CN201650158U - 直流主电机自动送钻系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关于一种直流主电机自动送钻系统，是一种配套于石油钻机上的绞车以保持恒定钻压方式自动钻进的控制系统，此系统由硬件和软件两部分组成。硬件包括直流主电机、绞车、游车、组合钻具、直流调速装置、自动化控制器(PLC)以及安装于现场指定位置的悬重变送器、和滚筒轴编码器等；软件包括上位机程序、PLC程序。本实用新型通过软硬件的有机结合，以钻压环、速度外环和电流内环组成三闭环的自动控制，使得钻头在钻进过程中实时承受司钻设定的钻压，从而实现了恒压送钻功能。这种以直流主电机为控制对象，实现自动送钻功能的自动送钻系统，填补了目前国内石油钻机使用直流主电机实现自动送钻功能的空白。

Description

直流主电机自动送钻系统

技术领域

本实用新型涉及一种自动送钻系统，特别是涉及一种在石油钻机上，利用绞车的直流主电机自动送钻系统。

背景技术

目前，石油钻机电驱动系统采用的自动送钻系统主要有四种类型：

1、独立小电机送钻，是在计算机控制下，通过45KW的独立变频电动机，经摆线针轮行星减速器后输入齿轮减速器驱动绞车滚筒轴转动，实现自动送钻功能。它可以实现恒压送钻与恒速送钻；使用范围相对较大，可用于半电动系统钻机、全电动直流系统、全电动变频系统。但该送钻系统在机械上要另外使用大传动比的齿轮箱，以及高性能的气胎离合器等；在电气上又要增加送钻变频柜。司钻挂合与解除自动送钻操作步骤繁琐；成本相对较高；机械维修工作量大。

2、绞车主变频电机送钻，是在计算机软硬件控制下，通过800KW的变频电动机，经齿轮减速箱驱动绞车滚筒轴转动，实现自动送钻功能。它可以实现恒压送钻与恒速送钻；且操作方便，可靠性高，尤其以国外知名集成商的控制系统效果更好。但是该送钻系统仅能在电驱动变频钻机上利用绞车变频系统实现，而变频电动钻机的成本相当昂贵，因此大面积推广使用十分受限。

3、盘式刹车送钻，是经电控箱、现场各种液压阀、传感器的软硬件结合，通过盘式刹车实现自动送钻功能。它可以实现恒压送钻；其成本低廉，使用范围大，半电动系统钻机、全电动直流系统、全电动变频系统以及纯机械钻机具均可使用。但由于受液压系统动作反应慢的影响，运行中的盘刹工作钳经常处于似抱似松的状态，磨损严重，使其使用寿命大大缩短；并且不能够实现恒速送钻。

4、伊顿刹车自动送钻，是由可编程逻辑控制器(Programmable logicController，PLC)的程序运算后输出电信号，经阀岛控制伊顿刹车的大、小气缸的压力，实现自动送钻功能。其成本低、易于操作，作为辅助刹车，可以配套所有石油钻机使用。但是由于伊顿刹车是靠气压调节刹车片的制动力矩，因此，控制精度不是很理想。

由此可见，上述现有的四种类型的自动送钻系统在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，例如伊顿刹车送钻和盘式刹车送钻，本身不能产生电动能，无法实现变频电机自动送钻系统所具有的恒速送钻功能，同时就绞车主变频电机送钻而言，昂贵的成本则限制了其大面积推广与使用。另外，由于石油钻机电驱动领域大量使用直流驱动系统，因此，如何能创设一种性价比更高的新型结构的直流主电机自动送钻系统，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需努力的目标。

有鉴于上述现有的四种类型的自动送钻系统存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的直流主电机自动送钻系统，能够改进一般现有的自动送钻系统，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计、和可行性论证，并经过反复试验及优化程序后，终于创设出以直流主电机为控制对象的确具实用价值的本发明，为石油钻机自动送钻技术领域又增添了一种新型的自动送钻控制系统。

发明内容

本实用新型的目的在于，克服现有的自动送钻系统存在的缺陷，而提供一种新型结构的直流主电机自动送钻系统，所要解决的技术问题是使其在石油钻机电驱动系统的自动送钻系统中以直流方式驱动绞车的直流主电机，实现自动送钻功能，非常适于实用。

本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本实用新型提出的一种直流主电机自动送钻系统，配套于石油钻机的绞车，使其在受控的方式下恒压送钻，其中，在该绞车的滚筒上多圈缠绕有一单根钢丝绳，该钢丝绳的一端紧固于死绳固定器上，另一端通过安装在井架顶端的定滑轮悬挂一可上下运动的游车，在该游车的下端卡有可旋转的组合钻具，该直流主电机自动送钻系统包括：一直流主电机，安装在钻台上，通过链条与该绞车的滚筒连接；一悬重变送器，安装于该死绳固定器处；一滚筒轴编码器，与该绞车的滚筒同轴安装；一自动化控制器，实时接收由该悬重变送器检测到的该游车悬重的悬重信号，及由该滚筒轴编码器测得的该滚筒转动的速度信号；以及一直流调速装置，接收该自动化控制器发出的一控制信号，输出直流电流至该直流主电机，产生力矩驱动该绞车。

本实用新型的目的以及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的直流主电机还设有一电流互感器。

前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的自动化控制器还实时接受该电流互感器采集到的该直流主电机的电流信号。

前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的自动化控制器具有一压力调节器、一速度调节器及一电流调节器。

前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的压力调节器接收由该悬重信号转换成的一实际钻压反馈值信号，及一钻压给定值信号，经比例积分运算输出一第一输出信号。

前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的给定钻压值信号是由操作人员通过该自动化控制器的一人机界面输入。

前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的速度调节器接收由该速度信号转换成的一实际速度反馈值信号，及作为速度给定值信号的该第一输出信号，经比例积分运算输出一第二输出信号。

前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的电流调节器接收由该电流信号转换成的一实际电流反馈值信号，及作为电流给定值信号该第二输出信号，经比例积分运算输出该控制信号。

前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的自动化控制器为可编程逻辑控制器。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本实用新型直流主电机自动送钻系统至少具有下列优点及有益效果：本实用新型在以直流驱动电控系统上首次成功实现了自动送钻功能，并且在使用时无需增加任何附属设备，电控系统本身的配置，就已具备自动送钻的硬件配置要求，因此可以在降低成本的条件下，达到正常钻进时自动、合理、可靠地下放钻具的效果。

综上所述，本实用新型是有关于一种直流主电机自动送钻系统，是一种配套于石油钻机上的绞车以保持恒定钻压方式自动钻进的控制系统，此系统由硬件和软件两部分组成。硬件包括直流主电机、绞车、游车、组合钻具、直流调速装置、自动化控制器(PLC)以及安装于现场指定位置的悬重变送器、和滚筒轴编码器等；软件包括上位机程序、PLC程序。本实用新型通过软硬件的有机结合，以钻压环、速度外环和电流内环组成三闭环的自动控制，使得钻头在钻进过程中实时承受司钻设定的钻压，从而实现了恒压送钻功能。这种以直流主电机为控制对象，实现自动送钻功能的自动送钻系统，填补了目前国内石油钻机使用直流主电机实现自动送钻功能的空白。本实用新型在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本实用新型直流主电机自动送钻系统的机械配置示意图。

图2是本实用新型直流主电机自动送钻系统的控制方框示意图。

图3是本实用新型直流主电机自动送钻系统的控制原理示意图。

图4是本实用新型直流主电机自动送钻系统的人机界面示意图。

1：自动化控制器                2：直流调速装置

3：悬重变送器                  4：滚筒轴编码器

5：直流主电机                  6：上位机程序

7：PLC程序                     8：滚筒

9：钢丝绳                      10：链条

11：定滑轮                     12：游车

13：钻杆                       14：钻头

15：钻台                       16：井架

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的直流主电机自动送钻系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效获得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。

请参阅图1所示，是本实用新型直流主电机自动送钻系统的机械配置示意图，本实用新型直流主电机自动送钻系统的直流主电机5安装在钻台15上，通过链条10与绞车的滚筒8连接，实现直流主电机5对滚筒8的驱动。滚筒轴编码器4与滚筒8同轴安装，并且在滚筒8上多圈缠绕有单根钢丝绳9，钢丝绳9的一端紧固在死绳固定器(未图示)上，另一端通过安装在井架16顶端的定滑轮11悬挂着游车12，从而通过滚筒8的正转和反转，使游车12上下运动，可旋转的组合钻具卡在游车12下方，该组合钻具的旋转是由转盘(未图示)驱动，如图所示，该组合钻具包括钻杆13和设置于钻杆13下端的钻头14，同时，在死绳固定器上安装有可以感知当前钻具悬重的悬重变送器3。这样，在进钻时，深入地层最下端的钻头14，会直接与井底岩层接触，由于主要受到钢丝绳9向上的拉力以及组合钻具的自重等因素的共同作用，为避免过重的压力损坏钻头14，要保证落在钻头14上的压力保持在某一个相对恒定的范围。

请配合参阅图2及图3所示，图2是本实用新型直流主电机自动送钻系统的控制方框示意图，图3是本实用新型直流主电机自动送钻系统的控制原理示意图，为实现正常钻进时以保持恒定钻压方式的自动钻进控制，本实用新型的直流主电机自动送钻系统还包括：自动化控制器1和直流调速装置2。自动化控制器1更包括压力调节器、速度调节器和电流调节器。在本实施例中自动化控制器1为可编程逻辑控制器(Programmable LogicController，PLC)，其内部运行有PLC程序7和上位机程序6。

由此，本实用新型通过由钻压环、速度外环和电流内环组成三闭环的自动控制，使得钻头14在钻进过程中实时承受司钻设定的钻压，从而实现恒压送钻。其控制过程具体描述如下：

首先，通过上位机程序6的操作画面及PLC程序7，实时处理钻进过程中由悬重变送器3检测到的游车悬重的悬重信号(信号)，将其转换成瞬时钻压信号作为实际钻压反馈值(信号)，并与由上位机程序6的画面输入的钻压给定值(信号)通过压力调节器进行比例积分运算，输出一第一输出信号，该运算结果的第一输出信号是作为速度环的给定值(信号)，这样就实现了恒钻压的闭环控制。

然后，通过PLC程序7，将钻压环的输出作为速度给定值(信号)，与由滚筒轴编码器4实时测得的滚筒8的当前速度值作为实际速度反馈值(信号)，经速度调节器比例积分运算，并经限幅处理速度环的输出，获得一第二输出信号，这样速度的闭环控制构成了速度外环。速度外环比例积分运算的结果，将作为电流内环的给定。同时，通过与绞车滚筒8同轴安装的滚筒轴编码器4检测钻具下放的实际速度，实现对下放钻具超速、溜钻等失控现象的保护。

最后，通过PLC程序7，将速度外环比例积分运算输出的第二输出信号作为电流内环的电流给定值(信号)，与从安装于直流主电机5的电流互感器(未图示)采集到的实际电流值(信号)作为实际电流反馈值(信号)，经电流调节器比例积分运算，输出一控制信号，控制直流调速装置2，直流调速装置2则输出直流电流至直流主电机5，直流主电机5产生力矩驱动绞车在受控的方式下恒压钻进。

本实用新型的核心是通过由钻压环、速度外环以及电流内环组成的三闭环控制系统。并且在控制过程中，直流主电机5在钻具重力等因素的作用下会反转发电，工作在第四象限，从而向电网回馈能量。最终使得直流调速装置2输出受控的直流电流，控制受控对象直流主电机5产生力矩驱动绞车，绞车则在受控的情况下恒压钻进，达到正常钻进时自动、合理、可靠地下放钻具的效果。

本实用新型在具体操作时，通过上位机程序6的人机界面实现对系统恒压进钻的人机交互监控，其中人机界面主要由模拟量显示画面，送钻操作画面、高度显示画面等组成，如图4所示，图4是本实用新型直流主电机自动送钻系统的人机界面示意图。其中，模拟量显示画面监控滚筒8的实际速度、游车12悬重、实际钻压。送钻操作画面提供给司钻选择自动送钻。当钻头14到达井底位置时，首先钻压校零，然后设定给定钻压、下放速度限制，之后松开盘刹，完全进入自动送钻模式。其中，高度显示画面会监控游车12的当前高度。

以下为利用西门子PLC-S7-300程序中集成的SCL语言，编写的本实用新型的程序功能块F**，其实用程序段如下：

  FUNCTION  FC11：VOID

  TITLE＝’SLITON_FC**’

  VERSION：’1.1’

  AUTHOR：Zhj

  NAME：FB

  FAMILY：SLITION

  KNOW_HOW_PROTECT

VAR_INPUT

  KP           ：REAL；    //P参数

  TI           ：REAL；    //I参数

  TD           ：REAL；    //D参数

  HI_LIMIT     ：REAL；

  LO_LIMIT     ：REAL；

  HI_LIMIT_1   ：REAL；

  GV_DELAY     ：REAL；    //经过延时后的给定

  FBV          ：REAL；    //反馈

END_VAR

VAR

  ek           ：REAL；    //偏差值

END_VAR

VAR_TEMP

  MW_TEMP      ：INT；

END_VAR

VAR_OUTPUT

  U            ：real；    //PID计算后的输出值

END_VAR

BEGIN

//ek：＝GV_DELAY-FBV；

//U：＝db10.U1+KP*(ek-db10.ek1)+KP*0.02*ek/TI+KP*Td*(ek-2*db10.ek1+db10.ek2)/0.02；//0.02是运算周期设定为20ms

END_IF；

由SCL语言编写的源文件，经编译后生成的程序功能块F**，是被组织块OB35中断调用，中断周期设定为20mS。

系统通过实时采集游车12悬重、滚筒实际速度、转盘转矩、泥浆泵压力等信号，与事先设定值进行比较，可以完成对异常现象的及时诊断和保护。但它主要的任务仍然是进行钻压环与速度环的比例积分(PI)调节，其中钻压环的设置是：功能块名称FC10，比例P＝4.08、积分I＝8.30；速度环的设置是：功能块名称FC11，比例P＝1.52、积分I＝6.63，以上数据取自现场调试的最终结果。速度环运算的结果，给电流环提供了一个精确的电流给定值。而电流调节器控制触发脉冲，此触发脉冲去触发直流调速装置2的功率组件产生直流电流，最后驱动直流主电机5。同时，运行程序完成对游车12当前高度和滚筒8实际速度进行监控。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种直流主电机自动送钻系统，配套于石油钻机的绞车，使其在受控的方式下恒压送钻，其中，在该绞车的滚筒上多圈缠绕有一单根钢丝绳，该钢丝绳的一端紧固于死绳固定器上，另一端通过安装在井架顶端的定滑轮悬挂一可上下运动的游车，在该游车的下端卡有可旋转的组合钻具，其特征在于该直流主电机自动送钻系统包括：

一直流主电机，安装在钻台上，通过链条与该绞车的滚筒连接；

一悬重变送器，安装于该死绳固定器处；

一滚筒轴编码器，与该绞车的滚筒同轴安装；

一自动化控制器，实时接收由该悬重变送器检测到的该游车悬重的悬重信号，及由该滚筒轴编码器测得的该滚筒转动的速度信号；以及

一直流调速装置，接收该自动化控制器发出的一控制信号，输出直流电流至该直流主电机，产生驱动该绞车的力矩。

2.根据权利要求1所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的直流主电机还设有一电流互感器。

3.根据权利要求2所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的自动化控制器还实时接受该电流互感器采集到的该直流主电机的电流信号。

4.根据权利要求3所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的自动化控制器具有一压力调节器、一速度调节器及一电流调节器。

5.根据权利要求4所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的压力调节器接收由该悬重信号转换成的一实际钻压反馈值信号，及一钻压给定值信号，经比例积分运算输出一第一输出信号。

6.根据权利要求5所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的给定钻压值信号是由操作人员通过该自动化控制器的一人机界面输入。

7.根据权利要求5所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的速度调节器接收由该速度信号转换成的一实际速度反馈值信号，及作为速度给定值信号的该第一输出信号，经比例积分运算输出一第二输出信号。

8.根据权利要求7所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的电流调节器接收由该电流信号转换成的一实际电流反馈值信号，及作为电流给定值信号该第二输出信号，经比例积分运算输出该控制信号。

9.根据权利要求1所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的自动化控制器为可编程逻辑控制器。

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