CN110392766B - 用于自动操作电动液压卡盘的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在井钻探、开发、完工和生产中使用的方法，包括：向具有至少一个致动部件的油管卡盘供给液压压力；基于所述致动部件的位置从位置传感器生成位置数据；基于供给到所述卡盘的所述压力从压力传感器生成压力数据；以及通过基于所述位置数据、所述压力数据和规定控制算法调节供给到所述卡盘的压力通过致动所述致动部件来用所述卡盘自动操纵油管。所述方法能够实现为如下系统的一部分，所述系统包括：具有至少一个致动部件的油管卡盘；检测供给到所述卡盘的液压压力和所述致动部件的位置的传感器；以及能够基于来自所述传感器的数据和规定控制算法生成卡盘控制数据以控制所述卡盘的可编程逻辑控制器。

Description

用于自动操作电动液压卡盘的系统和方法

技术领域

本发明涉及操作油管卡盘以操纵和联接管柱的方法和系统。特别地，本发明涉及用于在海上或陆上的井开发、建构和生产中使用的自动操作电动液压卡盘以操纵和联接管柱的方法和系统。

背景技术

管状管道节段的长管柱(“管件”)通常用于海上石油和天然气井的操作。就钻柱而言，这些管柱用于深入钻探到地下；就立管管柱而言，用于将海底的井口连接到海面平台并将钻柱与海水隔离；就套管管柱而言，用于给井筒加衬；以及就生产油管管柱而言，用于将自井产出的石油或天然气输送到平台。这些管柱可以长达数百或数千英尺并且由数百根连结在一起的管件组成，所以联接和去联接这各种管件的过程对海上井的操作很重要。类似地，陆上井也利用长管柱。

管件的联接一般通过交替地使用用于降低或支撑的起重机(“升降机”)与管柱穿过其中的夹紧并支撑管柱的机构(“油管卡盘”)来实现。当油管卡盘夹紧并支撑管柱时，升降机将新的一段管件提升到与现有管柱对准。一旦这新的一段管件与管柱对准，升降机就降低管件以便联接到管柱并且形成连接。然后，仍然附接到管件的升降机提升整个管柱以减轻卡盘上的重量，并且卡盘脱离接合以释放管柱。最后，升降机降低管柱以使其穿过卡盘一个管件的长度，并且卡盘再次接合以夹紧并支撑管柱，并且所述过程针对所必需那么多段的管件进行重复。管柱的去联接通过相同的一般过程来实现。

传统地，由平台工人执行联接或去联接管柱的每个步骤，通常是手动执行。因此，工人可能非常靠近高压流体和重型设备，诸如卡盘、升降机和其他机械。这导致以下风险：工人受伤、设备损坏以及由甚至轻微错误造成的高成本生产停工。通常，管柱每年可能多次被“取回”和“下入”(即，完全拆除和重新组装)，因此这些风险在生产井的整个使用寿命期间重复出现。

因此，需要一种自动执行管件的操纵、联接和去联接而无需本地或远程人为输入或控制的卡盘控制系统。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于使用油管卡盘来操纵管柱的自动化电动液压系统。所述系统包括液压油管卡盘，所述液压油管卡盘带有生成位置数据的位置传感器、生成卡盘压力数据的压力传感器和致动部件。所述卡盘能够保持、夹紧并固定管件，统称为“操纵”管件。所述系统还包括卡盘液压控制件，所述卡盘液压控制件能够通过卡盘液压控制歧管从平台向所述卡盘供给液压压力，所述卡盘液压控制歧管调整由所述液压供给源向所述卡盘提供的所述液压压力。所述歧管与压力传感器联接以生成歧管压力数据，并且所述歧管与至少一个调整阀联接以调整所述卡盘液压控制歧管中的所述压力和供给到所述卡盘的所述压力。所述系统还可包括卡盘电控制件，所述卡盘电控制件通过输入模块从所述卡盘和所述歧管接收位置、卡盘压力数据和歧管压力数据，所述卡盘电控制件在可编程逻辑控制器和电源模块中基于规定控制算法将所述位置和压力数据自动处理成卡盘控制数据，并且所述卡盘电控制件经由输出模块将所述卡盘控制数据传输到所述调整阀以操作所述卡盘对管件的操纵。

本发明的另一个方面提供一种用于在不管是海上还是陆上的井开发、建构和生产中使用的使用液压油管卡盘来操纵油管的方法。所述方法包括：向具有致动部件的液压油管卡盘供给液压压力：由位置传感器基于所述卡盘的致动部件的位置生成位置数据：由压力传感器基于供给到所述卡盘的所述压力生成压力数据；以及通过基于所述位置数据、所述压力数据和规定控制算法调节供给到所述卡盘的所述压力通过致动所述致动部件来用所述卡盘自动操纵油管。

本发明的又一个方面提供一种可在不管是海上还是或陆上的井开发、建构和生产中使用的将管件联接或去联接到管柱中的方法。所述系统和方法可用于联接或者去联接管件，因此所述术语可以互换使用。所述方法包括从包括歧管压力传感器的液压控制歧管向具有至少一个致动部件的液压油管卡盘供给液压压力，所述歧管压力传感器基于所述歧管内的压力生成数据。所述卡盘包括位置传感器和卡盘压力传感器，所述位置传感器基于所述致动部件的位置生成位置数据，并且所述卡盘压力传感器基于供给到所述卡盘的所述压力生成卡盘压力数据。将这些数据传输到卡盘电控制接口内的输入模块，所述卡盘电控制接口包括输入模块、输出模块和可编程逻辑控制器。所述可编程逻辑控制器还包括存储器、包含规定控制算法的大容量存储装置和处理器。所述方法中的后续步骤是：将所述传感器数据从所述输入模块传输到所述可编程逻辑控制器；使用所述可编程逻辑控制器来基于这些传感器数据生成控制数据；以及经由所述输出模块将所述控制数据传输到至少一个压力调整阀，所述阀被定位来控制供给到所述卡盘的所述液压压力。最后，通过用所述阀基于所述控制数据调节供给到所述卡盘的所述压力来用所述卡盘联接或去联接管件。

附图说明

通过阅读以下对本技术的非限制性实施方案的详细描述以及检查附图，将更好地了解本技术，其中：

图1是可用于实现自动化系统或方法的钻井船的侧剖视图。

图2是可用于自动化系统或方法的立管卡盘的等距顶视图。

图3是可用于自动化系统或方法的支撑立管的立管卡盘的侧剖视图。

图4是可用于自动化系统或方法的支撑立管的立管卡盘的顶视图。

图5是示出可如何布置电动液压自动化卡盘控制系统的框图。

具体实施方式

当参考以下优选实施方案的描述和附图考虑时，将进一步理解本技术的前述方面、特征和优点，其中类似的附图标号表示类似的元件。在描述附图中所示的技术的优选实施方案时，为了清楚起见，将使用特定术语。然而，本发明并不意图限于所使用的特定术语，并且应了解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的等效物。

图1展示了可用于实现本文所述的系统或方法的钻井船9的侧视图。钻井船9可包括无线地或者通过有线连接2连接到钻床的控制面板3的油管卡盘1000。卡盘1000和控制面板3可位于钻井船9的钻台8上。立管管件4可连接到由钻井船的井架7的绞车6支撑的立管操纵工具5。然后，管件4可降低到适当位置以便经由卡盘1000并利用所述系统或方法连接到立管管柱13。然后，立管管柱13可穿过钻井船的月池11并达海平面10以下。张紧器12可从钻井船9连接到立管管柱13以使其稳定。立管联接头14可以存在于立管管柱13的各个管件之间的连接处，并且管柱13可进一步连接到防喷器15。防喷器15可连接到海底17处的井口16，以降低从井中不受控制地释放液体或气体的可能性并且最佳地消除这种可能性。本文所述的系统或方法可在钻井船、钻井平台或者不管是海上还是陆上的井开发、建构和生产中涉及的另一种结构或载体上实现。

图2展示了可用于所述系统或方法的油管卡盘1000的等距顶视图。卡盘1000可包括多个臂单元1001，每个单元包含水平凸轮型臂1002和立管支撑卡爪1003。尽管所示的特定卡盘1000包括六个臂单元1001，但是在替代实施方案中可以使用更多或更少的臂单元。压力传感器1005可被布置来测量供给到卡盘1000的液压压力，所述压力传感器1005可能位于臂单元1001或卡爪1003上、附近或内。立管可装配在卡盘的中心1004内，并且臂单元1001和卡爪1003可根据需要、诸如当正在组装或断开管柱时被致动以沿径向向内移动来支撑立管。

臂单元1001、臂1002和卡爪1003的位置可由位于卡盘上、附近或内的位置传感器进行监视。这类传感器可以是线性或径向可变差动变压器、压电传感器、增量编码器、感应式接近传感器、磁感应传感器、超声传感器、电容式传感器、光电传感器、激光测量传感器或其他种类的电子位置传感器，诸如视觉传感器。基于由压力传感器1005和位置传感器生成的数据，卡盘1000可自动夹紧、支撑并连接或断开管柱。卡盘的自动操作还可基于在卡盘上或附近的位置传感器，所述位置传感器检测管柱何时已移动到进行联接或去联接的位置。卡盘1000的自动功能可为工人和机械创造更安全的环境，可降低当连接或断开管件时出现错误的可能性，并且可通过加快组装或拆分管柱的过程来提高整个钻机操作的生产率。

另外，卡盘控制系统或方法可以是更大控制系统的一部分，所述更大控制系统协调组装或拆分管柱的整个过程，包括控制管柱升降机和其他机械。本技术的油管卡盘可以用于钻杆卡盘、用于操纵生产油管的卡盘，以及用于在井钻探、建构、开发和生产中使用的其他管件的卡盘。

图3展示了可用于本系统和方法的油管卡盘1000和立管管柱2000的侧剖视图。卡盘水平凸轮型臂1002在卡盘臂单元1001内可见。致动器1006可用于沿径向向内致动臂1002和臂单元1001。致动器可以是液压活塞、电动静液压致动器或另一致动机构。立管支撑卡爪1003展示为被接合以支撑立管管柱2000，从而与底部立管管件1998的法兰2001交接。致动器1006还可用于沿径向向内致动卡爪。如果使用液压致动器，那么压力传感器1005可被布置来测量供给到卡盘1000的液压压力，并且在不同的实施方案中，压力传感器1005可以位于臂单元1001或卡爪1003上、附近或内，或者位于多个不同的位置。

卡盘臂1002描绘为连接在底部立管管件1998的立管法兰2001与顶部立管管件1999的立管法兰2001之间。由致动器1006致动的臂将锁紧环2004降低到压缩构件2005之上以使压缩构件围绕立管管柱2000收紧并且实现管件的连接。

位置传感器1009可存在于卡盘臂1002中、沿臂单元1001的基部存在或者存在于卡爪1003中，以便检测每个部件的位置。这类传感器可以是线性或径向可变差动变压器、增量编码器、感应式接近传感器或其他种类的电子位置传感器，诸如视觉传感器。另选地，位置传感器1009可监视致动器1006的延伸度以确定每个卡盘部件的位置。基于由压力传感器1005和位置传感器1009生成的数据，卡盘可自动夹紧、支撑并连接或断开管柱。卡盘的自动操作还可基于并入卡爪1003、臂1002中或者在卡盘上或附近的管柱位置传感器1010，所述管柱位置传感器1010检测管柱2000何时已移动到进行联接或去联接的位置。这些管柱位置传感器1010可以是压力激活开关、如上所述的电位置传感器，或者使用电容、感应、磁力、雷达、声纳或超声波、红外线、激光或光学技术来检测管柱2000的位置的接近传感器。卡盘1000的自动功能可为工人和机械创造更安全的环境，可降低当连接或断开管件时出现错误的可能性，并且可通过加快组装或拆分管柱的过程来提高整个钻机操作的生产率。

图4展示了可用于本系统或方法的油管卡盘1000和立管管柱2000的顶视图。卡盘臂单元1001展示为带有水平凸轮型臂1002，水平凸轮型臂1002被接合以连接或断开立管管柱2000管件。通过与立管法兰2001交接，立管支撑卡爪2003被接合以支撑立管管柱2000。立管可具有对准销2006，以帮助确保每个立管管件与立管管柱2000的其余部分对准以便于进行连接。

本方法或系统可用于用以下各者实现管件之间的连接以形成管柱：水平凸轮型卡盘，如图2、图3和图4中所描绘；扭转卡盘，其中卡盘夹紧管件并施加扭矩，或者卡盘包括扭矩扳手机构；或者基于摩擦或基于压缩的卡盘，所述卡盘包括将管件保持在适当位置的卡瓦。

图5展示了用于油管卡盘的自动操作的电动液压系统111的框图，电动液压系统111包括卡盘1000、传感器接线盒(J-Box)100、卡盘电控制界面(I/F)面板150和电动液压控制台300。所述系统可在区1危险区域222中安全地操作，其中用于所述系统的所有电气元件和液压元件适合于在区1危险区域222中使用，如在国际电工委员会的IEC 60079系列易爆气体环境标准中使用并由其定义。如上所讨论，位置传感器可位于油管卡盘1000上，以经由电连接或无线连接通过J-Box 100向输入模块201提供卡盘位置反馈数据101。压力传感器205还可用于监视供给到卡盘1000的压力，并且可选地监视卡盘控制歧管301内的压力。这些压力传感器可经由电连接或无线连接向输入模块传输压力数据。此输入模块201可与输出模块203一起容纳在远程输入-输出设备(远程I/O)200内。远程I/O 200可包含与电功率源501交接并与钻床的控制网络500以电或无线的方式交接的可编程逻辑控制器和电源模块(PLC)202。在某些实施方案中，电功率源501可以附接到PLC 202，并且(例如)经由电力电缆(诸如，230伏A/C电力电缆)向PLC 202输送电力。钻床的控制网络500可经由光纤附接到PLC 202并且与之通信。PLC 202可从输入模块201接收压力数据和位置数据，并且利用输出模块203来通过以电或无线的方式控制至少一个压力阀204调整供给到卡盘1000的液压压力。在一些实施方案中，一个或多个压力阀204可以是电磁阀，并且另外地或另选地，可调整卡盘液压控制歧管301内的压力，以调整供给到卡盘1000的液压压力。输出模块203与一个或多个阀204之间的连接可以经由电力电缆、诸如24伏D/C电力电缆进行。

卡盘液压控制歧管301可容纳在电动液压控制台300内，所述电动液压控制台300从钻机液压供给源402接收液压压力，输出液压回路401，并且导致卡盘1000的致动。此控制台可另外包括手动阀302，以允许本地控制供给到卡盘1000的液压压力并且超弛PLC 202控制。卡盘液压控制歧管301与一个或多个电磁阀204、压力传感器205、手动阀302、钻机液压供给源402、液压回路401以及卡盘1000中的每一者之间的连接可以经由液压管路进行。电动液压控制台还可包含包括LED(发光二极管)305或警报器304的故障通知系统，以便在视觉上或听觉上警告操作员任何系统故障，所述故障通知系统可基于以电或无线的方式自输出模块203传输的数据。在某些实施方案中，LED 305和/或警报器304与输出模块203之间的连接可以经由电力电缆、诸如例如24伏DC电力电缆进行。另外，卡盘1000可以电的方式操作，其中卡盘1000的致动部件不是液压致动的，并且卡盘的自动操作取决于卡盘或管件上的位置传感器和预编程控制算法。

卡盘在无需人为输入或控制的情况下对管件进行的自动联接或去联接降低了卡盘手动操作中原本固有的工人受伤和设备因人为错误而损坏的风险。经区1危险区域认可的电子器件还确保不会发生意外燃烧，如果工人将未经认可的设备带到卡盘周围的区域中以连接或断开管件，那么可能发生意外燃烧。先前被分派的任务是在钻机上连接或断开管柱的工人可在钻机上的其他地方安全地工作，因此卡盘的自动化还有效地增加了可用劳动力并且提高了钻机的生产率。通过减少联接或去联接管件所需的时间，卡盘还可提升下入管柱的速度。因为在井的钻探、开发、建构和生产期间管柱被多次建构和解构，所以此提高的速度被放大，从而导致随时间的推移节省了大量时间并且显著提高了劳动率。此外，自动化机械的一致性允许每个管件以相同的力、强度或扭矩附接到管柱上，从而降低了连接件否则可能损坏管件或更糟的过度扭转/收紧或扭转/收紧不足的风险。

尽管已经参考特定实施方案描述了本文中的技术，但应了解，这些实施方案仅仅是对本技术的原理和应用的说明。因此，应了解，可对说明性实施方案做出多种修改并且可设计其他布置，而不脱离由所附权利要求限定的本技术的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于使用油管卡盘来自动操纵油管的方法，所述方法包括以下步骤：

a)向带有致动部件的液压油管卡盘供给液压压力；

b)由卡盘位置传感器基于所述致动部件的位置生成卡盘位置数据；

c)由管柱位置传感器直接基于第一管件的位置生成管柱位置数据，其中所述管柱位置传感器是选自由压力激活开关、电位置传感器和接近传感器构成的组中的传感器；

d)由测量供给到所述卡盘的压力的压力传感器生成压力数据；

e)通过基于所述卡盘位置数据和所述管柱位置数据、所述压力数据和规定控制算法调节供给到所述卡盘的压力通过致动所述致动部件来用所述卡盘自动操纵油管，所述油管包括所述第一管件。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤e)还包括连结多个立管管件，所述多个立管管件包括所述第一管件。

3.如权利要求1所述的方法，其还包括通过手动调节供给到所述卡盘的压力来超弛所述规定控制算法。

4.一种用于联接或去联接管件的方法，所述方法包括：

a)从液压控制歧管向液压油管卡盘供给液压压力，所述歧管包括歧管压力传感器，并且所述卡盘包括卡盘位置传感器、管柱位置传感器和卡盘压力传感器；

b)用所述卡盘位置传感器基于所述卡盘的致动部件的位置生成卡盘位置数据；

c)用管柱位置传感器直接基于第一管件的位置生成管柱位置数据，其中所述管柱位置传感器是选自由压力激活开关、电位置传感器和接近传感器构成的组中的传感器；

d)用所述歧管压力传感器基于所述歧管的压力生成歧管压力数据；

e)用所述卡盘压力传感器基于供给到所述卡盘的压力生成卡盘压力数据；

f)将所述卡盘位置数据和所述管柱位置数据、所述卡盘压力数据和所述歧管压力数据传输到卡盘电控制接口中的输入模块，其中所述卡盘电控制接口包括：

输入模块，

输出模块；以及

可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器还包括：

大容量存储装置，所述大容量存储装置包含规定控制算法；以及

处理器；

g)将所述卡盘位置数据和所述管柱位置数据、所述卡盘压力数据和所述歧管压力数据传输到所述可编程逻辑控制器；

h)用所述可编程逻辑控制器基于所述规定控制算法、所述卡盘位置数据、所述管柱位置数据、所述卡盘压力数据和所述歧管压力数据自动生成控制数据；

i)将所述控制数据从所述输出模块传输到压力调整阀，所述阀被定位来控制供给到所述卡盘的所述液压压力；以及

j)通过用所述阀基于所述控制数据调节供给到所述卡盘的压力来用所述卡盘联接或去联接多个管件，所述多个管件包括所述第一管件。

5.如权利要求4所述的方法，其中步骤j)由水平凸轮型臂完成。

6.如权利要求4所述的方法，其中步骤j)由扭转机构完成。

7.如权利要求4所述的方法，其中所述管柱位置传感器并入所述卡盘的致动部件中。

8.如权利要求4所述的方法，其中所述多个管件是钻杆管件。

9.如权利要求4所述的方法，其中所述多个管件是生产管件。

10.一种用于操纵管件的自动化系统，所述系统包括：

油管卡盘系统，所述油管卡盘系统包括：

油管卡盘，所述油管卡盘能够通过液压压力进行操作、具有致动部件并能够操纵多个管件，所述多个管件包括第一管件；

卡盘位置传感器，所述卡盘位置传感器基于所述致动部件的位置生成卡盘位置数据；以及

管柱位置传感器，所述管柱位置传感器基于所述第一管件的位置生成管柱位置数据，其中所述管柱位置传感器是选自由压力激活开关、电位置传感器和接近传感器构成的组中的传感器；

卡盘压力传感器，所述卡盘压力传感器基于供给到所述卡盘的所述液压压力生成卡盘压力数据；

卡盘液压控制件，所述卡盘液压控制件包括：

液压供给源，所述液压供给源向所述卡盘提供液压压力；

卡盘液压控制歧管，所述卡盘液压控制歧管调整由所述液压供给源向所述卡盘提供的所述液压压力；

歧管压力传感器，所述歧管压力传感器基于所述歧管的压力生成歧管压力数据；以及

调整阀，所述调整阀调整所述卡盘液压控制歧管中的所述压力和供给到所述卡盘的压力。

11.如权利要求10所述的自动化系统，其还包括：

卡盘电控制件，所述电控制件包括：

输入模块，所述输入模块从所述卡盘位置传感器接收卡盘位置数据，从所述管柱位置传感器接收管柱位置数据 ，从所述卡盘压力传感器接收卡盘压力数据，并且从所述歧管压力传感器接收歧管压力数据；

输出模块，所述输出模块从可编程逻辑控制器接收卡盘控制数据并将所述卡盘控制数据传输到阀；以及

可编程逻辑控制器和电源模块，所述可编程逻辑控制器和电源模块从所述输入模块接收所述歧管压力数据、所述卡盘压力数据以及所述卡盘位置数据和所述管柱位置数据，并且基于从所述输入模块接收的所述卡盘位置数据、所述管柱位置数据、所述卡盘压力数据和所述歧管压力数据自动生成卡盘控制数据，所述可编程逻辑控制器包括：

大容量存储装置；以及

处理器。

12.如权利要求10所述的系统，其还包括故障通知系统以在发生故障时警告工人。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述故障通知系统包括至少一个LED和至少一个警报器。

14.如权利要求10所述的系统，其中所述管柱位置传感器并入所述卡盘的致动部件中。

15.如权利要求11所述的系统，其还包括超弛所述卡盘控制数据的手动控制。

16.如权利要求10所述的系统，其中所述卡盘的致动部件包括至少一个管件支撑卡爪。

17.如权利要求10所述的系统，其中所述卡盘的致动部件包括至少一个水平凸轮型臂。

18.如权利要求10所述的系统，其中所述卡盘的致动部件包括至少一个扭转机构。

19.如权利要求10所述的系统，其中所述多个管件包括立管管件。

20.如权利要求10所述的系统，其中所述多个管件包括钻杆管件。

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