CN101408100B - 电动钻机转盘柔性扭矩控制方法及其系统 - Google Patents

电动钻机转盘柔性扭矩控制方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电动钻机转盘柔性扭矩控制方法及其系统，当钻柱发生粘滑扭矩振动时，启动转盘柔性扭矩控制功能，扭矩传感器将采集到的转盘扭矩的实际值传递给可编程控制器PLC；PLC计算出n次转盘扭矩实际值的算术平均值；比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后的偏差作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号去控制转盘主电机的转速，使转盘主电机升速或者降速，从而调节转盘的扭矩。该方法及其系统能够使转盘电机的转速随粘滑扭矩的大小做实时的调整，有效地降低了转盘扭矩的变化频率和粘滑扭矩的振幅，减少了钻柱的疲劳破坏程度，降低了因为钻柱疲劳发生井下事故的概率。

Description

电动钻机转盘柔性扭矩控制方法及其系统
技术领域  本发明属于(石油)钻井技术领域，具体涉及钻井作业时钻柱发生粘滑扭矩振动后所采用的钻机转盘柔性扭矩控制系统。
背景技术  目前，在石油电动钻机的转盘控制系统中，转盘的速度依据钻井工艺要求设定后，钻柱的扭矩多依靠司钻的经验，调节钻头的下放速度来控制钻压达到调节钻柱扭矩的目的，这样操作钻柱的扭矩调节实时性差，容易引起跳钻、卡钻等现象，加剧了钻柱的疲劳程度，甚至造成钻柱或下部钻具扭断的后果。钻井过程中，钻柱的振动是不可避免的，轻微的横向、轴向及扭矩振动不影响钻井正常作业，而对于大位移井直井段或直井所产生的粘滑扭矩振动，不仅影响钻井速度，还容易使钻柱疲劳，加速钻具破坏程度，甚至诱发钻井事故。
发明内容  本发明的目的在于提供一种当发生粘滑振动时，利用实时检测的转盘扭矩，作为负反馈去扰动转盘的速度给定，以达到减小、消除钻柱粘滑振动的电动钻机转盘柔性扭矩控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种能够实现所述电动钻机转盘柔性扭矩控制方法的系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
1.一种电动钻机转盘柔性扭矩控制方法，其特征在于该转盘柔性扭矩控制方法包括以下步骤：
(1)由扭矩传感器实时收集转盘扭矩实际值，传递给可编程控制器PLC，由可编程控制器PLC计算出粘滑振动量并显示；
(2)根据地质底层的特性，当粘滑振动量的显示值≥15％时，再过8～12秒，如果粘滑振动量仍≥15％，由此判断钻柱发生粘滑振动，此时司钻根据当时的作业工况，适时按下启动/停止转盘柔性控制按钮，启动转盘柔性扭矩控制功能；
(3)启动转盘柔性扭矩控制功能后，扭矩传感器将采集到的转盘扭矩的实际值传递给可编程控制器PLC；
(4)可编程控制器PLC通过模拟量输入模板AI采集转盘的实际扭矩值，并计算出n次转盘扭矩实际值的算术平均值，其中10≤n≤20；
(5)比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后的偏差作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号去控制转盘主电机的转速，使转盘主电机升速或者降速，从而调节转盘的扭矩；
(6)当粘滑振动量小于15％后，再过8～12秒，如果粘滑振动量仍小于15％，按下启动/停止转盘柔性控制按钮，停止转盘柔性扭矩控制功能。
一种实现上述电动钻机转盘柔性扭矩控制方法的系统，其特征在于该系统包括：
一个触摸屏或者一个带显示屏的操作面板，包括转盘速度给定键、启动/停止转盘柔性控制按钮和粘滑振动量输出域，它与可编程控制器PLC电连接，用于设定转盘速度给定值、启动/停止转盘柔性控制功能以及显示粘滑振动量；
一个转盘扭矩传感器，它安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧，实时采集转盘扭矩实际值；
一个可编程控制器PLC，与转盘扭矩传感器电连接，通过其模拟量输入模板AI采集由转盘扭矩传感器传递来的转盘扭矩实际值，计算出n次转盘扭矩实际值的算术平均值；并比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后的偏差作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号；
一个转盘调速器，包括速度调节器、扭矩调节器和功率转换器，它接收来自可编程控制器PLC发出的速度给定信号，去控制转盘主电机的转速；
一个转盘主电机，在转盘调速器的控制下升速或者降速，从而调节转盘的扭矩；
一个速度反馈编码器，安装在转盘主电机轴上，向可编程控制器PLC实时反馈转盘主电机的实际转速。
本发明提供的上述电动钻机转盘柔性扭矩控制方法极其系统，当钻柱发生粘滑扭矩振动时，能够使转盘电机的转速随粘滑扭矩的大小做实时的调整，有效地降低了转盘扭矩的变化频率和粘滑扭矩的振幅，减少了钻柱的疲劳破坏程度，降低了因为钻柱疲劳发生井下事故的概率。
附图说明  图1为电动钻机转盘柔性扭矩控制方法的流程图
          图2为电动钻机转盘柔性扭矩控制系统实施例的结构示意框图
具体实施方式  如图1所示，步骤101中，由扭矩传感器实时收集转盘扭矩实际值，传递给可编程控制器PLC，由可编程控制器PLC计算出粘滑振动量并显示，粘滑振动量＝(Tmx-Tmin)/Tave，式中：Tmax是最近采集的15个扭矩值数据中的最大值，Tmin为最近采集的15个扭矩值数据中的最小值，Tave为最近采集的15个扭矩值数据的平均值。根据地质底层的特性，一般当触摸屏中粘滑振动量的显示值≥15％后，再过10秒，如果粘滑振动量仍大于15％，系统给出“是否启动转盘柔性扭矩控制功能”的信息，司钻根据当时的作业工况，适时按动触摸屏上的启动/停止转盘柔性控制按钮，将转盘柔性扭矩控制功能投入转盘控制系统中。启动步骤101后，在步骤102中，可编程控制器PLC通过模拟量模板(AI)采集扭矩传感器发来的转盘扭矩实际值Tact，每个扫描周期采集一次转盘扭矩实际值Tact，实时采集启动转盘柔性控制功能后的最近15次数据，求算术平均值Tave，通过步骤103完成。当步骤103运算结束后，在步骤104中，可编程控制器PLC计算本次扫描周期内采集的转盘扭矩实际值Tact和计算的转盘扭矩平均值Tave的偏差值ΔT。在步骤105中计算出转盘速度给定nref与转盘扭矩偏差值ΔT的差值，赋给转盘调速器的速度给定n′ref。在步骤106中，转盘调速器接收步骤105中计算的转盘调速器速度给定n′ref，分别由速度调节器和扭矩调节器实时地调节转盘主电机的速度和扭矩值。执行完步骤106后，进入步骤107中，判断司钻是否已经依据粘滑振动量和实时工况，结束了转盘柔性控制功能，如果此功能没有结束，从步骤102开始重复循环以上步骤；如果此功能结束，进入步骤108结束转盘柔性扭矩控制功能。
如图2所示，实现电动钻机转盘柔性扭矩控制方法的系统，主要由触摸屏(或操作面板)、可编程控制器PLC 204、转盘调速器、扭矩传感器208、速度反馈编码器209及转盘主电机210组成。为实现转盘柔性扭矩控制功能，触摸屏上设置了速度给定键φ201、启动/停止转盘柔性控制按钮202、粘滑振动量输出域203；可编程控制器PLC 204，接收来自触摸屏上的速度给定键201、启动/停止转盘柔性控制按钮202的指令，计算并显示粘滑振动量数值；安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧的扭矩传感器208，实时采集转盘扭矩的实际值；通过可编程控制器PLC计算出钻柱粘滑振动量和转盘调速器速度给定，分别输出给触摸屏和速度调节器205；安装在转盘主电机210轴上的速度编码器209，实时反馈电机的实际转速；转盘调速器内部有速度调节器205、扭矩调节器206以及功率转换器207，转盘调速器既可以是直流调速器，也可以是交流调速器。通过可编程控制器PLC运算出的转盘调速器速度给定和速度编码器209组成速度外环；转盘调速器中的速度调节器的输出和扭矩传感器208组成扭矩内环，实时地调整调制波的频率，结合载波特性，有序地向功率转换器207中的功率器件发出“通”和“断”的动作指令，使电机的电源的频率和幅值实时调整，以实现转盘主电机210的调速，达到减少和消除钻柱粘滑扭矩振动的目的。功率转换器207是转盘调速器(直流调速器或者交流调速器)的功率器件，且集成在转盘调速柜中。
所述扭矩传感器208也可以由电流传感器代替，只是由电流传感器实时采集转盘电流实际值，可编程控制器PLC通过其模拟量输入模板AI采集由转盘电流传感器传递来的转盘电流实际值，计算出n次转盘电流实际值的算术平均值；并比较转盘电流实际值和平均值，将比较后的偏差ΔI进一步转化为转盘扭矩偏差值，作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号。其中：
直流调速器中，ΔT＝CmΦΔI＝Cm×KfΔI×ΔI≈kΔI2，式中k＝CmKf，Cm为转矩常数，Φ为磁通，Kf为磁通系数；
交流调速器中，
Figure G2008102323825D00051
式中
Figure G2008102323825D00052
Cm转矩常数，Φ为磁通，
Figure G2008102323825D00053
电机转子功率因数角。
以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电动钻机转盘柔性扭矩控制方法，其特征在于该转盘柔性扭矩控制方法包括以下步骤：
(1)由扭矩传感器实时收集转盘扭矩实际值，传递给可编程控制器PLC，由可编程控制器PLC计算出粘滑振动量并显示；
(2)根据地质底层的特性，当粘滑振动量的显示值≥15％时，再过8～12秒，如果粘滑振动量仍≥15％，由此判断钻柱发生粘滑振动，此时司钻根据当时的作业工况，适时按下启动/停止转盘柔性控制按钮，启动转盘柔性扭矩控制功能；
(3)启动转盘柔性扭矩控制功能后，扭矩传感器将采集到的转盘扭矩的实际值传递给可编程控制器PLC；
(4)可编程控制器PLC通过模拟量输入模板AI采集转盘的实际扭矩值，并计算出n次转盘扭矩实际值的算术平均值，其中10≤n≤20；
(5)比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后的偏差作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号去控制转盘主电机的转速，使转盘主电机升速或者降速，从而调节转盘的扭矩；
(6)当粘滑振动量小于15％后，再过8～12秒，如果粘滑振动量仍小于15％，按下启动/停止转盘柔性控制按钮，停止转盘柔性扭矩控制功能。
2.根据权利要求1所述的电动钻机转盘柔性扭矩控制方法，其特征在于所述转盘扭矩传感器由转盘电流传感器代替，实时采集转盘电流实际值，可编程控制器PLC计算出n次转盘电流实际值的算术平均值；并比较转盘电流实际值和平均值，将比较后的偏差ΔI进一步转化为转盘扭矩偏差值ΔT，作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号，其中：
直流调速器中，ΔT＝CmΦΔI＝Cm×KfΔI×ΔI≈kΔI2，式中k＝CmKf，Cm为转矩常数，Φ为磁通，Kf为磁通系数；
交流调速器中，
Figure F2008102323825C00021
式中
Figure F2008102323825C00022
Cm转矩常数，Φ为磁通，
Figure F2008102323825C00023
电机转子功率因数角。
3.一种实现如权利要求1所述的电动钻机转盘柔性扭矩控制方法的系统，其特征在于该系统包括：
一个触摸屏或者一个带显示屏的操作面板，包括转盘速度给定键、启动/停止转盘柔性控制按钮和粘滑振动量输出域，它与可编程控制器PLC电连接，用于设定转盘速度给定值、启动/停止转盘柔性控制功能以及显示粘滑振动量；
一个转盘扭矩传感器，它安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧，实时采集转盘扭矩实际值；
一个可编程控制器PLC，与转盘扭矩传感器电连接，通过其模拟量输入模板AI采集由转盘扭矩传感器传递来的转盘扭矩实际值，计算出n次转盘扭矩实际值的算术平均值；并比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后的偏差作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号；
一个转盘调速器，包括速度调节器、扭矩调节器和功率转换器，它接收来自可编程控制器PLC发出的速度给定信号，去控制转盘主电机的转速；
一个转盘主电机，在转盘调速器的控制下升速或者降速，从而调节转盘的扭矩；
一个速度反馈编码器，安装在转盘主电机轴上，向可编程控制器PLC实时反馈转盘主电机的实际转速。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述的转盘扭矩传感器由转盘电流传感器来代替。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于所述的转盘调速器选用直流调速器或交流调速器。
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