CN112360426A - 一种钻井顶驱控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井顶驱控制系统，包括控制器、变频器和编码器，所述变频器与所述控制器电性连接，所述编码器与所述变频器电性连接，所述变频器和所述编码器分别适于与钻具电机电性连接，其中，所述编码器用于采集钻具电机的转速值，并传输至所述变频器；所述变频器用于根据所述转速值计算出钻具电机的扭矩值，并将所述转速值及所述扭矩值传输至所述控制器；所述控制器用于根据所述转速值和所述扭矩值确定转速给定值和扭矩给定值；所述变频器还用于根据所述转速给定值和所述扭矩给定值控制钻具电机进行调校，以消除粘滑及卡钻现象。

Description

一种钻井顶驱控制系统及方法

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，具体而言，涉及一种钻井顶驱控制系统及方法。

背景技术

钻井过程中，尤其在油田钻井作业时，钻井顶驱的钻具会因摩阻变大而出现临时性“憋停”，不能继续旋转钻进，正常钻井作业时，钻具保持恒定转速，随着井底摩阻的增加，钻具底部会“粘附”在井底，当钻具扭矩超过钻具本身的静态扭矩时，钻具会突然释放开而快速旋转起来，此时释放掉的瞬时旋转扭矩大于正常旋转的扭矩很多，由于惯性作用，钻具瞬时旋转速度远远高于正常时的速度，随后，钻具速度会逐渐降低到正常速度，而这种现象在钻井作业过程中会经常发生，我们称之为粘滑或卡钻现象。而这种粘滑或卡钻现象很容易造成钻具的损坏、钻具疲劳失效、钻井质量下降、钻井时起下钻次数增加、钻杆脱扣等不良后果，严重影响了正常钻井作业。

发明内容

本发明解决的问题是如何提供一种能够有效避免粘滑及卡钻现象的、提高钻井质量、提高作业效率及节省作业成本的钻井顶驱控制系统及方法。

一方面，为解决上述问题，本发明提供一种钻井顶驱控制系统，包括控制器、变频器和编码器，所述变频器与所述控制器电性连接，所述编码器与所述变频器电性连接，所述变频器和所述编码器分别适于与钻具电机电性连接，其中，所述编码器用于采集钻具的转速值，并传输至所述变频器；所述变频器用于根据所述转速值计算出钻具电机的扭矩值，并将所述转速值及所述扭矩值传输至所述控制器；所述控制器用于根据所述转速值和所述扭矩值确定转速给定值和扭矩给定值；所述变频器还用于根据所述转速给定值和所述扭矩给定值控制钻具电机进行调校，以消除粘滑及卡钻现象。

可选地，所述控制器内置有数据采集模块及数据处理模块，其中，所述数据采集模块用于实时对所述变频器进行刷新取样，采集所述转速值及所述扭矩值并传输至所述数据处理模块；所述数据处理模块用于建立所述转速值及所述扭矩值的波动周期及变化幅值的数学模型，并根据所述控制器内预设的钻具参数数据库计算出所述转速给定值及所述扭矩给定值传输至所述变频器。

可选地，还包括与所述控制器电性连接的控制显示屏，所述控制显示屏用于显示系统的参数及作为手动控制输入端。

可选地，还包括内置于所述控制器的定位震荡子系统，所述定位震荡子系统的输入端与所述控制显示屏连接，所述定位震荡子系统的输出端与所述变频器连接，所述定位震荡子系统用于通过所述变频器对钻具进行定位控制调节和/或震荡控制调节，以消除粘滑及卡钻现象。

可选地，所述定位震荡子系统包括定位控制模块及震荡控制模块，所述定位控制模块用于对钻具主轴单向旋转运动进行控制，所述震荡控制模块用于对钻具主轴正反方向往复旋转运动进行控制。

可选地，所述定位控制模块具体用于：根据在所述控制显示屏上输入的钻具主轴的旋转方向、旋转速度、旋转角度，控制所述变频器对钻具主轴的单方向旋转运动进行控制调节，以脱离粘滑及卡钻区域。

可选地，所述震荡控制模块具体用于：根据在所述控制显示屏上输入的钻具主轴的开始旋转方向、旋转速度、旋转角度，控制所述变频器对钻具主轴的正反方向往复旋转运动进行控制调节，以消除粘滑及卡钻现象。

可选地，所述旋转速度的取值范围是大于0rpm且小于或等于30rpm，所述旋转角度的取值范围是大于或等于1度且小于或等于9999度。

另一方面，为了解决上述问题，本发明还提供了一种钻井顶驱控制方法，基于所述的钻井顶驱控制系统，包括以下步骤：

步骤一，通过编码器获取钻具电机的转速值，并通过变频器获取钻具电机的扭矩值；

步骤二，建立钻具电机的转速值及扭矩值的波动周期及变化幅值的数学模型，并根据预设的钻具参数数据库确定钻具电机的转速给定值及扭矩给定值；

步骤三，通过变频器根据给定值控制钻具电机进行实时调校，将钻具电机的转速及扭矩逐步调校至预先设定值，以消除粘滑及卡钻现象。

可选地，上述的钻井顶驱控制方法还包括步骤四，通过控制显示屏启用定位震荡子系统，以对钻具主轴的旋转速度及旋转角度进行定向调节；

所述步骤四具体包括：

步骤A，定位控制

接收通过控制显示屏输入钻具主轴的旋转方向、旋转速度、旋转角度，通过控制所述变频器对钻具主轴的单方向旋转运动进行控制调节，以脱离粘滑及卡钻区域；和/或，

步骤B，震荡控制

接收通过控制显示屏输入钻具主轴的开始旋转方向、旋转速度、旋转角度，通过控制所述变频器对钻具主轴的正反方向往复旋转运动进行控制调节，以消除粘滑及卡钻现象。

与现有技术相比，本发明提供的钻井顶驱控制系统及方法至少具有以下优势：

本发明通过编码器实时监测钻井顶驱钻具电机的转速，并传输至变频器，变频器再根据转速值计算出扭矩值，并将以上电机的转速值及扭矩值传输至控制器，控制器内再经过数据处理，控制变频器给予电机实时理想的转速值及扭矩值，钻具经过如此调节，钻具当遇到粘滑或卡钻情况下，本系统可以有效地对钻具电机的转速及扭矩进行实时调校，直至钻具电机的转速及扭矩平稳调节至预先设定值，也就是说通过上述的实时调校使得钻具在遇到粘滑或卡钻的不良情况时，可以自动、快速、有效地避免粘滑和卡钻的现象，从而提高了钻井质量和作业效率，减少了由于粘滑和卡钻导致的钻具损坏、钻具疲劳失效、起下钻次数增加、钻具脱扣等不良后果的发生，进而节省了作业成本，延长了设备的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例所述的钻井顶驱控制系统的结构逻辑框图；

图2为本发明实施例所述的钻井顶驱控制系统的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，虽然在本公开中参照了特定的实施例来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

如图1所示，本发明实施例提供的一种钻井顶驱控制系统，包括控制器2、变频器3和编码器4，所述变频器3与所述控制器2电性连接，所述编码器4与所述变频器3电性连接，所述变频器3和所述编码器4分别适于与钻具电机电性连接，其中，所述编码器4用于采集钻具电机的转速值，并传输至所述变频器3；所述变频器3用于根据所述转速值计算出钻具电机的扭矩值，并将所述转速值及所述扭矩值传输至所述控制器2；所述控制器2用于根据所述转速值和所述扭矩值确定转速给定值和扭矩给定值；所述变频器3还用于根据所述转速给定值和所述扭矩给定值控制钻具电机进行调校，以消除粘滑及卡钻现象。

在本实施例中提供的钻井顶驱控制系统通过编码4器实时监测钻井顶驱钻具电机的转速，并将转速值传输至变频器3，变频器3通过内置的运动控制程序根据转速值计算出钻具电机的扭矩值，并将以上电机的转速值及扭矩值传输至控制器2，控制器2根据所述转速值和所述扭矩值确定转速给定值和扭矩给定值，并实时将所述给定值传输至变频器3，所述控制器2与所述变频器3通过PROFIBUS总线连接通信，信息传递快速准确，变频器3再将此给定值进行校正，用以对钻具电机的转速及扭矩进行实时调校。

钻井顶驱的钻具在正常作业时，转速是恒定的，当钻具遇到粘滑或者卡钻的现象时，转速会下降，扭矩会积累增大，通过控制器2以及变频器3对数据的实时收集并运算，系统就会提前预判粘滑或卡钻现象会发生，从而做出转速及扭矩的及时且实时调节，使得钻具电机的转速及扭矩平稳调节至预先设定值，避免钻具粘滑及卡钻现象发生，也就是说通过上述的实时调校使得钻具在遇到粘滑或卡钻等不良情况时，可以自动、快速、有效地避免粘滑和卡钻的现象，从而提高了钻井质量和作业效率，减少了由于粘滑和卡钻导致的钻具损坏、钻具疲劳失效、起下钻次数增加、钻具脱扣等不良后果的发生，进而节省了作业成本，延长了设备的使用寿命。

可选地，如图1所示，本发明实施例提供的所述控制器2内置有数据采集模块21及数据处理模块22，其中，所述数据采集模块21用于实时对所述变频器3进行刷新取样，采集所述转速值及所述扭矩值并传输至所述数据处理模块22；所述数据处理模块22用于建立所述转速值及所述扭矩值的波动周期及变化幅值的数学模型，并根据所述控制器2内预设的钻具参数数据库计算出所述转速给定值及所述扭矩给定值传输至所述变频器3。

通过数据采集模块21实时对变频器3进行刷新取样并通过数据处理模块22实时运算，系统实时了解钻具运动情况，可以很好地对粘滑和卡钻现象提前预判，以做出及时有效地应对调节动作，且为自动控制，省去人工实时观察，节省了人力成本，同时对钻具进行了自动保护。

可选地，如图1所示，本发明实施例提供的钻井顶驱控制系统还包括与所述控制器2电性连接的控制显示屏1，所述控制显示屏1用于显示系统的参数及作为手动控制输入端。

所述控制显示屏1为触摸屏，可以进行点击控制操控界面上的按钮及输入参数等操作，控制显示屏1可以实时显示转速及扭矩等系统其他的参数，如此设计，便于操作者实时观察钻具的运动情况，并且可以根据实际需要手动做出对钻具调节的操作，使用方便，操作便捷。

可选地，本发明实施例提供的所述钻井顶驱控制系统还包括内置于所述控制器2的定位震荡子系统，所述定位震荡子系统的输入端与所述控制显示屏1连接，所述定位震荡子系统的输出端与所述变频器3连接，所述定位震荡子系统用于通过所述变频器3对钻具进行定位控制调节和/或震荡控制调节，以消除粘滑及卡钻现象。

在本实施例中，当钻井作业时，如遇到特殊或恶劣地质时，或者根据上述的钻井顶驱控制系统通过实时自动调节解决不了粘滑或卡钻现象时，以及遇到特殊钻井要求时，可以启用所述定位震荡子系统，通过控制显示屏1输入钻具的运动参数，并通过定位震荡子系统控制变频器3对钻具电机进行定向调节，即可以定位控制调节，也可以震荡控制调节，如根据实际情况需要给予一定转速及角度的旋进和旋出，进而可以根据实际需要控制钻具的运动，从而有效地解决上述特殊问题。

可选地，如图1所示，本发明实施例提供的所述定位震荡子系统包括定位控制模块23及震荡控制模块24，所述定位控制模块23及所述震荡控制模块24均可以通过在所述控制显示屏1上输入的设定参数对钻具主轴进行旋转运动的控制，所述定位控制模块23用于对钻具主轴单向旋转运动进行控制，所述震荡控制模块24用于对钻具主轴正反方向往复旋转运动进行控制。

在本实施例中，可以根据不同实际需求及问题，选择定位控制模块23或震荡控制模块24对钻具进行运动控制，具体地，通过控制显示屏1启动定位控制功能，并根据在所述控制显示屏1上输入的钻具主轴的旋转方向、旋转速度、旋转角度，控制所述变频器3对钻具主轴的单方向旋转运动进行控制调节，以脱离粘滑及卡钻区域，通过在控制显示屏1上输入钻具主轴的旋转方向、旋转速度及旋转角度，传输至定位控制模块23，定位控制模块23根据上述参数通过变频器3控制钻具电机进行相应运动，进一步地，在控制显示屏1上输入钻具主轴正或烦方向旋转，旋转速度的范围是0-30rpm，旋转角度的精度可达到1度，范围是0-9999度，大约27转，可根据实际需求选择参数输入控制，可使得钻具脱离粘滑及卡钻区域或特殊地质区域。在此值得说明的是，在反向旋转时，如不加以参数上的限制，钻具扣可能会被卸开，所以应该保证输入的参数所达到钻具扭矩要小于钻具上扣扭矩，而且速度进行减小，防止转速过大产生冲击，故而本实施例中，在所述控制显示屏1上输入的旋转速度的取值范围是大于0rpm且小于或等于30rpm，在所述控制显示屏1上输入的旋转角度的取值范围是大于或等于1度且小于或等于9999度，旋转角度大约为27转，如此操作，在保证了作业安全的同时，可以有效地解决特殊环境下产生的特殊问题，且容易操作效果好。

再者，根据在所述控制显示屏1上输入的钻具主轴的开始旋转方向、旋转速度、旋转角度，控制所述变频器3对钻具主轴的正反方向往复旋转运动进行控制调节，以消除粘滑及卡钻现象。具体地，通过控制显示屏1启动震荡控制功能，并输入钻具主轴的开始旋转方向、旋转速度及旋转角度，传输至震荡控制模块24，震荡控制模块24内的程序根据上述参数通过变频器3控制钻具电机进行正反方向往复旋转运动，如从正向开始旋转，在旋转完设定的旋转角度后转换至反方向一定角度的旋转运动，依此往复，由于当钻具主轴在旋转停止及转换方向开始旋转时会产生振动，可以有效地消除钻具的粘滑现象。上述的定位控制及震荡控制功能可根据实际情况进行选择使用，以解决不同情况产生的问题，可以有效地解决粘滑及卡钻现象，提高钻井作业效率及质量。

如图2所示，本发明另一实施例提供了一种钻井顶驱控制方法，基于上述的钻井顶驱控制系统，包括以下步骤：

步骤一，通过编码器4获取钻具电机的转速值，通过变频器3获取钻具电机的扭矩值，其中，所述变频器3通过编码器4采集钻具电机的转速值，所述变频器3根据转速值及系统内预设的钻具参数数据库计算出钻具电机的扭矩值，然后将所述的转速值及扭矩值传输至所述控制器2，通过编码器4采集电机的转速，采集精确，实时快速，同时变频器3内预设有运动控制软件，可以精确快速地计算出实时的扭矩值，再通过PROFIBUS总线快速准确地传输至控制器2，同时，控制器2可将上述参数信息传输至控制显示屏1上进行实时显示，供使用者实时观察。

步骤二，建立钻具电机的转速值及扭矩值的波动周期及变化幅值的数学模型，并根据预设的钻具参数数据库确定钻具电机的转速给定值及扭矩给定值，具体地，通过所述控制器2内置的数据采集模块21实时对所述变频器3进行刷新取样，并通过所述控制器2内置的数据处理模块22实时进行数据处理得出钻具电机的转速及扭矩的给定值，数据处理模块22根据实时的转速值及扭矩值的波动周期及变化幅值，以及预设的钻具参数数据库中的数据信息，进行比对计算，给出适合当时的钻具电机的转速及扭矩的给定值，如转速及扭矩的波动及变化在合理范围内，数据处理模块22将不作给出给定值，当超出合理范围时，则实时给出给定值，且所述给定值的变化幅度小于或等于10％，当幅度变化大于10％时，可能会对钻具造成损坏，故而如此控制，合理且效果佳。

步骤三，通过变频器3根据给定值控制钻具电机进行实时调校，将钻具电机的转速及扭矩逐步调校至预先设定值，以消除粘滑及卡钻现象，具体地，根据步骤二中实时给出的幅度变化不超过10％的转速及扭矩的给定值，可以使得钻具平稳地调节至预先设定值，也就是避免及消除了粘滑及卡钻的现象。通过以上方法，可以有效地解决因粘滑及卡钻现象导致的钻具的损坏、钻具疲劳失效、钻井质量下降、钻井时起下钻次数增加、钻杆脱扣等问题，进而提高钻井作业质量和效率，节省作业成本。

如图2所示，本发明实施例提供的钻井顶驱控制系统的控制方法还包括步骤四，当以上方法解决不了粘滑或卡钻现象时，或遇到特殊及恶劣地质时，以及遇到特殊钻井要求时，可以通过所述控制显示屏1启用定位震荡子系统，以对钻具主轴的旋转速度及旋转角度进行定向调节。如此定向调节，可以根据实时需要及实际问题对钻具进行选择，增加了功能及解决问题的方式，供使用者选择，可以进一步地提高对避免粘滑及卡钻现象发生的解决能力。

其中，步骤四包括：

步骤A，定位控制，接收通过控制显示屏1输入钻具主轴的旋转方向、旋转速度、旋转角度，通过控制所述变频器3对钻具主轴的单方向旋转运动进行控制调节，以脱离粘滑及卡钻区域。具体操作为，在控制显示屏1上的控制界面点击启动定位控制按钮，启动定位控制功能，然后在控制界面的参数输入框内对应输入钻具主轴的旋转速度及旋转角度，并选择旋转方向，正向旋转或反向旋转，如选择正向旋转，则定位控制模块23根据输入的参数对变频器3进行控制，变频器3进而对钻具电机进行控制，从而钻具主轴做出相应的一定转速及一定旋转角度进给的正向旋转，故而脱离粘滑区域或特殊地质区域，同理，根据实际情况需要，可选择钻具主轴的反向旋转，当需要反向旋转时，在控制显示屏1上按下定位控制停止按钮，选择方向旋转，则钻具主轴做出相应的一定速度及一定旋转角度的反向旋转，也可脱离粘滑或特殊地质区域。

可选地，步骤四还包括：步骤B，震荡控制，接收通过控制显示屏1输入钻具主轴的开始旋转方向、旋转速度、旋转角度，通过控制所述变频器3对钻具主轴的正反方向往复旋转运动进行控制调节，以消除粘滑及卡钻现象。当以上方法解决不了粘滑或卡钻现象时，或遇到特殊及恶劣地质时，以及遇到特殊钻井要求时，此步骤B是解决上述问题的另一种方式，与步骤A同理部分不再赘述，此步骤B是通过控制钻具主轴正反方向往复旋转运动来消除粘滑及卡钻现象，其中旋转角度是正反两方向的进给角度，可以选择从正向开始也可以选择从反向开始，如此往复周期性控制钻具主轴旋转，可以有效地消除钻具的粘滑程度，进而消除粘滑及卡钻现象。

在此需要说明的是，上述的步骤A及步骤B可以选择进行操作，即可以先执行步骤A再执行步骤B，或反之，或者只执行步骤A或步骤B，也就是可以按照实际钻井顶驱作业情况而选择，进而进一步地提高了钻井质量及作业效率，满足了各种特殊地质及环境的要求，以及特殊的钻井作业要求，同时通过上述方法的操作，可以节省作业成本，提高钻具的使用寿命。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钻井顶驱控制系统，其特征在于，包括控制器(2)、变频器(3)和编码器(4)，所述变频器(3)与所述控制器(2)电性连接，所述编码器(4)与所述变频器(3)电性连接，所述变频器(3)和所述编码器(4)分别适于与钻具电机电性连接，其中，

所述编码器(4)用于采集钻具电机的转速值，并传输至所述变频器(3)；

所述变频器(3)用于根据所述转速值计算出钻具电机的扭矩值，并将所述转速值及所述扭矩值传输至所述控制器(2)；

所述控制器(2)用于根据所述转速值和所述扭矩值确定转速给定值和扭矩给定值；

所述变频器(3)还用于根据所述转速给定值和所述扭矩给定值控制钻具电机进行调校，以消除粘滑及卡钻现象。

2.根据权利要求1所述的钻井顶驱控制系统，其特征在于，所述控制器(2)内置有数据采集模块(21)及数据处理模块(22)，其中，

所述数据采集模块(21)用于实时对所述变频器(3)进行刷新取样，采集所述转速值及所述扭矩值并传输至所述数据处理模块(22)；

所述数据处理模块(22)用于建立所述转速值及所述扭矩值的波动周期及变化幅值的数学模型，并根据所述控制器(2)内预设的钻具参数数据库计算出所述转速给定值及所述扭矩给定值传输至所述变频器(3)。

3.根据权利要求1所述的钻井顶驱控制系统，其特征在于，还包括与所述控制器(2)电性连接的控制显示屏(1)，所述控制显示屏(1)用于显示系统的参数及作为手动控制输入端。

4.根据权利要求3所述的钻井顶驱控制系统，其特征在于，还包括内置于所述控制器(2)的定位震荡子系统，所述定位震荡子系统的输入端与所述控制显示屏(1)连接，所述定位震荡子系统的输出端与所述变频器(3)连接，所述定位震荡子系统用于通过所述变频器(3)对钻具进行定位控制调节和/或震荡控制调节，以消除粘滑及卡钻现象。

5.根据权利要求4所述的钻井顶驱控制系统，其特征在于，所述定位震荡子系统包括定位控制模块(23)及震荡控制模块(24)，所述定位控制模块(23)用于对钻具主轴单向旋转运动进行控制，所述震荡控制模块(24)用于对钻具主轴正反方向往复旋转运动进行控制。

6.根据权利要求5所述的钻井顶驱控制系统，其特征在于，所述定位控制模块(23)具体用于：

根据在所述控制显示屏(1)上输入的钻具主轴的旋转方向、旋转速度、旋转角度，控制所述变频器(3)对钻具主轴的单方向旋转运动进行控制调节，以脱离粘滑及卡钻区域。

7.根据权利要求5所述的钻井顶驱控制系统，其特征在于，所述震荡控制模块(24)具体用于：

根据在所述控制显示屏(1)上输入的钻具主轴的开始旋转方向、旋转速度、旋转角度，控制所述变频器(3)对钻具主轴的正反方向往复旋转运动进行控制调节，以消除粘滑及卡钻现象。

8.根据权利要求6或7所述的钻井顶驱控制系统，其特征在于，所述旋转速度的取值范围是大于0rpm且小于或等于30rpm，所述旋转角度的取值范围是大于或等于1度且小于或等于9999度。

9.一种钻井顶驱控制方法，基于权利要求1-8任一项所述的钻井顶驱控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过编码器(4)获取钻具电机的转速值，并通过变频器(3)获取钻具电机的扭矩值；

步骤二，建立钻具电机的转速值及扭矩值的波动周期及变化幅值的数学模型，并根据预设的钻具参数数据库确定钻具电机的转速给定值及扭矩给定值；

步骤三，通过变频器(3)根据给定值控制钻具电机进行实时调校，将钻具电机的转速及扭矩逐步调校至预先设定值，以消除粘滑及卡钻现象。

10.根据权利要求9所述的钻井顶驱控制方法，其特征在于，还包括：

步骤四，通过控制显示屏(1)启用定位震荡子系统，以对钻具主轴的旋转速度及旋转角度进行定向调节；

所述步骤四具体包括：

步骤A，定位控制

接收通过所述控制显示屏(1)输入的钻具主轴的旋转方向、旋转速度、旋转角度，通过控制所述变频器(3)对钻具主轴的单方向旋转运动进行控制调节，以脱离粘滑及卡钻区域；

和/或，

步骤B，震荡控制

接收通过所述控制显示屏(1)输入的钻具主轴的开始旋转方向、旋转速度、旋转角度，通过控制所述变频器(3)对钻具主轴的正反方向往复旋转运动进行控制调节，以消除粘滑及卡钻现象。

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