CN201269045Y - 一种石油钻机应急提升及自动送钻装置 - Google Patents

Abstract

一种石油钻机应急提升、自动送钻装置，其由离合器、液压马达、液压调速集成块总成、控制器和组合液压站组成，液压马达通过离合器与绞车减速箱相连，液压马达与流量比例阀及放大器、换向电磁阀、单向平衡阀、单向阀构成液压马达调速系统；自动状态时，控制器则根据安装在液压马达轴上的PG测速器的马达主轴转速信号和安装在死绳固定器上的悬重变换器的悬重信号实现钻压或机械钻速的自动调整；手动状态可通过提升/下放操纵手柄实现绞车的应急提升或手动送钻；组合液压站为钻机已配套设备，提供钻台井口液压设备原动力。本实用新型具有送钻安全、平稳、简单、成本低廉的优点，是一种比较理想费效比较高的石油钻机自动送钻、应急提升装置。

Description

一种石油钻机应急提升及自动送钻装置

技术领域

本实用新型属于一种石油钻井设备，特别涉及石油钻机在钻进作业中的绞车应急动力驱动装置及自动送钻装置。

背景技术

当前，为石油钻机配套的自动送钻及应急提升装置中的动力和执行机构大多采用交流变频电动机传动方案，个别的还配置液压盘刹作送钻装置，这种配置的优点和缺点都显而易见。以液压盘刹为执行机构的送钻装置优点在于把制动功能(驻车制动、工作制动)和送钻功能组合成一体，因而送钻装置机的机械部分比较简洁。由于盘刹制动力的非线性特性，使系统在浅地层和复杂地层钻进时的稳定性变差，自动送钻装置在钻进作业中不能得到充分使用。另外，操作稍有不慎，容易出现顿钻和溜钻现象，要求安全监控措施必须十分周密，操作使用高度谨慎。而交流变频电动机配置的送钻装置则正与之相反。成熟的电机变频传动技术，使送钻速度控制容易保持平稳，操作使用相对比较安全，控制参数的整定也较容易实现。但是，该配置的缺点在于送钻时变频电动机因长时间大电流低速运行极易发热，效率很低，直接降低电动机的可靠性。为保证低速时必需的扭矩，选型时要求设备的电流、功率容量都要提高1-2档，导致设备体积庞大、费效比较低。因此，在当前钻机都配盘刹的技术状态下，再采用变频电机送钻并不是一种最优化配置。

发明内容

本实用新型的目的是针对石油钻机井口工具已大量使用液压设备的状况下，设计一种以液压马达为动力和执行机构的应急提升及自动送钻装置，它既能作为绞车一种应急备用动力，同时又能与PLC控制器、电液流量比例阀等少量控制元件构成一种简单、可靠的新型自动送钻装置。该装置不仅具有变频电机送钻的优点，避免了当前普遍采用的变频电机或液压盘刹送钻存在的效率与费效比低、体积庞大的缺点，也充分提高了组合液压源的利用效率，具有明显的经济效益。

为实现上述目的，本实用新型的原理方案是：

一种采用液压马达作动力和执行机构的石油钻机自动送钻、应急提升装置，由悬重变换器、离合器、液压马达及液压调速集成块总成、手动提升/下放操纵手柄SM、自动/手动转换开关SX、控制器和组合液压站组成。

液压马达的主轴通过离合器与绞车减速箱的第二输入轴相连，提供送钻和应急提升动力。

液压马达的油口A和油口B分别与液压调速集成块总成相应油口A和油口B连通，形成供、回油路；油口C则与液压制动器与集成块C口相连，当液压马达的供油回路无压力时制动器动作，实现马达驻车制动。

液压调速集成块上的电液流量比例阀放大器的输入in端子与自动/手动转换开关SX的端子9相连，换向电磁阀的正转与反转端子1、2分别与SX自动/手动转换开关端子7、8相连；控制器模拟量输出端子与SX自动/手动转换开关端子5相连，控制液压马达转向的数字量输出端子与SX自动/手动转换开关端子1、3相连；SM手动提升/下放操纵手柄上的液压马达转向控制信号和调速信号分别与SX自动/手动转换开关的端子2、4、6相连。通过SX自动/手动转换开关的切换可以使该装置处于手动状态或自动状态。手动状态时，可通过SM手动提升/下放操纵手柄进行绞车的提升或下放操纵。自动状态时，由控制器根据给定的钻压值(或钻速)控制绞车的下放速度，进行自动送钻作业。

液压调速集成块的进油ent口和回油ret口通过油管分别与组合液压站相应供、回油口连通，由组合液压站提供液压源；

PG测速器安装在液压马达输出轴上，其输出信号与控制器的计数器端子相连；安装在死绳固定器上的BS悬重变换器其输出信号与控制器的模拟量输入端子相连，分别作为控制器的钻压和绞车速度的反馈信号。

液压调速集成块总成则由单向阀、单向平衡阀、高压梭阀、换向电磁阀、电液流量比例阀及闭环放大器组成。上述各组成元件安装在液压集成块上，并按说明书附图1所示双点画线框内的管路图连接，即：单向阀的A口、单向平衡阀的B口、高压梭阀的A口与电磁换向阀的A口相连；单向平衡阀的A口、单向阀的B口在集成块内与之A口连通；高压梭阀的B口、电磁换向阀的B口、单向平衡阀的C口在集成块内与之B口连通；高压梭阀的0口在集成块内与之C口相连；电液流量比例阀的A口与电磁换向阀的P口相连通、P口则与集成块内的ent进油口相连通、T口则与集成块内的exc泄油口相连通；换向电磁阀的0口在集成块内与之ret回油口相连通。

本实用新型的技术效果：

该实用新型的装置不仅具有变频电机送钻的优点，避免了当前普遍采用的变频电机或液压盘刹送钻存在的效率与费效比低、体积庞大的缺点，也充分提高了组合液压源的利用效率，具有明显的经济效益。

附图说明

附图1是本实用新型的结构原理示意图。

附图1中的标号说明

1.钩载信号变送器               11.高压梭阀

2.绞车                         12.换向电磁阀

3.绞车驱动电机                 13.液压集成块

4.绞车双输入轴减速箱           14.电液流量比例阀

5.离合器                       15.电液流量比例阀放大器

6.液压马达测速器               16.自动/手动换向开关

7.低速大扭矩液压马达           17.控制器

8.液压制动器                   18.手动提升/下放操纵手柄

9.单向阀                       19.组合液压站

10.单向平衡阀

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本实用新型的应急提升、送钻装置做进一步的详细阐述，但不能以此来限制本实用新型的保护范围。先请看图1，图1是本实用新型的结构原理示意图。由图可知，1、一种石油钻机自动送钻、应急提升装置，由绞车2、减速箱4和连接在第一输入轴上的主动力电机3组成，减速箱4的第二输入轴上连接有以液压马达为动力的自动送钻、应急提升装置；由测速器、悬重变换器、离合器、液压马达及液压调速集成块总成、手动提升/下放操纵手柄SM、自动/手动转换开关SX、控制器和组合液压站组成，液压马达7的主轴通过离合器5与绞车减速箱4的第二输入轴相连，提供送钻和应急提升动力；液压马达7的油口A和油口B分别与液压调速集成块总成13相应油口A和油口B连通，油口C则与液压制动器8相连；液压调速集成块总成13上的电液流量比例阀放大器15的输入in端子与自动/手动转换开关SX16的端子9相连，换向电磁阀12的正转与反转端子1、2分别与自动/手动转换开关SX16的端子7、8相连；控制器17模拟量输出端子与自动/手动转换开关SX16的端子5相连，控制液压马达转向的数字量输出端子与自动/手动转换开关SX16的端子1、3相连；SM手动提升/下放操纵手柄(18)上的液压马达转向控制信号和调速信号分别与自动/手动转换开关SX(16)的端子2、4、6相连；液压调速集成块总成13的进油ent口和回油ret口通过油管分别与组合液压站19相应油口连通；PG测速器6安装在液压马达输出轴上，其输出信号与控制器17的计数器端子相连；安装在死绳固定器上的BS悬重变送器1，其输出信号与控制器17的模拟量输入端子相连；所述的液压调速集成块总成13由单向阀9、单向平衡阀10、换向电磁阀12、电液流量比例阀14及闭环放大器15组成，上述各组成元件安装在液压集成块上，单向阀9的A口、单向平衡阀10的B口、高压梭阀11的A口与电磁换向阀12的A口相连；单向平衡阀10的A口、单向阀9的B口在集成块内与之A口连通；高压梭阀11的B口、电磁换向阀12的B口、单向平衡阀10的C口在集成块内与之B口连通；高压梭阀11的O口在集成块内与之C口相连；电液流量比例阀14的A口与电磁换向阀12的P口相连通、P口则与集成块内的ent进油口相连通、T口则与集成块内的exc泄油口相连通；换向电磁阀12的O口在集成块内与之ret回油口相连通。

1.上述装置的基本构成

本实用新型由动力部件、液压调速部件、钻压、钻速控制部件和组合液压站四部分构成。动力部件由双输入轴减速箱4、气胎离合器5、液压马达6等动力和传动机械组成；液压调速部件主要由安装在液压集成块13上的电液流量比例阀及放大器14、15，换向电磁阀12，单向阀9，单向平衡阀10等液压元件所构成的液压调速总成与SX自动/手动转换开关16、手动提升/下放手柄18共同组成；钻压、钻速控制部件由控制器17、BS钩载变送器1、PG测速器6组成速度和钻压控制闭环。

2.应急提升、下放功能的解决方案

绞车的应急提升、下放功能是在装置手动状态下，通过操作提升/下放手柄实现的。其实现原理是：当提升/下放手柄18置于提升位置时，手柄内的提升开关将电磁换向阀12的1#端子得电，高压油由电磁换向阀的P口流向A口，经过单向阀9，继而流向液压马达7的A口，推动马达正转，做工后的低压油从液压马达7的B口流向电磁换向阀的B口。马达主轴通过离合器5、减速箱4和减速箱输出轴相连的绞车滚筒，将马达输出的扭矩传递到钻机的游动系统，使钻机大钩上升。反之，当提升/下放手柄18置于下放位置时，手柄内的下放开关将电磁换向阀12的2#端子得电，高压油由电磁换向阀的P口流向B口，继而流向液压马达7的B口，由于液压马达的B口油压比A口高，单向平衡阀10被打开，构成从液压马达7A口到电磁换向阀12A口的回油通道，推动马达反转，从而使钻机大钩下放。

3.应急提升、下放时的调速功能解决方案

绞车的应急提升、下放时的调速是通过调整液压马达7流量实现的，具体如下：

手动提升/下放手柄18内除了安装有控制液压马达7转向的开关外，还装有调速控制电位计，当转动手柄超过一定角度后，电位计输出的电压与操纵手柄的转动角度有关，角度小输出电压亦小，角度大输出亦大。操纵手柄电位计输出的电压通过SX自动/手动转换开关16加到电液流量比例阀放大器15的输入端，转换成控制流量比例阀14的电流信号，控制比例阀的节流，实现比例阀的流量调节。由于流量比例阀14的流量正比于操纵手柄18电位计输出的电压，液压马达7的转速也正比于操纵手柄18的转动角度。因此，转动操纵手柄便能方便的实现绞车提升、下放速度调整。为保持速度调整过程的平稳、可靠，操纵手柄带有阻尼和定位锁紧机构。

4.自动送钻功能的解决方案

本实用新型的自动送钻功能是在以液压马达7为执行机构，电液流量比例阀14为液压马达流量调整元件，直接开环控制马达转速的基础上，配以闭环控制器和BS钩载变送器1、PG测速器6组成速度和钻压的闭环控制。其具体方案如下：

根据钻速方程可认为在一段不太长的钻进地层上，地层硬度、水力参数、转盘转速、循环泵压基本不变时，钻压主要取决于送钻速度，因此调整送钻速度即能调整控制钻压。自动送钻的恒钻压控制方案即根据此原理设计。

控制器17的恒钻压控制方案是一个串级控制方案，内环是速度控制环，外环是钻压控制环。串级控制是一种多层控制策略，把鲁棒性和抗干扰性分解到不同环节分别控制。

位于液压马达7主轴上的PG测速器6的马达转速信号，经控制器17与给定转速相比处理成液压马达7主轴的转速误差，作为控制器内环-速度环的调整信号。其次，安装在死绳固定器上的BS钩载变送器1的钩载信号经与控制器17悬重复零时记录的悬重相减处理成钻压实际值，作为钻压反馈调整信号构成控制器17的外环-钻压环。内、外环的调节器采用鲁棒性较好，具有一定自适应能力的智能型PID型调节器。

下面对保持钻压恒定的调整过程作一说明。假设某个因素使钻压减小，即BS钩载变送器1输出的钩载反馈信号变大，与给定的钻压相比，钻压误差变增大，经过钻压环调节器调整后，调节器输出增大，表示需加大送钻速度；钻压环调节器的输出与PG测速器6的速度反馈信号相比产生的速度误差相应也增大，使速度环的输出增大，即控制器17的输出增大，电液流量比例阀12A口的供油流量增加，使液压马达7下放转速加快。由于送钻速度加大，导致钻压逐渐上升，钻压误差逐渐减小。当钻压误差逐渐减小为零时，送钻速度不再增加，钻压维持在新的平衡点上。

Claims (4)

1、一种石油钻机自动送钻、应急提升装置，由绞车(2)、减速箱(4)和连接在第一输入轴上的主动力电机(3)组成，其特征是：减速箱(4)的第二输入轴上连接有以液压马达为动力的自动送钻、应急提升装置；

由测速器、悬重变换器、离合器、液压马达及液压调速集成块总成、手动提升/下放操纵手柄SM、自动/手动转换开关SX、控制器和组合液压站组成，液压马达(7)的主轴通过离合器(5)与绞车减速箱(4)的第二输入轴相连，提供送钻和应急提升动力；液压马达(7)的油口A和油口B分别与液压调速集成块总成(13)相应油口A和油口B连通，油口C则与液压制动器(8)相连；液压调速集成块总成(13)上的电液流量比例阀放大器(15)的输入in端子与自动/手动转换开关SX(16)的端子9相连，换向电磁阀(12)的正转与反转端子1、2分别与自动/手动转换开关SX(16)的端子7、8相连；控制器(17)模拟量输出端子与自动/手动转换开关SX(16)的端子5相连，控制液压马达转向的数字量输出端子与自动/手动转换开关SX(16)的端子1、3相连；SM手动提升/下放操纵手柄(18)上的液压马达转向控制信号和调速信号分别与自动/手动转换开关SX(16)的端子2、4、6相连；液压调速集成块总成(13)的进油ent口和回油ret口通过油管分别与组合液压站(19)相应油口连通；PG测速器(6)安装在液压马达输出轴上，其输出信号与控制器(17)的计数器端子相连；安装在死绳固定器上的BS悬重变送器(1)，其输出信号与控制器(17)的模拟量输入端子相连；

所述的液压调速集成块总成(13)由单向阀(9)、单向平衡阀(10)、换向电磁阀(12)、电液流量比例阀(14)及闭环放大器(15)组成，上述各组成元件安装在液压集成块上，单向阀(9)的A口、单向平衡阀(10)的B口、高压梭阀(11)的A口与电磁换向阀(12)的A口相连；单向平衡阀(10)的A口、单向阀(9)的B口在集成块内与之A口连通；高压梭阀(11)的B口、电磁换向阀(12)的B口、单向平衡阀(10)的C口在集成块内与之B口连通；高压梭阀(11)的0口在集成块内与之C口相连；电液流量比例阀(14)的A口与电磁换向阀(12)的P口相连通、P口则与集成块内的ent进油口相连通、T口则与集成块内的exc泄油口相连通；换向电磁阀(12)的0口在集成块内与之ret回油口相连通。

2、根据权利要求1所述的一种石油钻机自动送钻、应急提升装置，其特征在于，所述的减速箱(4)为具有多种机械传动形式和结构的减速装置，可为齿轮、链轮、带轮或单级或多级减速机。

3、根据权利要求2所述的一种石油钻机自动送钻、应急提升装置，其特征在于，所述的液压马达(7)为低速大扭矩液压马达、或为带液压制动器的低速大扭矩液压马达、或为带减速机的液压马达回转装置。

4、根据权利要求2所述的一种石油钻机自动送钻、应急提升装置，其特征在于，所述的控制器(17)可为PLC可编程控制器、或为工业控制计算机、或为PID调节器。

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