隨著石油勘探開(kāi)發(fā)工作的發(fā)展,鉆井深度不斷增加,鉆遇地層日益復(fù)雜,特別是近幾年國(guó)內(nèi)外一些新型鉆井技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,如深井、超深井鉆井技術(shù)、水平井鉆井技術(shù)以及欠平衡鉆井技術(shù)等,對(duì)鉆井液固相控制提出了更高的要求,鉆井液與固相控制技術(shù)是保證正常鉆井工藝技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵。離心機(jī)作為一種鉆井液固控設(shè)備,合理地設(shè)計(jì)和使用,可有效控制鉆井液密度,清除鉆井液中的有害固相,對(duì)提高機(jī)械鉆速,提高后續(xù)設(shè)備(鉆井泵、鉆具、井下儀器等)的使用壽命、節(jié)約泥漿藥品用量、保護(hù)油氣層等方面具有重大意義。目前,我國(guó)幾乎所有鉆井隊(duì)都配備了功率為18.5～22 0ｋＷ、轉(zhuǎn)鼓直徑為?350～450ｍｍ、轉(zhuǎn)速為1500～1850ｒ/ｍｉｎ的中速離心機(jī),已經(jīng)難以滿足新型鉆井工藝的更高要求[1]。特別是一些對(duì)鉆井液固相控制要求比較高的特殊工藝井,現(xiàn)場(chǎng)在用中速離心機(jī)更是難以承擔(dān)重任。主要原因在于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際處理量小,特別對(duì)密度、粘度較高的鉆井液實(shí)際處理量更小。轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速低,一般只有1500～1850ｒ/ｍｉｎ,分離因數(shù)小。由于轉(zhuǎn)速低,離心機(jī)分離中點(diǎn)大,導(dǎo)致清除鉆井液中有害固相顆粒少,一般只能清除顆粒當(dāng)量直徑10μｍ以上的部分固相,現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性差。目前在用鉆井液離心機(jī)由于性能參數(shù)不可調(diào),經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題,例如,當(dāng)鉆井液性能參數(shù)發(fā)生變化時(shí)(密度、粘度、固相含量等),由于產(chǎn)生的固相較多,經(jīng)常使離心機(jī)發(fā)生堵塞現(xiàn)象。離心機(jī)一旦堵塞,就必須花費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行解堵,有時(shí)必須返回廠家檢修解堵;更為嚴(yán)重的是,如果離心機(jī)的過(guò)載保護(hù)裝置發(fā)生故障,會(huì)造成控制系統(tǒng)和電機(jī)故障,引起不必要的經(jīng)濟(jì)損失。相比于其他固控設(shè)備,離心機(jī)的可靠性低,不能像振動(dòng)篩一樣連續(xù)運(yùn)行,只是偶爾用于控制鉆井液的密度、粘度時(shí)才使用,并沒(méi)有與振動(dòng)篩配合使用而應(yīng)用于全井過(guò)程,以連續(xù)清除鉆井液中細(xì)小固相顆粒。
    我國(guó)也只是上世紀(jì)90年代中期才開(kāi)始使用中速離心機(jī),并認(rèn)識(shí)到離心機(jī)在鉆井液固相控制中的巨大作用,特別在鉆一些特殊工藝井過(guò)程中作用更大。但隨著鉆井工藝難度的加大,對(duì)固控的要求不斷提高,僅有中速離心機(jī)還不能很好地解決當(dāng)今鉆井液固相控制問(wèn)題。要適應(yīng)新型鉆井工藝技術(shù)發(fā)展的需要,提高鉆井液固控水平,必須提高離心機(jī)的性能。尤其必須發(fā)展大排量、可靠性高、適應(yīng)我國(guó)石油礦場(chǎng)實(shí)際特點(diǎn)的高速離心機(jī)。
    1　高速離心機(jī)結(jié)構(gòu)    ＬＷ400×1200型全變頻自動(dòng)控制高速離心機(jī)整機(jī)由轉(zhuǎn)鼓總成(包括轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器等)、主電機(jī)、箱體、機(jī)座、全變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)、供液泵、大小底座及輔助設(shè)施組成。主電機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)行星差速器轉(zhuǎn)動(dòng),由行星差速器分別帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器旋轉(zhuǎn),并使得二者轉(zhuǎn)向相同,但存在一個(gè)轉(zhuǎn)速差,一般螺旋輸送器轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速略低。由于轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn),密度較大的固相顆粒在離心力的作用下貼附于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁,通過(guò)螺旋輸送器的刮板被刮下并推到底流孔排出,經(jīng)過(guò)分離的液相則由溢流孔排出,達(dá)到固液分離的目的。
    離心機(jī)主電機(jī)和供漿泵電機(jī)分別采用變頻器離心機(jī)負(fù)載實(shí)時(shí)采集與反饋控制部分及其他電氣控制元器件組成全變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)。除與離心機(jī)差速器相連的傳感器外,其余元器件都安裝在一個(gè)控制箱內(nèi),形成集成控制裝置。該裝置除具有控制功能外,還符合石油鉆井行業(yè)防爆要求,具有減震功能。除變頻器本身具有散熱功能外,為保證變頻器正常工作,控制箱內(nèi)安裝溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)與風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制裝置。當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)控制箱內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度(該設(shè)定值是保證變頻器正常工作溫度值),能夠自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻控制箱和變頻器;當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)控制箱內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度(該設(shè)定值是保證變頻器正常工作溫度值),能夠自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)機(jī)。
    ＬＷ400×1200型全變頻自動(dòng)控制高速離心機(jī)結(jié)構(gòu)上主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):
    ａ)　長(zhǎng)徑比較大(長(zhǎng)徑比為3)、分離固相更加干燥,減少鉆井液的損失。
    ｂ)　差速器差速比大,提高離心機(jī)排渣能力和沉渣輸送速度。
    ｃ)　全部采用滾動(dòng)軸承支撐,減小了振動(dòng),便于長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn),提高了工作可靠性。
    ｄ)　螺旋葉片有較高的耐磨性、防腐性,提高了螺旋葉片的壽命。
    ｅ)　采用整體雙螺旋葉片的輸送器結(jié)構(gòu),便于加工,提高沉渣輸送效果。
    ｆ)　液位調(diào)節(jié)裝置便于調(diào)節(jié)干燥區(qū)長(zhǎng)度和沉渣的干濕性。
    2　變頻調(diào)速自動(dòng)控制性能
    從離心機(jī)差速器的固定軸端拾取輸送器的扭矩信號(hào),然后將該扭矩信號(hào)輸入變頻器控制系統(tǒng)并與設(shè)定值比較,變頻器及控制系統(tǒng)根據(jù)扭矩信號(hào)的變化和比較結(jié)果,直接反饋控制供漿泵的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓的主電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而改變供漿量和離心機(jī)的負(fù)載,并使之形成一個(gè)閉式循環(huán)。使得在鉆井液密度、粘度和固相含量等參數(shù)發(fā)生變化時(shí),確保離心機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)恒排渣的功能,不會(huì)產(chǎn)生堵塞和過(guò)載現(xiàn)象,從而大大提高了離心機(jī)的可靠性和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性。
   在控制系統(tǒng)中設(shè)定3個(gè)扭矩信號(hào)值:分別是最大安全停機(jī)扭矩Ｍｍａｘ、最大工作扭矩Ｍ1、正�？蛰d啟動(dòng)最小扭矩Ｍｍｉｎ。當(dāng)差速器固定端的扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設(shè)定值、大于正�？蛰d啟動(dòng)最小扭矩Ｍｍｉｎ設(shè)定值(也就是說(shuō),Ｍｍｉｎ<Ｍ<Ｍ1)時(shí),離心機(jī)保持正常工作狀態(tài),此時(shí)主電機(jī)和供漿泵電機(jī)按照變頻器設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),保證離心機(jī)正常處理鉆井液和排渣功能。
    當(dāng)差速器固定端的扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)扭矩Ｍ大于最大工作扭矩Ｍ1設(shè)定值、小于最大停機(jī)扭矩Ｍｍａｘ設(shè)定值(也就是說(shuō),Ｍ1<Ｍ<Ｍｍａｘ)時(shí),說(shuō)明離心機(jī)負(fù)載增大了。此時(shí)實(shí)時(shí)采集的扭矩信號(hào)通過(guò)變頻器及其控制系統(tǒng)能直接降低供漿泵轉(zhuǎn)速和供液量,從而減輕離心機(jī)主機(jī)的負(fù)載,避免離心機(jī)堵塞和過(guò)載現(xiàn)象。直到實(shí)時(shí)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設(shè)定值時(shí)為止,從而保證離心機(jī)不發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象。
    3　主要技術(shù)參數(shù)

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    2004年12月17日在勝利黃河鉆井四公司32559井隊(duì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。第1口井號(hào)為純68—斜5井,該井是一口雙靶點(diǎn)定向斜井,設(shè)計(jì)井深2941ｍ,該井鉆井工藝復(fù)雜,對(duì)鉆井液固相控制要求較高,要求鉆井液性能必須穩(wěn)定。該井二次開(kāi)鉆以后開(kāi)始使用ＬＷ400×1200型高速離心機(jī),鉆井液密度始終穩(wěn)定在1.03×103～1.26×103ｋｇ/ｍ3,實(shí)際處理量達(dá)35～45ｍ3/ｈ,主機(jī)轉(zhuǎn)速為2800～3000ｒ/ｍｉｎ穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),排渣效果好,各部分運(yùn)轉(zhuǎn)正常。特別是全變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)完全能夠根據(jù)鉆井液性能的變化,采集扭矩反饋控制信號(hào),自動(dòng)調(diào)節(jié)離心機(jī)處理量和離心機(jī)負(fù)載,實(shí)現(xiàn)了恒排渣的設(shè)計(jì)性能。主軸承溫升正常,僅有28℃左右,整機(jī)噪聲為85ｄＢ,運(yùn)轉(zhuǎn)正常。2005 01 09,該井順利完鉆,完鉆井深2941ｍ。截止到2005 08,該離心機(jī)已經(jīng)在32559井隊(duì)完成了純68-斜5、3-9-206、2-3-斜221和1-2-423等6口井的工業(yè)應(yīng)用,每口井都是從二開(kāi)以后就一直開(kāi)始使用,無(wú)論是加重鉆井液,還是非加重鉆井液都能發(fā)揮作用,取得了非常好的使用效果。
     5　結(jié)束語(yǔ)
     ＬＷ400×1200型高速離心機(jī),具有結(jié)構(gòu)緊湊,使用壽命長(zhǎng)、性能可靠等特點(diǎn),可以清除3μｍ以上的有害固相顆粒,回收液相,并能有效地控制鉆井液性能,提高鉆井速度,是鉆深井和水平井等特殊工藝井理想的鉆井液凈化設(shè)備。在加重水基鉆井液中,可采用中、高速離心機(jī)和雙層高頻直線振動(dòng)篩配合使用,實(shí)現(xiàn)保持鉆井液密度、控制固相和鉆井液粘度的目的,從而解決了在加重泥漿井段中使用離心機(jī)的問(wèn)題。
    ＬＷ400×1200型全變頻自動(dòng)控制高速離心機(jī)研制成功,形成了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉆井液高速離心機(jī)負(fù)載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與全變頻自動(dòng)閉環(huán)控制技術(shù),已經(jīng)獲得2項(xiàng)專(zhuān)利授權(quán),專(zhuān)利號(hào)分別為200520081438.3和200520081441.5,極大地提高了高速離心機(jī)的性能,可以應(yīng)用于全鉆進(jìn)過(guò)程的固相控制,而且操作簡(jiǎn)單,使用維護(hù)方便,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,不會(huì)因?yàn)殂@井液固相含量高、密度大而出現(xiàn)堵塞或跑鉆井液的現(xiàn)象。
    由于轉(zhuǎn)速較高,能夠清除鉆井液中其他固控設(shè)備不能除去的微細(xì)固相,能明顯降低鉆井液中有害固相含量。對(duì)提高鉆井速度、降低鉆井成本、改善鉆井液的流變性能、提高后續(xù)設(shè)備的使用壽命、減少鉆具磨損、井下先進(jìn)儀器(ＭＷＤ等)的使用、油氣層保護(hù)與井壁穩(wěn)定性等都有明顯的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。