專(zhuān)利名稱(chēng)：一種控制石油鉆機(jī)頂驅(qū)裝置轉(zhuǎn)速扭矩的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用提環(huán)載荷傳感的方式控制石油鉆機(jī)頂驅(qū)裝置轉(zhuǎn)速扭矩的方法。

背景技術(shù)：
目前，石油鉆機(jī)頂驅(qū)裝置的控制系統(tǒng)主要采用交流變頻控制方式，可以根據(jù)需要設(shè)定主電機(jī)的限定轉(zhuǎn)速和限定扭矩。
在此之前的控制系統(tǒng)，都是由操作人員通過(guò)調(diào)節(jié)手輪等方式設(shè)定頂驅(qū)裝置的限定轉(zhuǎn)速和限定扭矩，轉(zhuǎn)速和扭矩的設(shè)定相互獨(dú)立且不隨鉆井工況的變化而變化。當(dāng)鉆井工況發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，但現(xiàn)有技術(shù)本身無(wú)法判斷工況，因此需要人工參與判斷和加以調(diào)節(jié)。人工操作帶有很大的不確定性，難以保證調(diào)整的及時(shí)和合理，從而影響了鉆井作業(yè)的效率和安全程度。
在此之前，鉆機(jī)大鉤的載荷參數(shù)(懸重和鉆壓)僅用于儀表顯示供司鉆人員參考。要想將這些參數(shù)引入頂驅(qū)裝置的控制系統(tǒng)，需要在頂驅(qū)裝置以外的部件上加裝傳感器，或者由其他設(shè)備提供信號(hào)。由于頂驅(qū)裝置為移動(dòng)設(shè)備，不是固定與某套鉆機(jī)配套，有時(shí)甚至頻繁更換。拆裝傳感器會(huì)增加工作量，從其他設(shè)備取信號(hào)又涉及到設(shè)備改造和匹配的問(wèn)題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在原有控制方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)在頂驅(qū)裝置提環(huán)系統(tǒng)中加入載荷傳感器，將提升系統(tǒng)的載荷(懸重和鉆壓)參數(shù)引入頂驅(qū)控制系統(tǒng)，用于判斷鉆井工況，并根據(jù)載荷變化情況自動(dòng)對(duì)頂驅(qū)裝置的轉(zhuǎn)速和扭矩設(shè)定值進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。
本發(fā)明的方案是采用帶有載荷傳感器的頂驅(qū)鉆機(jī)提環(huán)裝置，測(cè)量提環(huán)承載LT，該裝置主要由提環(huán)、提環(huán)銷(xiāo)和箱體組成，在提環(huán)的兩端分別設(shè)有水平穿過(guò)的兩個(gè)圓柱形提環(huán)銷(xiāo)，提環(huán)銷(xiāo)的一端與箱體固定，在兩個(gè)提環(huán)銷(xiāo)上分別固定有載荷傳感器，載荷傳感器連接信號(hào)輸出電纜，載荷傳感器采用的是應(yīng)變式壓力傳感器。
頂驅(qū)裝置提環(huán)系統(tǒng)載荷傳感的基本原理是在頂驅(qū)裝置使用過(guò)程中，隨著提環(huán)系統(tǒng)承載的不同，在提環(huán)銷(xiāo)上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變，傳感器將該形變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳給控制系統(tǒng)。
提環(huán)承載加大，相當(dāng)于大鉤懸重增加，或者鉆壓減小；反之，提環(huán)承載減小，相當(dāng)于大鉤懸重減小，或者鉆壓增加。在鉆井作業(yè)中，一般要求鉆壓保持恒定。
本發(fā)明的控制方法如下 (1)在頂驅(qū)運(yùn)行之前，司鉆人員通過(guò)人機(jī)界面或其他輸入終端輸入鉆井扭矩限定值TH、轉(zhuǎn)速限定值SH、轉(zhuǎn)速安全值Smax；系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)速SA、實(shí)際輸出扭矩TA、提環(huán)承載LT；根據(jù)其變化判斷工況，自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速設(shè)定值SS和扭矩設(shè)定值TS；一般情況下，TS≤TH，SS≤SH；特殊工況時(shí)允許SS≤SH≤Smax；SA隨SS調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)SA＝SS；TA在不超過(guò)扭矩設(shè)定值TS的范圍內(nèi)隨負(fù)載扭矩TL變化，TA＝TL≤TS。
(2)頂驅(qū)裝置啟動(dòng)時(shí)，記錄LT當(dāng)前值作為鉆具自重參考值WT；SS從0開(kāi)始，按設(shè)定曲線(xiàn)增加至SH；TS從常數(shù)T0開(kāi)始逐漸提高，根據(jù)實(shí)際加速度調(diào)整TS；TS應(yīng)不小于TL+Ta，Ta為提供加速度的扭矩；最終達(dá)到理想鉆井工況，即SA＝SS＝SH，TS取TL*C1(C1≥1，為常數(shù))和TH中較小的值。程序流程圖如下圖3所示 (3)正常鉆井時(shí)，若送鉆速度變快或者進(jìn)入了較硬的地層，或者送鉆速度變快，會(huì)導(dǎo)致LT減小，即鉆壓增加，TL增大；當(dāng)鉆具沒(méi)有變化的情況下，如果檢測(cè)到LT減小，并且TA增大，則認(rèn)為進(jìn)入了此種工況；為避免TL過(guò)分增大導(dǎo)致主電機(jī)堵轉(zhuǎn)，系統(tǒng)首先自動(dòng)增大TS，保持TS＝TL*C1，C1≥1，為常數(shù)使SA＝SS；當(dāng)增至TS＝C2*TH，0＜C2＜1，為常數(shù)時(shí)，保持TS不變，按設(shè)定曲線(xiàn)增加SS至Smax*C3，0＜C3＜1，為常數(shù)，以增加切削量。如果SA可以跟隨SS增大，則待LT和TL回到正常值，降低SS到SH，TS＝TL*C1，C1≥1，為常數(shù)；如果SA不能跟隨SS增大，則減小SS至C4*SH，0≤C4＜1，為常數(shù)，直至SA降低到0，增加TS到TH；如果SA＝SS，則SS＝SH，如果SA＝0，系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)。
(4)堵轉(zhuǎn)之后，在上提鉆具的過(guò)程中，LT增大；突然解卡時(shí)，LT迅速減少，SA增大；系統(tǒng)檢測(cè)到LT減小到WT*C5，C5＞1，為常數(shù)時(shí)，控制系統(tǒng)提高SS使SS＝SMAX并且調(diào)節(jié)調(diào)速參數(shù)提高加速度，防止井下鉆柱由于高速甩開(kāi)脫扣而落井，當(dāng)SA＝SMAX時(shí)，降低SS使SS＝SH，TS＝TL*C1，C1≥1，為常數(shù)。
(5)在鉆進(jìn)過(guò)程中，若LT突然減小，然后穩(wěn)定在小于WT*C6，C6＜1，為常數(shù)的范圍內(nèi)，則認(rèn)為鉆桿甩開(kāi)或斷裂，SS＝0，系統(tǒng)停車(chē)后TS＝T0。
(6)正常鉆井工況下，如果送鉆速度變慢或者進(jìn)入了較軟地層，提環(huán)承載LT會(huì)增大，即鉆壓減小，負(fù)載扭矩TL會(huì)相應(yīng)減小，此時(shí)，可以降低主電機(jī)轉(zhuǎn)速使SS＝C7*SH，0＜C7＜1，為常數(shù)，以減少切削量，減少設(shè)備和鉆柱的損耗，司鉆據(jù)此增加送鉆速度。
上述(3)至(6)項(xiàng)工況程序流程圖參閱下圖4。
本發(fā)明專(zhuān)利顯著特點(diǎn)是根據(jù)鉆井工況的變化及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速和扭矩設(shè)定值，增強(qiáng)了頂驅(qū)裝置的自動(dòng)化程度，減少了人為因素對(duì)鉆井作業(yè)的影響，提高了生產(chǎn)效率和安全性。



圖1本發(fā)明系統(tǒng)原理圖。
圖2帶有載荷傳感器的頂驅(qū)鉆機(jī)提環(huán)裝置。
圖3工況程序流程圖。
圖4工況程序流程圖。

具體實(shí)施例方式 (1)參閱圖1，系統(tǒng)主要由輸入設(shè)備、控制單元、動(dòng)力源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。輸入設(shè)備采用人機(jī)交互界面(HMI)。控制單元可采用可編程邏輯控制器(PLC)、動(dòng)力源采用交流變頻器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用交流變頻電機(jī)帶動(dòng)頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)。
(2)參閱圖2，采用帶有載荷傳感器的頂驅(qū)鉆機(jī)提環(huán)裝置，測(cè)量LT。該裝置主要由提環(huán)1、提環(huán)銷(xiāo)3和箱體2組成，在提環(huán)1的兩端分別有水平穿過(guò)的兩個(gè)圓柱形提環(huán)銷(xiāo)3，提環(huán)銷(xiāo)3的一端與箱體2固定。在兩個(gè)提環(huán)銷(xiāo)3上分別固定有載荷傳感器，載荷傳感器連接有信號(hào)輸出電纜。載荷傳感器采用的是應(yīng)變式壓力傳感器。
(3)正常鉆進(jìn)工況參閱圖3，例如在頂驅(qū)運(yùn)行之前，司鉆人員通過(guò)人機(jī)界面或其他輸入終端輸入鉆井扭矩限定值TH＝30kNm、轉(zhuǎn)速限定值SH＝120rpm、轉(zhuǎn)速安全值Smax＝160rpm。
系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)速SA、實(shí)際輸出扭矩TA、提環(huán)承載LT；頂驅(qū)裝置啟動(dòng)時(shí)，記錄LT當(dāng)前值作為鉆具自重參考值WT；SS從0開(kāi)始，按設(shè)定曲線(xiàn)增加至SH＝120rpm；TS從常數(shù)T0開(kāi)始逐漸提高，根據(jù)實(shí)際加速度調(diào)整TS；TS應(yīng)不小于TL+Ta＝18kNm，最終達(dá)到理想鉆井工況，即SA＝SS＝SH＝120rpm，TS取TL*C1＝22kNm和TH＝30kNm中較小的值，所以系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速設(shè)定值SS＝120rpm和扭矩設(shè)定值TS＝22kNm送入變頻器作為速度和扭矩的設(shè)定。
(4)特殊工況處理參閱圖4若送鉆速度變快或者進(jìn)入了較硬的地層，或者送鉆速度變快，會(huì)導(dǎo)致LT減小，即鉆壓增加，TL增大；當(dāng)鉆具沒(méi)有變化的情況下，如果檢測(cè)到LT減小，并且TA增大，則認(rèn)為進(jìn)入了此種工況；為避免TL過(guò)分增大導(dǎo)致主電機(jī)堵轉(zhuǎn)，系統(tǒng)首先自動(dòng)增大TS，當(dāng)增至TS＝C2*TH＝0.9*30＝27kNm，，保持TS不變，按設(shè)定曲線(xiàn)增加SS至Smax*C3＝0.85*160＝136rpm，，以增加切削量。如果SA可以跟隨SS增大，則待LT和TL回到正常值，降低SS到SH，TS＝TL*C1＝22kNm；如果SA不能跟隨SS增大，則減小SS至C4*SH＝0.7*120＝84rpm，直至SA降低到0，增加TS到TH；如果SA＝SS，則SS＝SH＝120rpm，如果SA＝0，系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)。
堵轉(zhuǎn)之后，在上提鉆具的過(guò)程中，LT應(yīng)該增大；突然解卡時(shí)，LT迅速減少，SA增大；系統(tǒng)檢測(cè)到LT減小到WT*C5，C5＝1.05時(shí)，控制系統(tǒng)提高SS使SS＝SMAX＝160rpm并且調(diào)節(jié)調(diào)速參數(shù)提高加速度，防止井下鉆柱由于高速甩開(kāi)脫扣而落井，當(dāng)SA＝SMAX＝160rpm時(shí)，降低SS使SS＝SH＝120rpm，TS＝TL*C1＝22kNm，系統(tǒng)回到正常鉆進(jìn)狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種控制石油鉆機(jī)頂驅(qū)裝置轉(zhuǎn)速扭矩的方法，其特征在于采用帶有載荷傳感器的頂驅(qū)鉆機(jī)提環(huán)裝置，測(cè)量提環(huán)承載LT，該裝置主要由提環(huán)、提環(huán)銷(xiāo)和箱體組成，在提環(huán)的兩端分別設(shè)有水平穿過(guò)的兩個(gè)圓柱形提環(huán)銷(xiāo)，提環(huán)銷(xiāo)的一端與箱體固定，在兩個(gè)提環(huán)銷(xiāo)上分別固定有載荷傳感器，載荷傳感器連接信號(hào)輸出電纜，信號(hào)輸出電纜與控制系統(tǒng)連接；
控制系統(tǒng)的控制方法是
(1)在頂驅(qū)運(yùn)行之前，司鉆人員通過(guò)人機(jī)界面或其他輸入終端輸入鉆井扭矩限定值TH、轉(zhuǎn)速限定值SH、轉(zhuǎn)速安全值Smax；系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)速SA、實(shí)際輸出扭矩TA、提環(huán)承載LT；根據(jù)其變化判斷工況，自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速設(shè)定值SS和扭矩設(shè)定值TS；一般情況下，TS≤TH，SS≤SH；特殊工況時(shí)允許SS≤SH≤Smax；SA隨SS調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)SA＝SS；TA在不超過(guò)扭矩設(shè)定值TS的范圍內(nèi)隨負(fù)載扭矩TL變化，TA＝TL≤TS；
(2)頂驅(qū)裝置啟動(dòng)時(shí)，記錄LT當(dāng)前值作為鉆具自重參考值WT；SS從0開(kāi)始，按設(shè)定曲線(xiàn)增加至SH；TS從常數(shù)T0開(kāi)始逐漸提高，根據(jù)實(shí)際加速度調(diào)整TS；TS應(yīng)不小于TL+Ta，Ta為提供加速度的扭矩；最終達(dá)到理想鉆井工況，即SA＝SS＝SH，TS取TL*C1和TH中較小的值，C1≥1，為常數(shù)；
(3)正常鉆井時(shí)，若送鉆速度變快或者進(jìn)入了較硬的地層，或者送鉆速度變快，會(huì)導(dǎo)致LT減小，即鉆壓增加，TL增大；當(dāng)鉆具沒(méi)有變化的情況下，如果檢測(cè)到LT減小，并且TA增大，則認(rèn)為進(jìn)入了此種工況；為避免TL過(guò)分增大導(dǎo)致主電機(jī)堵轉(zhuǎn)，系統(tǒng)首先自動(dòng)增大TS，保持TS＝TL*C1，C1≥1，為常數(shù)使SA＝SS；當(dāng)增至TS＝C2*TH，0＜C2＜1，為常數(shù)時(shí)，保持TS不變，按設(shè)定曲線(xiàn)增加SS至Smax*C3，0＜C3＜1，為常數(shù)，以增加切削量。如果SA可以跟隨SS增大，則待LT和TL回到正常值，降低SS到SH，TS＝TL*C1，C1≥1，為常數(shù)；如果SA不能跟隨SS增大，則減小SS至C4*SH，0≤C4＜1，為常數(shù)，直至SA降低到0，增加TS到TH；如果SA＝SS，SS＝SH，如果SA＝0，系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)；
(4)堵轉(zhuǎn)之后，在上提鉆具的過(guò)程中，LT增大；突然解卡時(shí)，LT迅速減少，SA增大；系統(tǒng)檢測(cè)到LT減小到WT*C5，C5＞1，為常數(shù)時(shí)，控制系統(tǒng)提高SS使SS＝SMAX并且調(diào)節(jié)調(diào)速參數(shù)提高加速度，防止井下鉆柱由于高速甩開(kāi)脫扣而落井，當(dāng)SA＝SMAX時(shí)，降低SS使SS＝SH，TS＝TL*C1，C1≥1，為常數(shù)；
(5)在鉆進(jìn)過(guò)程中，若LT突然減小，然后穩(wěn)定在小于WT*C6，C6＜1，為常數(shù)的范圍內(nèi)，則認(rèn)為鉆桿甩開(kāi)或斷裂，SS＝0，系統(tǒng)停車(chē)后TS＝T0；
(6)正常鉆井工況下，如果送鉆速度變慢或者進(jìn)入了較軟地層，提環(huán)承載LT會(huì)增大，即鉆壓減小，負(fù)載扭矩TL會(huì)相應(yīng)減小，此時(shí)，可以降低主電機(jī)轉(zhuǎn)速使SS＝C7*SH，0＜C7＜1，為常數(shù)，以減少切削量，減少設(shè)備和鉆柱的損耗，司鉆據(jù)此增加送鉆速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制石油鉆機(jī)頂驅(qū)裝置轉(zhuǎn)速扭矩的方法，其特征在于采用帶有載荷傳感器的頂驅(qū)鉆機(jī)提環(huán)裝置，測(cè)量提環(huán)承載LT，該裝置主要由提環(huán)、提環(huán)銷(xiāo)和箱體組成，在提環(huán)的兩端分別設(shè)有水平穿過(guò)的兩個(gè)圓柱形提環(huán)銷(xiāo)，提環(huán)銷(xiāo)的一端與箱體固定，在兩個(gè)提環(huán)銷(xiāo)上分別固定有載荷傳感器，載荷傳感器連接信號(hào)輸出電纜，信號(hào)輸出電纜與控制系統(tǒng)連接；本方法可根據(jù)鉆井工況的變化及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速和扭矩設(shè)定值，增強(qiáng)了頂驅(qū)裝置的自動(dòng)化程度，減少了人為因素對(duì)鉆井作業(yè)的影響，提高了生產(chǎn)效率和安全性。
文檔編號(hào)E21B3/02GK101492996SQ20081005683
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者鄒連陽(yáng), 劉新立, 瑞 馬, 劉立偉, 謝宏峰 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司, 北京石油機(jī)械廠(chǎng)