CN109209335A - 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、执行元件和钻具，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溢流阀，在溢流阀的控制油路上设置电比例溢流阀；执行元件为液压油缸，液压油缸与钻具连接。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技术领域，具体而言，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。

因此，研发一种能有效解决上述问题的石油钻机自动送钻系统是目前需要迫切解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供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。

本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的：

本发明提供了一种石油钻机自动送钻系统，包括换向阀、执行元件和钻具，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溢流阀，在所述溢流阀的控制油路上设置电比例溢流阀；所述执行元件为液压油缸，所述液压油缸与所述钻具连接。

进一步地，所述石油钻机自动送钻系统还包括控制器，在所述液压油缸的回油油路中设置有第一压力传感器，当所述第一压力传感器检测信号大于预设背压值时，所述控制器控制所述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溢流阀使液压油缸背压增大。

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

进一步地，在所述溢流阀的控制油路中设置有电磁阀和第二压力传感器；所述电磁阀和所述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，所述液压油缸的数量为两个，两个所述液压油缸的有杆腔相连通，两个所述液压油缸的无杆腔相连通，所述钻具与所述液压油缸的活塞杆相连接。

本发明提供的另一种石油钻机自动送钻系统，包括换向阀、执行元件和钻具，所述执行元件的进油油路和所述执行元件的回油油路与所述换向阀相连接，在所述执行元件的回油油路上设置有可调节所述执行元件背压的电比例阀；所述执行元件为液压油缸，所述液压油缸与所述钻具连接。

进一步地，所述石油钻机自动送钻系统还包括控制器，在所述液压油缸的回油油路中设置有第一压力传感器，当所述第一压力传感器检测信号大于预设背压值时，所述控制器控制所述电比例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使液压油缸背压增大。

进一步地，在所述执行元件的进油油路和所述执行元件的回油油路之间设置有平衡阀。

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

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：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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

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。

图标：1-液压马达；2-减速机；3-绞车滚筒；4-快绳定滑轮；5-滑轮组；6-钻具；7-溢流阀；8-平衡阀；9-电磁阀；10-电比例溢流阀；11-第二压力传感器；12-换向阀；13-电比例阀；14-液压油缸。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另外有更明确的规定与限定，术语“设置”、“连接”应做更广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或是一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一个实施方式作详细说明，在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。

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优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种石油钻机自动送钻系统，其特征在于，包括换向阀(12)、执行元件和钻具(6)，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)；所述执行元件为液压油缸(14)，所述液压油缸(14)与所述钻具(6)连接。

2.如权利要求1所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，所述石油钻机自动送钻系统还包括控制器，在所述液压油缸(14)的回油油路(B)中设置有第一压力传感器，当所述第一压力传感器检测信号大于预设背压值时，所述控制器控制所述电比例溢流阀(10)使液压油缸(14)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溢流阀(10)使液压油缸(14)背压增大。

3.如权利要求1所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，所述溢流阀(7)的进油口与所述执行元件的回油油路(B)相连，所述溢流阀(7)的出油口与所述执行元件的进油油路(A)相连。

4.如权利要求1所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，在所述溢流阀(7)的控制油路中设置有电磁阀(9)和第二压力传感器(11)；所述电磁阀(9)和所述第二压力传感器(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.如权利要求1所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，所述液压油缸(14)的数量为两个，两个所述液压油缸(14)的有杆腔相连通，两个所述液压油缸(14)的无杆腔相连通，所述钻具(6)与所述液压油缸(14)的活塞杆相连接。

6.一种石油钻机自动送钻系统，其特征在于，包括换向阀(12)、执行元件和钻具(6)，所述执行元件的进油油路(A)和所述执行元件的回油油路(B)与所述换向阀(12)相连接，在所述执行元件的回油油路(B)上设置有可调节所述执行元件背压的电比例阀(13)；所述执行元件为液压油缸(14)，所述液压油缸(14)与所述钻具(6)连接。

7.如权利要求6所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，所述石油钻机自动送钻系统还包括控制器，在所述液压油缸(14)的回油油路(B)中设置有第一压力传感器，当所述第一压力传感器检测信号大于预设背压值时，所述控制器控制所述电比例阀(13)使液压油缸(14)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(13)使液压油缸(14)背压增大。

8.如权利要求6所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，在所述执行元件的进油油路(A)和所述执行元件的回油油路(B)之间设置有平衡阀(8)。

9.如权利要求6所述的石油钻机自动送钻系统，其特征在于，所述电比例阀(13)的进油口与所述执行元件的回油油路(B)相连，所述电比例阀(13)的出油口与所述执行元件的进油油路(A)相连。