CN201770439U - 石油钻机绞车恒功率调速系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种石油钻机绞车恒功率调速系统，石油钻机上包括有操作手柄、绞车、绞车电机、变频器、PLC、提升系统、钻机钻具和死绳固定器，死绳固定器上设有压力变送器，该压力变送器通过电缆连接至PLC，绞车电机通过电缆与变频器相连，该变频器连接至PLC，操作手柄通过电缆与PLC通讯，PLC中设定有绞车电机的基速，还设有比较模块和指令模块。本实用新型自动调节绞车电机转速，保持其恒功率运行状态，使钻具提升或下放速度一直维持在最快状态，可有效提高钻井作业效率，节省钻井成本。

Description

石油钻机绞车恒功率调速系统 

技术领域

本实用新型涉及石油钻采设备，特别涉及到石油钻机上绞车的一种新型的恒功率调速系统。 

背景技术

在石油钻机上，绞车是提升系统的动力来源，也是提升系统速度快慢的控制中枢。对于交流/直流电动钻机的钻井作业过程而言，司钻在司钻控制房内操控绞车的操作手柄，人为给定一个绞车电机转速调整指令信号，远程通讯给电气控制房内的可编程控制器(PLC)，由PLC控制变频器/直流柜发出动作指令来改变绞车电机的转速，从而实现对绞车速度的控制。 

在钻井起下钻作业过程中，司钻的操作工序是单一和重复的，而且耗时长，使得司钻极易产生生理和心理上的疲惫感。此时，为保证钻井作业过程的安全性，司钻常采用有意降低绞车电机转速的方式进行作业，结果导致了钻井工作效率降低，钻井作业成本增加。 

根据电机的理论公式：功率(kw)＝扭矩(Nm)×转速(rpm)/常数。对于绞车而言，功率是个恒定值，即为绞车标定的额定功率，而扭矩和转速是两个变化值。当扭矩一定时，即可获得绞车一定转速值，也就是说电机运行在恒功率的状态下。对于钻机而言，钻机钻具随提升系统做直线垂直升降运动，扭矩就取决与钻具的实时重量。因此，此时电机的转速计算公式为：最大转速＝额定功率/钻机钻具重量*常数。 

在钻井起下钻作业过程中，绞车若能经常运行在最大转速的工作状态下，即绞车电机能保持在恒功率运行状态下，则对于提高钻井作业效率、降低钻井作业成本的意义非常明显。以一台交流电动钻机挖掘一口 4000米深油井的作业过程为例，整个作业过程通常需要起下钻各6次，每次需要用时18～24个小时。如果绞车电机一直处于恒功率工作状态，则可以节省36～48个小时的钻井作业时间，即提高钻井作业效率16％～20％。 

发明内容

本实用新型的目的在于解决钻机电机速度控制单一带来的钻井效率的问题，提供一种使绞车电机一直处于恒功率工作的调速系统。该调速系统使得绞车电机能保持在恒功率运行状态下，则可提高钻井作业效率、降低钻井作业成本。 

为了达到上述发明目的，本实用新型提供的技术方案如下： 

一种石油钻机绞车恒功率调速系统，该石油钻机上包括有操作手柄、绞车、绞车电机、变频器、PLC、提升系统、钻机钻具和死绳固定器，所述的死绳固定器上设有用以读取钻机钻具重量的压力变送器，该压力变送器通过电缆连接至PLC，绞车电机通过电缆与变频器相连，该变频器连接至PLC，所述的操作手柄通过电缆与PLC通讯，所述PLC中设定有绞车电机的基速，还设有比较即时转速和基速的比较模块以及向变频器发送控制转速的指令模块。 

在本实用新型中的PLC内，所述的即时转速小于基速状态下，绞车电机设有用于输入人为转速的操作手柄。所述的即时转速大于基速状态下，绞车电机采用压力变送器所测重量转化后的最大转速。 

本实用新型中的钻机钻具的实时重量通过钻井钢丝绳传递给死绳固定器，再由死绳固定器上的压力变送器将钻具的重量信息传递给电气控制房内的PLC，计算出届时绞车电机最大转速； 

本实用新型通过司钻控制房内的绞车操作手柄，人为给定绞车电机的转速，并通讯给电气控制房内的PLC；同时变频器也将绞车电机的即时速度通讯给PLC； 

由PLC比较三个速度：来自绞车操作手柄人为给定的绞车电机转速、 PLC自动计算给定的绞车电机转速和变频器传递的绞车电机即时速度，在绞车电机基速以下采用绞车操作手柄人为给定转速，实现低速大扭矩，保证钻机启动需要；在绞车电机基速以上采用PLC计算给定转速，实现恒功率运行，保证提升系统的最高运行速度。 

基于上述技术方案，本实用新型较现有技术取得了如下技术优点： 

本实用新型采用PLC，把绞车电机工况分为2个阶段，即恒扭矩段和恒功率段，在绞车电机转速低于基速时采用操作手柄人为给定的转速，在绞车电机转速高于基速时采用依据大钩实时重量PLC自动按恒功率公式计算给定绞车电机的转速，使得绞车电机在绝大多数的工作时间里保持恒功率的运行状态，从而实现提升系统以最高速度完成钻井起下钻作业过程，达到提高钻井作业效率和降低钻井作业成本的目的。 

附图说明

图1是本实用新型石油钻机绞车恒功率调速系统中设计原理示意图。 

图2是本实用新型石油钻机绞车恒功率调速系统的结构连接示意图。 

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本实用新型的石油钻机绞车恒功率调速系统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。 

请看图1，图1是本实用新型石油钻机绞车恒功率调速系统中设计原理示意图。由图可知，本实用新型中的钻机钻具的实时重量通过钻井钢丝绳传递给死绳固定器，再由死绳固定器上的压力变送器将钻具的重量信息传递给电气控制房内的PLC，计算出届时绞车电机最大转速；本实用新型通过司钻控制房内的绞车操作手柄，人为给定绞车电机的人为转速，并通讯给电气控制房内的PLC；同时变频器也将绞车电机的即时 速度通讯给PLC；由PLC比较三个速度：来自绞车操作手柄人为给定的绞车电机转速、PLC自动计算给定的绞车电机转速和变频器传递的绞车电机即时速度，在绞车电机基速以下采用绞车操作手柄人为给定转速，实现低速大扭矩，保证钻机启动需要；在绞车电机基速以上采用PLC计算给定转速，实现恒功率运行，保证提升系统的最高运行速度。 

图2是本实用新型石油钻机绞车恒功率调速系统的结构连接示意图。由图可知，钻机钻具12悬挂在钻机1的提升系统11上，提升系统11由钻井钢丝绳2牵引。钻井钢丝绳2的一端固定在死绳固定器13上，另外一端缠绕在绞车5的滚筒上。绞车5正转则下放提升系统11，绞车5反转则拉起提升系统11，钻机钻具12随提升系统11同升同降。 

压力变送器14安装在死绳固定器13上，随死绳固定器13受力的不同而产生不同的压力值，并通过电缆16将钻机钻具12的实时重量值传递给电气控制房8内的可编程控制器PLC10。 

绞车电机6与绞车5连为一体，为绞车5的运转提供动力来源。绞车电机6通过电缆7与电气控制房8内的变频器9连接，由变频器9控制其转速的快慢。绞车操作手柄4位于司钻控制房3内，并通过电缆15与电气控制房8内的PLC10通讯，将司钻人为给定的绞车转速传递给PLC10。 

工作时，通过钻井钢丝绳2和提升系统11，钻机钻具12的实时重量传递到死绳固定器13上，并引起压力变送器(14)数值的变化。压力变送器14通过电缆16将钻机钻具12的实时重量通讯给电气控制房8内的PLC10。PLC10获得钻机钻具12的实时重量后，根据最大转速的计算公式：最大转速＝额定功率/钻机钻具*常数，计算出恒功率状态上的绞车电机6的最大转速。 

变频器9将绞车电机6的即时转速通讯给电气控制房8的PLC10。同时，司钻在司钻控制房3内控制绞车操作手柄4，人为给定绞车电机的人为转速，并通过电缆15通讯给电气控制房8内的PLC10。 

PLC10首先判断绞车电机的即时转速是否大于基速。若绞车电机的即时转速小于基速，则说明此时绞车电机6处于启动阶段，需要运行在低速大扭矩的工作状态才能保证顺利起升或下放钻机钻具12，此时必须采用绞车操作手柄4人为给定的绞车电机转速；若绞车电机的即时转速大于基速，则说明此时绞车电机6处于正常工作状态，则选取PLC10计算给定的绞车电机转速，使绞车电机6运行在恒功率状态下，保证提升系统11和钻机钻具12可获得最高的提升或下放速度，使钻机1的工作效率最佳。PLC10判定后，将最佳的绞车电机转速通讯给变频器9，再由变频器9通过电缆7传递给绞车电机6，对绞车电机6的转速进行调整。 

本实用新型利用可编程控制器实现起下钻作业过程中根据钻机钻具重量自动调节绞车电机转速，保持恒功率运行状态，使钻具提升或下放速度一直维持在最快状态，可有效提高钻井作业效率，节省钻井成本。 

Claims (2)

1.一种石油钻机绞车恒功率调速系统，该石油钻机上包括有操作手柄(4)、绞车(5)、绞车电机(6)、变频器(9)、PLC(10)、提升系统(11)、钻机钻具(12)和死绳固定器(13)，其特征在于，所述的死绳固定器(13)上设有用以读取钻机钻具(12)重量的压力变送器(14)，该压力变送器(14)通过电缆连接至PLC(10)，绞车电机(6)通过电缆与变频器(9)相连，该变频器(9)连接至PLC(10)，所述的操作手柄(4)通过电缆与PLC(10)通讯，所述PLC(10)中设定有绞车电机的基速，还设有比较即时转速和基速的比较模块以及向变频器(9)发送控制转速的指令模块。

2.根据权利要求1所述的石油钻机绞车恒功率调速系统，其特征在于，所述的即时转速小于基速状态下，绞车电机(6)设有用于输入人为转速的操作手柄(4)。 

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