CN105257275B - 一种石油钻机自动送钻系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油钻机自动送钻系统，包括换向阀和执行元件，执行元件的进油油路和执行元件的回油油路与换向阀相连接，在执行元件的回油油路上设置有可调节执行元件背压的电比例阀；或者在执行元件的回油油路上设置有可调节执行元件背压的溢流阀，在所述溢流阀的控制油路上设置电比例溢流阀。本发明钻压力控制精度高，自动送钻的效果好，可以减轻钻工劳动强度，成本低，没有防爆风险。

Description

一种石油钻机自动送钻系统

技术领域

本发明涉及石油钻机领域，特别涉及一种石油钻机自动送钻系统。

背景技术

在石油钻机深井钻探中，钻压力控制对保护钻具、提高钻进效率、防止钻井事故等方面都很重要。而控制钻压力是自动送钻的前提，钻压力控制得好，自动送钻效果就好，可以大大减轻司钻工的劳动强度，并能减少司钻工数量。所以钻压力控制是石油钻机的一个核心技术。

现在常用的钻压力控制方法有：

1、单独配置小功率的变频送钻电机(如45KW)，该电机通过大减速比机构与主变速箱相连。通过调节送钻电机电压频率与电压值以调节送钻电机的转速与制动力矩来实现钻压力控制与自动送钻。该方法适应于普通电驱绞车，钻压力控制比较稳定。缺点是：1)增加了减速机的复杂性。2)变频器与防爆电机的成本比较高。3)增加了防爆风险。

2、采用主变频电机送钻。绞车的主电机采用变频电机，配备大功率变频器。调节方法同上。该方法适用于采用变频电机驱动的绞车，钻压力控制也比较稳定。缺点是成本高，增加防爆风险。

3、采用直流主电机送钻，靠调节直流电机的速度与制动力矩来实现钻压力控制与自动送钻。该方法适用于采用直流电机驱动的绞车，钻压力控制比较稳定。缺点是成本高，增加防爆风险。

4、采用调节机械盘刹制动力来实现钻压力控制与自动送钻。优点是成本相对低廉。缺点是：1)靠调节摩擦片制动力来实现钻压力控制，钻压力控制精度不高。2)钻压力控制精度不高，送钻自动化就受到限制，司钻操作劳动强度就大。3)整个送钻过程中，摩擦片都是处于制动状态，摩擦片容易磨损，制动片容易发热，又增加了防爆风险。需要配备水冷系统及时散热。4)不能实现应急提升功能。

5、采用调节伊顿刹车制动力来实现钻压力控制与自动送钻。该方法与盘刹一样都是靠调节机械制动力来实现。所不同的是盘刹靠调节油缸力来调节摩擦片的制动力，而伊顿刹车是靠调节气缸力来调节制动力。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种石油钻机自动送钻系统，以解决石油钻机的钻压力调节问题。

一方面，本发明提供了一种石油钻机自动送钻系统，包括换向阀和执行元件，执行元件的进油油路和执行元件的回油油路与换向阀相连接，在执行元件的回油油路上设置有可调节执行元件背压的电比例阀；或者在执行元件的回油油路上设置有可调节执行元件背压的溢流阀，在所述溢流阀的控制油路上设置电比例溢流阀。

进一步地，包括减速机、绞车滚筒、固定石油钻机井架顶部的滑轮组和快绳定滑轮，滑轮组与钻具相连接，绞车滚筒上的钢丝绳引到快绳定滑轮和滑轮组上；执行元件为液压马达，液压马达通过减速机与绞车滚筒相连接。

为了实现闭环反馈控制，提高控制精度和稳定性，在进一步地技术方案中，包括实时检测钢丝绳拉力的拉力传感器和控制器；当拉力传感器检测到的实时拉力大于预设拉力值时，控制器控制所述电比例阀或者电比例溢流阀使液压马达背压减少；当拉力传感器检测到的实时拉力小于预设拉力值时，控制器控制所述电比例阀或者电比例溢流阀使液压马达背压增大。

为了实现闭环反馈控制，提高控制精度和稳定性，在进一步地技术方案中，包括实时检测绞车滚筒转速或者检测快绳定滑轮转速的转速传感器和控制器，当转速传感器检测信号大于预设转速值时，控制器控制所述电比例阀或者电比例溢流阀使液压马达背压增大；当转速传感器检测信号小于预设转速值时，控制器控制所述电比例阀或者电比例溢流阀使液压马达背压减少。

为了实现闭环反馈控制，提高控制精度和稳定性，在进一步地技术方案中，包括控制器，执行元件为液压油缸，液压油缸与钻具连接，在液压油缸的回油油路中设置有第一压力传感器，当第一压力传感器检测信号大于预设背压值时，控制器控制所述电比例阀或者电比例溢流阀使液压油缸背压减少；当第一压力传感器检测信号小于预设背压值时，控制器控制所述电比例阀或者电比例溢流阀使液压油缸背压增大。

进一步地，液压油缸包括两个，两个液压油缸的有杆腔相连通，两个液压油缸的无杆腔相连通，钻具与液压油缸的活塞杆相连接。

进一步地，溢流阀的进油口与执行元件的回油油路相连，溢流阀的出油口与执行元件的进油油路相连。

进一步地，在溢流阀的控制油路中设置有电磁阀和第二压力传感器；电磁阀和第二压力传感器位于所述电比例溢流阀和所述溢流阀的控制口之间的油路中。

进一步地，在执行元件的进油油路和执行元件的回油油路之间设置有平衡阀。

进一步地，电比例阀的进油口与执行元件的回油油路相连，电比例阀的出油口与执行元件的进油油路相连。

本发明提供的石油钻机自动送钻系统，在第一个技术方案中，通过调节电比例阀开度，来调节执行元件背压，通过调节执行元件背压来调节石油钻机的钻压力。在第二个技术方案中，通过电比例溢流阀调节溢流阀控制口压力，从而调节溢流阀开启压力，通过调节溢流阀开启压力来调节执行元件背压，通过调节执行元件背压来调节石油钻机的钻压力。通过上述两种方案可使钻压力控制比较精确。

为了实现闭环反馈控制，提高控制精度和稳定性，在进一步地技术方案中，通过拉力传感器检测钢丝绳拉力大小，通过拉力传感器信号来调节执行元件背压。构成闭环反馈控制，使钻压力控制更加精确。

为了实现闭环反馈控制，提高控制精度和稳定性，在进一步地技术方案中，通过转速传感器实时检测绞车滚筒转速或者检测快绳定滑轮转速，通过转速传感器检测钻具升降速度。钻压力大，送钻速度就快，钻压力小，送钻速度就慢，以送钻速度反馈控制钻压力大小，就可以使送钻速度比较精确的达到预设速度。

为了实现闭环反馈控制，提高控制精度和稳定性，在进一步地技术方案中，通过第一压力传感器检测执行元件的背压，执行元件的背压大，钻压力小，反之钻压力大。通过第一压力传感器信号作为反馈信号，构成闭环反馈控制，使钻压力控制更加精确。

本发明的技术方案相对于传统调节机械制动力去控制钻压力的技术方案：本发明技术方案没有刹车片磨损，没有制动盘发热，不需要单独增加散热。控制精度高，自动送钻的效果好，可以减轻钻工劳动强度。

本发明的技术方案相对于采用电机变频控制钻压力的技术方案，本发明的技术方案成本低，没有防爆风险。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明第一实施例的石油钻机自动送钻系统原理图；

图2为本发明第二实施例的石油钻机自动送钻系统原理图；

图3为本发明第三实施例的石油钻机自动送钻系统原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明所述的执行元件背压是指执行元件在使钻具6下降状态下，执行元件的回油油路B压力。

本发明所述的执行元件的进油油路A和执行元件的回油油路B是根据执行元件驱动钻具6下降时，执行元件的进出压力油状态。

本发明所述的钻压力是指钻具6向下钻的作用力。

下面结合图1，对本发明的优选第一实施例作进一步详细说明，本优选第一实施例的石油钻机自动送钻系统，包括钻具6、减速机2、绞车滚筒3、固定在石油钻机井架顶部的滑轮组5和快绳定滑轮4，滑轮组5与钻具6相连接，绞车滚筒3上的钢丝绳引到快绳定滑轮4和滑轮组5上；液压马达1通过减速机2与绞车滚筒3相连接。液压马达1驱动绞车滚筒3旋转，绞车滚筒3通过钢丝绳使钻具6升降运动。

液压马达1的进油油路A和液压马达1的回油油路B与换向阀12相连接，换向阀12控制液压马达1旋转。在液压马达1的进油油路A和液压马达1的回油油路B之间设置有平衡阀8和可调节液压马达1背压的溢流阀7，溢流阀7的进油口与液压马达1的回油油路B相连，溢流阀7的出油口与液压马达1的进油油路A相连，在所述溢流阀7的控制油路上设置电比例溢流阀10、电磁阀9、第二压力传感器11；电磁阀9和第二压力传感器11位于所述电比例溢流阀10和所述溢流阀7的控制口之间的油路中。

当电磁阀9失电时，溢流阀7作为安全阀使用，这用于钻具正常升降工况。当电磁阀9得电时，通过电比例溢流阀10可以调节溢流阀7控制口压力，从而调节溢流阀7开启压力，通过调节溢流阀7开启压力来调节液压马达1背压，通过调节液压马达1背压来调节石油钻机的钻压力。这适用于控制钻压力与送钻的工况。

钻具6在正常提升与下降时，电磁阀9失电，溢流阀7起安全阀作用，由换向阀12控制钻具6的升与降。换向阀12左位工作时，液压马达1的回油油路B进压力油，液压马达1的进油油路A回压力油，液压马达1正向旋转，钻具6提升；换向阀12右位工作时，液压马达1的进油油路A进压力油，液压马达1的回油油路B回压力油，液压马达1反向旋转，钻具6下降。

自动送钻与控制钻压力时，换向阀12左位工作，液压马达1的回油油路B进压力油。电磁阀9得电，调节电比例溢流阀10的开启压力，可以调节溢流阀7的开启压力，进而调节液压马达1的回油油路B的压力。将液压马达1的回油油路B压力调节到不能克服钻具6的重力，液压马达1被拖着反转时，液压马达1进入泵工况。液压马达1的进油油路A进油由溢流阀7回油提供，多余的油通过换向阀12回油箱。

钻具6在重力下下降。此时钻压力＝钻具6的重力-钻井液浮力-液压马达1排量×液压马达1背压×传动比/传动效率。从上述的公式中可以看出，调节钻压力可以通过调节液压马达1背压来实现，液压马达1背压可以通过调节电比例溢流阀10的开启压力来实现。若实测钻压力比预设钻压力值大，可以调大电比例溢流阀10的开启压力，增大液压马达1背压，以减小钻压力。反之，则调小电比例溢流阀10的开启压力，减小液压马达1背压，以增大钻压力。

为了实现闭环反馈控制，提高控制精度和稳定性。在第一个技术方案中，包括实时检测钢丝绳拉力的拉力传感器(图中未示出)和控制器(图中未示出)；拉力传感器通过检测钢丝绳拉力来检测钻压力大小。如果拉力传感器检测是与钻具6相连接的拉力，此时的钻压力＝钻具6的重力-钻井液浮力-检测拉力。如果拉力传感器检测是与滑轮组5上的钢丝绳拉力，此时的钻压力＝钻具6的重力-钻井液浮力-钢丝绳拉力×传动比/传动效率。。钢丝绳拉力与钻压力是成反比关系。当拉力传感器检测到的钢丝绳拉力大于预设拉力值时，控制器控制电比例溢流阀10使液压马达1背压减少，钻压力增大；当拉力传感器检测到的钢丝绳拉力小于预设拉力值时，控制器控制电比例溢流阀10使液压马达1背压增大，钻压力减少。拉力传感器作为闭环控制反馈信号，使钻压力大小控制更加精确。

在第二个技术方案中，包括实时检测绞车滚筒3转速或者检测快绳定滑轮4转速的转速传感器(图中未示出)和控制器，当转速传感器检测信号大于预设转速值时，控制器控制电比例溢流阀10使液压马达1背压增大，钻压力减少，送钻速度就降低；当转速传感器检测信号小于预设转速值时，控制器控制电比例溢流阀10使液压马达1背压减少，钻压力增大，送钻速度增大。转速传感器作为闭环控制反馈信号，可以精确控制钻压力大小和送钻速度。

当出现应急工况需要紧急提升钻具时，只要电磁阀9失电，溢流阀恢复安全阀作用，马达背压快速上升，克服钻具重力，提升钻具。若再加大系统流量，可进一步提高钻具上升速度。

如图2所示，本发明的优选第二实施例与第一实施例不同在于：在液压马达1的进油油路A和液压马达1的回油油路B之间设置有电比例阀13。电比例阀13的进油口与液压马达1的回油油路B相连，电比例阀13的出油口与液压马达1的进油油路A相连。

自动送钻与控制钻压力时，换向阀12处于左位工作，调节电比例阀13的开度以调节液压马达1的背压，马达1背压压力调节到不能克服钻具6的重力时，液压马达1被拖着反转时，液压马达1进入泵工况，液压马达1的进油口由电比例阀13的出油口提供液压油，多余的液压油通过换向阀12回油箱。调节钻压力可以通过调节液压马达1背压来实现，液压马达1背压可以通过调节电比例阀13开度来实现。电比例阀13开度越大，液压马达1背压减少，反之液压马达1背压增大。如果钻具6钻进速度比较慢，可以增大电比例阀13的开度，从而减少液压马达1背压压力，从而增大钻压力，提高送钻速度，反之则减小比例节流阀13的开度，增大马达1的背压，减小钻压力，降低送钻速度。

在第一个技术方案中，当拉力传感器检测信号大于预设拉力值时，控制器控制所述电比例阀13使液压马达1背压减少，钻压力增大；当拉力传感器检测信号小于预设拉力值时，控制器控制所述电比例阀13使液压马达1背压增大，钻压力减少。拉力传感器作为闭环控制反馈信号，使钻压力大小控制更加精确。

在第二个技术方案中，当转速传感器检测信号大于预设转速值时，控制器控制所述电比例阀13使液压马达1背压增大，钻压力减少，送钻速度就降低；当转速传感器检测信号小于预设转速值时，控制器控制所述电比例阀13使液压马达1背压减少，钻压力增大，送钻速度增大。转速传感器作为闭环控制反馈信号，可以精确控制钻压力大小和送钻速度。

当出现应急工况需要紧急提升钻具时，只要常闭的电比例阀失电，节流阀关闭，马达背压快速上升，克服钻具重力，提升钻具。若再加大系统流量，可进一步提高钻具上升速度。

如图3所示，对本发明的优选第三实施例与图1的第一实施例不同在于：第三实施例的执行元件为液压油缸14，液压油缸14包括两个，两个液压油缸14的有杆腔和无杆腔相连通，钻具6与液压油缸14的活塞杆相连接。两个液压油缸14共同驱动钻具6升降运动。

为了实现闭环反馈控制，提高控制精度和稳定性。在液压油缸14的回油油路B中设置有第一压力传感器(图中未示出)，当第一压力传感器检测信号大于预设背压值时，控制器控制电比例溢流阀10使液压油缸14背压减少，钻压力增大，送钻速度增大；当第一压力传感器检测信号小于预设背压值时，控制器控制电比例溢流阀10使液压油缸14背压增大，钻压力减少，送钻速度减少。

当出现应急工况需要紧急提升钻具时，只要电磁阀9失电，溢流阀恢复安全阀作用，马达背压快速上升，克服钻具重力，提升钻具。若再加大系统流量，可进一步提高钻具上升速度。

本发明的技术方案相对于传统调节机械制动力去控制钻压力的技术方案：本发明技术方案没有刹车片磨损，没有制动盘发热，不需要单独增加散热。控制精度高，自动送钻的效果好，可以减轻钻工劳动强度。

本发明的技术方案相对于采用电机变频控制钻压力的技术方案，本发明的技术方案成本低，没有防爆风险。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种石油钻机自动送钻系统，其特征在于，包括换向阀(12)和执行元件，执行元件的进油油路(A)和执行元件的回油油路(B)与换向阀(12)相连接，在执行元件的回油油路(B)上设置有可调节执行元件背压的电比例阀(13)；或者在执行元件的回油油路(B)上设置有可调节执行元件背压的溢流阀(7)，在所述溢流阀(7)的控制油路上设置电比例溢流阀(10)；所述石油钻机自动送钻系统包括减速机(2)、绞车滚筒(3)、固定在石油钻机井架顶部的滑轮组(5)和快绳定滑轮(4)，滑轮组(5)用于与钻具(6)相连接，绞车滚筒(3)上的钢丝绳引到快绳定滑轮(4)和滑轮组(5)上；执行元件为液压马达(1)，液压马达(1)通过减速机(2)与绞车滚筒(3)相连接；所述石油钻机自动送钻系统包括控制器和用于实时检测钢丝绳拉力的拉力传感器；当拉力传感器检测到的实时拉力大于预设拉力值时，控制器控制所述电比例阀(13)或者电比例溢流阀(10)使液压马达(1)背压减少；当拉力传感器检测到的实时拉力小于预设拉力值时，控制器控制所述电比例阀(13)或者电比例溢流阀(10)使液压马达(1)背压增大。

2.根据权利要求1所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，包括实时检测绞车滚筒(3)转速或者检测快绳定滑轮(4)转速的转速传感器和控制器，当转速传感器检测信号大于预设转速值时，控制器控制所述电比例阀(13)或者电比例溢流阀(10)使液压马达(1)背压增大；当转速传感器检测信号小于预设转速值时，控制器控制所述电比例阀(13)或者电比例溢流阀(10)使液压马达(1)背压减少。

3.根据权利要求1至2任意一项所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，溢流阀(7)的进油口与执行元件的回油油路(B)相连，溢流阀(7)的出油口与执行元件的进油油路(A)相连。

4.根据权利要求3所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，在溢流阀(7)的控制油路中设置有电磁阀(9)和第二压力传感器(11)；电磁阀(9)和第二压力传感器(11)位于所述电比例溢流阀(10)和所述溢流阀(7)的控制口之间的油路中。

5.根据权利要求1至2任意一项所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，在执行元件的进油油路(A)和执行元件的回油油路(B)之间设置有平衡阀(8)。