CN110821405A - 井下快速定向瞄准的地面自动控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种井下快速定向瞄准的地面自动控制装置及方法，属石油钻井工具设计技术领域。该地面自动控制装置由转盘、计算机和扭矩传感器构成，井架上装有转盘，转盘一侧依次安装有变频电机、变频器、计算机和司钻输入控制柜，转盘上装有钻杆，临近转盘的钻杆上装有与计算机电连接的扭矩传感器，钻杆端头通过导向马达装有钻头，该控制方法包括以下步骤：数据采集、数据处理和控制。该控制装置及方法在控制过程中钻杆不停转，同时钻进期间钻头不离开井底，并且钻进时能够进行工具面的修正，由此能提高井眼净化效率低、降低钻柱前进时轴向摩阻，解决了现有钻井过程中存在井眼净化效率低、钻柱前进时轴向摩阻大、导向马达易失速等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下快速定向瞄准的地面自动控制装置及方法，属石油钻井工具设计技术领域。
背景技术
旋转导向钻井工具和马达/随钻测量工具是定向钻井中常用工具，由于旋转导向工具所需的高费用以及对井眼尺寸的要求，限制了其在陆上钻井中的使用，且在经济上也不具备可行性；而马达/随钻测量系统包括一个井下泥浆马达和一个马达弯曲壳体，在滑动钻井过程中钻柱不旋转, 而是沿井壁的轴向滑动，通过弯曲壳体节来进行井眼轨迹的定位，因而，在钻井过程中存在井眼净化效率低、钻柱前进时轴向摩阻大、导向马达易失速等问题，从而导致导向马达滑动钻井的机械钻速远低于旋转钻进，远不能满足石油钻井现场的实际需求。
因此，研究新的地面自动控制装置来解决导向马达所存在的问题具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于:提供一种满足石油钻井现场的实际需求, 解决现有钻井过程中存在井眼净化效率低、钻柱前进时轴向摩阻大、导向马达易失速等问题的井下快速定向瞄准的地面自动控制方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种井下快速定向瞄准的地面自动控制装置，它由井架、转盘、扭矩传感器、钻杆、司钻输入控制柜、计算机、变频器、变频电机和导向工具面角度传感器构成，其特征在于：井架上装有转盘，转盘一侧依次安装有变频电机、变频器、计算机和司钻输入控制柜；转盘通过传动轴与变频电机连接，变频电机通过变频器与计算机电连接，计算机与司钻输入控制柜电连接；转盘上装有钻杆，临近转盘的钻杆上装有与计算机电连接的扭矩传感器，以测量转盘给钻杆施加的扭矩，所测得的扭矩信号被电子采样直接传输到计算机中进行处理；钻杆端头通过导向马达装有钻头，导向马达一侧的钻杆上装有导向工具面角度传感器，用于测出导向马达工具面角度的指示信号，并利用泥浆脉冲将井底的信号反馈到地面，所述的计算机上装有钻杆扭矩计算软件，计算机接收来自导向工具面角度传感器和扭矩传感器的输出信号，通过钻杆扭矩计算软件对该信号进行处理，并在软件显示界面中显示。
所述的司钻输入控制柜用于输入相关数据或指令；司钻输入控制柜包括：键盘、触摸笔和鼠标；通过司钻输入控制柜在钻杆扭矩计算软件中输入相关数据或指令，实现对计算机的控制；扭矩计算软件将相关数据或指令经过编程处理后将指令传递到变频器，变频器控制变频电机经过传动轴驱动转盘，转盘依照指令带动钻杆旋转，其中，转盘的旋转包括正、反旋转。
上述井下快速定向瞄准的地面自动控制装置的控制方法包括以下步骤：
1）、数据采集
通过井下快速定向瞄准的地面自动控制装置的导向工具面角度传感器反馈的井下导向马达的工具面角度指示信号以及扭矩传感器所测得的转盘驱动钻杆的扭矩值传送至计算机中；
2）、数据处理
数据采集后，经过计算机中的钻杆扭矩计算软件的编程处理，得到的工具面角度值，并在软件显示界面上显示出工具面角度以及转盘扭矩值；
3）、控制
计算机将数据处理得到的工具面角度值与钻杆扭矩计算软件中提前输入的理想工具面角度值进行对比，通过角度对比由计算机直接发送指令至变频器，变频器控制变频电机正转或反转，进而驱动转盘带动钻杆旋转，使导向马达工具面始终在预定的工具面角度范围内，并重复上述步骤保持井底工具面角度始终处于预设工具面角度范围内。
本发明的有益效果在于：
该井下快速定向瞄准的地面自动控制装置及方法在控制过程中钻杆不停转，进而提高钻头机械钻速且增加水平段钻进能力；同时钻进期间钻头不离开井底，并且钻进时能够进行工具面的修正，由此能提高井眼净化效率低、降低钻柱前进时轴向摩阻，且导向马达不易失速，同时提高井眼轨迹质量，延长井下马达寿命；控制过程中工具面能快速调整，进而能快速精确定向；通过计算机能自动化控制，减小了定向司钻的作业压力，解决了现有钻井过程中存在井眼净化效率低、钻柱前进时轴向摩阻大、导向马达易失速等问题。
附图说明
图1 是本发明的结构示意图；
图2 是本发明的定向钻井系统整体示意图；
图3是本发明软件显示界面的示意图。
图中：1、井架，2、转盘，3、扭矩传感器，4、钻杆，5、司钻输入控制柜，6、计算机，7、变频器，8、变频电机，9、导向工具面角度传感器，10、软件显示界面，11、工具面指示器，12、正转扭矩控制，13、反转扭矩控制，14、摇摆转动速度指示标尺，15、正转冲击控制，16、反转冲击控制，17、导向马达，18、钻头。
具体实施方式
该井下快速定向瞄准的地面自动控制方法包括如下步骤：
首先通过井下快速定向瞄准的地面自动控制装置的导向工具面角度传感器9反馈的井下导向马达17的工具面角度指示信号以及扭矩传感器3所测得的转盘2驱动钻杆4的扭矩值传送至计算机6中。
该井下快速定向瞄准的地面自动控制装置由井架1、转盘2、扭矩传感器3、钻杆4、司钻输入控制柜5、计算机6、变频器7、变频电机8和导向工具面角度传感器9构成，井架1上装有转盘2，转盘2一侧依次安装有变频电机8、变频器7、计算机6和司钻输入控制柜5；转盘2通过传动轴与变频电机8连接，转盘2由变频电机8驱动，变频电机8通过变频器7与计算机6电连接，计算机6通过变频器7控制变频电机8的旋转，即扭矩输出大小，同时控制变频电机8的正、反转；计算机6安装有钻杆扭矩计算软件，接收来自导向工具面角度传感器9的输出信号，信号通过钻杆扭矩计算软件中信号处理方法，将所测得的导向工具面角度传感器9传送的二进制信号转化为井下导向马达工具面角度，计算机上设置有软件显示界面10，井下导向马达工具面角度在软件显示界面10中以角度的形式显示；软件显示界面10可以对钻井过程进行详细监控，软件显示界面10为司钻显示钻井参数，并向系统提供一个用户交互界面（以触摸显示屏的形式），软件显示界面10包括工具面指示器11、正/反扭矩控制和正/反冲击控制，工具面指示器11输出的工具面的角度数，工具面指示器11通过一种表盘和数字结合的形式提供工具面指示；正、反扭矩控制包括正转扭矩控制12和反转扭矩控制13，以调控和显示正、反扭矩值的大小，正转扭矩控制12和反转扭矩控制13之间设置有摇摆转动速度指示标尺14，以显示转盘2转动速度；正、反冲击控制包括正转冲击控制15和反转冲击控制16，以控制和显示正、反冲击值的大小，进而控制调整工具面角度。
计算机6与司钻输入控制柜5电连接，司钻输入控制柜5用于输入相关数据或指令；司钻输入控制柜5包括：键盘、触摸笔和鼠标；通过司钻输入控制柜5在钻杆扭矩计算软件中输入相关数据或指令，实现对计算机6的控制，计算机6也能通过钻杆扭矩计算软件的预设程序进行自动化控制；钻杆扭矩计算软件将相关数据或指令经过编程处理后将指令传递到变频器7，变频器7控制变频电机8经过传动轴驱动转盘2，进而转盘2依照指令带动钻杆4旋转，其中，转盘2的旋转包括正、反旋转；转盘2上装有钻杆4，临近转盘2的钻杆4上装有与计算机6电连接的扭矩传感器3，以测量转盘2给钻杆4施加的扭矩，所测得的扭矩信号被电子采样直接传输到计算机6中进行处理，采样率为每秒15次；钻杆4端头通过导向马达17装有钻头18，导向马达17一侧的钻杆4上装有导向工具面角度传感器9，用于测出导向马达工具面角度的指示信号，并利用泥浆脉冲将井底的信号反馈到地面，采样率为10秒每次。
数据采集后，经过计算机6中的钻杆扭矩计算软件的编程处理，得到的工具面角度值，并在软件显示界面10上显示出工具面角度以及转盘扭矩值；
控制过程能为自动控制，自动控制过程中，计算机6钻杆扭矩计算软件进行数据处理得到的工具面角度值与钻杆扭矩计算软件中提前输入的理想工具面角度值进行对比，通过工具面角度对比由计算机6直接发送钻杆扭矩计算软件的相应预设程序指令至变频器7，变频器7根据指令控制变频电机8正转或反转，同时控制变频电机8的扭矩输出大小，进而在该扭矩值下驱动转盘2带动钻杆4旋转，使导向马达工具面始终在预定的工具面角度范围内，并重复上述步骤保持井底工具面角度始终处于预设工具面角度范围内；
控制过程还能为手动控制，手动控制过程中，根据软件显示界面10上显示的工具面角度值与理想工具面角度值进行对比，显示的工具面角度值超出预设的工具面角度范围时，通过司钻输入控制柜5输入正转或反转的圈数及扭矩，司钻输入控制柜5通过计算机6向变频器7发送指令，并通过变频器7控制变频电机8驱动转盘2而带动钻杆4在设定的扭矩下进行正转或反转运动，使井底工具面角度回归到预设角度范围内；也可以直接通过软件显示界面10的正、反转扭矩控制和正、反冲击调节转盘2的正、反转和工具面角度并经过钻杆扭矩计算软件处理后通过计算机6向变频器7发送指令进而控制井底工具面角度回归到预设角度范围内。
该井下快速定向瞄准的地面自动控制装置及方法在控制过程中钻杆不停转，进而提高钻头机械钻速且增加水平段钻进能力；同时钻进期间钻头不离开井底，并且钻进时能够进行工具面的修正，由此能提高井眼净化效率低、降低钻柱前进时轴向摩阻，且导向马达不易失速，同时提高井眼轨迹质量，延长井下马达寿命；控制过程中工具面能快速调整，进而能快速精确定向；通过计算机能自动化控制，减小了定向司钻的作业压力，解决了现有钻井过程中存在井眼净化效率低、钻柱前进时轴向摩阻大、导向马达易失速等问题。
Claims (2)
1.一种井下快速定向瞄准的地面自动控制装置，它由井架（1）、转盘（2）、扭矩传感器（3）、钻杆（4）、司钻输入控制柜（5）、计算机（6）、变频器（7）、变频电机（8）和导向工具面角度传感器（9）构成，其特征在于：井架（1）上装有转盘（2），转盘（2）一侧依次安装有变频电机（8）、变频器（7）、计算机（6）和司钻输入控制柜（5）；转盘（2）通过传动轴与变频电机（8）连接，变频电机（8）通过变频器（7）与计算机（6）电连接，计算机（6）与司钻输入控制柜（5）电连接；转盘（2）上装有钻杆（4），临近转盘（2）的钻杆（4）上装有与计算机（6）电连接的扭矩传感器（3），以测量转盘（2）给钻杆（4）施加的扭矩，所测得的扭矩信号被电子采样直接传输到计算机（6）中进行处理；钻杆（4）端头通过导向马达（17）装有钻头（18），导向马达（17）一侧的钻杆（4）上装有导向工具面角度传感器（9），用于测出导向马达工具面角度的指示信号，并利用泥浆脉冲将井底的信号反馈到地面，所述的计算机（6）上装有钻杆扭矩计算软件，计算机（6）接收来自导向工具面角度传感器（9）和扭矩传感器（3）的输出信号，通过钻杆扭矩计算软件对该信号进行处理，并在软件显示界面中显示。
2.根据权利要求1所述的一种井下快速定向瞄准的地面自动控制装置，其特征在于：所述的司钻输入控制柜（5）用于输入相关数据或指令；司钻输入控制柜（5）包括：键盘、触摸笔和鼠标；通过司钻输入控制柜（5）在钻杆扭矩计算软件中输入相关数据或指令，实现对计算机（6）的控制；扭矩计算软件将相关数据或指令经过编程处理后将指令传递到变频器（7），变频器（7）控制变频电机（8）经过传动轴驱动转盘（2），转盘（2）依照指令带动钻杆（4）旋转，其中，转盘（2）的旋转包括正、反旋转；
上述井下快速定向瞄准的地面自动控制装置的控制方法包括以下步骤：
1）、数据采集
通过井下快速定向瞄准的地面自动控制装置的导向工具面角度传感器（9）反馈的井下导向马达（17）的工具面角度指示信号以及扭矩传感器（3）所测得的转盘（2）驱动钻杆（4）的扭矩值传送至计算机（6）中；
2）、数据处理
数据采集后，经过计算机（6）中的钻杆扭矩计算软件的编程处理，得到的工具面角度值，并在软件显示界面（10）上显示出工具面角度以及转盘扭矩值；
3）、控制
计算机（6）将数据处理得到的工具面角度值与钻杆扭矩计算软件中提前输入的理想工具面角度值进行对比，通过角度对比由计算机（6）直接发送指令至变频器（7）；
变频器（7）控制变频电机（8）正转或反转，进而驱动转盘（2）带动钻杆（4）旋转，使导向马达工具面始终在预定的工具面角度范围内，并重复上述步骤保持井底工具面角度始终处于预设工具面角度范围内。
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