CN111827905B - 基于顶部驱动装置的上卸扣系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统及其控制方法，该上卸扣系统包括：绞车、顶部驱动装置、井口大钳和控制设备；顶部驱动装置包括：顶驱主轴、液动卡瓦、背钳、电机；其中，液动卡瓦用于抓取立根；电机用于驱动顶驱主轴正转或反转旋扣以连接或断开立根上端与顶驱主轴之间的螺纹；背钳用于卡紧钻柱；井口大钳用于连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹；绞车上安装有绞车传感器，用于检测顶部驱动装置的位置信息，并反馈至控制设备；控制设备用于控制液动卡瓦、电机、背钳和井口大钳执行相应的功能以实现上扣或卸扣操作。本发明能够减少上卸扣作业过程中所需操作人员的数量，降低操作风险，提高作业安全性。

Description

基于顶部驱动装置的上卸扣系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及石油开采领域，尤其涉及一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统及其控制方法。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

顶部驱动装置(简称顶驱装置或顶驱)是一种新型的钻井装备，与采用方钻杆和转盘的传统钻进方式相比，顶部驱动装置可以在井架空间上部直接驱动钻柱旋转并沿专用导轨向下送进，完成旋转钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣、倒划眼等多种钻井操作。

上卸扣是钻井、下套管起下钻工序中重要的步骤之一。传统意义上的上扣指的是利用井口动力钳将立根接在钻柱与方钻杆之间；卸扣指的是断开方钻杆与钻柱连接的第一扣。上卸扣的时候，一般使用下钳固定住下面的钻杆，上钳夹住上面的钻杆正转或反转以达到上紧、断开螺纹的目的。为了保护丝扣，上卸扣过程中，上钳和下钳体之间的间距须随着螺纹的旋入或旋出而变化；其中，上扣只要满足规定的上扣扭即可，而卸扣则一般需要紧扣扭矩的数倍扭矩(冲扣)。

利用顶部驱动装置配合井口动力钳来进行上卸扣作业，可大大减轻劳动强度，提高效率和作业安全性。目前，顶部驱动装置配合井口动力钳的上卸扣过程如下：

①坐放钻柱：完成钻进后，操作人员将吊卡(卡瓦)放入钻台面，司钻人员下放钻柱使吊卡(卡瓦)卡紧钻柱；

②顶部驱动装置卸扣：司钻人员操作顶驱控制台的组合按钮(一般同时操作两个按钮)对顶驱下达卸扣指令，顶驱主轴反转与钻杆脱离，卸扣的同时，司钻人员需要操作手柄缓慢上提顶驱，避免磨扣；

③提起单根/立根：司钻人员观察到螺纹完全脱开后，通过控制台上提顶驱，操作吊环倾斜，操作人员引导单根/立根进入吊卡并手动关闭吊卡，司钻人员上提顶驱并操作按钮，使吊环提起单根/立根脱离钻台面；

④连接单根/立根：司钻人员将倾斜油缸切换至浮动状态，使吊环以自由状态对正井口；缓慢下放顶驱，使单根/立根下端与钻柱上端对扣，操作人员使用井口大钳上扣，连接单根/立根与钻柱。继续下放顶驱，单根/立根上端进入顶驱装置导向环，与顶驱装置保护接头对扣。司钻人员控制顶驱装置以小扭矩旋扣，再根据计算值进行紧扣，同时缓慢下放顶驱以补偿螺纹旋入的长度。

通过对现有顶部驱动装置配合井口动力钳的上卸扣过程分析，现有上卸扣控制过程存在如下缺陷：

(一)人工成本高。实际作业中，除去司钻，必须配置二层台操作人员1名，钻台操作人员2～3人；

(二)钻台面、二层台必须配备操作人员，作业劳动强度大，二层台作业属于高空作业，安全风险高；

(三)对司钻人员的操作要求高。上卸扣过程中，司钻人员需要控制各种设备，必须操作各种按钮、按键、手柄，且多个重要环节须人工判断和干预，一旦出现工作疏忽将造成重大的安全事故及经济损失。

针对上述缺陷，对于基于顶部驱动装置的上卸扣作业，现有技术中急需一种能够上卸扣自动控制方法，以减少上卸扣作业中，人为干预，操作繁琐且安全性低的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，用以解决现有基于顶部驱动装置的上卸扣作业过程中，需要人工多次干预或操作，导致操作繁琐且安全低的技术问题，该上卸扣系统包括：绞车、顶部驱动装置、井口大钳和控制设备；顶部驱动装置包括：顶驱主轴、液动卡瓦、背钳、电机；其中，液动卡瓦用于抓取立根；电机用于驱动顶驱主轴正转或反转旋扣以连接或断开立根上端与顶驱主轴之间的螺纹，背钳用于在顶驱主轴正转或反转旋扣时卡紧钻柱；井口大钳用于连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹；绞车上安装有绞车传感器，用于检测绞车下放或上提顶部驱动装置的位置信息，并反馈至控制设备；控制设备用于根据顶部驱动装置的位置信息，控制液动卡瓦、电机、背钳和井口大钳执行相应的功能以实现上扣或卸扣操作。

本发明实施例还提供一种基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法，用以解决现有基于顶部驱动装置的上卸扣作业过程中，需要人工多次干预或操作，导致操作繁琐且安全低的技术问题，该方法应用于上述的基于顶部驱动装置的上卸扣系统，包括：获取顶部驱动装置的位置信息；根据顶部驱动装置的位置信息，弹出上卸扣提示信息，其中，上卸扣提示信息用于提示输入卸扣指令或上扣指令；在检测到卸扣指令的情况下，控制背钳卡紧钻柱的同时，控制电机按照预先确定的冲扣扭矩和卸扣扭矩驱动顶驱主轴反转旋扣，以断开顶驱主轴与钻柱连接的第一扣；在检测到上扣指令的情况下，控制顶部驱动装置的液动卡瓦抓取立根，并控制井口大钳连接立根下端与钻柱上端之间的螺纹，以及控制背钳卡紧钻柱的同时，控制电机按照预先确定的上扣扭矩驱动顶驱主轴正转旋扣，以连接立根上端与顶驱主轴之间的螺纹。

本发明实施例中，通过绞车上安装的绞车传感器检测绞车下放或上提顶部驱动装置的位置信息，并反馈至控制设备；控制设备根据反馈的位置信息，确定顶部驱动装置是否到达上扣位置、卸扣位置或抓取立根位置；当顶部驱动装置到达抓取立根位置时，控制液动卡瓦抓取立根；当顶部驱动装置到达上扣位置时，控制井口大钳连接立根下端与钻柱上端之间的螺纹，并控制电机驱动顶驱主轴正转旋扣以连接立根上端与顶驱主轴之间的螺纹，实现上扣；当顶部驱动装置到达卸扣位置时，控制电机驱动顶驱主轴反转旋扣以断开顶驱主轴与钻柱连接的第一扣，实现卸扣。

通过本发明实施例，实现了根据实时检测的顶部驱动装置的位置，自动执行上卸扣操作的目的，能够大大减少上卸扣作业过程中所需操作人员的数量，降低操作风险，提高作业安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种顶部驱动装置示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种井口大钳示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法流程图；

图5为本发明实施例中提供的一种用于起下钻模式的上卸扣控制方法流程图。

附图标记：

绞车1、顶部驱动装置2、井口大钳3、线缆4、动力源5、电控房6、液压源7、控制设备8、绞车传感器1-1、平衡系统2-1、液压控制阀组2-2、旋转头2-3、顶驱主轴2-4、第一对扣传感器2-5、液动卡瓦2-6、背钳2-7、电机2-8、散热器2-9、冷却风机2-10、倾斜油缸伸出长度传感器2-11、固定支架3-1、上钳3-2、下钳3-3、第二对扣传感器3-4。

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明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例中提供了一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，图1为本发明实施例中提供的一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统示意图，如图1所示，该上卸扣系统包括：绞车1、顶部驱动装置2、井口大钳3和控制设备8；其中，绞车1上安装有绞车传感器1-1，用于检测绞车1下放或上提顶部驱动装置2的位置信息，并反馈至控制设备8；控制设备8用于根据绞车传感器1-1反馈的位置信息，控制顶部驱动装置2和井口大钳3执行上扣或卸扣操作。可选地，井口大钳3为液压大钳。

需要说明的是，基于顶部驱动装置的上卸扣作业中，上扣指的是连接立根下端与钻柱上端的螺纹，以及顶驱主轴与立根上端的螺纹；卸扣指的是断开顶驱主轴与钻柱连接的第一扣。

如图2所示，本发明实施例提供的上卸扣系统中，顶部驱动装置2具体可以包括：顶驱主轴2-4、液动卡瓦2-6(吊卡)、背钳2-7、电机2-8；其中，液动卡瓦2-6用于抓取立根；电机2-8用于驱动顶驱主轴2-4正转旋扣以连接立根上端与顶驱主轴2-4之间的螺纹，或反转旋扣以断开顶驱主轴2-4与钻柱连接的第一扣；背钳2-7用于在顶驱主轴2-4正转或反转旋扣时卡紧钻柱。其中，立根下端与钻柱上端之间螺纹的连接可以通过井口大钳3来实现。

为了减少人工判断和干预，实现自动执行上卸扣作业的目的，本发明实施例提供的上卸扣系统中，绞车1上安装有绞车传感器1-1，用于检测绞车1下放或上提顶部驱动装置2的位置信息，并反馈至控制设备8；控制设备8用于根据绞车传感器1-1反馈的顶部驱动装置2的位置信息，确定顶部驱动装置2是否到达上卸扣位置或抓取立根位置，进而控制液动卡瓦2-6、电机2-8、背钳2-7和井口大钳3执行相应的功能以实现上扣或卸扣操作。

需要说明的是，安装在绞车上的绞车距离传感器可以是但不限于距离传感器，通过测量绞车旋转的圈数和角度以确定绞车上提、下放大钩的长度，进而换算得到顶部驱动装置2下端面距离钻台平面的距离。

一种可选的实施例中，如图2所示，本发明实施例提供的顶部驱动装置2还可以进一步包括：平衡系统2-1，用于上卸扣系统执行上扣或卸扣操作的情况下，下放或上提顶部驱动装置2以补偿螺纹旋入或旋出的长度。

为了避免上卸扣作业过程中产生的磨扣问题，现有上卸扣作业中，需要司钻人员操作手柄缓慢下放或上提顶驱以补偿螺纹旋入或旋出的长度，本发明实施例通过具备平衡系统的顶部驱动装置，伸缩距离精确可控，使顶部驱动装置具备自动补偿上卸扣螺纹旋入、旋出引起的高度变化的功能，不仅节省了司钻人员的判断和操作，而且提高了控制精确度。

需要说明的是，上扣作业过程中，为了实现有效、准确连接顶驱主轴2-4与立根上端之间螺纹的目的，如图2所示，本发明实施例提供的顶部驱动装置2还可以进一步包括：第一对扣传感器2-5，用于检测顶驱主轴2-4与立根上端是否成功对扣；其中，控制设备8还用于在顶驱主轴2-4与立根上端成功对扣的情况下，控制电机2-8驱动顶驱主轴2-4正转旋扣，以连接立根上端与顶驱主轴2-4之间的螺纹。可选地，第一对扣传感器可以是但不限于距离传感器或光电传感器，本发明对此不作限定。

另外，还需要说明的是，为了确保卡瓦抓取钻杆时钻杆处于中心位置，本发明实施例提供的顶部驱动装置2还可以进一步包括：倾斜油缸伸出长度传感器2-11，用于在液动卡瓦2-6抓取钻杆时检测倾斜油缸伸出长度，并根据倾斜油缸伸出长度确定钻杆是否回到中心位置；其中，控制设备8还用于在钻杆没有回到中心位置的情况下，控制钻杆回到中心位置；以及在钻杆回到中心位置的情况下，控制绞车1下放顶部驱动装置2。可选地，用于检测倾斜油缸伸出长度的倾斜油缸伸出长度传感器可以是但不限于位移传感器，本发明对此不作限定。当液动卡瓦2-6抓取钻杆时，检测钻杆是否回中，当钻杆没有回中时，系统自动调节直至钻杆回中，检测回中后，触发顶部驱动装置2的下放动作。

如图2所示，本发明实施例提供的顶部驱动装置2还可以包括：液压控制阀组2-2、旋转头2-3、散热器2-9、冷却风机2-10等设备。

在顶部驱动装置2运动到卸扣位置的情况下，控制设备8控制绞车1停止下放顶部驱动装置2，控制背钳2-7卡紧钻柱，并控制电机2-8驱动顶驱主轴2-4反转旋扣，旋扣同时通过平衡系统2-1根据螺纹旋出的长度上提顶部驱动装置2，直至顶驱主轴2-4与钻柱第一扣脱离，完成卸扣；

在顶部驱动装置2悬停(即顶部驱动装置2下放未挂立根或单根钻杆)的情况下，控制设备8控制绞车1上提顶部驱动装置2，直至顶部驱动装置2运动到抓取立根的位置，控制液动卡瓦2-6抓取立根，将钻柱提至顶驱主轴2-4正下方；控制绞车1下放顶部驱动装置2至立根下端与钻柱上端对扣；控制井口大钳3将立根下端与钻柱上端上扣；上扣同时通过平衡系统2-1根据螺纹旋入的长度下放顶部驱动装置2，完成上扣后绞车1继续下放顶部驱动装置2，直至立根上端进入导向套，在导向套作用下，与顶驱主轴2-4对扣，控制背钳2-7卡紧钻柱，并启动电机2-8控制顶驱主轴2-4正转旋扣，旋扣同时通过平衡系统2-1根据螺纹旋入的长度下放顶部驱动装置2直至顶驱主轴2-4与立根上端上扣完成，控制液动卡瓦2-6松开立根。

图3为本发明实施例中提供的一种井口大钳示意图，如图3所示，本发明实施例提供的井口大钳3可以包括：固定支架3-1、上钳3-2和下钳3-3，下钳3-3固定于固定支架3-1上；其中，控制设备8控制上钳3-2和下钳3-3配合操作以连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹。

可选地，本发明实施例提供的井口大钳3还进一步可以包括：第二对扣传感器3-4，用于检测立根下端与钻柱上端是否成功对扣；其中，控制设备8还用于在立根下端与钻柱上端成功对扣的情况下，控制上钳3-2和下钳3-3配合操作以连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹。可选地，第二对扣传感器可以是但不限于距离传感器或光电传感器，本发明对此不作限定。

基于上述任意一种可选的实施例，作为一种可选的实施方式，如图1所示，本发明实施例提供的上卸扣系统还可以包括：动力源5、电控房6和液压源7；其中，动力源5通过电控房6为顶部驱动装置2和液压源7供电；液压源7用于为液动卡瓦2-6和顶驱2的液压系统提供液压压力。需要注意的是，图1中所示的线缆4包括：动力电缆、控制电缆和液压管线；其中，动力电缆用于输出动力电；控制电缆用于传输控制电信号；液压管线用于传输液压源7提供的液压压力。

需要说明的是，电控房6中包括但不限于如下电控设备：变压器、变频器、逆变器、电控箱等，其功能是将控制设备8传输来的电信号转变成实际的顶驱参数。动力源5可以是发电机，用于产生380V电源，经过电控房6中一系列电控设备通过线缆4输送到顶部驱动装置2。液压源7用于产生液压压力，并通过线缆4连接到顶部驱动装置2上的液压管线接口。需要注意的是，液压源7的电源也由电控房6提供。

可选地，控制设备8传输的控制电信号既可以传输到电控房6中一系列电控设备完成对顶部驱动装置2中电机2-8的控制，也可以通过线缆4中的控制电缆传输至顶部驱动装置2中的液压控制阀组2-2，以实现对顶部驱动装置2中液压设备的控制。

可选地，本发明实施例提供的上卸扣系统还可以包括：机械手，用于向液动卡瓦2-6传送立根。本发明实施例提供的顶部驱动装置2中，液动卡瓦2-6与二层台传送立根的机械手协同工作，液动卡瓦2-6在抓取立根时自动开关门栓，以准确抓取二层台机械手送入的立根。需要注意的是，该机械手也可以用于传送单根钻杆或套管。

本发明实施例中还提供了一种基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法，该方法可以应用但不限于上述任意一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，如下面的实施例所述。由于该方法实施例解决问题的原理与基于顶部驱动装置的上卸扣系统相似，因此该方法实施例的实施可以参见上述上卸扣系统的实施，重复之处不再赘述。

图4为本发明实施例中提供的一种基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法流程图，如图4所示，该方法包括：

S401，获取顶部驱动装置的位置信息；

S402，根据顶部驱动装置的位置信息，弹出上卸扣提示信息，其中，上卸扣提示信息用于提示输入卸扣指令或上扣指令；

S403，在检测到卸扣指令的情况下，控制背钳卡紧钻柱的同时，控制电机按照预先确定的冲扣扭矩和卸扣扭矩驱动顶驱主轴反转旋扣，以断开顶驱主轴与钻柱连接的第一扣；

S404，在检测到上扣指令的情况下，控制顶部驱动装置的液动卡瓦抓取立根，并控制井口大钳连接立根下端与钻柱上端之间的螺纹，以及控制背钳卡紧钻柱的同时，控制电机按照预先确定的上扣扭矩驱动顶驱主轴正转旋扣，以连接立根上端与顶驱主轴之间的螺纹。

可选地，本发明实施例提供的基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法还可以进一步包括：获取待上卸扣钻杆的尺寸信息；根据待上卸扣钻杆的尺寸信息，计算上扣扭矩、卸扣扭矩或冲扣扭矩。本发明实施例提供的上卸扣系统可以根据操作人员选择的钻杆的尺寸信息，自动计算上扣扭矩、卸扣扭矩或冲扣扭矩等参数。

需要注意的是，本发明实施例提供的上卸扣控制系统还可以提供紧急人工干预选项，并设定人工干预操作优先权高于自动操作。

图5为本发明实施例中提供的一种用于起下钻模式的上卸扣控制方法流程图，如图5所示，本发明实施例提供基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法包括如下两个部分：

(1)“一键式”卸扣：

起下钻模式下，当顶部驱动装置(简称顶驱)下放钻柱至接近钻台面时，绞车传感器触发，顶驱停止向下移动，控制设备界面弹出“是否卸扣”指令，如果司钻选择“否”，则系统等待进一步的司钻指令；如果司钻选择“是”，则系统自动启动液动卡瓦，将钻柱锁紧在钻台面。同时，操作界面弹出选择钻杆/套管尺寸。司钻根据实际情况选择钻杆尺寸，系统调用后台程序，计算卸扣扭矩及冲扣扭矩的加载幅值变化策略，显示在操作面板上，并询问“是否继续”，如果司钻选择“否”，系统等待司钻的下一步指令；如果司钻接受计算出的加载策略，选择“是”，则系统自动启动背钳卡紧钻柱，顶驱主轴按照计算的加载策略增加反扭矩冲扣，系统根据扭矩变化检测到冲扣完成后，自动切换到旋扣模式，以小扭矩(即卸扣扭矩)快速旋扣，并控制平衡系统，按照螺纹导程和旋转角度之间的计算值上提顶驱，防止磨扣。当螺纹完全旋开后，顶驱在平衡系统的作用下会有明显的上跳，使顶驱主轴和钻杆完全脱离，防止磨扣。

需要注意的是，第一次卸扣在人工干预设定参数完成后，当再次选择“卸扣”选项时，系统即按照设定的参数和上述流程完成卸扣操作，无需人工干预，即“一键式”卸扣操作。

(2)“一键式”上扣：

起下钻模式下，“一键式卸扣”完成后，顶驱停止运动，并弹出“是否上扣”，如果司钻选择“否”，则系统等待进一步指令；如果司钻选择“是”，则顶驱运动到井架上部，系统通过绞车传感器传送的数据判断出顶驱到达设定位置，顶驱停止向上运动，吊环倾斜，自动打开卡瓦，接收由二层台机械手送过来的立根/单根，锁紧卡瓦后，系统控制吊环向顶驱主轴运动，系统通过倾斜油缸伸出长度传感器回传的数据判断立根/单根回到中心位置后，绞车自动启动下放，当自动化井口大钳内部安装的对扣传感器检测到立根下端对扣后，系统界面弹出“选择钻杆尺寸”命令，司钻根据实际情况输入钻杆/套管尺寸，系统默认尺寸为上次卸扣尺寸。系统自动计算上扣扭矩及扭矩加载策略，显示在控制桌面并弹出“是否继续”选项。如果司钻对此计算值保持怀疑可以选择“否”，则系统继续等待司钻的进一步操作；如果司钻接受该计算值，选择“是”，则系统启动自动化井口大钳上扣，同时，平衡系统自动补偿上扣螺纹旋入的长度，上扣完成后，顶驱继续下行，立根会在导向套的作用下完成与主轴的对扣，对扣传感器检测到动作无误后，系统启动背钳卡紧，顶驱主轴按照策略加载，同时平衡系统启动，自动补偿螺纹旋入的长度。当系统检测到上扣扭矩达到预定值时，卡瓦松开，上扣完成。

需要注意的是，第一次上扣在人工设定参数完成后，当再次选择上扣选项时，系统即根据设定参数，按照上述上扣流程完成上扣操作，即”一键式”上扣操作。

由上可知，本发明实施例提供的基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法可以通过“一键式”完成整个上卸扣操作，减少人工判断和干预，降低操作风险，提高作业安全性。

下面以“4 1/2”英寸钻杆(即4.5英寸的钻杆)下钻时进行上卸扣操作为例对该发明的装置及控制系统进行说明。

当司钻将系统切换至起下钻模式时，智能绞车检测功能打开，当检测到顶部驱动装置运动至设定的下放极限(即卸扣位置)时，停止下放顶驱，并在操作界面弹出“是否卸扣”指令，司钻选择“是”，操作界面弹出“选择钻杆尺寸”，司钻按实际情况选择“4 1/2”，系统界面显示卸扣扭矩，加载策略曲线为1.2倍数增长，冲扣完成后以小扭矩快速旋扣，并弹出“是否接受”，司钻选择“是”，装置执行卸扣程序。卸扣操作包括：①背钳卡紧钻柱；②按照冲扣策略启动电机反转冲扣；③冲扣完成后迅速切换电机输出扭矩及转速旋扣；④旋扣的同时启动平衡系统，使其按照螺纹旋出的长度上提顶驱，当主轴脱离钻柱后，顶驱具有明显的上跳动作，卸扣完成，顶驱悬停。

在顶驱悬停时，屏幕弹出“是否上扣”指令，当司钻选择“是”，系统自动上提顶驱，直至吊环能够抓取钻杆处，绞车上移距离触发，顶驱停止上移，系统控制自动液动卡瓦(吊卡)倾斜，打卡门栓，对准机械手送入的立根，关闭门栓，在倾斜油缸伸出长度传感器的配合下将钻杆提在主轴正下方。顶驱下行至立根下端接触钻柱上端时，绞车刹车，悬停顶驱，屏幕默认选择上次的卸扣钻杆尺寸(即4.5英寸)，显示上扣扭矩，加载曲线为一次曲线，几秒后达到上扣扭矩。司钻选择“是”，自动化井口大钳开始上扣，同时平衡系统自动工作，补偿旋扣长度，上扣完成。顶驱继续下行，立根上端进入导向套后，背钳卡紧，顶驱主轴继续按照计算值加载，平衡系统按比例下放顶驱，上扣扭矩达到后，上扣完成，卡瓦松开，上扣结束。

需要注意的是，首次卸扣设定完成后，当司钻再次选择卸扣时，系统按照上述设定参数和流程执行卸扣作业，整个过程中无需司钻干预和操作。首次上扣设定完成后，当司钻再次选择“上扣”操作时，系统按照上述设定参数和流程执行上扣作业，整个过程中无需司钻干预和操作。

综上所述，本发明实施例提供得了一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，可以方便、有效地控制相关设备，“一键式”完成整个上卸扣操作。减少司钻的干预度，克服因人工失误造成的上扣扭矩不足、卸扣磨扣等问题，减少上卸扣作业所需的操作人员数量，降低操作风险，提高作业安全性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，其特征在于，包括：绞车(1)、顶部驱动装置(2)、井口大钳(3)和控制设备(8)；所述顶部驱动装置(2)包括：平衡系统(2-1)、顶驱主轴(2-4)、液动卡瓦(2-6)、背钳(2-7)、电机(2-8)、倾斜油缸伸出长度传感器(2-11)；

其中，所述液动卡瓦(2-6)用于抓取立根；

平衡系统(2-1)，用于上卸扣系统执行上扣或卸扣操作的情况下，下放或上提所述顶部驱动装置(2)以补偿螺纹旋入或旋出的长度；

所述电机(2-8)用于驱动所述顶驱主轴(2-4)正转或反转旋扣以连接或断开立根上端与所述顶驱主轴(2-4)之间的螺纹；所述背钳(2-7)用于在所述顶驱主轴(2-4)正转或反转旋扣时卡紧钻柱；

所述井口大钳(3)用于连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹；

所述绞车(1)上安装有绞车传感器(1-1)，用于检测所述绞车(1)下放或上提所述顶部驱动装置(2)的位置信息，并反馈至所述控制设备(8)；

所述控制设备(8)用于根据所述顶部驱动装置(2)的位置信息，控制所述液动卡瓦(2-6)、所述电机(2-8)、所述背钳(2-7)和所述井口大钳(3)执行相应的功能以实现上扣或卸扣操作；

倾斜油缸伸出长度传感器(2-11)，用于在所述液动卡瓦(2-6)抓取钻杆时检测倾斜油缸伸出长度，并根据倾斜油缸伸出长度确定钻杆是否回到中心位置；

其中，所述控制设备(8)还用于在钻杆没有回到中心位置的情况下，控制钻杆回到中心位置；以及在钻杆中心位置的情况下，控制所述绞车(1)下放所述顶部驱动装置(2)；

利用所述上卸扣系统进行卸扣的过程包括：

起下钻模式下，当顶部驱动装置(2)下放钻柱至接近钻台面时，绞车传感器(1-1)触发，顶部驱动装置(2)停止向下移动，操作界面弹出是否卸扣指令；

如果司钻选择否，上卸扣系统等待进一步指令；

如果司钻选择是，上卸扣系统自动启动液动卡瓦(2-6)，将钻柱锁紧在钻台面；同时，操作界面弹出选择钻杆/套管尺寸；由司钻选择钻杆尺寸，上卸扣系统计算卸扣扭矩及冲扣扭矩的加载策略，显示在操作界面上，并询问是否继续；

如果司钻选择否，上卸扣系统等待进一步指令；

如果司钻选择是，上卸扣系统自动启动背钳(2-7)卡紧钻柱，顶驱主轴(2-4)按照计算的加载策略增加反扭矩冲扣，上卸扣系统根据扭矩变化检测到冲扣完成后，自动切换到旋扣模式，以卸扣扭矩快速旋扣，并控制平衡系统(2-1)，按照螺纹导程和旋转角度之间的计算值上提顶部驱动装置(2)；当螺纹完全旋开后，顶部驱动装置(2)在平衡系统(2-1)的作用下上跳，使顶驱主轴(2-4)和钻杆完全脱离；

第一次卸扣在人工干预设定参数完成后，当再次进行卸扣时，上卸扣系统按照设定的参数和上述卸扣流程完成卸扣操作；

利用所述上卸扣系统进行上扣的过程包括：

起下钻模式下，在卸扣完成后，顶部驱动装置(2)停止运动，并弹出是否上扣指令；

如果司钻选择否，上卸扣系统等待进一步指令；

如果司钻选择是，顶部驱动装置(2)运动到井架上部，上卸扣系统通过绞车传感器(1-1)传送的数据判断出顶部驱动装置(2)到达设定位置，顶部驱动装置(2)停止向上运动，吊环倾斜，自动打开液动卡瓦(2-6)，接收由二层台机械手送过来的立根/单根，锁紧液动卡瓦(2-6)后，上卸扣系统控制吊环向顶驱主轴(2-4)运动，上卸扣系统通过倾斜油缸伸出长度传感器(2-11)回传的数据判断立根/单根回到中心位置后，绞车(1)自动启动下放，当自动化井口大钳(3)内部安装的对扣传感器检测到立根下端对扣后，操作界面弹出选择钻杆尺寸命令，司钻输入钻杆/套管尺寸，其中，上卸扣系统默认尺寸为上次卸扣尺寸；上卸扣系统自动计算上扣扭矩及扭矩加载策略，显示在操作界面，并询问是否继续；

如果司钻选择否，上卸扣系统等待进一步指令；

如果司钻选择是，上卸扣系统启动自动化井口大钳(3)上扣，同时，平衡系统(2-1)自动补偿上扣螺纹旋入的长度，上扣完成后，顶部驱动装置(2)继续下行，立根在导向套的作用下完成与顶驱主轴(2-4)的对扣，顶部驱动装置(2)及井口大钳(3)内部安装的对扣传感器检测到动作无误后，上卸扣系统启动背钳(2-7)卡紧，顶驱主轴(2-4)按照加载策略加载，同时平衡系统(2-1)启动，自动补偿螺纹旋入的长度；当上卸扣检测到上扣扭矩达到预定值时，液动卡瓦(2-6)松开，上扣完成；

当第一次上扣在人工设定参数完成后，当再次上扣时，上卸扣系统据设定参数，按照上述上扣流程完成上扣操作。

2.如权利要求1所述的上卸扣系统，其特征在于，所述顶部驱动装置(2)还包括：第一对扣传感器(2-5)，用于检测所述顶驱主轴(2-4)与立根上端是否成功对扣；

其中，所述控制设备(8)还用于在所述顶驱主轴(2-4)与立根上端成功对扣的情况下，控制电机(2-8)驱动所述顶驱主轴(2-4)正转旋扣，以连接立根上端与所述顶驱主轴(2-4)之间的螺纹。

3.如权利要求1所述的上卸扣系统，其特征在于，所述井口大钳(3)包括：固定支架(3-1)、上钳(3-2)和下钳(3-3)，所述下钳(3-3)固定于所述固定支架(3-1)上；其中，所述控制设备(8)控制所述上钳(3-2)和所述下钳(3-3)配合操作以连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹。

4.如权利要求3所述的上卸扣系统，其特征在于，所述井口大钳(3)还包括：第二对扣传感器(3-4)，用于检测立根下端与钻柱上端是否成功对扣；

其中，所述控制设备(8)还用于在立根下端与钻柱上端成功对扣的情况下，控制所述上钳(3-2)和所述下钳(3-3)配合操作以连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹。

5.如权利要求1至4任一所述的上卸扣系统，其特征在于，所述上卸扣系统还包括：动力源(5)、电控房(6)和液压源(7)；其中，所述动力源(5)通过所述电控房(6)为所述顶部驱动装置(2)和所述液压源(7)供电；所述液压源(7)用于为所述液动卡瓦(2-6)和顶驱(2)的液压系统提供液压压力。

6.如权利要求5所述的上卸扣系统，其特征在于，所述上卸扣系统还包括：机械手，用于向所述液动卡瓦(2-6)传送立根。

7.一种基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法，其特征在于，该方法应用于权利要求1至6任一所述的基于顶部驱动装置的上卸扣系统，包括：

获取所述顶部驱动装置的位置信息；

根据所述顶部驱动装置的位置信息，弹出上卸扣提示信息，其中，所述上卸扣提示信息用于提示输入卸扣指令或上扣指令；

在检测到卸扣指令的情况下，控制背钳卡紧钻柱的同时，控制电机按照预先确定的冲扣扭矩和卸扣扭矩驱动顶驱主轴反转旋扣，以断开顶驱主轴与钻柱连接的第一扣；

在检测到上扣指令的情况下，控制所述顶部驱动装置的液动卡瓦抓取立根，并控制井口大钳连接立根下端与钻柱上端之间的螺纹，以及控制背钳卡紧钻柱的同时，控制电机按照预先确定的上扣扭矩驱动顶驱主轴正转旋扣，以连接立根上端与顶驱主轴之间的螺纹。

8.如权利要求7所述的上卸扣控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取待上卸扣钻杆的尺寸信息；

根据所述待上卸扣钻杆的尺寸信息，计算上扣扭矩、卸扣扭矩或冲扣扭矩。

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