口上。

泥浆泵系统工作压力选定手轮安装在司钻房内的操作台上的闲置部分。

由于电动钻机的PLC模块都有30%的接口和通道是冗余的[2],所以电动钻机泥浆泵泵压保护装置可直接使用电动钻机现有PLC模块上的冗余通道,并且只需要对原有PLC系统中的程序做少量地修改。

至于装置所使用的24VDC和10VDC可从司钻柜内获取。

装置在现场使用中唯一需要人工操作的就只有泥浆泵系统保护值设定手轮。

司钻只需要根据现场工况转动手轮选择适当的泥浆泵系统保护设定值。

4 结论
(1)泥浆泵泵压保护装置自动化、智能化程度高,系统稳定,安全性高,维护和操作方便,可最大限度的减少钻井生产事故。

(2)电动钻机泥浆泵泵压保护装置结构简单、操作维护方便、安全性能高。

(3)该装置与泥浆泵的安全阀对泥浆泵和现场操作人员形成一个
双重保护的防护系统,提高了安全系数。

(4)该装置进一步提高了电动钻机电控系统的自动化和智能化。

(5)可方便的在现有钻机的基础上增加该安全装置。

参考文献
[1] 张晓军,王建才,戴克文,等.交流变频电机自动送钻系统的原理和应用[J].石油矿场机械,2007,36(11):32-34.
[2] 郑芸哲,齐明侠,沈蓉,等.基于西门子PLC的司钻控制系统［J］.石油矿场机械,2008,37(5):53-55.。