CN110691888A

CN110691888A - 顶部驱动载荷测量钻压

Info

Publication number: CN110691888A
Application number: CN201880036636.8A
Authority: CN
Inventors: 布琳朱路易·艾斯; 奥依维德·欧利姆斯泰德; 马格努斯·伯格
Original assignee: Cameron Technologies Ltd
Current assignee: Schlumberger Technology Corp
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: US20180335356A1; US10619418B2; CN110691888B; WO2018217678A1; SA519410601B1; NO20191376A1

Abstract

一种用于监测钻机状况的系统，所述系统包括：游动滑车，其经由钻井钢丝绳悬挂在所述钻机的钻架的顶部的天车上；框架，其上安装钻具和/或管柱；至少一个拉杆，其将所述框架连接到所述游动滑车，其中所述至少一个拉杆包括拉力传感器；以及控制系统，其接收与由所述拉力传感器感测的拉力相对应的信号，其中所述控制系统至少部分地基于从所述拉力传感器接收的所述信号来确定钻机状况。

Description

顶部驱动载荷测量钻压

技术领域

本公开总体涉及钻井领域。更特别地，本发明涉及用于驱动钻井系统中的顶部驱动装置的方法和设备。

背景技术

顶部驱动装置用于在钻井应用中悬挂和旋转钻杆柱和/或套管。顶部驱动装置由缠绕在一组绳轮上的钻井钢丝绳支撑，该钢丝绳一端连接至绞车，另一端连接至死绳固定器。顶部驱动装置经由推力轴承支撑钻柱。泥浆可以经由水龙头泵入钻柱。此外，顶部驱动装置通常包括产生钻柱旋转的一个或多个马达(电动或液压)。施加到顶部驱动装置的反作用扭矩可以经由支配在钻架导轨上的顶部驱动滑架传递到钻架。

可以采取各种测量值来管理钻井过程，包括顶部驱动状况的测量值。钻台上方的大钩载荷和大钩高度就是两个这样的测量值。这些测量值可以用于计算钻井参数，如钻压(WOB)、钻进速度(ROP)和深度。各种其他类型的测量值用于计算这些和其他钻井参数。

传感器分布在钻机上以直接或间接测量状况。因此，非线性、分辨率降低、噪声等可能是测量系统的一部分，并且可以在测量中进行校正，也可以不进行校正。例如，已在钻台附近或钻台下方的固定器上、钻井钢丝绳的“死绳”上间接测量大钩载荷。大钩载荷通过在死绳固定器上使用液压测压元件来测量。通常，在这种测量中，绳轮中的摩擦未进行校正。此外，游动滑车、大钩和顶部驱动装置的重量可能会限制大钩载荷测量的分辨率。

在专利号为6,918,454的美国专利中示出了在死绳固定器上使用液压测压元件。诸如应变仪或液压测压元件的载荷感测装置固定在死绳上，并产生指示死绳中的拉力的输出控制信号，并因此指示游动滑车承载的载荷或钻头上的拉力(POB)。载荷感测装置的POB测量值从应变仪发送到控制系统。可以采用各种拉力测量装置来指示死绳上的拉力状况。实际大钩载荷或POB可以使用载荷感测装置输入结合悬挂的钢丝绳的数量和校准系数来计算。可选地，常规的测压元件、液压拉力传感器或其他载荷测量装置可以与井架相关联，以提供代表游动滑车承载的载荷的输出控制信号。

通过在钻柱顶部安装测量和通信装置，进行了更直接的大钩载荷测量。例如，液压测压元件已被安装在天车上。可选地，大钩载荷测量装置随钻柱一起旋转。当安装了这样的装置时，附接到钻柱(并随钻柱旋转)的这些系统之间到钻机系统的通信可以通过旋转变量器(电感耦合)、滑动触点或电磁通信(诸如，WIFI)来执行。因此，主节点位于钻机上，导致旋转设备的通信路径较长，存在信号损坏的风险。

最近，现代钻机(主要为海上钻机)使用顶部驱动装置，其中内置水平安装的测压元件销位于游动滑车和顶部驱动装置之间。其他大钩载荷测量系统使测压元件安装在天车上的销上、使测压元件安装在死绳上、或者使应变测量传感器安装在钢丝绳(SWR)上。

公开号为2016/0245727的美国专利中示出了水平安装的测压元件销。一个或多个应变仪传感器位于用于将天车锁定在其位置上的每个承重U形接头销中。一种常规安装包括四个载荷销，提供四个载荷测量值。为了在海洋环境中进行精确测量，因为四个销上的载荷分布预计不是均匀的，所有四个传感器都需要进行操作。

由于各种原因，这种测压元件的精度已被证明与实际载荷有很大偏差。事实上，经由设计监测剪切力的水平载荷销监测载荷在精度方面具有局限性。因此，需要更精确的装置来监测从钻井中降下和/或升起的管具和辅助设备的重量。

发明内容

根据本公开的教导，通过提供更高精确性的载荷测量系统，克服了与现有重量监测设备相关联的缺点和问题。

本发明的一个方面提供了一种用于监测钻机状况的方法，该方法包括：经由至少一个拉杆将钻具悬挂在游动滑车上；将拉力传感器固定到该至少一个拉杆上，其中拉力传感器产生表示该至少一个拉杆中的拉力的信号；将该信号从拉力传感器传递到控制系统；并且利用控制系统监测该信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于监测钻机状况的系统，该系统包括：游动滑车，其经由钻井钢丝绳悬挂在钻机的钻架的顶部的天车上；框架，其上安装钻具和/或管柱；以及悬挂系统，其将框架连接到游动滑车，其中该悬挂系统包括拉力传感器。

一种用于监测钻机中的大钩载荷的系统，该系统包括：游动滑车，其通过钻井钢丝绳悬挂在钻机的钻架的顶部的天车上；框架，其上安装钻具和/或管柱；至少一个拉杆，其将框架连接到游动滑车，其中该至少一个拉杆包括应变仪；以及控制系统，其接收与应变仪感测的拉力相对应的信号，其中该控制系统至少部分地基于从应变仪接收的信号来确定大钩载荷。

附图说明

通过结合附图参考以下描述，可以获得对本实施方案的更完整的理解，其中相同的附图标记表示相同的特征。

图1示出了钻机和控制系统的示意图。

图2示出了钻机和远程计算资源环境的示意图。

图3示出了计算系统的示意图。

图4A示出了钻机系统内用于钻井作业的顶部驱动装置的透视图。

图4B示出了图4A所示的多个顶部驱动部件的分解透视图。

图5示出了用于悬挂图4A所示的顶部驱动装置的游动滑车的透视图。

图6A是包括四个拉杆的悬挂系统的透视图。

图6B是图6A的悬挂系统的拉杆的侧视图。

图6C是图6A的悬挂系统的拉杆的俯视图。

图6D是图6A的悬挂系统的拉杆的侧向横截面视图。

图7A和图7B是图4A所示的顶部驱动装置的传动箱组件的透视图。

具体实施方式

鉴于下面的一般性讨论，通过参考下面的图1至图7B可以更好地理解优选实施方案。在某些实施方案的高级别描述的背景下，可以更容易地理解本公开。

本发明的实施方案提供了一种具有更高精确性的载荷测量系统的顶部驱动装置，其中应变仪可以内置在用于将顶部驱动装置悬挂在游动滑车上的垂直拉杆中。这一解决方案允许内置应变仪仅监测拉应力(而非剪切力)，其中拉应力测量的精度可以非常高。

对内置钻压传感器的拉杆进行了测试。测试的目的在于验证带有内置应变仪(WOB传感器)的拉杆在整个范围内提供99.5％的载荷测量精度，在5％至50％的范围内提供99.7％的载荷测量精度。对一组拉杆(4根单独的拉杆)进行测试。在测试之前，每根拉杆：进行尺寸控制，并验证是否符合详图；检查并核实MTR以符合规范；安装应变仪并检查信号；安装在拉力机中并与放大器和读取器电连接；并且承受150％的拉力载荷并“置零”。测试使用校准额定值≥13，000KN(150短吨)的经校准拉力机。通过施加拉力载荷对每个拉杆进行测试。记录并比较所施加的载荷(参考拉力机)读数和拉杆(应变仪)读数。测试包括：增加到目标载荷；降低到目标负荷；直接获得目标载荷。对于增加载荷测试，在所有测试之间，将拉力载荷减小到零。对于降低载荷测试，在降低到测试值之前，将载荷提高到至少为载荷等级的110％。对于所有测试，在达到稳定值之后，将载荷保持稳定至少5秒钟。测试结果仅适用于拉杆。测试结果证实，750千磅(375短吨)载荷范围内的钻压传感器精度偏差限制在≤0.06％。在1000千磅(500短吨)的峰值时，偏差≤0.12％。这些测试结果表明：在运行过程中：通过在吊卡中提升净50吨，误读将限制在±90磅；通过在吊卡中提升净100吨，误读将限制在±150磅；并且通过在吊卡中提升净300吨，误读将限制在±390磅。因此，实验室测试证实，在FS方面，偏差≤0.5％。

通过将应变仪内置在垂直悬挂系统中，可以为陆上和海上钻井应用提供更精确的解决方案。因此，本发明对于具有各种顶部驱动装置和钻井设备的、需要/需求较高WOB测量精度的所有钻机都是有意义的。

本发明包括可以将顶部驱动装置悬挂在游动滑车上的一个或多个杠或杆，使得钻井和起下钻作业产生的所有垂直拉力载荷经由该/这些杠/杆传递。

此处也称为拉杆的这些杠/杆内置有应变仪，如果拉杆受到拉力，则应变仪就会提供电信号。应变仪可以以即使力非直线也可以测量力的方式在结构(应变仪电桥)上胶合在拉杆内。

应变仪的电线端接在也安装在拉杆上的小型放大器中。从此处，信号可以传送到顶部驱动控制系统。

应变仪可以在制造工厂中内置在拉杆上。然后，拉杆可以在拉力机上校准，拉力机用于校准一组中的所有拉杆中的每一个。每个拉杆可以具有唯一的序列号，并且所有拉杆都可以随之交付一份引用了该唯一序列号的校准报告。

在本示例实施方案中，可以与其他测量同时测量大钩载荷。例如，钻井和测量系统可以包括设置在钻柱顶部附近的接头中的扭矩传感器，并且可以与控制系统无线通信。扭矩传感器可以被实施为联接到用于驱动顶部驱动套管轴的电动马达的电流传感器。大钩上的轴向载荷(重量)可以通过大钩载荷传感器来测量，大钩载荷传感器可以被实施为例如悬挂系统中的应变仪。顶部驱动装置还可以包括高度传感器，用于在任何时刻及时确定顶部驱动装置的高度。高度传感器可以被实施为例如声学或激光距离测量传感器。相对于时间的高度测量可以用于确定钻柱的轴向移动速度。高度传感器也可以被实施为联接到绞车卷筒的旋转编码器，该绞车卷筒用于伸出和缩回用于提升和降下顶部驱动装置的钻井钢丝绳。计算机可以经由所测量的特征来控制钻井作业，包括：垂直移动速度、顶部驱动装置旋转速度或钻柱旋转速度、在表层和/或MWD模块中产生的扭矩和轴向载荷(重量)。

可选地，在本公开的实施方案中，拉杆可以包括超声波传感器以测量拉杆的伸长率，这使得能够计算拉杆中的拉力。

通常，本公开的实施方案可以提供一种顶部驱动系统，其可以在顶部驱动装置内进行测量和/或处理测量数据。下面将描述各种不同类型的传感器，这些传感器可以在顶部驱动装置的框架内或附近实施。此外，传感器可以与控制器通信，控制器也可以设置在框架内或框架附近。传感器可以获取测量数据并将数据提供给控制器，控制器又可以处理数据和/或与远离顶部驱动系统或位于顶部驱动系统外部的钻机控制系统传递这些数据。

本发明的大钩载荷测量系统可以与公开号为2016/0290046的美国专利中公开的并在此引用整体并入本文的钻机控制系统一起使用。图1示出了根据一个实施方案的钻机102的控制系统100的概念性示意图。控制系统100可以包括钻机计算资源环境105，其可以位于钻机102现场，并且在一些实施方案中，可以具有协调的控制装置104。控制系统100还可以提供监督控制系统107。在一些实施方案中，控制系统100可以包括远程计算资源环境106，其可以位于钻机102场外。

远程计算资源环境106可以包括位于钻机102场外并可通过网络访问的计算资源。“云”计算环境是远程计算资源的一个示例。云计算环境可以经由网络连接(例如，WAN或LAN连接)与钻机计算资源环境105通信。

此外，钻机102可以包括具有用于执行钻机102操作的不同传感器和设备的各个系统，并且可以经由控制系统100，例如经由钻机计算资源环境105来监测和控制。另外，钻机计算资源环境105可以提供对钻机数据的安全访问，以便于现场和场外用户装置监测钻机、向钻机发送控制过程等。

在图1中示出了钻机102的各种示例系统。例如，钻机102可以包括井下系统110、流体系统112和中央系统114。在一些实施方案中，钻机102可以包括信息技术(IT)系统116。井下系统110可以包括例如沿着钻柱设置的井底组件(BHA)、泥浆马达、传感器等和/或被配置成部署到钻井孔中的其他钻井设备。因此，井下系统110可以指代设置在钻井孔中的工具，例如，作为用于钻井的钻柱的一部分。

流体系统112可以包括例如钻井泥浆、泵、阀、水泥、泥浆装载设备、泥浆管理设备、压力管理设备、分离器和其他流体设备。因此，流体系统112可以执行钻机102的流体作业。

中央系统114可以包括提升和旋转平台、顶部驱动装置、转盘、方钻杆、绞车、泵、发电机、管具装卸设备、井架、钻架、底座和其他适当的设备。因此，中央系统114可以执行钻机102的发电、提升和旋转作业，并且用作钻井设备的支撑平台和诸如连接装配等的钻机作业的准备场地。IT系统116可以包括软件、计算机和用于实施钻机102的IT操作的其他IT设备。

控制系统100例如经由钻机计算资源环境105的协调控制装置104，可以监测钻机102的多个系统的传感器，并且向钻机102的多个系统提供控制命令，使得多个系统的传感器数据可以用于向钻机102的不同系统提供控制命令。例如，系统100可以从钻机102收集时间和深度一致的表层数据和井下数据，并存储所收集的数据，以便在钻机102现场访问或经由钻机计算资源环境105在场外访问。因此，系统100可以提供监测能力。另外，控制系统100可以包括经由监督控制系统107的监督控制。

在一些实施方案中，井下系统110、流体系统112和/或中央系统114中的一个或多个可以由不同的供应商制造和/或操作。在这样的实施方案中，某些系统可能(例如，由于不同的协议、对控制许可的限制等)不能够统一进行控制。然而，统一控制的控制系统100的实施方案可以提供对钻机102及其相关系统(例如，井下系统110、流体系统112和/或中央系统114)的控制。

图2示出了根据一个实施方案的控制系统100的概念性示意图。钻机计算资源环境105可以使用网络108(例如，诸如因特网的广域网(WAN))与场外装置和系统通信。此外，钻机计算资源环境105可以经由网络108与远程计算资源环境106通信。图2还描述了钻机102的前述示例系统，例如井下系统110、流体系统112、中央系统114和IT系统116。在一些实施方案中，钻机102上还可以包括一个或多个现场用户装置118。现场用户装置118可以与IT系统116交互。现场用户装置118可以包括任意数量的用户装置，例如，意在安置在钻机102上的固定用户装置和/或便携式用户装置。在一些实施方案中，现场用户装置118可以包括台式计算机、膝上型计算机、智能手机、个人数据助理(PDA)、平板部件、可穿戴计算机或其他适当的装置。在一些实施方案中，现场用户装置118可以与钻机102的钻机计算资源环境105、远程计算资源环境106或这两者通信。

系统100中还可以包括一个或多个场外用户装置120。场外用户装置120可以包括台式计算机、膝上型计算机、智能手机、个人数据助理(PDA)、平板部件、可穿戴计算机或其他适当的装置。场外用户装置120可以被配置成经由与钻机计算资源环境105的通信而从钻机102接收信息和/或向钻机102传送信息(例如，监测功能)。在一些实施方案中，场外用户装置120可以提供用于控制钻机102的各个系统的操作的控制过程。在一些实施方案中，场外用户装置120可以经由网络108与远程计算资源环境106通信。

钻机102的系统可以包括各种传感器、致动器和控制器(例如，可编程逻辑控制器(PLC))。例如，井下系统110可以包括传感器122、致动器124和控制器126。流体系统112可以包括传感器128、致动器130和控制器132。另外，中央系统114可以包括传感器134、致动器136和控制器138。传感器122、128和134可以包括用于钻机102操作的任何适当的传感器。在一些实施方案中，传感器122、128和134可以包括相机、压力传感器、温度传感器、流率传感器、振动传感器、电流传感器、电压传感器、电阻传感器、手势检测传感器或装置、语音致动或识别装置或传感器或其他适当的传感器。

上述传感器可以向钻机计算资源环境105(例如，向协调控制装置104)提供传感器数据。例如，井下系统传感器122可以提供传感器数据140，流体系统传感器128可以提供传感器数据142，并且中央系统传感器134可以提供传感器数据144。传感器数据140、142和144可以包括例如设备操作状态(例如，启动或停止、上升或下降、设置或释放等)、钻井参数(例如，深度、大钩载荷、扭矩等)、辅助参数(例如，泵的振动数据)以及其他适当的数据。在一些实施方案中，所获取的传感器数据可以包括指示何时获取的传感器数据的时间戳(例如，日期、时间或这两者)，或者与该时间戳相关联。此外，传感器数据可以与深度或其他钻井参数一致。

在协调控制装置104处获取传感器数据可以有助于在钻机102的不同位置处测量相同的物理特性。在一些实施方案中，对相同物理特性的测量可以用于测量冗余度，以使得能够继续进行钻井作业。在又一个实施方案中，不同位置处相同物理特性的测量值可以用于检测不同物理位置之间的设备状况。不同位置处测量值随时间的变化可以用于确定设备性能、系统性能、定期维护到期日等。例如，可以从传感器获取卡瓦状态(例如，进或出)并将其提供给钻机计算资源环境105。在另一示例中，流体样本的采集可以由传感器来测量，并且可与由其他传感器测量的钻头深度和时间相关。从相机传感器获取数据可以有助于检测钻机102中材料或设备的到达和/或安装。材料或设备的到达和/或安装时间可以用于评估材料的劣化、设备的定期维护和用于其他评估。

协调控制装置104可以有助于在每个单独系统(例如，中央系统114、井下系统或流体系统112等)的层级来控制该单独系统。例如，在流体系统112中，传感器数据128可以被馈送到控制器132中，控制器132可以进行响应以控制致动器130。然而，对于涉及多个系统的控制操作，可以通过协调控制装置104来协调控制。这种协调控制操作的示例包括起下钻期间对井下压力的控制。井下压力可能受流体系统112(例如，泵速和节流位置)和中央系统114(例如起下钻速度)的影响。当需要在起下钻期间保持一定的井下压力时，协调控制装置104可以用于指向适当的控制命令。

在一些实施方案中，钻机102的各个系统的控制可以经由三层控制系统来提供，该三层控制系统包括第一层控制器126、132和138、第二层协调控制装置104和第三层监督控制系统107。在其他实施方案中，协调控制可以由钻机系统110、112和114中的一个或多个的一个或多个控制器来提供，而不使用协调控制装置104。在这样的实施方案中，钻机计算资源环境105可以直接向这些控制器提供控制过程用于协调控制。例如，在一些实施方案中，控制器126和控制器132可以用于钻机102的多个系统的协调控制。

传感器数据140、142和144可以由协调控制装置104接收，并用于控制钻机102和钻机系统110、112和114。在一些实施方案中，传感器数据140、142和144可以进行加密以产生经加密传感器数据146。例如，在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可以加密来自不同类型的传感器和系统的传感器数据，以产生一组加密的传感器数据146。因此，如果未经授权的用户装置(场外用户装置或现场用户装置)获得对钻机102的一个或多个网络的访问，则经加密传感器数据146对这些未经授权的用户装置也可以是不可见的。如上所述，经加密传感器数据146可以包括时间戳和一致的钻井参数(例如，深度)。经加密传感器数据146可以经由网络108而发送到远程计算资源环境106，并且被存储为经加密传感器数据148。

钻机计算资源环境105可以提供可以由诸如经由场外用户装置120场外查看和处理的经加密传感器数据148。对经加密传感器数据148的访问可以经由在钻机计算资源环境105中实施的访问控制来进行限制。在一些实施方案中，经加密传感器数据148可以实时提供给场外用户装置120，使得场外人员可以查看钻机102的实时状态，并且基于实时传感器数据来提供反馈。例如，经加密传感器数据146的不同部分可以发送到场外用户装置120。在一些实施方案中，经加密传感器数据可以在传送之前由钻机计算资源环境105解密，或者在接收到经加密传感器数据之后在场外用户装置上解密。

场外用户装置120可以包括瘦客户端，该瘦客户端被配置成显示从钻机计算资源环境105和/或远程计算资源环境106接收的数据。例如，多种类型的瘦客户端(例如，具有显示能力和最小处理能力的装置)可以用于某些功能或用于查看各种传感器数据。

钻机计算资源环境105可以包括用于监测和控制操作的各种计算资源，例如具有处理器和存储器的一个或多个计算机。例如，协调控制装置104可以包括具有处理器和存储器的计算机，用于处理传感器数据、存储传感器数据以及响应于传感器数据而发出控制命令。如上所述，协调控制装置104可以经由分析来自一个或多个钻机系统(例如110、112、114)的传感器数据来控制钻机102的各个系统的各个操作，以实现对钻机102的每个系统之间的协调控制。协调控制装置104可以执行控制命令150，用于控制钻机102的各个系统(例如，钻机系统110、112、114)。协调控制装置104可以向钻机102的一个或多个系统发送由控制命令150的执行所确定的控制数据。例如，控制数据152可以发送到井下系统110，控制数据154可以发送到流体系统112，并且控制数据154可以发送到中央系统114。控制数据可以包括例如操作员命令(例如，打开或关闭泵、打开或关闭阀、更新物理特性设定点等)。在一些实施方案中，协调控制装置104可以包括快速控制回路，其直接获得传感器数据140、142和144，并执行例如控制算法。在一些实施方案中，协调控制装置104可以包括经由钻机计算资源环境105获得数据以生成控制命令的慢速控制回路。

在一些实施方案中，协调控制装置104可以介于监督控制系统107与系统110、112和114的控制器126、132和138之间。例如，在这样的实施方案中，监督控制系统107可以用于控制钻机102的系统。监督控制系统107可以包括例如用于输入控制命令以执行钻机102的系统操作的装置。在一些实施方案中，协调控制装置104可以从监督控制系统107接收命令，根据规则(例如，基于钻井作业的物理定律的算法)和/或从钻机计算资源环境105接收的控制过程来处理命令，并且向钻机102的一个或多个系统提供控制数据。在一些实施方案中，监督控制系统107可以由第三方提供和/或控制。在这样的实施方案中，协调控制装置104可以协调离散监督控制系统与系统110、112和114之间的控制，同时使用可以根据从系统110、112和114接收的传感器数据进行优化并经由钻机计算资源环境105分析的控制命令。

钻机计算资源环境105可以包括监测过程141，该监测过程141可以使用传感器数据来确定关于钻机102的信息。例如，在一些实施方案中，该监测过程141可以确定钻井状态、设备健康情况、系统健康情况、维护计划或其任意组合。在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可以包括控制过程143，该控制过程143可以使用传感器数据146来优化钻井作业，例如控制钻井设备以提高钻井效率、设备可靠性等。例如，在一些实施方案中，所获取的传感器数据可以用于导出噪声消除方案，以改善电磁和泥浆脉冲遥测信号处理。该控制过程143可以经由例如控制算法、计算机程序、固件或其他适当的硬件和/或软件来实施。在一些实施方案中，远程计算资源环境106可以包括可以提供给钻机计算资源环境105的控制过程145。

钻机计算资源环境105可以包括各种计算资源，例如单个计算机或多个计算机。在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可以包括虚拟计算机系统和虚拟数据库或用于收集数据的其他虚拟结构。虚拟计算机系统和虚拟数据库可以包括一个或多个资源接口(例如，网络接口)，其能够通过请求向各种资源提交应用编程接口(API)调用。另外，资源中的每一个可以包括一个或多个资源接口，这些资源接口使资源能够彼此访问(例如，使计算资源环境的虚拟计算机系统能够将数据存储在数据库或用于收集数据的其他结构中或者从数据库或其他结构中检索数据)。

虚拟计算机系统可以包括被配置成例示虚拟机实例的计算资源的集合。用户可以经由场外用户装置或者在一些实施方案中经由现场用户装置与虚拟计算机系统接口连接。在一些实施方案中，在钻机计算资源环境105中可以使用其他计算机系统或计算机系统服务，例如在专用或共享计算机/服务器和/或其他物理装置上提供计算资源的计算机系统或计算机系统服务。在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可以包括单个服务器(在离散硬件部件中或作为虚拟服务器)或多个服务器(例如，网络服务器、应用服务器或其他服务器)。服务器可以是例如以任何物理和/或虚拟配置布置的计算机。

在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可以包括数据库，该数据库可以是运行一个或多个数据集合的计算资源的集合。这种数据集合可以通过利用API调用来操作和管理。可以使诸如传感器数据的数据集合被钻机计算资源环境中的其他资源或访问钻机计算资源环境105的用户装置(例如，现场用户装置118和/或场外用户装置120)获得。在一些实施方案中，远程计算资源环境106可以包括与上述类似的计算资源，例如(离散硬件部件或虚拟计算机系统中的)单个计算机或多个计算机。

在一些实施方案中，本公开的方法可以由计算系统执行。图3示出了根据一些实施方案的这种计算系统300的示例。计算系统300可以包括计算机或计算机系统301A，其可以是单独的计算机系统301A或分布式计算机系统的布置。根据一些实施方案，计算机系统301A包括一个或多个分析模块302，该分析模块302被配置成执行各种任务，例如本文公开的一种或多种方法。为了执行这些不同的任务，分析模块302独立执行，或者与连接到一个或多个存储介质306的一个或多个处理器304协同执行。处理器304还连接到网络接口307，以允许计算机系统301A通过数据网络309与诸如301B、301C和/或301D的一个或多个附加计算机系统和/或计算系统通信(注意的是，计算机系统301B、301C和/或301D可以共享或不共享与计算机系统301A相同的架构，并且可以位于不同的物理位置，例如，计算机系统301A和301B可以位于处理设施中，同时与位于一个或多个数据中心和/或位于不同大陆的不同国家的诸如301C和/或301D的一个或多个计算机系统通信)。

处理器可以包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统、可编程集成电路、可编程门阵列或另一控制或计算装置。

存储介质306可以被实施为一个或多个计算机可读或机器可读存储介质。注意的是，尽管在图3的示例实施方案中，存储介质306被描述为处于计算机系统301A内，但是在一些实施方案中，存储介质306可以分布在计算系统301A和/或附加计算系统的多个内部和/或外部存储盒内，并且/或者跨多个内部和/或外部存储盒分布。存储介质306可以包括一种或多种不同形式的存储器，包括诸如动态或静态随机存取存储器(DRAM或SRAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和闪存的半导体存储器装置，诸如硬盘、软盘和可移动磁盘的磁盘，包括磁带的其他磁介质，诸如光盘(CD)或数字视频光盘(DVD)、蓝光光盘或其他类型光存储装置的光介质，或者其他类型的存储装置。注意的是，上面讨论的指令可以在一个计算机可读或机器可读存储介质上提供，或者可选地，可以在分布在可能具有多个节点的大型系统中的多个计算机可读或机器可读存储介质上提供。这种计算机可读或机器可读存储介质或媒介被认为是产品(或制品)的一部分。产品或制品可以指代任何制造的单个部件或多个部件。存储介质或媒介可以位于运行机器可读指令的机器中，或者位于可以通过网络从其下载机器可读指令以供执行的远程站点中。

在一些实施方案中，计算系统300包括一个或多个钻机控制模块308。在计算系统300的示例中，计算机系统301A包括钻机控制模块308。在一些实施方案中，单个钻机控制模块可以用于执行本文公开的方法的一个或多个实施方案的一些或所有方面。在可选的实施方案中，多个钻机控制模块可以用于执行本文方法的一些或所有方面。

应当理解的是，计算系统300仅是计算系统的一个示例，并且计算系统300可以具有比所示更多或更少的部件，可以组合图3的示例实施方案中未示出的附加部件，并且/或者计算系统300可以具有图3所示的部件的不同配置或布置。图3所示的各种部件可以用硬件、软件或硬件与软件的组合来实施，包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路。

此外，本文描述的处理方法中的步骤可以通过运行信息处理设备中的一个或多个功能模块来事实，该信息处理设备诸如通用处理器或诸如ASIC、FPGA、PLD的专用芯片或其他适当的装置。这些模块、这些模块的组合和/或它们与通用硬件的组合都包括在本发明的保护范围内。

参照图4A，示出了本发明的顶部驱动装置400的透视图。游动滑车402经由绞车(未示出)的绞车缆绳悬挂顶部驱动装置400。游动滑车402支撑悬挂系统420，该悬挂系统420包括四个独立的拉杆422。传动箱组件404悬挂在悬挂系统420上。传动箱组件404具有两个AC马达405，这两个AC马达405安装在每一侧顶部以驱动顶部驱动装置400。伸缩式台车407安装在传动箱组件404的后部，以引导顶部驱动装置在钻机(未示出)的钻架上上下移动。管操作装置组件406安装在传动箱子组件404的底部。吊卡连杆408悬挂在管操作装置组件406上。

图4B示出了图4A所示的顶部驱动装置300的一些部件的分解透视图。游动滑车402支撑悬挂系统420，该悬挂系统420包括四个独立的拉杆422。传动箱组件404悬挂在悬挂系统420上。

图5是图4A和图4B所示的游动滑车402的放大图。游动滑车402是分离滑车构造，其允许接近顶部驱动装置中心的冲洗管(未示出)，其中两个绳轮412位于滑车的每一侧。四个三角形板411悬挂在滑车上，其中两个三角形板411悬挂在滑车的每一侧。滑车凸缘414从滑车的每一侧向下伸出。两个三角形板411经由枢轴销413连接到每个滑车凸缘414。特别地，三角形板411位于滑车凸缘414的每一侧，并且枢轴销413伸出穿过三角形板411和滑车凸缘414中对准的孔。如下文更全面描述的，三角形板411在其下角也具有用于接收上提环销415的孔，用于固定拉杆422。

图6A示出了悬挂系统420的透视图，该悬挂系统420包括四个独立的拉杆422。图6B至图6D示出了拉杆422的侧面、顶部和侧向横截面视图。每个拉杆422具有上端425和下端426，其中，两端通过杆部427连接。每个拉杆422具有上销接收孔423和下销接收孔424。拉杆422将传动箱组件404悬挂在游动滑车402上。上端425插入两个三角形板411之间(参见图5)，使得上销接收孔423对准以接收上提环销415，该上提环销415伸出穿过第一三角形板411、拉杆422和第二三角形板411。所有四个拉杆422可以经由上提环销415类似地组装到游动滑车402的三角形板411上。

图7A和图7B示出了传动箱组件404的透视图。在传动箱壳体外部的四个位置处，两个U形接头凸缘409从壳体中伸出。每个U形接头凸缘409都具有用于接收下提环销428的孔(参见图6A)。拉杆422的下端426插入到两个U形接头凸缘409之间，以将拉杆422中的下销接收孔424与U形接头凸缘409中的孔对准，并且下提环销428插入其中，以将传动箱组件404固定到拉杆422上。所有四个拉杆422可以类似地与下提环销428组装，以将传动箱组件404组装到悬挂系统420上(参见图4A和图4B)。

因为上提环销415和下提环销428形成允许连接构件旋转的连接，所以在钻井作业期间，传动箱组件404可以相对于游动滑车402轻微倾斜。此外，上销接收孔423是细长的，使得拉杆422能够相对于上提环销415上下平移。这允许传动箱组件304在管段被螺纹连接以构成钻柱连接时相对于游动滑车402垂直移动。

再次参照图6A至图6D，此处也称为拉杆422的这些杠/杆内置有应变仪，如果拉杆受到拉力，则该应变仪提供电信号。应变仪429可以以即使力非直线也可以测量力的方式在结构(应变仪电桥)上胶合在拉杆422内。每个拉杆422可以具有应变仪429和放大器430。应变仪429可以位于上销接收孔423和下销接收孔424之间的任何位置，但是在图示的实施方案中，它们更靠近上销接收孔423。

如图6A至图6D所示，例如应变仪429的加速度传感器可以位于孔内抵靠孔的内表面。传感器可以被定向成检测和测量所期望的参数，例如钻压和/或钻头扭矩。作为示例，传感器系统可以包括相对于轴向载荷方向垂直放置的一个、两个或三个剪切应变仪，以检测钻压。事实上，可以使用任意数量的应变仪来检测拉杆422中的拉力。在该示例中，可以在两个孔中的每一个中放置一个传感器。传感器系统还可以包括相对于轴向载荷的方向径向垂直放置的两个轴向应变仪。传感器可以被定位成两个孔中的每一个中具有一个传感器，或者三个孔中的每一个中具有一个传感器。

应变仪429可以附接在杆部427的孔内，该应变仪429的电特性随着拉杆422的杆部427的纤维膨胀而变化。应变仪429如通过胶粘牢固地附接在孔内，使得应变仪429的纤维膨胀将与杆部427的纤维膨胀成正比地变化。应变仪429的电阻AR的变化与其纤维膨胀成比例。

应变仪429的电阻可以构成惠斯通电桥电路的一个臂，该惠斯通电桥电路包括由应变仪产生的电阻，其中如本领域技术人员所知的，固定电阻可以包括电桥的其他臂。振荡器可以连接到电阻之间的连接点。放大器的输入也可以连接到电阻之间的连接点。放大器的输出可以提供给计算机控制器。

可以相对于拉杆322实施物理放大应变以便于测量应变/位移的技术。例如，通过引用整体并入本文的美国专利8,739,868教导了应变放大机构可以安装到被监测应变的部件上，并且包括输入端口和输出端口。应变放大机构可以附接到该部件上，使得部件经受应变时，输入端口移动。输入端口的移动导致输出端口的移动在距离上大于输入端口的物理移动。应变传感器联接到该输出端口以检测其在更大距离上的移动。

如图6A至图6D所示，拉杆422中的每一个具有代表由传感器329观测到的拉应力的信号的放大器430。如上参照图1至图3所述，经放大的信号可以从放大器430传递到控制系统100进行处理。在多个拉杆422用于经由游动滑车302悬挂顶部驱动装置300的情况下，控制系统100可以组合来自拉杆422的放大器430的信号以获得大钩载荷。可选地，根据悬挂系统320中拉杆322的配置，控制系统可以组合信号，其中一些信号比其他信号加权得更重。

尽管在本公开中详细描述了所公开的实施方案，但是应当理解的是，在不脱离其精神和范围的情况下，可以对实施方案进行各种改变、替换和变更。

Claims

1.一种用于监测钻机状况的方法，所述方法包括：

经由至少一个拉杆将钻具悬挂在游动滑车上；

将拉力传感器固定到所述至少一个拉杆上，其中所述拉力传感器产生代表所述至少一个拉杆中的拉力的信号；

将所述信号从所述拉力传感器传递到控制系统；并且

利用所述控制系统来监测所述信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述悬挂包括利用多个拉杆来悬挂所述钻具，并且所述固定包括将至少一个拉力传感器固定到每个拉杆上。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述悬挂包括利用四个拉杆来悬挂所述钻具，并且所述固定包括将至少一个拉力传感器固定到每个拉杆上。

4.根据权利要求1所述的方法，其中传递所述信号包括从所述拉应力传感器无线传递到控制系统。

5.一种用于监测钻机状况的系统，所述系统包括：

游动滑车，其经由钻井钢丝绳悬挂在所述钻机的钻架的顶部的天车上；

框架，其上安装钻具和/或管柱；以及

悬挂系统，其将所述框架连接到所述游动滑车，其中所述悬挂系统包括拉力传感器。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述框架包括传动箱组件，至少一个马达附接到所述传动箱组件上。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述悬挂系统包括拉杆，并且所述拉力传感器是集成在所述拉杆中的应变仪。

8.根据权利要求5所述的系统，其中所述拉力传感器包括超声波传感器。

9.根据权利要求5所述的系统，其中所述悬挂系统包括多个拉杆，并且所述拉力传感器包括多个拉力传感器，其中每个拉杆中集成有至少一个传感器。

10.根据权利要求5所述的系统，其中所述悬挂系统包括四个拉杆，并且所述拉力传感器包括至少四个拉力传感器，其中每个拉杆中集成有至少一个传感器。

11.根据权利要求5所述的系统，其中所述悬挂系统还包括信号的放大器，所述信号对应于由所述拉力传感器感测的拉力。

12.根据权利要求5所述的系统，其还包括控制系统，所述控制系统接收与由所述拉力传感器感测的拉力相对应的信号。

13.根据权利要求5所述的系统，其中所述悬挂系统包括四个拉杆，并且所述拉力传感器包括至少四个拉力传感器，其中每个拉杆中集成有至少一个传感器，并且每个拉力传感器产生与由所述拉力传感器感测的拉力相对应的信号，其中所述系统还包括控制系统，所述控制系统从所述至少四个拉力传感器接收四个信号。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制系统至少部分基于从所述拉力传感器接收的所述四个信号来确定大钩载荷。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制系统至少部分基于从所述拉力传感器接收的所述四个信号来确定钻压。

16.一种用于监测钻机中的大钩载荷的系统，所述系统包括：

框架，其上安装钻具和/或管柱；

至少一个拉杆，其将所述框架连接到所述游动滑车，其中所述至少一个拉杆包括应变仪；以及

控制系统，其接收与由所述应变仪感测的拉力相对应的信号，其中所述控制系统至少部分基于从所述应变仪接收的所述信号来确定大钩载荷。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述至少一个拉杆包括多个拉杆，并且所述应变仪包括多个应变仪，其中每个拉杆中集成有至少一个应变仪。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述至少一个拉杆还包括信号的放大器，所述信号对应于由所述应变仪感测的拉力。

19.根据权利要求15所述的系统，其中所述至少一个拉杆包括四个拉杆，并且所述应变仪包括至少四个应变仪，其中每个拉杆中集成有至少一个传感器，并且每个应变仪产生与由所述应变仪感测的拉力相对应的信号，其中所述控制系统从至少四个应变仪接收四个信号。