CN109025800A - 一种顶驱控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顶驱控制系统，涉及石油钻井自动控制技术领域，包括顶驱控制人机界面，顶驱控制器，数据转换接口，正反转控制人机界面，可编程控制器，转换开关，变频调速器，顶驱，钻柱和位置传感器，所述顶驱控制人机界面安装在顶驱控制器上，顶驱控制器通过电缆与转换开关相连；所述正反转控制人机界面与可编程控制器相连，可编程控制器通过电缆与转换开关相连；顶驱控制器通过数据转换接口与可编程控制器相连；转换开关的另一端与变频调速器相连，变频调速器连接顶驱；顶驱与钻柱连接，顶驱上安装位置传感器。采用本系统，消除了钻柱的静摩擦力，降低了钻柱摩阻扭矩，提高了滑动钻井速度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井自动控制技术领域，确切地说涉及一种顶驱控制系统。
背景技术
在定向井、水平井钻井过程中主要采用旋转导向钻井技术和定向滑动钻井技术实现井眼轨迹的控制，钻达目标地层。旋转导向钻井通过井下特定装置在旋转条件下，在钻头位置产生预期的力或转角，实现所钻井洞按预期方向偏移，钻洞效率高，但作业费用高，在国内未进行大范围使用。定向滑动钻井技术是保持钻柱不旋转，依靠井下带角度的动力钻具产生预期的力或转角，较常规钻井只增加了一根带角度的井下动力钻具和一个测量井筒偏移后的空间位置的MWD，使用成本较低，是当前定向井、水平井采用的主流技术。该方法的缺点是在滑动钻井过程中，钻头依靠井下动力钻具的动力破岩，钻头以上钻柱不旋转，而是沿井眼轴向滑动，部分钻柱躺在井筒下壁，静摩擦力极大，导致钻头切削地层岩石的能量不能有效施加，同时保持井下动力钻具在井筒中相对高点的角度（工具面）稳定也较为困难，表现在作业过程中钻井速度慢，频繁调整工具面角度浪费大量时间，同时发生井下复杂和事故的可能性也大幅增加。
为了提高滑动钻井速度和效率，近年来业界产生了井下振动方法，通过在距离钻头一定距离处加装一个水力震荡装置，在钻井过程中把部分水力能量转化为“振动”能力，带动与之相邻的一定范围内的钻柱“振动”，从而消除一定钻柱与井筒的静摩擦力，起到了一定的提高滑动钻井速度和效率的作用。同时该方法也存在一定的不足，一是井下的水力震荡装置存在一定的工作寿命和失效机率，会导致额外的起下钻，增加了钻井时间和费用，二是该装置的工作能量来至于水力能量，表现为钻井过程中地面注入水力压力(泵压)增加，往往在2-5MPa，部分泵压已经很高了的井，就不能使用或许只有更换更高能力的地面注入设备，三是该方法只能带动与井下振动装置相邻的一定范围内的钻柱“振动”，不能消除整个钻柱的静摩擦力，导致效果不好，甚至没有。
为了降低钻柱摩阻扭矩，提高机械钻速和效率，现场出现一种通过操纵顶驱控制器上旋钮，实现顶驱带动钻柱正反转动，降低钻柱与井壁摩阻扭矩的方法，该方法操作简单，不要借助其他装置设备，成本低。但该方法仅适于具有丰富经验的司钻，在正反转动顶驱的同时不能引起工具面的变动，上手操作难度高，进行推广应用难度大。
经检索，美国国民油井华高有限合伙公司申请了一件名为摆动钻柱的装置和方法的专利，该专利在中国的公开号为CN101466911A，公开日为2009年6月24日，其主要内容是：一种摆动钻柱的方法，所示方法包括如下步骤：（a）在第一方向上旋转所述钻柱，直到到达第一极限位置；（b）在第二方向上旋转所述钻柱，直到到达第二极限为止；其特征在于，所述第一和第二极限的基础在于旋转期间所施加能量的量值。该专利虽然提到了可以摆动钻柱，但一方面，该方法顺时针和逆时针旋转钻柱目标角位置相同，另一方面，其没有公布确定顺时针与逆时针旋转钻柱目标角位置的步骤以及如何拥有滑动钻井的方法，在滑动钻井中应用不具备可操作性。
同时，公开号为CN108227495A，公开日为2018年6月29日的中国专利文献公开了一种具有自适应性的滑动导向钻井控制系统及控制方法，其特征在于，该滑动导向钻井控制系统包括MWD系统、顶驱控制器和地面工控机；MWD系统用于实时测量滑动导向钻井中钻具系统的工具面角并发送至地面工控机；顶驱控制器用于控制滑动导向钻井中顶驱的旋转，并将相应顶驱转角实时反馈至地面工控机；地面工控机用于根据井眼轨迹规划的工具面角、实时测量的工具面角和实时反馈的顶驱转角实时计算期望的工具面角和期望的顶驱转角并发送至顶驱控制器，顶驱控制器根据期望的工具面角或期望的顶驱转角控制滑动导向钻井中顶驱的旋转，进而实现滑动导向钻井中钻具系统的工具面角自适应控制，该发明可以广泛应用于滑动导向钻井领域中。
但以上述专利文献为代表的现有滑动钻井控制系统，其结构较为复杂，且该滑动钻井系统不能实现顶驱控制信号的切换，不能实现钻柱的正反转。也就不能进一步消除整个钻柱的静摩擦力，机械钻速和效率不能得到进一步提高。
发明内容
本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种顶驱控制系统，采用本系统，在滑动钻井过程中，能持续顺时针、逆时针旋转钻柱而不改变用于控制井眼轨迹的弯井下动力钻具的相对方向，一定程度上消除了钻柱的静摩擦力，降低了钻柱摩阻扭矩，提高了滑动钻井速度和效率。
本发明是通过采用下述技术方案实现的：
一种顶驱控制系统，其特征在于：包括顶驱控制人机界面，顶驱控制器，数据转换接口，正反转控制人机界面，可编程控制器，转换开关，变频调速器，顶驱，钻柱和位置传感器，所述顶驱控制人机界面安装在顶驱控制器上，顶驱控制器通过电缆与转换开关相连；所述正反转控制人机界面与可编程控制器相连，可编程控制器通过电缆与转换开关相连；顶驱控制器通过数据转换接口与可编程控制器相连；转换开关的另一端与变频调速器相连，变频调速器连接顶驱；顶驱与钻柱连接，顶驱上安装位置传感器。
所述正反转控制人机界面用于输入指令，包括钻柱需要转动的角度、方向和速度参数，所述正反转控制人机界面通过内部微处理器将指令转化为可编程控制器使用的数据格式，通过串口、网卡或USB口将数据传输至可编程控制器，可编程控制器通过内部运算器进行计算得到控制信号，通过可编程控制器的输出端口将数字信号转换为模拟信号，经过转换开关到达变频调速器，变频调速器通过改变电机工作电源频率和电压方式来控制电机，控制顶驱和钻柱运动。
变频调速器通过分析电机上的电流电压得出钻柱上的实时扭矩和转速，并将实时扭矩和转速反馈回顶驱控制器，顶驱控制器通过数据转换接口将反馈数据编码翻译成可编程控制器能识别的编码。
安装在顶驱上的位置传感器将钻柱的转动角度信号反馈给可编程控制器和变频调速器，可编程控制器将来自顶驱控制器和位置传感器反馈回来的信号参与运算，输出控制信号，控制顶驱和钻柱的运动。
可编程控制器将接收到的指令数据、反馈数据和控制数据发送至正反转控制人机界面，实时记录扭矩、转速、钻压和机械钻速曲线，评价降摩减阻效果。
顶驱控制器和可编程控制器内置电源模块，正常工作下由电源端口外接电源为供电模块充电，同时驱动整个控制系统内电路元件的运行，当停电、断电外接电源无法供电时，由外设的供电模块启动应急电源，给控制箱供电驱动电路元件运行。
可编程控制器在顶驱电路发生故障时，将顶驱控制器与外部系统断开。对顶驱控制器起到保护作用。
正反转控制人机界面安装有报警灯和声控报警装置。
所述的顶驱控制器包括中央处理模块、供电模块、数据采集模块、指令发送模块、电源端口、输入端口、输出端口、控制器电路主板和顶驱控制器箱体，所述中央处理模块、供电模块、数据采集模块、指令发送模块安装于控制器电路主板上，所述电源端口、输入端口和输出端口安装于顶驱控制器箱体上。
所述的电源端口与供电模块相连，正常工作下由电源端口外接电源为供电模块充电，同时驱动整个控制箱内电路元件的运行，当停电、断电外接电源无法供电时，由外设的供电模块启动应急电源，给控制箱供电驱动电路元件运行。
输入端口与外部数据传感器相连，用于接收钻井过程中的钻压、扭矩、转速等钻井参数模拟电信号；输入端口与控制箱内部数据采集模块相连，通过数据采集模块将钻压、扭矩和转速钻井参数进行采集和编码处理，把模拟电信号转换为中央处理模块能识别的二进制编码，发送至中央处理模块进行运算。
中央处理模块中通过人工编程方式植入控制程序，程序根据输入的钻压、扭矩和转速参数实时计算上部钻柱与井壁间摩擦力大小，计算出上部钻柱正转或反转角度，计算结果再转换为模拟信号，通过指令发送模块连接到输出端口，为外部执行机构提供控制信号，控制顶驱的转动方向和角度。
指令发送模块在顶驱电路发生故障时，将顶驱控制器与外部系统断开。对顶驱控制器起到保护作用。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：
1、本发明可以通过顶驱控制人机界面可以向系统输入指令，由顶驱控制器计算出控制信号，输出到变频调速器控制钻柱转动，同时顶驱控制器能将计算的数据发送至顶驱控制人机界面显示出来，并进行数据储存。
2、本发明可以通过正反转控制人机界面向可编程控制器输入指令，可编程控制器将输入的指令信号、从顶驱控制器接受的反馈转速和扭矩信号、位移传感器接收到的位置信号带入设计好的算法进行计算，输出控制信号，控制变频调速器的电压和频率，从而控制钻柱转动。同时可编程控制器将原始数据和计算结果发送至减阻系统人机界面显示出来，并进行储存。
3、本发明转换开关与顶驱控制器和可编程控制器相连，能够进行顶驱控制信号的切换。钻柱需要正反转时，可编程控制器可发送指令给转换开关，断开与顶驱控制器连接，由可编程控制器控制钻柱正反转；当不需要钻柱正反转时，可编程控制器可发送指令给转换开关，转换开关断开与可编程控制器连接，恢复顶驱控制器的连接。通过一个转换开关实现两个回路的互锁，保证系统在工作时互不干扰。
4、本发明数据转换接口能够与不同厂家的顶驱控制器对接，实现不同编码规则数据的编译，并将数据传输给可编程控制器，实现顶驱控制器与可编程控制器数据共享。
5、本发明可编程控制器控制变频器期间，若电路发生故障，可编程控制器能自动断开对变频调速器操作，对系统起到保护作用。
6、本发明正反转控制人机界面、可编程控制器、顶驱控制器箱体采用防爆设计，将爆炸危险性气体与箱内控制电路隔离，保证施工安全。
7、本发明可编程控制器内置后评估算法，系统出现故障时能将故障问题传输至人机界面，正反转控制人机界面安装有报警灯和声控报警装置，方面现场对系统问题排查。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为顶驱正反转控制系统示意图。
图2为顶驱控制器布局示意图。
图中标记：
1、顶驱控制人机界面，2、顶驱控制器，3、数据转换接口，4、正反转控制人机界面，5、可编程控制器，6、转换开关，7、变频调速器，8、顶驱，9、钻柱，10、位置传感器，11、中央处理模块，12、供电模块，13、数据采集模块，14、指令发送模块，15、电源端口，16、输入端口，17、输出端口，18、控制器电路主板，19、顶驱控制器箱体。
具体实施方式
实施例1
作为本发明的一较佳实施方式，其公开了一种顶驱控制系统，其包括顶驱控制人机界面，顶驱控制器2，数据转换接口3，正反转控制人机界面4，可编程控制器5，转换开关6，变频调速器7，顶驱8，钻柱9和位置传感器10，所述顶驱控制人机界面安装在顶驱控制器2上，顶驱控制器2通过电缆与转换开关6相连；所述正反转控制人机界面4与可编程控制器5相连，可编程控制器5通过电缆与转换开关6相连；顶驱控制器2通过数据转换接口3与可编程控制器5相连；转换开关6的另一端与变频调速器7相连，变频调速器7连接顶驱8；顶驱8与钻柱9连接，顶驱8上安装位置传感器10。
实施例2
在实施例1的基础上，作为本发明的另一较佳实施方式，如说明书附图所示，本发明包括包括顶驱控制人机界面，顶驱控制器2，数据转换接口3，正反转控制人机界面4，可编程控制器5，转换开关6，变频调速器7，顶驱8，钻柱9和位置传感器10。
在复合钻进或滑动钻进不“托压”的情况下，操作人员通过顶驱控制人机界面输入指令，顶驱控制人机界面通过内部微处理器将指令转化为特定的数据格式，通过串口、网卡或USB口，将数据传输至顶驱控制器2，顶驱控制器2通过内部运算器进行计算，得到控制变频调速器7的控制信号，变频调速器7通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机，从而控制顶驱8和钻柱9运动。在控制过程中，顶驱控制器2将接收到的从变频调速器7反馈会的速度和扭矩信号和计算得出的控制信号等发送至顶驱控制人机界面，方面操作人员对控制过程实施监控。
当滑动钻进过程出现钻柱9摩阻扭矩大，出现“托压”现象时，顶驱控制器2上的提示灯亮起，提醒操作人员开启减阻系统。操作人员可通过正反转控制人机界面4启动正反转控制系统，此时可编程控制器5向转换开关6发送指令，转换开关6闭合可编程控制器5与变频调速器7回路，断开顶驱控制器2与变频调速器7回路。
操作人员通过正反转控制人机界面4输入指令，包括钻柱9需要转动的角度、方向、速度等参数，正反转控制人机界面4通过内部微处理器将指令转化为特定的数据格式，通过串口、网卡或USB口将数据传输至可编程控制器5，可编程控制器5通过内部运算器进行计算得到控制信号，通过可编程控制器5的输出端口17将数字信号转换为模拟信号，经过转换开关6到达变频调速器7，变频调速器7通过改变电机工作电源频率和电压方式来控制交流电动机，从而控制顶驱8和钻柱9运动。
变频调速器7通过分析电机上的电流电压得出钻柱9上的实时扭矩和转速，并将实时扭矩和转速反馈回顶驱控制器2，顶驱控制器2通过数据转换接口3将反馈数据编码翻译成可编程控制器5能识别的编码。安装在顶驱8上的位置传感器10能够实时将钻柱9的转动角度信号反馈给可编程控制器5和变频调速器7。可编程控制器5将来自顶驱控制器2和位移传感器反馈回来的信号参与运算，输出控制信号，即可控制顶驱8和钻柱9的运动，在控制过程中钻柱9按正反方向来回转动一定角度，而不引起工具面的变化，达到降低滑动钻进过程中的摩阻扭矩的效果。可编程控制器5将接收到的、指令数据、反馈数据和控制数据发送至正反转控制人机界面4，实时记录扭矩、转速、钻压、机械钻速等曲线，评价降摩减阻效果。
顶驱控制器2和可编程控制器5内置电源模块，正常工作下由电源端口15外接电源为供电模块12充电，同时驱动整个控制系统内电路元件的运行，当停电、断电外接电源无法供电时，由供电模块12启动应急电源，给控制箱供电驱动电路元件运行。可编程控制器5能在顶驱8电路发生故障时，将顶驱控制器2与外部系统断开，对顶驱控制器2起到保护作用。
实施例3
作为本发明的最佳实施方式，在实施例2的基础上，所采用的顶驱控制器2包括中央处理模块11，供电模块12，数据采集模块13，指令发送模块14，电源端口15，输入端口16，输出端口17，控制器电路主板18，顶驱控制器箱体19。所述中央处理模块11，供电模块12，数据采集模块13，指令发送模块14安装于控制器电路主板18上。所述电源端口15，输入端口16，输出端口17安装于顶驱控制器箱体19上。
电源端口15与供电模块12相连，正常工作下由电源端口15外接电源为供电模块12充电，同时驱动整个控制箱内电路元件的运行，当停电、断电外接电源无法供电时，由供电模块12启动应急电源，给控制箱供电驱动电路元件运行。
输入端口16与外部数据传感器相连，能够接收钻井过程中的钻压、扭矩、转速等钻井参数模拟电信号。输入端口16与控制箱内部数据采集模块13相连，通过数据采集模块13将钻压、扭矩、转速等钻井参数进行采集和编码处理，把模拟电信号转换为中央处理模块11能识别的二进制编码，发送至中央处理模块11进行运算。
中央处理模块11中通过人工编程方式植入控制程序，程序能根据输入钻压、扭矩、转速等参数实时计算上部钻柱9与井壁间摩擦力大小，从而计算出上部钻柱9正转或反转一定角度，计算结果再转换为模拟信号，通过指令发送模块14连接到输出端口17，为外部执行机构提供控制信号，控制顶驱8的转动方向和角度。指令发送模块14能在顶驱8电路发生故障时，将顶驱控制器2与外部系统断开，对顶驱控制器2起到保护作用。
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种顶驱控制系统，其特征在于：包括顶驱控制人机界面，顶驱控制器（2），数据转换接口（3），正反转控制人机界面（4），可编程控制器（5），转换开关（6），变频调速器（7），顶驱（8），钻柱（9）和位置传感器（10），所述顶驱控制人机界面安装在顶驱控制器（2）上，顶驱控制器（2）通过电缆与转换开关（6）相连；所述正反转控制人机界面（4）与可编程控制器（5）相连，可编程控制器（5）通过电缆与转换开关（6）相连；顶驱控制器（2）通过数据转换接口（3）与可编程控制器（5）相连；转换开关（6）的另一端与变频调速器（7）相连，变频调速器（7）连接顶驱（8）；顶驱（8）与钻柱（9）连接，顶驱（8）上安装位置传感器（10）。
2.根据权利要求1所述的一种顶驱控制系统，其特征在于：所述正反转控制人机界面（4）用于输入指令，包括钻柱（9）需要转动的角度、方向和速度参数，所述正反转控制人机界面（4）通过内部微处理器将指令转化为可编程控制器（5）使用的数据格式，通过串口、网卡或USB口将数据传输至可编程控制器（5），可编程控制器（5）通过内部运算器进行计算得到控制信号，通过可编程控制器（5）的输出端口（17）将数字信号转换为模拟信号，经过转换开关（6）到达变频调速器（7），变频调速器（7）通过改变电机工作电源频率和电压方式来控制电机，控制顶驱（8）和钻柱（9）运动。
3.根据权利要求1所述的一种顶驱控制系统，其特征在于：变频调速器（7）通过分析电机上的电流电压得出钻柱（9）上的实时扭矩和转速，并将实时扭矩和转速反馈回顶驱控制器（2），顶驱控制器（2）通过数据转换接口（3）将反馈数据编码翻译成可编程控制器（5）能识别的编码。
4.根据权利要求1所述的一种顶驱控制系统，其特征在于：安装在顶驱（8）上的位置传感器（10）将钻柱（9）的转动角度信号反馈给可编程控制器（5）和变频调速器（7），可编程控制器（5）将来自顶驱控制器（2）和位置传感器（10）反馈回来的信号参与运算，输出控制信号，控制顶驱（8）和钻柱（9）的运动。
5.根据权利要求1所述的一种顶驱控制系统，其特征在于：可编程控制器（5）将接收到的指令数据、反馈数据和控制数据发送至正反转控制人机界面（4），实时记录扭矩、转速、钻压和机械钻速曲线。
6.根据权利要求1所述的一种顶驱控制系统，其特征在于：顶驱控制器（2）和可编程控制器（5）内置电源模块，正常工作下由电源端口（15）外接电源为供电模块（12）充电，同时驱动整个控制系统内电路元件的运行，当停电、断电外接电源无法供电时，由外设的供电模块（12）启动应急电源，给控制箱供电驱动电路元件运行。
7.根据权利要求1所述的一种顶驱控制系统，其特征在于：正反转控制人机界面（4）安装有报警灯和声控报警装置。
8.根据权利要求1所述的一种顶驱控制系统，其特征在于：所述的顶驱控制器（2）包括中央处理模块（11）、供电模块（12）、数据采集模块（13）、指令发送模块（14）、电源端口（15）、输入端口（16）、输出端口（17）、控制器电路主板（18）和顶驱控制器箱体（19），所述中央处理模块（11）、供电模块（12）、数据采集模块（13）、指令发送模块（14）安装于控制器电路主板（18）上，所述电源端口（15）、输入端口（16）和输出端口（17）安装于顶驱控制器箱体（19）上。
9.根据权利要求8所述的一种顶驱控制系统，其特征在于：输入端口（16）与外部数据传感器相连，用于接收钻井过程中的钻压、扭矩、转速等钻井参数模拟电信号；输入端口（16）与控制箱内部数据采集模块（13）相连，通过数据采集模块（13）将钻压、扭矩和转速钻井参数进行采集和编码处理，把模拟电信号转换为中央处理模块（11）能识别的二进制编码，发送至中央处理模块（11）进行运算。
10.根据权利要求8所述的一种顶驱控制系统，其特征在于：中央处理模块（11）中通过人工编程方式植入控制程序，程序根据输入的钻压、扭矩和转速参数实时计算上部钻柱（9）与井壁间摩擦力大小，计算出上部钻柱（9）正转或反转角度，计算结果再转换为模拟信号，通过指令发送模块（14）连接到输出端口（17），为外部执行机构提供控制信号，控制顶驱（8）的转动方向和角度。
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