CN112502689A - 一种变频钻机多模式自动送钻系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频钻机多模式自动送钻系统及其控制方法，具体涉及石油钻机电气控制系统技术领域，由人机交互单元、多模式控制单元、变频传动单元、拖动电机、传动机构以及检测变送单元组成，所述多模式控制单元包括恒钻速模式自动送钻单元、恒钻压模式自动送钻单元、恒泵压模式自动送钻单元、恒功率模式自动送钻单元、恒转矩模式自动送钻单元，所述检测变送单元包括钻速传感器、悬重传感器、泵压传感器、功率传感器和扭矩传感器，变频钻机多模式自动送钻可以满足石油钻机针对不同目标、不同钻井阶段对自动送钻的要求，本发明使得自动送钻系统适应性更好，可靠性更高，冗余性更大，安全性更好，处理异常事故的能力更强，控制效果更佳。

Description

一种变频钻机多模式自动送钻系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及石油钻机电气控制系统技术领域，更具体地说，本发明涉及一种变频钻机多模式自动送钻系统及其控制方法。

背景技术

目前，钻井费用在石油勘探总投资中占56％～81％，在石油开发总投资中超过51％。降低石油开采成本和缩短开发周期势在必行，于是研制新型石油钻机及控制系统极其重要。传统手工送钻存在着准确性差、安全性低、工作效率低等缺点，自动送钻技术是大势所趋。自动送钻指钻进过程中在无人参与的条件下通过送钻装置实现钻头的自动给进，钻压和负荷变化小，送钻十分平稳，取芯率高，井眼轨迹的偏斜度、轴承和钻头磨损大大减少，轴承和钻头的工作时间加长，事故和钻井成本都大幅降低。

关于钻机给进机构的自动化问题，国内外很早就开始研究，其工作原理都是送钻装置的输出经中间机构与绞车滚筒连接，经调节控制的输出给进量，通过游吊系统、大钩、钻杆、钻井工具等，最终反应在井底的钻头上。自动送钻的控制模式主要有恒钻速、恒钻压、恒压差等模式。恒钻速要求滚筒或钻头在下行方向以恒定的速度运行，该模式的优点是控制系统简单、操作方便，缺点是只能在特殊的地层段使用；恒钻压要求井底钻头上的钻压保持恒定，该模式的优点是适合绝大多数地层段，缺点是钻压较低时，控制精度较差；恒压差送钻要求钻压保持为恒定压力差，该模式的优点是钻进速度快，缺点是设定最高压力不易确定。近年来，除了这几种送钻模式，还出现了恒扭矩模式、恒功率模式等。然而，单模式下自动送钻满足不了不同目标、不同钻井阶段对自动送钻的要求，这就要求电气控制系统要有两个或两个以上的送钻模式供选择。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种变频钻机多模式自动送钻系统及其控制方法，以解决现有技术中的上述不足之处。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种变频钻机多模式自动送钻系统，由人机交互单元、多模式控制单元、变频传动单元、拖动电机、传动机构以及检测变送单元组成；人机交互单元将自动送钻参数设置信息传输至多模式控制单元，同时完成钻井过程中重要参数的显示；多模式控制单元有多种自动送钻控制模式供选择，根据从检测变送单元获取的检测参数与给定值之差作为控制器输入，经过仿人智能PID 运算，输出控制量，完成相应模式下的自动送钻功能；自动送钻最终通过变频器驱动拖动电机及传动机构来实现；检测变送单元完成系统所需的钻速、悬重、泵压、功率、扭矩等检测信号的采集。

所述多模式控制单元包括恒钻速模式自动送钻单元、恒钻压模式自动送钻单元、恒泵压模式自动送钻单元、恒功率模式自动送钻单元、恒转矩模式自动送钻单元。

所述检测变送单元包括钻速传感器、悬重传感器、泵压传感器、功率传感器和扭矩传感器。

一种变频钻机多模式自动送钻系统的控制方法，包括恒钻速模式自动送钻、恒钻压模式自动送钻、恒泵压模式自动送钻、恒功率模式自动送钻、恒扭矩模式自动送钻。

所述恒钻速模式自动送钻是以钻头下钻速度为控制目标，包括1个双闭环控制单元和1个滚筒传动机构。内环为转矩控制环，控制器采用PI控制器；外环为转速控制环，控制器采用仿人智能PID控制器。由于下钻速度与拖动电机之间有固定的比例关系，电机速度按一定的比例变换后即可作为下钻的实际速度，因此控制结构为恒转矩变速系统。

所述恒钻压模式自动送钻是以钻头钻进时的钻压为控制目标，包括1个恒钻压控制单元、1个恒转矩变速控制单元和1个滚筒传动机构。恒钻压控制单元中的控制器采用仿人智能PID控制器。由于无法直接检测井下钻头的实际钻压，因此反馈钻压一般通过死绳固定系统的悬重传感器间接获取。

所述恒泵压模式自动送钻是以循环系统的泥浆压力(泵压)为控制目标，包括1个恒泵压控制单元、1个恒转矩变速控制单元和1个滚筒传动机构。恒泵压控制单元中的控制器采用仿人智能PID控制器。恒泵压模式自动送钻解决了水平井钻井过程中钻压检测不到，无法实现自动送钻的问题。

所述恒功率模式自动送钻是以转盘输出功率恒定为控制目标，包括1个恒功率控制单元、1个恒转矩变速控制单元和1个滚筒传动机构。恒功率控制单元中的控制器采用仿人智能PID控制器。实际功率检测一般通过为其供电的电控装置通过其I/O接口间接获得。

所述恒扭矩模式自动送钻是以转盘输出扭矩恒定为控制目标，包括1个恒扭矩控制单元、1个恒转矩变速控制单元和1个滚筒传动机构。恒扭矩控制单元中的控制器采用仿人智能PID控制器。实际扭矩检测一般通过为其供电的电控装置通过其I/O接口间接获得。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

本发明的变频钻机多模式自动送钻系统及其控制方法包括恒钻速模式自动送钻、恒钻压模式自动送钻、恒泵压模式自动送钻、恒功率模式自动送钻、恒扭矩模式自动送钻，可以满足石油钻机针对不同目标、不同钻井阶段对自动送钻的要求，自动送钻既可以在单模式下使用，也可以在不同模式下切换使用。本发明使得自动送钻系统的适应性更好，可靠性更高，冗余性更大，安全性更好，处理异常事故的能力更强，控制效果更佳。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的变频钻机多模式自动送钻系统组成图；

图2为本发明的恒钻速模式自动送钻控制框图；

图3为本发明的恒钻压模式自动送钻控制框图；

图4为本发明的恒泵压模式自动送钻控制框图；

图5为本发明的恒功率模式自动送钻控制框图；

图6为本发明的恒转矩模式自动送钻控制框图。

附图标记为：

1人机交互单元、2多模式控制单元、201恒转矩变速控制单元、202恒钻压控制单元、203恒泵压控制单元、204恒功率控制单元、205恒扭矩控制单元、3变频传动单元、4拖动电机、5传动机构、6检测变送单元、601钻速传感器、602悬重传感器、603泵压传感器、604功率传感器、605扭矩传感器。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些示例实施方式使得本公开的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多示例实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的示例实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

如图1所示，变频钻机多模式自动送钻系统由人机交互单元1、多模式控制单元2、变频传动单元3、拖动电机4、传动机构5以及检测变送单元6组成。人机交互单元1将自动送钻参数设置信息传输至多模式控制单元2，同时完成钻井过程中重要参数的显示；多模式控制单元2有多种自动送钻控制模式供选择，根据从检测变送单元6获取的检测参数与给定值之差作为控制器输入，经过仿人智能PID运算，输出控制量，完成相应模式下的自动送钻功能；自动送钻最终通过变频器驱动拖动电机及传动机构来实现；检测变送单元6完成系统所需的钻速、悬重、泵压、功率、扭矩等检测信号的采集。

所述多模式控制单元2包括恒钻速模式自动送钻单元201、恒钻压模式自动送钻单元202、恒泵压模式自动送钻单元203、恒功率模式自动送钻单元204、恒转矩模式自动送钻单元205。

所述检测变送单元6包括钻速传感器601、悬重传感器602、泵压传感器 603、功率传感器604和扭矩传感器605。

如图2-6所示，变频钻机多模式自动送钻系统的控制方法包括恒钻速模式自动送钻、恒钻压模式自动送钻、恒泵压模式自动送钻、恒功率模式自动送钻、恒扭矩模式自动送钻。

如图2所示，恒钻速模式自动送钻是以钻头下钻速度为控制目标，包括1 个双闭环控制单元201和1个滚筒传动机构5。内环为转矩控制环，控制器采用PI控制器；外环为转速控制环，控制器采用仿人智能PID控制器。

如图3所示，恒钻压模式自动送钻是以钻头钻进时的钻压为控制目标，包括1个恒钻压控制单元202、1个恒转矩变速控制单元201和1个滚筒传动机构5。恒钻压控制单元202中的控制器采用仿人智能PID控制器。由于无法直接检测井下钻头的实际钻压，因此反馈钻压一般通过死绳固定系统的悬重传感器间接获取。

如图4所示，恒泵压模式自动送钻是以循环系统的泥浆压力(泵压)为控制目标，包括1个恒泵压控制单元203、1个恒转矩变速控制单元201和1 个滚筒传动机构5。恒泵压控制单元203中的控制器采用仿人智能PID控制器。控制器采用仿人智能PID控制器。恒泵压模式自动送钻解决了水平井钻井过程中钻压检测不到，无法实现自动送钻的问题。

如图5所示，恒功率模式自动送钻是以转盘输出功率恒定为控制目标，包括1个恒功率控制单元204、1个恒转矩变速控制单元201和1个滚筒传动机构5。恒功率控制单元204中的控制器采用仿人智能PID控制器。实际功率检测一般通过为其供电的电控装置通过其I/O接口间接获得。

如图6所示，恒扭矩模式自动送钻是以转盘输出扭矩恒定为控制目标，包括1个恒扭矩控制单元205、1个恒转矩变速控制单元201和1个滚筒传动机构5。恒扭矩控制单元205中的控制器采用仿人智能PID控制器。实际扭矩检测一般通过为其供电的电控装置通过其I/O接口间接获得。

如图2-6所示，在恒转矩变速控制单元201、恒钻压控制单元202、恒泵压控制单元203、恒功率控制单元204、恒扭矩控制单元205多模式控制单元中，控制器采用仿人智能PID控制器，实现仿人智能PID控制算法的步骤如下：

步骤1：根据控制目标，选择一种自动送钻模式，确定控制器的给定量和反馈量；

步骤2：选用误差e和误差变化

作为输入变量，描述系统的动态特性；

步骤3：计算仿人智能控制器的控制量u：

式中，K_p为比例系数；k为抑制系数；e为误差；

为误差变化率，e_m,i为误差第i次峰值。

步骤4：判断本次采样误差e及误差变化趋势

是否具有相同符号，当e 与

同号时，对误差进行积分；当e与

异号时，不对误差积分；

步骤5：输出控制变量

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种变频钻机多模式自动送钻系统，其特征在于：由人机交互单元、多模式控制单元、变频传动单元、拖动电机、传动机构以及检测变送单元组成；人机交互单元将自动送钻参数设置信息传输至多模式控制单元，同时完成钻井过程中重要参数的显示；多模式控制单元有多种自动送钻控制模式供选择，根据从检测变送单元获取的检测参数与给定值之差作为控制器输入，经过仿人智能PID运算，输出控制量，完成相应模式下的自动送钻功能；自动送钻最终通过变频器驱动拖动电机及传动机构来实现；检测变送单元完成系统所需的钻速、悬重、泵压、功率、扭矩等检测信号的采集。

2.根据权利要求1所述的一种变频钻机多模式自动送钻系统，其特征在于：所述多模式控制单元包括恒钻速模式自动送钻单元、恒钻压模式自动送钻单元、恒泵压模式自动送钻单元、恒功率模式自动送钻单元、恒转矩模式自动送钻单元。

3.根据权利要求1所述的一种变频钻机多模式自动送钻系统，其特征在于：所述检测变送单元包括钻速传感器、悬重传感器、泵压传感器、功率传感器和扭矩传感器。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种变频钻机多模式自动送钻系统的控制方法，其特征在于：包括恒钻速模式自动送钻、恒钻压模式自动送钻、恒泵压模式自动送钻、恒功率模式自动送钻、恒扭矩模式自动送钻。

所述恒钻速模式自动送钻是以钻头下钻速度为控制目标，包括1个双闭环控制单元和1个滚筒传动机构。内环为转矩控制环，控制器采用PI控制器；外环为转速控制环，控制器采用仿人智能PID控制器。

所述恒钻压模式自动送钻是以钻头钻进时的钻压为控制目标，包括1个恒钻压控制单元、1个恒转矩变速控制单元和1个滚筒传动机构。恒钻压控制单元中的控制器采用仿人智能PID控制器。

所述恒泵压模式自动送钻是以循环系统的泥浆压力(泵压)为控制目标，包括1个恒泵压控制单元、1个恒转矩变速控制单元和1个滚筒传动机构。恒泵压控制单元中的控制器采用仿人智能PID控制器。

所述恒功率模式自动送钻是以转盘输出功率恒定为控制目标，包括1个恒功率控制单元、1个恒转矩变速控制单元和1个滚筒传动机构。恒功率控制单元中的控制器采用仿人智能PID控制器。

所述恒扭矩模式自动送钻是以转盘输出扭矩恒定为控制目标，包括1个恒扭矩控制单元、1个恒转矩变速控制单元和1个滚筒传动机构。恒扭矩控制单元中的控制器采用仿人智能PID控制器。

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