CN111271047A - 一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻采机械领域，公开了一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法及装置，包括：S1)实时采集基础数据；S2)计算均减速条件下大钩从当前大钩高度位置运行到高度限值位置所需要的加速度a；S3)判断加速度a是否小于最小介入加速度；S4)判断大钩当前是否处于轻载；S5)判断当前大钩速度是否超过钻头位置限速；S6)判断加速度a是否大于最大刹车能力；S7)根据最大刹车能力调节电机；S8)刹车器按最大刹车力输出。本发明针对不同的大钩位置和钻头位置采取了不同的速度限值，在确保提升系统和井眼安全的前提下提高上提下放效率；避免触发限位装置的硬刹车，保证提升系统安全，延长了使用寿命和维护成本；降低了人工成本。
Description
技术领域
本发明涉及钻采机械领域，尤其涉及一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法及装置。
背景技术
目前钻机游车的防上碰下砸装置主要依赖物理机构、编码器或激光测距等方式在大钩高度达到上下限值时进行刹车。一方面，这些刹车方式需要提升系统瞬间承受较大的应力，影响提升系统安全和使用寿命；另一方面，为了防止触发防上碰下砸紧急刹车，司钻需要降低大钩移动速度提前刹车，影响效率。
比如，国家专利文献CN204344008U，公开了“一种石油钻机上游车的防上碰下砸装置”，该实用新型的防上碰下砸装置包括有激光测距传感器、安全栅、控制器、刹车继电器、释放按钮和触摸屏，所述的激光测距传感器利用支架固定在天车的下端，该激光测距传感器的探头正对所述的游车，所述的安全栅连接所述的激光器测距传感器以接收传感器信号，该安全栅连接并传输传感器信号至所述的控制器，所述控制器的一个输出端连接触摸屏，一个输出端连接刹车继电器，该刹车继电器连接所述的释放按钮以控制盘刹刹车。又比如国家专利文献CN208561524U，公开了“石油钻机游车防上碰下砸装置”，该实用新型包括起升装置和游车本体，起升装置与游车本体通过钢丝绳连接，游车本体任意的一侧的外壁固定设置限位装置，限位装置包括第一气缸、第二气缸和限位器，第一气缸和第二气缸的伸缩端头部均固定设置第一限位板，第一限位板靠近游车本体的一侧均固定设置限位器；游车本体侧面固定设置控制器，限位器与控制器电连接。
现有技术存在以下问题：(1)当达到限位时才进行刹车控制，刹车瞬间提升系统承受应力较大，影响提升系统安全和使用寿命；(2)为了避免触发限位装置，司钻会降低大钩移动速度提前刹车，影响效率,并且需要全程集中精力，操作强度大；(3)不能根据钻头所处底层采取合理的上提下放速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法及装置，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，包括步骤：
S1)实时采集基础数据，根据钻头所在井深的高度h获取钻头位置限速vmax；
S2)根据实时采集的基础数据计算均减速条件下大钩从当前大钩高度位置运行到高度限值位置刚好停止所需要的加速度a；
S3)设置最小介入加速度amin和最大刹车能力amax，判断加速度a是否小于最小介入加速度amin，若是，则进入步骤S4)，若否，则进入步骤S6)；
S4)判断大钩当前处于轻载状态还是重载状态，若处于轻载状态，则不进行自动刹车控制；若处于重载状态，则进入S5)；
S5)获取当前大钩速度，判断当前大钩速度是否超过钻头位置限速vmax，若是，则按照最小介入加速度amin对大钩进行减速控制；若否，则不进行自动刹车控制；
S6)判断加速度a是否大于最大刹车能力amax，若否，则进入步骤S7)；若是，则进入步骤S8)；
S7)根据最大刹车能力amax对电机进行调节，进行自动刹车控制；
S8)电机停止输出，刹车器按最大刹车力输出。
进一步的，若钻机为交流变频钻机，则将交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度作为最大刹车能力a1 max，anax＝a1 max；若钻机为直流电机或机械电机，则在大钩上行时以重力加速度作为最大刹车能力a2 max，anax＝a2 max；在大钩下行时结合当前大钩载荷计算辅刹最大刹车力对应的加速度，将辅刹最大刹车力对应的加速度作为最大刹车能力a3 max，anax＝a3 max。
进一步的，步骤S7)根据最大刹车能力amax对电机进行调节，进行自动刹车控制，包括步骤：
S71)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a1 max，若是，则交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度进行减速；若否，则进入步骤S72)；
S72)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a2 max，若是，停止电机输出，进行自然减速；若否，则进入步骤S73)；
S73)计算辅刹所需的刹车力，将刹车力转换成相应的油压或电流，根据油压或电流进行自动刹车控制。
进一步的，步骤S73)中根据加速度a与最大刹车能力amax的比值计算辅刹所需的刹车力。
进一步的，步骤S8)中所述刹车器为辅刹和/或盘刹。
根据载荷的重量判断大钩为轻载还是重载，当大钩轻载时，如果加速度a小于最小介入加速度amin，则自动控制不介入；如果加速度a介于最小介入加速度amin和最大刹车能力amax之间，交流变频钻机以电机减速斜坡减速，其它类型钻机(直流钻机或机械钻机)若上行则停止电机输出，自然减速；若下行则根据加速度a与最大刹车能力amax的比值计算辅刹需要的刹车力，并换算成相应的油压或电流进行控制；如果该加速度a大于最大刹车能力amax，则电机停止输出，辅刹和/或盘刹按最大刹车力输出。当大钩重载时，如果该加速度a小于最小介入加速度amin，则看当前大钩速度是否超过钻头位置限速vmax，超过则按最小介入加速度amin进行减速控制，若否，则自动控制不介入；如果加速度a大于最小介入加速度amin，则减速控制与轻载时相同。
进一步的，基础数据包括：当前大钩高度位置、大钩速度、大钩移动方向和大钩移动方向的高度限值位置；大钩移动方向包括上行或下行；高度限值位置包括上行最大高度限值位置或下行最低高度限值位置。
进一步的，获取钻头位置限速
t为从钻头所在井深处允许钻具以最大匀速运动到井口处的时间，ξ为风险因子,f(ξ)为钻具从钻头高度位置最大匀速度运动到井口处所需时间相对于风险因子ξ的函数,λ为钻头位置特性，v(λ)为钻具匀速运动的速度相对于钻头位置特性的函数，f(ξ)和v(λ)均通过实验数据拟合得到，α为最大速度误差。
钻头位置限速即钻头所在井深允许钻具匀速运动的最大速度。先通过计算机仿真模拟各种环境下钻具匀速运动的速度相对于钻头位置特性λ的函数v(λ)以及钻具从钻头高度位置最大匀速度运动到井口处所需时间相对于风险因子ξ的函数f(ξ)，风险因子ξ和钻头位置特性λ由工作人员对实际环境进行分析赋值获得。在实际操作过程中，通过实际情况获取相应的风险因子ξ和钻头位置特性λ，然后获得与风险因子ξ以及钻头位置特性λ分别相对应的函数f(ξ)以及函数v(λ)，可以根据实际环境情况对最大速度误差α进行调整，最后计算获得钻头位置限速vmax。
进一步的，风险因子包括:井漏、溢流、井壁掉块、地质风险、井眼轨迹全角变化率、坍塌和/或卡钻；钻头位置特性包括：井身结构、井眼轨迹、钻具组合、套管、裸眼、井斜角和/或不同位置钻具刚度。
钻头位置限速结合了钻头位置特性，包括井身结构、井眼轨迹、钻具组合、套管、裸眼、井斜角和/或不同位置钻具刚度。并综合考虑了井漏、溢流、井壁掉块、地质风险、井眼轨迹全角变化率、坍塌和/或卡钻风险因素，对钻头处于不同井深时允许的速度进行分类分级，针对不同钻头位置采取不同的速度限值，在确保提升系统和井眼安全的前提下提高了上提下放的效率。
一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制装置，包括激光测距传感器、绞车、辅刹、控制器、天车、游车、大钩、钻头、电机、吊环、吊卡、钻头、释放按钮和触摸屏；绞车的滚筒缠绕有钢丝绳，天车与所述游车构成副滑轮组，大钩上升时通过吊环、吊卡实现钻具提升；大钩下放时，钻具或套管柱靠自重下降，利用绞车的刹车机构和所述辅刹控制大钩的下放速度；释放按钮和触摸屏用于工作人员对大钩进行操作。
本发明的有益效果是：本发明根据实时大钩和钻头所处的位置和速度计算允许的最大速度，并实时控制电机转速和刹车，达到高效安全的全域速度控制。针对不同的大钩位置和钻头位置采取了不同的速度限值，在确保提升系统和井眼安全的前提下提高上提下放效率；避免触发限位装置的硬刹车，保证提升系统安全，延长了使用寿命和维护成本；对司钻水平要求降低，降低了人工成本。
附图说明
图1是实施例一流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一，一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，包括步骤：
S1)实时采集基础数据，基础数据包括：当前大钩高度位置、大钩速度、大钩移动方向和大钩移动方向的高度限值位置；大钩移动方向包括上行或下行；高度限值位置包括上行最大高度限值位置或下行最低高度限值位置。本实施例一中上行最大高度限值位置为35m，下行最低高度限值位置为2m。
根据钻头所在井深的高度h获取钻头位置限速获取钻头位置限速
t为从钻头所在井深处允许钻具以最大匀速运动到井口处的时间，ξ为风险因子,f(ξ)为钻具从钻头高度位置最大匀速度运动到井口处所需时间相对于风险因子ξ的函数,λ为钻头位置特性，v(λ)为钻具匀速运动的速度相对于钻头位置特性的函数，f(ξ)和v(λ)均通过实验数据拟合得到，α为最大速度误差。风险因子包括:井漏、溢流、井壁掉块、地质风险、井眼轨迹全角变化率、坍塌和卡钻；钻头位置特性包括：井身结构、井眼轨迹、钻具组合、套管、裸眼、井斜角和不同位置钻具刚度。
S2)根据实时采集的基础数据计算均减速条件下大钩从当前大钩高度位置运行到高度限值位置刚好停止所需要的加速度a；
S3)设置最小介入加速度amin和最大刹车能力amax，判断加速度a是否小于最小介入加速度amin，若是，则进入步骤S4)，若否，则进入步骤S6)；
大钩高度限速表示为考虑刹车减速需要防止上顶下砸允许的最大速度。大钩高度限速以人工设置的最小介入加速度amin为介入下限，最大刹车能力amax为上限进行控制。通过设置最小介入加速度amin和最大刹车能力amax对大钩速度进行控制，两者差异越小，效率越高，差异越大，安全系数越高，在钻机各系统性能可靠的前提下，为提高效率，介入下限略小于刹车最大能力即可；也可以根据设备实际情况综合考虑安全系数和效率对最小介入加速度amin进行设置。
S4)判断大钩当前处于轻载状态还是重载状态，若处于轻载状态，则不进行自动刹车控制；若处于重载状态，则进入S5)；
S5)获取当前大钩速度，判断当前大钩速度是否超过钻头位置限速vmax，若是，则按照最小介入加速度amin对大钩进行减速控制；若否，则不进行自动刹车控制；
S6)判断加速度a是否大于最大刹车能力amax，若否，则进入步骤S7)；若是，则进入步骤S8)；
S7)根据最大刹车能力amax对电机进行调节，进行自动刹车控制，包括步骤：
S71)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a1 max，若是，则交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度进行减速；若否，则进入步骤S72)；
S72)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a2 max，若是，停止电机输出，进行自然减速；若否，则进入步骤S73)；
S73)根据加速度a与最大刹车能力amax的比值计算辅刹所需的刹车力，将刹车力转换成相应的油压或电流，根据油压或电流进行自动刹车控制。
S8)电机停止输出，辅刹和盘刹按最大刹车力输出。
若钻机为交流变频钻机，则将交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度作为最大刹车能力a1 max，anax＝a1 max；若钻机为直流电机或机械电机，则在大钩上行时以重力加速度作为最大刹车能力a2 max，anax＝a2 max；在大钩下行时结合当前大钩载荷计算辅刹最大刹车力对应的加速度，将辅刹最大刹车力对应的加速度作为最大刹车能力a3 max，anax＝a3 max。
一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制装置，包括激光测距传感器、绞车、辅刹、控制器、天车、游车、大钩、钻头、电机、吊环、吊卡、钻头、释放按钮和触摸屏；绞车的滚筒缠绕有钢丝绳，天车与所述游车构成副滑轮组，大钩上升时通过吊环、吊卡实现钻具提升；大钩下放时，钻具或套管柱靠自重下降，利用绞车的刹车机构和辅刹控制大钩的下放速度；释放按钮和触摸屏用于工作人员对大钩进行操作。
绞车的刹车机构为盘刹。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明根据实时大钩和钻头所处的位置和速度计算允许的最大速度，并实时控制电机转速和刹车，达到高效安全的全域速度控制。针对不同的大钩位置和钻头位置采取了不同的速度限值，在确保提升系统和井眼安全的前提下提高上提下放效率；避免触发限位装置的硬刹车，保证提升系统安全，延长了使用寿命和维护成本；对司钻水平要求降低，降低了人工成本。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1)实时采集基础数据，根据钻头所在井深的高度h获取钻头位置限速vmax；
S2)根据实时采集的基础数据计算均减速条件下大钩从当前大钩高度位置运行到高度限值位置刚好停止所需要的加速度a；
S3)设置最小介入加速度amin和最大刹车能力amax，判断加速度a是否小于最小介入加速度amin，若是，则进入步骤S4)，若否，则进入步骤S6)；
S4)判断大钩当前处于轻载状态还是重载状态，若处于轻载状态，则不进行自动刹车控制；若处于重载状态，则进入S5)；
S5)获取当前大钩速度，判断当前大钩速度是否超过钻头位置限速vmax，若是，则按照最小介入加速度amin对大钩进行减速控制；若否，则不进行自动刹车控制；
S6)判断加速度a是否大于最大刹车能力amax，若否，则进入步骤S7)；若是，则进入步骤S8)；
S7)根据最大刹车能力amax对电机进行调节，进行自动刹车控制；
S8)电机停止输出，刹车器按最大刹车力输出。
2.根据权利要求1所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，若钻机为交流变频钻机，则将交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度作为最大刹车能力a1 max，anax＝a1 max；若钻机为直流电机或机械电机，则在大钩上行时以重力加速度作为最大刹车能力a2 max，anax＝a2 max；在大钩下行时结合当前大钩载荷计算辅刹最大刹车力对应的加速度，将辅刹最大刹车力对应的加速度作为最大刹车能力a3 max，anax＝a3 max。
3.根据权利要求2所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，步骤S7)根据最大刹车能力amax对电机进行调节，进行自动刹车控制，包括步骤：
S71)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a1 max，若是，则交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度进行减速；若否，则进入步骤S72)；
S72)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a2 max，若是，停止电机输出，进行自然减速；若否，则进入步骤S73)；
S73)计算辅刹所需的刹车力，将所述刹车力转换成相应的油压或电流，根据所述油压或电流进行自动刹车控制。
4.根据权利要求3所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，步骤S73)中根据加速度a与最大刹车能力amax的比值计算辅刹所需的刹车力。
5.根据权利要求1或4所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，步骤S8)中所述刹车器为辅刹和/或盘刹。
6.根据权利要求5所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，所述基础数据包括：当前大钩高度位置、大钩速度、大钩移动方向和大钩移动方向的高度限值位置；所述大钩移动方向包括上行或下行；所述高度限值位置包括上行最大高度限值位置或下行最低高度限值位置。
7.根据权利要求1或6所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，获取钻头位置限速
t为从钻头所在井深处允许钻具以最大匀速运动到井口处的时间，ξ为风险因子,f(ξ)为钻具从钻头高度位置最大匀速度运动到井口处所需时间相对于风险因子ξ的函数,λ为钻头位置特性，v(λ)为钻具匀速运动的速度相对于钻头位置特性的函数，f(ξ)和v(λ)均通过实验数据拟合得到，α为最大速度误差。
8.根据权利要求7所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，所述风险因子包括:井漏、溢流、井壁掉块、地质风险、井眼轨迹全角变化率、坍塌和/或卡钻；所述钻头位置特性包括：井身结构、井眼轨迹、钻具组合、套管、裸眼、井斜角和/或不同位置钻具刚度。
9.一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制装置，适用于如1至8任一所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，包括激光测距传感器、绞车、辅刹、控制器、天车、游车、大钩、钻头、电机、吊环、吊卡、钻头、释放按钮和触摸屏；所述绞车的滚筒缠绕有钢丝绳，所述天车与所述游车构成副滑轮组，所述大钩上升时通过吊环、吊卡实现钻具提升；所述大钩下放时，钻具或套管柱靠自重下降，利用绞车的刹车机构和所述辅刹控制大钩的下放速度；所述释放按钮和触摸屏用于对大钩进行人工控制操作。
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