CN101512098A - 具有振荡控制的水平钻孔系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于控制在水平钻孔期间的钻柱摩擦力的系统和方法。所述系统包括顶部驱动系统，具有向钻柱传递转矩以使钻柱转动的电动机，以及可操作地和顶部驱动系统相连的自动控制器，用于向顶部驱动系统发送至少一个指令信号，以初始化钻柱的旋转方向。控制器监视转矩反馈信号，该信号指示在钻柱上的转矩限制被超过，和/或转动反馈信号，该信号指示钻柱被停止，以便当超过转矩限制或者钻柱停止时控制施加于钻柱的转矩的方向。

Description

具有振荡控制的水平钻孔系统

技术领域

本发明涉及一种具有自动振荡控制系统的水平钻孔系统，更具体地说，涉及一种当超过转矩限制和/或钻孔电机停转时变换方向的振荡控制系统。

背景技术

在定向钻孔中的一种熟知的现象是，如果需要水平钻孔段，则孔摩擦力急剧增加。即，在泥浆电机、钻环和钻杆以及套管和/或裸孔之间发生静摩擦(阻力)。这个大的摩擦力是由靠在孔的底侧上的钻柱引起的。当钻柱工具接头通过孔被横向推动时，也经常观看到摩擦力的增加。这个静摩擦力可以导致错误理解钻压、悬重以及孔下转矩的指示，使得钻孔过程的自动控制是困难的，如果不是不可能的话。

为了减少这种导致错误理解的信息，钻孔操作者将振动或摆动钻柱，以便使其在孔内滑动。用于振动钻柱的一种方法是使钻柱前后转动，即通常称为使钻柱振荡的一种运动。振荡钻柱使钻柱在孔中瞬时升高，借以减少横向摩擦。不过，振荡钻柱需要使钻柱的转动相对快地反向。按照一种方法，这种钻柱的振荡由钻孔操作者利用在许多常规的顶部驱动系统中的标准的操作者控制部分手动地进行。为了完成振荡，操作者减小电动机转矩限制，在低RPM下沿顺时针方向旋转钻柱，直到钻柱停转或拧紧。然后改变转动的方向，从而使钻柱松开，然后停转或沿反方向拧紧。由操作者重复这个过程，直到摩擦力被减少。

不过，这种手动操作依赖于操作者的设置参数和正确地操作控制部分的熟练程度和经验。这样的一个过程也是相当慢的，并且由于这个过程的非自动性质，在一些情况下导致电动机制动器和驱动元件的快速磨损。因而，需要一种具有改进的和/或自动的振荡控制系统的水平钻孔系统。

发明内容

随着顶部驱动控制系统(TDCS)、AC电动机和可变频驱动(VFD)的出现，上述的操作者增强的程序可以被按照本发明自动化并被增强，以便在水平钻孔期间提供具有最小机器磨损的更精确的更平滑的振荡控制。利用TDCS和VFD，每个单元可被编程和/或参数化，以便以平滑和高效的方式完成所述功能。通过使用本发明的系统和方法，可以在操作期间监视操作参数，可以检测钻柱的停止，钻柱的方向可以用受控的方式改变。所有这些将使驱动元件的磨损减到最小，同时能够改善操作。

在一个实施例中，本发明是一种水平钻孔系统，其包括具有电动机的顶部驱动系统，所述电动机向钻杆传送转矩，以便使钻杆转动。一个自动化的控制器可操作地和顶部驱动系统相连，以便向顶部驱动系统发送至少一个指令信号，以启动钻杆的转动。顶部驱动系统产生转矩反馈信号，该信号表示在钻杆上的转矩限制被超过，和/或产生表示钻杆停止的转动反馈信号。控制器接收这些反馈信号，并当转矩限制被超过或者当钻柱停止时使施加于钻柱上的转矩反向。

在另一个实施例中，顶部驱动系统是一个电动机。在其中电动机是直流电动机的实施例中，电动机控制器通过控制施加的电压控制电动机的速度，并借助于调节提供给电动机的电流的量调节可以由电动机施加的转矩的量。

在另一个实施例中，电动机是交流电动机。在这种实施例中，控制器借助于调节提供给电动机的电源的频率来调节交流电动机的转矩和速度。

在另一个实施例中，控制器通过合适的装置例如使电动机的转向反向的方向开关设置电动机的旋转方向。

在另一个实施例中，由流过电动机的电流确定所述转矩反馈信号。

在另一个实施例中，电动机还可以在机械上和转动编码器(turnencoder)相连，以便监视电动机的转数。在这种实施例中，当转动指示器检测到电动机已经停止转动或者已经“停转”时，产生转动反馈信号。

在另一个实施例中，可以通过控制站输入操作参数。以便设置用于控制器的编程指令。在这种实施例中，操作者可以输入在振荡过程期间供控制器跟随的特定操作参数，例如顺时针和逆时针方向的转矩限制；和/或顺时针和逆时针方向的转速。在顺时针和逆时针方向的转矩限制可以相同，或者在这两个方向的转矩限制可以不同。

在另一个实施例中，控制器包括具有中央处理单元(CPU)、高速缓冲存储器和总线接口的处理器。在这种实施例中，总线接口在操作上通过系统总线连接到主存储器和输入/输出(I/O)接口控制单元。I/O接口控制单元在操作上通过I/O本地总线被连接到存储控制器以及用于和外部设备进行信号的发送和接收I/O接口。存储控制器在操作上连接到用于存储编程指令的存储装置。

在另一个实施例中，本发明涉及一种钻柱振荡过程。

附图说明

通过结合附图参看以下的详细说明，可以更好地理解本发明的这些和其它的特征与优点，其中：

图1是按照本发明的示例的实施例的具有用于控制钻柱的振荡过程的控制器的水平钻孔系统的示意图；

图2是放大的图1的水平钻孔系统的部分的示意图；

图3是按照本发明的示例的实施例水平钻孔系统的方块图；以及

图4是按照本发明的示例的实施例控制器的方块图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明的实施例是一种水平钻孔系统，其具有用于控制钻柱的振荡过程的控制器，借以使钻柱在前后运动中转动。在一个实施例中，通过每当转矩限制被超过和/或钻孔电动机停止时，通过使钻柱的转动方向反向来对振荡进行控制。

图1是按照本发明的示例的实施例的水平钻孔系统10的示意图。如图2所示，水平钻孔系统10包括顶部驱动系统12。顶部驱动系统12可以沿着塔架16的垂直支撑14垂直运动。顶部驱动系统12包括顶部驱动电动机18，其给予钻柱20平移的和转动的力。在一个实施例中，顶部驱动系统12被连接到管运转工具22，管运转工具22接着被连接到钻柱20，从而把来自顶部驱动系统12的平移和转动力传递给钻柱20。如图1所示，钻柱20包括水平段24，在水平钻孔操作期间其产生水平的孔。

如图2示意地所示，顶部驱动系统12在操作上被连接到控制器26。控制器26在水平钻孔过程的钻孔阶段和振荡阶段期间用于控制顶部驱动系统12。如图2所示，顶部驱动系统12接收来自控制器26的指令信号28，并通过产生施加于钻柱20的转矩和转速来响应指令信号28。

在操作期间，顶部驱动系统12产生被传送到控制器26的反馈信号30。反馈信号30包括转矩反馈信号和转动反馈信号。控制器26使用反馈信号30在钻孔和振荡过程期间监视顶部驱动系统12的操作。借助于位于控制器26中的一组编程指令32规定控制器26的功能。

图3是按照本发明的一个示例的实施例的水平钻孔系统10的方块图。在这种实施例中，水平钻孔系统10包括顶部驱动系统12和控制器26，如前所述。此外，水平钻孔系统10可以包括在操作上被连接到顶部驱动电动机18的电动机控制器100，在一个实施例中，电动机是一个电动马达。

在一个使用直流电动机的这样的实施例中，电动机控制器100从交流电源108接收高电压/高电流的交流功率106，并把交流功率转换成用于电动机18的被调节和被控制的直流功率。电动机18接着接收所述直流功率，并把转矩提供给顶部驱动系统12，转矩接着被传递到钻柱20。

电动机控制器100通过控制施加到电动机18的电压控制电动机18的速度，通过调节施加到电动机18的电流的量来调节可由电动机18施加的转矩的量。虽然上面只说明了直流电动机，但是也可以使用交流电动机。在这种实施例中，控制器通过调节施加于交流电动机的功率的频率来调节交流电动机的转矩和速度。

在一个实施例中，上述的指令信号28包括方向指令信号110，转矩限制信号112和速度指令信号114。在这个实施例中，电动机控制器100接收由控制器26传送的方向指令信号110，并通过设置电动机18的旋转方向响应方向指令信号110。电动机18还具有方向开关104，用于使电动机18的旋转方向反向。

这样，本实施例的控制器26可以通过产生方向指令信号110并把方向指令信号110传送给电动机控制器100来控制钻柱20的旋转方向。

在这种实施例中，电动机控制器100还可以接收由控制器26传送的转矩限制信号112。本实施例的电动机控制器100使用转矩限制信号112调节施加于电动机18的电流的最大量。因为施加于电动机18的电流的最大量决定可以由电动机18施加于钻柱20的转矩的最大量，因而控制器26限制可以由电动机18施加给钻柱20的转矩的量。

电动机控制器100还可以接收由系统控制器26发送的速度指令信号114。这种实施例的电动机控制器100使用速度指令信号114来调节提供给电动机18的电压/频率。因为电动机18的转速由施加于电动机18的电压/频率决定，控制器26确定电动机18给予钻柱20的转速。在一个实施例中，电动机控制器100还可以包括可控硅整流器(SCR)，用于独立地调节施加于电动机18的电流和电压(或频率)。

在一个实施例中，上述的反馈信号30包括转矩反馈信号116。在这个实施例中，电动机控制器100产生转矩反馈信号116，并把该信号传送给系统控制器26。转矩反馈信号116和流过电动机18的电流成正比，因而和由电动机18提供的转矩成正比。控制器26使用转矩反馈信号116监视由电动机18施加于钻柱2的转矩的量。

在一个实施例中，电动机18还可被机械地连接到转动编码器118。在这种实施例中，转动编码器118监视电动机18的转数，并当电动机18停止转动或者“停机”时向控制器26发送转动反馈信号120。

在一个实施例中，操作者在控制站(未示出)内输入操作参数，以便设置控制器26的编程指令32。例如，操作者可以输入在振荡过程期间控制器26跟随的特定操作参数，例如用于顺时针和逆时针方向的转矩限制和/或用于顺时针和逆时针方向的转速。顺时针和逆时针方向的转矩限制可以相同，或者不同。

利用这些输入的参数，可以启动振荡程序。当振荡程序被启动时，控制器26向顶部驱动系统12发送指令信号28，使钻柱20沿初始方向开始转动，例如沿顺时针方向转动。在这个转动期间，电动机控制器100监视施加于钻柱20的转矩，并产生被发送给控制器26的转矩反馈信号116；并且转动编码器118监视钻柱20的转数，并产生被发送给控制器26的转动反馈信号120。

当转矩反馈信号116发出一个表示顺时针方向的转矩限制已被超过的信号，或者当转动反馈信号120发出一个表示钻柱20已经停止转动(即电动机18已经停止)的信号时，钻柱20的转动方向被反向为逆时针方向。

正如沿顺时针方向转动一样，控制器26向顶部驱动系统12发送指令信号28，启动钻柱20沿逆时针方向的转动。在沿逆时针方向转动期间，电动机控制器100监视施加于钻柱20的转矩，并产生被传送到控制器26的转矩反馈信号116；转动编码器118监视钻柱20的转数，并产生被发送给控制器26的转动反馈信号120。当转矩反馈信号116发出表示逆时针方向的转矩限制已被超过的信号，或者当转动反馈信号120发出表示钻柱20已经停止转动的信号时，钻柱20的旋转方向被反向回到顺时针方向。这种过程可被无限制地重复。

图4是按照本发明的一个实施例的控制器26的方块图。在这个实施例中，控制器26包括处理器200，其具有中央处理单元(CPU)202，高速缓冲存储器204，以及总线接口206。总线接口206在操作上通过系统总线208连接到主存储器210以及输入/输出(I/O)接口控制单元212。I/O接口控制单元212在操作上通过I/O本地总线214连接到存储控制器216，以及I/O接口218，用于向外部设备发送信号或者从外部设备接收信号。存储控制器216在操作上耦联到存储装置22，用于存储编程指令32。

在操作时，处理器200取回编程指令32并将其存储在主存储器210中。然后处理器200执行在主存储器210中存储的编程指令32。处理器200使用编程指令32产生前述的指令信号28，并通过外部I/O装置218将其发送给顶部驱动系统12。顶部驱动系统12响应指令信号28并产生前述的反馈信号30，其被向回发送给控制器26。处理器200通过外部I/O装置218接收反馈信号30。处理器200使用反馈信号30和编程指令32产生附加的指令信号，即指令信号110、112和114，以便发送给顶部驱动系统12，如前所述。

前面的说明是参照本发明的不同实施例给出的。本发明所属技术领域内的技术人员应当理解，不脱离本发明的原理、精神和范围，可以对上述的结构和操作方法作出各种改变。

Claims (18)

1.一种水平钻孔系统，包括：

顶部驱动系统，包括向钻柱传递转矩以使钻柱转动的电动机；

自动控制器，可操作地和所述顶部驱动系统相连，所述自动控制器被设计用于把至少一个方向指令信号传送给所述顶部驱动系统，以初始化所述钻柱的旋转方向；

其中所述顶部驱动系统产生指示钻柱的转矩限制被超过的转矩反馈信号和指示钻柱被停止的转动反馈信号中的至少一个；以及

其中所述控制器接收所述至少一个反馈信号，并且当所述转矩限制被超过或者当所述钻柱停止时，使施加于所述钻柱上的转矩的方向反向。

2.如权利要求1所述的水平钻孔系统，其中所述自动控制器还被设计用于把至少一个速度指令信号和一个转矩限制信号传送给所述顶部驱动系统，以控制所述电动机的速度和由所述电动机施加的转矩。

3.如权利要求2所述的水平钻孔系统，其中所述电动机是直流电动机，并且其中所述自动控制器可操作地和电源相连，使得所述自动控制器通过调节施加于所述直流电动机的电压来控制所述电动机的速度，并通过调节提供给所述直流电动机的电流来调节可由所述直流电动机施加的转矩。

4.如权利要求3所述的水平钻孔系统，其中所述自动控制器通过监视提供给所述直流电动机的电流产生所述转矩反馈信号。

5.如权利要求2所述的水平钻孔系统，其中所述电动机是交流电动机，其中所述自动控制器可操作地和电源相连，使得所述自动控制器通过调节提供给所述交流电动机的电源的频率来控制所述交流电动机的速度和转矩。

6.如权利要求5所述的水平钻孔系统，其中所述自动控制器通过监视提供给所述交流电动机的电源的频率产生所述转矩反馈信号。

7.如权利要求1所述的水平钻孔系统，还包括可操作地与所述顶部驱动系统连接的转动编码器，所述转动编码器被设计用于监视所述顶部驱动系统的转动并产生所述转动反馈信号。

8.如权利要求1所述的水平钻孔系统，还包括控制站，可操作地和所述自动控制器连接，并被设计用于利用转矩限制和钻柱停止限制信息对所述自动控制器进行编程。

9.如权利要求1所述的水平钻孔系统，其中所述自动控制器还包括：

具有中央处理单元的处理器；

与所述处理器进行信号通信的高速缓冲存储器；

与所述处理器和所述顶部驱动系统进行信号通信的总线接口；以及

其中所述处理器从所述高速缓冲存储器取回至少一个指令信号，并通过总线接口把该指令信号传送给所述顶部驱动系统，其中所述顶部驱动系统产生转矩反馈信号和转动反馈信号，并通过所述总线接口把这些反馈信号传送给所述处理器，所述处理器对反馈信号进行操作，以在连续的反馈过程中产生附加的指令信号。

10.一种用于控制水平钻孔操作的方法，包括：

命令包括电动机的顶部驱动系统向钻柱传递转矩，以使钻柱沿特定的方向转动；

产生转矩反馈信号和转动反馈信号中的至少一个，所述转矩反馈信号指示钻柱上的转矩限制被超过，所述转动反馈信号指示钻柱停止；以及

将至少一个反馈信号传送给可操作地和所述顶部驱动系统连接的自动控制器，使得所述自动控制器向所述顶部驱动系统输出至少一个方向指令信号，以便当转矩限制被超过或者当钻柱停止时使施加于钻柱上的转矩的方向反向。

11.如权利要求10所述的方法，其中还包括向所述顶部驱动系统传送至少一个速度指令信号和一个转矩限制信号，以控制电动机的速度和由电动机施加的转矩。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述电动机是直流电动机，其中所述方法还包括通过调节施加于所述直流电动机的电压来控制所述电动机的速度，并通过调节提供给所述直流电动机的电流来调节可由所述直流电动机施加的转矩。

13.如权利要求12所述的方法，还包括通过监视提供给所述直流电动机的电流产生转矩反馈信号。

14.如权利要求11所述的方法，其中电动机是交流电动机，所述方法还包括通过调节提供给所述交流电动机的电源的频率来控制所述交流电动机的速度和转矩。

15.如权利要求14所述的方法，还包括通过监视提供给所述交流电动机的电源的频率产生转矩反馈信号。

16.如权利要求10所述的方法，还包括监视所述顶部驱动系统的转动并产生转动反馈信号。

17.如权利要求10所述的方法，还包括利用转矩限制和钻柱停止限制信息预先编程所述自动控制器。

18.如权利要求10所述的方法，还包括：

从高速缓冲存储器取回至少一个指令信号；

把所述指令信号传送给所述顶部驱动系统；

把所述反馈信号传送给所述自动控制器；以及

对所述反馈信号进行操作以在连续的反馈过程中产生附加的指令信号。

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