一种控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法.pdf

本发明涉及一种控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法，其特征在于采用带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置，测量提环承载LT，该装置主要由提环、提环销和箱体组成，在提环的两端分别设有水平穿过的两个圆柱形提环销，提环销的一端与箱体固定，在两个提环销上分别固定有载荷传感器，载荷传感器连接信号输出电缆，信号输出电缆与控制系统连接；本方法可根据钻井工况的变化及时调整转速和扭矩设定值，增强了顶驱装置的自动化程度，减少了人为因素对钻井作业的影响，提高了生产效率和安全性。

1.  一种控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法，其特征在于：采用带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置，测量提环承载L_T，该装置主要由提环、提环销和箱体组成，在提环的两端分别设有水平穿过的两个圆柱形提环销，提环销的一端与箱体固定，在两个提环销上分别固定有载荷传感器，载荷传感器连接信号输出电缆，信号输出电缆与控制系统连接；
控制系统的控制方法是：
(1)在顶驱运行之前，司钻人员通过人机界面或其他输入终端输入钻井扭矩限定值T_H、转速限定值S_H、转速安全值S_max；系统检测实际转速S_A、实际输出扭矩T_A、提环承载L_T；根据其变化判断工况，自动调整转速设定值S_S和扭矩设定值T_S；一般情况下，T_S≤T_H，S_S≤S_H；特殊工况时允许S_S≤S_H≤S_max；S_A随S_S调节，系统稳定运行时S_A＝S_S；T_A在不超过扭矩设定值T_S的范围内随负载扭矩T_L变化，T_A＝T_L≤T_S；
(2)顶驱装置启动时，记录L_T当前值作为钻具自重参考值W_T；S_S从0开始，按设定曲线增加至S_H；T_S从常数T₀开始逐渐提高，根据实际加速度调整T_S；T_S应不小于T_L+T_a，T_a为提供加速度的扭矩；最终达到理想钻井工况，即：S_A＝S_S＝S_H，T_S取T_L*C₁和T_H中较小的值，C₁≥1，为常数；
(3)正常钻井时，若送钻速度变快或者进入了较硬的地层，或者送钻速度变快，会导致L_T减小，即钻压增加，T_L增大；当钻具没有变化的情况下，如果检测到L_T减小，并且T_A增大，则认为进入了此种工况；为避免T_L过分增大导致主电机堵转，系统首先自动增大T_S，保持T_S＝T_L*C₁，C₁≥1，为常数使S_A＝S_S；当增至T_S＝C₂*T_H，0＜C₂＜1，为常数时，保持T_S不变，按设定曲线增加S_S至S_max*C₃，0＜C₃＜1，为常数，以增加切削量。如果S_A可以跟随S_S增大，则待LT和T_L回到正常值，降低S_S到S_H，T_S＝T_L*C₁，C₁≥1，为常数；如果S_A不能跟随S_S增大，则减小S_S至C₄*S_H，0≤C₄＜1，为常数，直至S_A降低到0，增加T_S到T_H；如果S_A＝S_S，S_S＝S_H，如果S_A＝0，系统堵转；
(4)堵转之后，在上提钻具的过程中，L_T增大；突然解卡时，L_T迅速减少，S_A增大；系统检测到L_T减小到W_T*C₅，C₅＞1，为常数时，控制系统提高S_S使S_S＝S_MAX并且调节调速参数提高加速度，防止井下钻柱由于高速甩开脱扣而落井，当S_A＝S_MAX时，降低S_S使S_S＝S_H，T_S＝T_L*C₁，C₁≥1，为常数；
(5)在钻进过程中，若L_T突然减小，然后稳定在小于W_T*C₆，C₆＜1，为常数的范围内，则认为钻杆甩开或断裂，S_S＝0，系统停车后T_S＝T₀；
(6)正常钻井工况下，如果送钻速度变慢或者进入了较软地层，提环承载L_T会增大，即钻压减小，负载扭矩T_L会相应减小，此时，可以降低主电机转速使S_S＝C₇*S_H，0＜C₇＜1，为常数，以减少切削量，减少设备和钻柱的损耗，司钻据此增加送钻速度。

一种控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法
技术领域
本发明涉及一种应用提环载荷传感的方式控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法。
技术背景
目前，石油钻机顶驱装置的控制系统主要采用交流变频控制方式，可以根据需要设定主电机的限定转速和限定扭矩。
在此之前的控制系统，都是由操作人员通过调节手轮等方式设定顶驱装置的限定转速和限定扭矩，转速和扭矩的设定相互独立且不随钻井工况的变化而变化。当钻井工况发生变化时，需要对设定值进行相应调整，但现有技术本身无法判断工况，因此需要人工参与判断和加以调节。人工操作带有很大的不确定性，难以保证调整的及时和合理，从而影响了钻井作业的效率和安全程度。
在此之前，钻机大钩的载荷参数(悬重和钻压)仅用于仪表显示供司钻人员参考。要想将这些参数引入顶驱装置的控制系统，需要在顶驱装置以外的部件上加装传感器，或者由其他设备提供信号。由于顶驱装置为移动设备，不是固定与某套钻机配套，有时甚至频繁更换。拆装传感器会增加工作量，从其他设备取信号又涉及到设备改造和匹配的问题。
发明内容
本发明的目的是在原有控制方法的基础上，通过在顶驱装置提环系统中加入载荷传感器，将提升系统的载荷(悬重和钻压)参数引入顶驱控制系统，用于判断钻井工况，并根据载荷变化情况自动对顶驱装置的转速和扭矩设定值进行及时调整。
本发明的方案是采用带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置，测量提环承载L_T，该装置主要由提环、提环销和箱体组成，在提环的两端分别设有水平穿过的两个圆柱形提环销，提环销的一端与箱体固定，在两个提环销上分别固定有载荷传感器，载荷传感器连接信号输出电缆，载荷传感器采用的是应变式压力传感器。
顶驱装置提环系统载荷传感的基本原理是：在顶驱装置使用过程中，随着提环系统承载的不同，在提环销上会产生相应的形变，传感器将该形变转化为电信号，传给控制系统。
提环承载加大，相当于大钩悬重增加，或者钻压减小；反之，提环承载减小，相当于大钩悬重减小，或者钻压增加。在钻井作业中，一般要求钻压保持恒定。
本发明的控制方法如下：
(1)在顶驱运行之前，司钻人员通过人机界面或其他输入终端输入钻井扭矩限定值T_H、转速限定值S_H、转速安全值S_max；系统检测实际转速S_A、实际输出扭矩T_A、提环承载L_T；根据其变化判断工况，自动调整转速设定值S_S和扭矩设定值T_S；一般情况下，T_S≤T_H，S_S≤S_H；特殊工况时允许S_S≤S_H≤S_max；S_A随S_S调节，系统稳定运行时S_A＝S_S；T_A在不超过扭矩设定值T_S的范围内随负载扭矩T_L变化，T_A＝T_L≤T_S。
(2)顶驱装置启动时，记录L_T当前值作为钻具自重参考值W_T；S_S从0开始，按设定曲线增加至S_H；T_S从常数T₀开始逐渐提高，根据实际加速度调整T_S；T_S应不小于T_L+T_a，T_a为提供加速度的扭矩；最终达到理想钻井工况，即：S_A＝S_S＝S_H，T_S取T_L*C₁(C1≥1，为常数)和T_H中较小的值。程序流程图如下图3所示：
(3)正常钻井时，若送钻速度变快或者进入了较硬的地层，或者送钻速度变快，会导致L_T减小，即钻压增加，T_L增大；当钻具没有变化的情况下，如果检测到L_T减小，并且T_A增大，则认为进入了此种工况；为避免T_L过分增大导致主电机堵转，系统首先自动增大T_S，保持T_S＝T_L*C₁，C₁≥1，为常数使S_A＝S_S；当增至T_S＝C₂*T_H，0＜C₂＜1，为常数时，保持T_S不变，按设定曲线增加S_S至S_max*C₃，0＜C₃＜1，为常数，以增加切削量。如果S_A可以跟随S_S增大，则待LT和T_L回到正常值，降低S_S到S_H，T_S＝T_L*C₁，C₁≥1，为常数；如果S_A不能跟随S_S增大，则减小S_S至C₄*S_H，0≤C₄＜1，为常数，直至S_A降低到0，增加T_S到T_H；如果S_A＝S_S，则S_S＝S_H，如果S_A＝0，系统堵转。
(4)堵转之后，在上提钻具的过程中，L_T增大；突然解卡时，L_T迅速减少，S_A增大；系统检测到L_T减小到W_T*C₅，C₅＞1，为常数时，控制系统提高S_S使S_S＝S_MAX并且调节调速参数提高加速度，防止井下钻柱由于高速甩开脱扣而落井，当S_A＝S_MAX时，降低S_S使S_S＝S_H，T_S＝T_L*C₁，C₁≥1，为常数。
(5)在钻进过程中，若L_T突然减小，然后稳定在小于W_T*C₆，C₆＜1，为常数的范围内，则认为钻杆甩开或断裂，S_S＝0，系统停车后T_S＝T₀。
(6)正常钻井工况下，如果送钻速度变慢或者进入了较软地层，提环承载L_T会增大，即钻压减小，负载扭矩T_L会相应减小，此时，可以降低主电机转速使S_S＝C₇*S_H，0＜C₇＜1，为常数，以减少切削量，减少设备和钻柱的损耗，司钻据此增加送钻速度。
上述(3)至(6)项工况程序流程图参阅下图4。
本发明专利显著特点是：根据钻井工况的变化及时调整转速和扭矩设定值，增强了顶驱装置的自动化程度，减少了人为因素对钻井作业的影响，提高了生产效率和安全性。
附图说明
图1本发明系统原理图。
图2带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置。
图3工况程序流程图。
图4工况程序流程图。
具体实施方式：
(1)参阅图1，系统主要由输入设备、控制单元、动力源、执行机构三部分组成。输入设备采用人机交互界面(HMI)。控制单元可采用可编程逻辑控制器(PLC)、动力源采用交流变频器、执行机构采用交流变频电机带动顶驱主轴旋转。
(2)参阅图2，采用带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置，测量L_T。该装置主要由提环1、提环销3和箱体2组成，在提环1的两端分别有水平穿过的两个圆柱形提环销3，提环销3的一端与箱体2固定。在两个提环销3上分别固定有载荷传感器，载荷传感器连接有信号输出电缆。载荷传感器采用的是应变式压力传感器。
(3)正常钻进工况：参阅图3，例如在顶驱运行之前，司钻人员通过人机界面或其他输入终端输入钻井扭矩限定值T_H＝30kNm、转速限定值S_H＝120rpm、转速安全值S_max＝160rpm。
系统检测实际转速S_A、实际输出扭矩T_A、提环承载L_T；顶驱装置启动时，记录L_T当前值作为钻具自重参考值W_T；S_S从0开始，按设定曲线增加至S_H＝120rpm；T_S从常数T₀开始逐渐提高，根据实际加速度调整T_S；T_S应不小于T_L+T_a＝18kNm，最终达到理想钻井工况，即：S_A＝S_S＝S_H＝120rpm，T_S取T_L*C₁＝22kNm和T_H＝30kNm中较小的值，所以系统将转速设定值S_S＝120rpm和扭矩设定值T_S＝22kNm送入变频器作为速度和扭矩的设定。
(4)特殊工况处理：参阅图4若送钻速度变快或者进入了较硬的地层，或者送钻速度变快，会导致L_T减小，即钻压增加，T_L增大；当钻具没有变化的情况下，如果检测到L_T减小，并且T_A增大，则认为进入了此种工况；为避免T_L过分增大导致主电机堵转，系统首先自动增大T_S，当增至T_S＝C₂*T_H＝0.9*30＝27kNm，，保持T_S不变，按设定曲线增加S_S至S_max*C₃＝0.85*160＝136rpm，，以增加切削量。如果S_A可以跟随S_S增大，则待LT和T_L回到正常值，降低S_S到S_H，T_S＝T_L*C₁＝22kNm；如果S_A不能跟随S_S增大，则减小S_S至C₄*S_H＝0.7*120＝84rpm，直至S_A降低到0，增加T_S到T_H；如果S_A＝SS，则S_S＝S_H＝120rpm，如果S_A＝0，系统堵转。
堵转之后，在上提钻具的过程中，L_T应该增大；突然解卡时，L_T迅速减少，S_A增大；系统检测到L_T减小到W_T*C₅，C₅＝1.05时，控制系统提高S_S使S_S＝S_MAX＝160rpm并且调节调速参数提高加速度，防止井下钻柱由于高速甩开脱扣而落井，当S_A＝S_MAX＝160rpm时，降低S_S使S_S＝S_H＝120rpm，T_S＝T_L*C₁＝22kNm，系统回到正常钻进状态。