隨著石油勘探開發工作的發展,鉆井深度不斷增加,鉆遇地層日益復雜,特別是近幾年國內外一些新型鉆井技術的發展與應用,如深井、超深井鉆井技術、水平井鉆井技術以及欠平衡鉆井技術等,對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是保證正常鉆井工藝技術實施的關鍵。離心機作為一種鉆井液固控設備,合理地設計和使用,可有效控制鉆井液密度,清除鉆井液中的有害固相,對提高機械鉆速,提高后續設備(鉆井泵、鉆具、井下儀器等)的使用壽命、節約泥漿藥品用量、保護油氣層等方面具有重大意義。目前,我國幾乎所有鉆井隊都配備了功率為18.5～22 0ｋＷ、轉鼓直徑為?350～450ｍｍ、轉速為1500～1850ｒ/ｍｉｎ的中速離心機,已經難以滿足新型鉆井工藝的更高要求[1]。特別是一些對鉆井液固相控制要求比較高的特殊工藝井,現場在用中速離心機更是難以承擔重任。主要原因在于現場實際處理量小,特別對密度、粘度較高的鉆井液實際處理量更小。轉鼓轉速低,一般只有1500～1850ｒ/ｍｉｎ,分離因數小。由于轉速低,離心機分離中點大,導致清除鉆井液中有害固相顆粒少,一般只能清除顆粒當量直徑10μｍ以上的部分固相,現場適應性差。目前在用鉆井液離心機由于性能參數不可調,經常出現一些問題,例如,當鉆井液性能參數發生變化時(密度、粘度、固相含量等),由于產生的固相較多,經常使離心機發生堵塞現象。離心機一旦堵塞,就必須花費大量的人力物力進行解堵,有時必須返回廠家檢修解堵;更為嚴重的是,如果離心機的過載保護裝置發生故障,會造成控制系統和電機故障,引起不必要的經濟損失。相比于其他固控設備,離心機的可靠性低,不能像振動篩一樣連續運行,只是偶爾用于控制鉆井液的密度、粘度時才使用,并沒有與振動篩配合使用而應用于全井過程,以連續清除鉆井液中細小固相顆粒。
    我國也只是上世紀90年代中期才開始使用中速離心機,并認識到離心機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程中作用更大。但隨著鉆井工藝難度的加大,對固控的要求不斷提高,僅有中速離心機還不能很好地解決當今鉆井液固相控制問題。要適應新型鉆井工藝技術發展的需要,提高鉆井液固控水平,必須提高離心機的性能。尤其必須發展大排量、可靠性高、適應我國石油礦場實際特點的高速離心機。
    1　高速離心機結構    ＬＷ400×1200型全變頻自動控制高速離心機整機由轉鼓總成(包括轉鼓與螺旋輸送器等)、主電機、箱體、機座、全變頻自動控制系統、供液泵、大小底座及輔助設施組成。主電機通過皮帶驅動行星差速器轉動,由行星差速器分別帶動轉鼓和螺旋輸送器旋轉,并使得二者轉向相同,但存在一個轉速差,一般螺旋輸送器轉速比轉鼓轉速略低。由于轉鼓高速旋轉,密度較大的固相顆粒在離心力的作用下貼附于轉鼓內壁,通過螺旋輸送器的刮板被刮下并推到底流孔排出,經過分離的液相則由溢流孔排出,達到固液分離的目的。
    離心機主電機和供漿泵電機分別采用變頻器離心機負載實時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控制系統。除與離心機差速器相連的傳感器外,其余元器件都安裝在一個控制箱內,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,控制箱內安裝溫度實時檢測與風機聯動控制裝置。當實時檢測控制箱內溫度高于設定溫度(該設定值是保證變頻器正常工作溫度值),能夠自動啟動風機冷卻控制箱和變頻器;當實時檢測控制箱內溫度低于設定溫度(該設定值是保證變頻器正常工作溫度值),能夠自動關閉風機。
    ＬＷ400×1200型全變頻自動控制高速離心機結構上主要有以下幾個特點:
    ａ)　長徑比較大(長徑比為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,提高離心機排渣能力和沉渣輸送速度。
    ｃ)　全部采用滾動軸承支撐,減小了振動,便于長期運轉,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構,便于加工,提高沉渣輸送效果。
    ｆ)　液位調節裝置便于調節干燥區長度和沉渣的干濕性。
    2　變頻調速自動控制性能
    從離心機差速器的固定軸端拾取輸送器的扭矩信號,然后將該扭矩信號輸入變頻器控制系統并與設定值比較,變頻器及控制系統根據扭矩信號的變化和比較結果,直接反饋控制供漿泵的轉速和驅動轉鼓的主電機轉速,從而改變供漿量和離心機的負載,并使之形成一個閉式循環。使得在鉆井液密度、粘度和固相含量等參數發生變化時,確保離心機始終處于最佳工作狀態,實現恒排渣的功能,不會產生堵塞和過載現象,從而大大提高了離心機的可靠性和現場適應性。
   在控制系統中設定3個扭矩信號值:分別是最大安全停機扭矩Ｍｍａｘ、最大工作扭矩Ｍ1、正常空載啟動最小扭矩Ｍｍｉｎ。當差速器固定端的扭矩傳感器實時檢測的動態扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設定值、大于正常空載啟動最小扭矩Ｍｍｉｎ設定值(也就是說,Ｍｍｉｎ<Ｍ<Ｍ1)時,離心機保持正常工作狀態,此時主電機和供漿泵電機按照變頻器設定的最高轉速運轉,保證離心機正常處理鉆井液和排渣功能。
    當差速器固定端的扭矩傳感器實時檢測的動態扭矩Ｍ大于最大工作扭矩Ｍ1設定值、小于最大停機扭矩Ｍｍａｘ設定值(也就是說,Ｍ1<Ｍ<Ｍｍａｘ)時,說明離心機負載增大了。此時實時采集的扭矩信號通過變頻器及其控制系統能直接降低供漿泵轉速和供液量,從而減輕離心機主機的負載,避免離心機堵塞和過載現象。直到實時檢測的動態扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1設定值時為止,從而保證離心機不發生過載現象。
    3　主要技術參數

4　現場應用
    2004年12月17日在勝利黃河鉆井四公司32559井隊進行了現場應用。第1口井號為純68—斜5井,該井是一口雙靶點定向斜井,設計井深2941ｍ,該井鉆井工藝復雜,對鉆井液固相控制要求較高,要求鉆井液性能必須穩定。該井二次開鉆以后開始使用ＬＷ400×1200型高速離心機,鉆井液密度始終穩定在1.03×103～1.26×103ｋｇ/ｍ3,實際處理量達35～45ｍ3/ｈ,主機轉速為2800～3000ｒ/ｍｉｎ穩定運轉,排渣效果好,各部分運轉正常。特別是全變頻自動控制系統完全能夠根據鉆井液性能的變化,采集扭矩反饋控制信號,自動調節離心機處理量和離心機負載,實現了恒排渣的設計性能。主軸承溫升正常,僅有28℃左右,整機噪聲為85ｄＢ,運轉正常。2005 01 09,該井順利完鉆,完鉆井深2941ｍ。截止到2005 08,該離心機已經在32559井隊完成了純68-斜5、3-9-206、2-3-斜221和1-2-423等6口井的工業應用,每口井都是從二開以后就一直開始使用,無論是加重鉆井液,還是非加重鉆井液都能發揮作用,取得了非常好的使用效果。
     5　結束語
     ＬＷ400×1200型高速離心機,具有結構緊湊,使用壽命長、性能可靠等特點,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備。在加重水基鉆井液中,可采用中、高速離心機和雙層高頻直線振動篩配合使用,實現保持鉆井液密度、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的問題。
    ＬＷ400×1200型全變頻自動控制高速離心機研制成功,形成了具有我國自主知識產權的鉆井液高速離心機負載實時監測與全變頻自動閉環控制技術,已經獲得2項專利授權,專利號分別為200520081438.3和200520081441.5,極大地提高了高速離心機的性能,可以應用于全鉆進過程的固相控制,而且操作簡單,使用維護方便,減輕工人勞動強度,不會因為鉆井液固相含量高、密度大而出現堵塞或跑鉆井液的現象。
    由于轉速較高,能夠清除鉆井液中其他固控設備不能除去的微細固相,能明顯降低鉆井液中有害固相含量。對提高鉆井速度、降低鉆井成本、改善鉆井液的流變性能、提高后續設備的使用壽命、減少鉆具磨損、井下先進儀器(ＭＷＤ等)的使用、油氣層保護與井壁穩定性等都有明顯的經濟與社會效益。