随着石油勘探开发工作的发展,钻井深度不断增加,钻遇地层日益复杂,特别是近几年国内外一些新型钻井技术的发展与应用,如深井、超深井钻井技术、水平井钻井技术以及欠平衡钻井技术等,对钻井液固相控制提出了更高的要求,钻井液与固相控制技术是保证正常钻井工艺技术实施的关键。离心机作为一种钻井液固控设备,合理地设计和使用,可有效控制钻井液密度,清除钻井液中的有害固相,对提高机械钻速,提高后续设备(钻井泵、钻具、井下仪器等)的使用寿命、节约泥浆药品用量、保护油气层等方面具有重大意义。目前,我国几乎所有钻井队都配备了功率为18.5～22 0ｋＷ、转鼓直径为?350～450ｍｍ、转速为1500～1850ｒ/ｍｉｎ的中速离心机,已经难以满足新型钻井工艺的更高要求[1]。特别是一些对钻井液固相控制要求比较高的特殊工艺井,现场在用中速离心机更是难以承担重任。主要原因在于现场实际处理量小,特别对密度、粘度较高的钻井液实际处理量更小。转鼓转速低,一般只有1500～1850ｒ/ｍｉｎ,分离因数小。由于转速低,离心机分离中点大,导致清除钻井液中有害固相颗粒少,一般只能清除颗粒当量直径10μｍ以上的部分固相,现场适应性差。目前在用钻井液离心机由于性能参数不可调,经常出现一些问题,例如,当钻井液性能参数发生变化时(密度、粘度、固相含量等),由于产生的固相较多,经常使离心机发生堵塞现象。离心机一旦堵塞,就必须花费大量的人力物力进行解堵,有时必须返回厂家检修解堵;更为严重的是,如果离心机的过载保护装置发生故障,会造成控制系统和电机故障,引起不必要的经济损失。相比于其他固控设备,离心机的可靠性低,不能像振动筛一样连续运行,只是偶尔用于控制钻井液的密度、粘度时才使用,并没有与振动筛配合使用而应用于全井过程,以连续清除钻井液中细小固相颗粒。
    我国也只是上世纪90年代中期才开始使用中速离心机,并认识到离心机在钻井液固相控制中的巨大作用,特别在钻一些特殊工艺井过程中作用更大。但随着钻井工艺难度的加大,对固控的要求不断提高,仅有中速离心机还不能很好地解决当今钻井液固相控制问题。要适应新型钻井工艺技术发展的需要,提高钻井液固控水平,必须提高离心机的性能。尤其必须发展大排量、可靠性高、适应我国石油矿场实际特点的高速离心机。
    1　高速离心机结构    ＬＷ400×1200型全变频自动控制高速离心机整机由转鼓总成(包括转鼓与螺旋输送器等)、主电机、箱体、机座、全变频自动控制系统、供液泵、大小底座及辅助设施组成。主电机通过皮带驱动行星差速器转动,由行星差速器分别带动转鼓和螺旋输送器旋转,并使得二者转向相同,但存在一个转速差,一般螺旋输送器转速比转鼓转速略低。由于转鼓高速旋转,密度较大的固相颗粒在离心力的作用下贴附于转鼓内壁,通过螺旋输送器的刮板被刮下并推到底流孔排出,经过分离的液相则由溢流孔排出,达到固液分离的目的。
    离心机主电机和供浆泵电机分别采用变频器离心机负载实时采集与反馈控制部分及其他电气控制元器件组成全变频自动控制系统。除与离心机差速器相连的传感器外,其余元器件都安装在一个控制箱内,形成集成控制装置。该装置除具有控制功能外,还符合石油钻井行业防爆要求,具有减震功能。除变频器本身具有散热功能外,为保证变频器正常工作,控制箱内安装温度实时检测与风机联动控制装置。当实时检测控制箱内温度高于设定温度(该设定值是保证变频器正常工作温度值),能够自动启动风机冷却控制箱和变频器;当实时检测控制箱内温度低于设定温度(该设定值是保证变频器正常工作温度值),能够自动关闭风机。
    ＬＷ400×1200型全变频自动控制高速离心机结构上主要有以下几个特点:
    ａ)　长径比较大(长径比为3)、分离固相更加干燥,减少钻井液的损失。
    ｂ)　差速器差速比大,提高离心机排渣能力和沉渣输送速度。
    ｃ)　全部采用滚动轴承支撑,减小了振动,便于长期运转,提高了工作可靠性。
    ｄ)　螺旋叶片有较高的耐磨性、防腐性,提高了螺旋叶片的寿命。
    ｅ)　采用整体双螺旋叶片的输送器结构,便于加工,提高沉渣输送效果。
    ｆ)　液位调节装置便于调节干燥区长度和沉渣的干湿性。
    2　变频调速自动控制性能
    从离心机差速器的固定轴端拾取输送器的扭矩信号,然后将该扭矩信号输入变频器控制系统并与设定值比较,变频器及控制系统根据扭矩信号的变化和比较结果,直接反馈控制供浆泵的转速和驱动转鼓的主电机转速,从而改变供浆量和离心机的负载,并使之形成一个闭式循环。使得在钻井液密度、粘度和固相含量等参数发生变化时,确保离心机始终处于最佳工作状态,实现恒排渣的功能,不会产生堵塞和过载现象,从而大大提高了离心机的可靠性和现场适应性。
   在控制系统中设定3个扭矩信号值:分别是最大安全停机扭矩Ｍｍａｘ、最大工作扭矩Ｍ1、正常空载启动最小扭矩Ｍｍｉｎ。当差速器固定端的扭矩传感器实时检测的动态扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1设定值、大于正常空载启动最小扭矩Ｍｍｉｎ设定值(也就是说,Ｍｍｉｎ<Ｍ<Ｍ1)时,离心机保持正常工作状态,此时主电机和供浆泵电机按照变频器设定的最高转速运转,保证离心机正常处理钻井液和排渣功能。
    当差速器固定端的扭矩传感器实时检测的动态扭矩Ｍ大于最大工作扭矩Ｍ1设定值、小于最大停机扭矩Ｍｍａｘ设定值(也就是说,Ｍ1<Ｍ<Ｍｍａｘ)时,说明离心机负载增大了。此时实时采集的扭矩信号通过变频器及其控制系统能直接降低供浆泵转速和供液量,从而减轻离心机主机的负载,避免离心机堵塞和过载现象。直到实时检测的动态扭矩Ｍ小于最大工作扭矩Ｍ1设定值时为止,从而保证离心机不发生过载现象。
    3　主要技术参数

4　现场应用
    2004年12月17日在胜利黄河钻井四公司32559井队进行了现场应用。第1口井号为纯68—斜5井,该井是一口双靶点定向斜井,设计井深2941ｍ,该井钻井工艺复杂,对钻井液固相控制要求较高,要求钻井液性能必须稳定。该井二次开钻以后开始使用ＬＷ400×1200型高速离心机,钻井液密度始终稳定在1.03×103～1.26×103ｋｇ/ｍ3,实际处理量达35～45ｍ3/ｈ,主机转速为2800～3000ｒ/ｍｉｎ稳定运转,排渣效果好,各部分运转正常。特别是全变频自动控制系统完全能够根据钻井液性能的变化,采集扭矩反馈控制信号,自动调节离心机处理量和离心机负载,实现了恒排渣的设计性能。主轴承温升正常,仅有28℃左右,整机噪声为85ｄＢ,运转正常。2005 01 09,该井顺利完钻,完钻井深2941ｍ。截止到2005 08,该离心机已经在32559井队完成了纯68-斜5、3-9-206、2-3-斜221和1-2-423等6口井的工业应用,每口井都是从二开以后就一直开始使用,无论是加重钻井液,还是非加重钻井液都能发挥作用,取得了非常好的使用效果。
     5　结束语
     ＬＷ400×1200型高速离心机,具有结构紧凑,使用寿命长、性能可靠等特点,可以清除3μｍ以上的有害固相颗粒,回收液相,并能有效地控制钻井液性能,提高钻井速度,是钻深井和水平井等特殊工艺井理想的钻井液净化设备。在加重水基钻井液中,可采用中、高速离心机和双层高频直线振动筛配合使用,实现保持钻井液密度、控制固相和钻井液粘度的目的,从而解决了在加重泥浆井段中使用离心机的问题。
    ＬＷ400×1200型全变频自动控制高速离心机研制成功,形成了具有我国自主知识产权的钻井液高速离心机负载实时监测与全变频自动闭环控制技术,已经获得2项专利授权,专利号分别为200520081438.3和200520081441.5,极大地提高了高速离心机的性能,可以应用于全钻进过程的固相控制,而且操作简单,使用维护方便,减轻工人劳动强度,不会因为钻井液固相含量高、密度大而出现堵塞或跑钻井液的现象。
    由于转速较高,能够清除钻井液中其他固控设备不能除去的微细固相,能明显降低钻井液中有害固相含量。对提高钻井速度、降低钻井成本、改善钻井液的流变性能、提高后续设备的使用寿命、减少钻具磨损、井下先进仪器(ＭＷＤ等)的使用、油气层保护与井壁稳定性等都有明显的经济与社会效益。