李军峰
中石化江汉石油工程公司钻井一公司，湖北省潜江市433121
摘 要：石油钻井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安全问题而设计、改进的一套电子安全装置。该装置与之前的泥浆泵杠杆式安全阀一起起到双重保护作用，在泥浆泵出现憋泵或是泵压异常升高时能及时的自动地切断钻井泥浆泵动力源，从而降低泥浆泵的输出压力。该装置对泥浆泵、井下设备和现场操作人员都起到了很大的安全防护作用，避免了一些安全事故和环保事故的发生。结构简单，操作维护方便，安全性能高。
关键词：泥浆泵 电磁阀 安全阀 压力传感器 动力源
目前，针对石油系统中的机械钻机和电动钻机所使用的钻井泥浆泵均普遍采用杠杆式安全阀作为安全保护装置。杠杆式安全阀目前是泥浆泵唯一的安全保护装置，泥浆泵的安全阀开启和关闭条件受外力作用下一般处于常闭状态，当泥浆泵内的介质压力升高，超过规定值时它的开启件受外力的作用下由杠杆原理剪断剪切销，使得安全阀开启，同时通过泄压管来排放高压介质，防止泥浆泵泵压超过规定数值，损坏钻井设备。
1 结构及工作原理
根据目前现场所用的杠杆式安全阀存在的缺陷，对现有的泥浆泵动力系统进行改进。改进后的泥浆泵动力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，达到泄压保护目的。如图所示：
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1.1 结构
石油泥浆泵电子安全阀装置由压力传感器、两位三通电磁阀、PLC模块、12V电源盒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压力的保护值，当泥浆泵系统的压力超过手轮的设定保护值时压力传感器通过PLC来发出电信号。电信号作用在两位三通电磁阀上，两位三通电磁阀通过切断泥浆泵控制气源从而让继气器放气，让泵气囊与联动机钢鼓分离，达到安全停泵的目的。如图（3）所示：
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1.2 工作原理
??????1.2.1?机械泵工作原理：泥浆泵正常工作时，P进口气源从动力端进气口A排出，B口不通气使气囊抱死联动机钢鼓。泵压过高时，由12V电源盒提供电源，压力传感器采集泵压信号，当泥浆泵泵压压力超过设定的安全值时，由PLC模块给两位三通电磁阀传输电信号，再由两位三通电磁阀切断泥浆泵动力端气源工作气源，即P进口气源从动力端排气口B排出，来切断动力端进气口A，B出口可接气喇叭来提醒刹把操作人员，达到停泵泄压的目的，从而减少了杠杆式安全阀的开启频次，更好地保护了杠杆式安全阀的使用寿命，也保证了刹把操作人员及时发现泵压异常，避免出现井下复杂情况。如果恢复泥浆泵工作，通过PLC模块的解除键来切断两位三通电磁阀的信号，两位三通电磁阀在复位弹簧的作用下活塞平移，工作气源P接通动力端进气口A，恢复正常生产。
?????1.2.2电动泵工作原理：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
装置的设计理念分别是断气源或断电源保护。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，自动切断泥浆泵动力气源或变频器的电源。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 结论
（1）泥浆泵电子安全阀克服了现有泥浆泵机械剪切式安全销的压力保护不准确和无法让泥浆停止运转的不足。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
（6）可方便的在现有钻机的基础上增加该安全装置。
?? （7）能及时有效的预防井下复杂情况的发生。
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.