CN204327064U - 一种应用于石油钻机的四参数自动送钻系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型有关于一种应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，包括送钻装置开关、电抗器、控制单元、变频单元、检测组件、PLC控制器、变频电机和上位机；其中，该送钻装置开关与电抗器连接，该电抗器设置于主电路回路，与控制单元连接；该控制单元包括至少一个UPS电源和多个继电器，该UPS电源与系统中的其他用电元件连接，该多个继电器分别与变频单元、PLC控制器相连接；该变频单元包括变频器、制动电阻和DTI板，该变频器整流部分直流母线输出与制动电阻连接，该DTI板也与变频器连接，该变频器的出线端与变频电机相连接；该检测组件包括电流检测器、电压检测器、悬重压力检测器、泵压压力检测器、扭矩检测器和速度检测器；该上位机与PLC控制器连接。

Description

一种应用于石油钻机的四参数自动送钻系统

技术领域

本实用新型涉及自动化领域，特别是涉及一种应用于石油钻机的四参数自动送钻系统。

背景技术

近年来，随着全球工业化和自动化系统的不断发展，对油田开发的钻井设备也取得了很大的发展。石油和天然气是宝贵的能源和化工原料，但它们埋藏在几千米的岩石中，为了开采石油和天然气需要钻井，所以，一套技术先进工作可靠的钻井设备是至关重要的。

目前，我国石油钻井的规模居世界第三位，但所使用的石油钻机控制技术比较落后。中国前期的石油钻机技术为机械钻机并经历了几十年的时间，在这个时期工人的劳动强度特别大且工作危险性高。20世纪80年代开始出现电动钻机，国产电驱动钻机已经开始由AC-DC向AC-DC-AC变频驱动过度，PLC技术、微电脑技术、工业自动化等先进技术的发展大大提高了石油钻机的自动化水平。在这种环境下，通过许多的钻机技术人员、电控技术人员及钻机操作人员的共同努力，自动送钻技术得到了长足的进步，为钻机实现自动化、智能化打下了坚实的基础。

自动送钻系统是钻井体系的一个重要组成部分，是根据钻机电驱动系统钻井工艺的要求而开发的一种新型控制系统。纵观世界各国的自动送钻系统，按控制系统主传动方式可以分为机械式、气动式、液动式、电动式和计算机式，其中计算机式由于具有软件编程的灵活性、控制算法可优化选择和能不断提高控制品质的特点，成为自动送钻技术发展的新热点。而按控制钻进参数可以分为恒钻时控制、恒钻压控制、恒泵压控制和恒扭矩控制，四种参数控制的自动送钻系统不仅能够降低司钻工人的劳动强度，使钻机设备和钻井过程更加安全，而且可靠并提高钻井安全性和钻井速度，在不同地质和不同钻井工艺中都可以很好的应用，同时也保证了井深的质量，降低钻井成本。

从目前钻机和钻井技术的发展趋势来看，传统自动送钻只有两种模式，即恒钻时与恒钻压,而四参数自动送钻系统有四种控制模式，分别为恒钻时、恒钻压、恒泵压和恒扭矩，可以适应不同的工况。在实际工况中，虽然主电机在进行自动送钻过程中，结构简单，操作方便，但是主电机在速度很低的时候，尤其是长时间在低于额定功率、额定转速下，运行是很不稳定的。并且在系统主电动机运行的频率较低时，较容易受到其他谐波信号的干扰，使系统控制性能变差，控制精度下降，对电机影响较大。所以在国内，目前大多采用小电机自动送钻系统，是在绞车的后部或者前部加装一个小电机。但由于在自动送钻过程中需要低转速和大转矩，所以需给小电机加装1台大减速比的减速箱，结构很复杂。

所以，急需一种新型结构的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，以满足需求。

发明内容

本实用新型的目的是在提供一种应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，能够满足不同的需求，且结构简单，控制精度高，成本低。

本实用新型的目的是采用以下的技术方案来实现的。本实用新型提供一种应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，包括送钻装置开关、电抗器、控制单元、变频单元、检测组件、PLC控制器、变频电机和上位机；其中，该送钻装置开关与电抗器连接，该电抗器设置于主电路回路，与控制单元连接；该控制单元包括至少一个UPS电源和多个继电器，该UPS电源与四参数自动送钻系统中的其他用电元件连接，该多个继电器分别与变频单元、PLC控制器相连接；该变频单元包括变频器、制动电阻和DT I板，该变频器整流部分直流母线输出与制动电阻连接，该DT I板也与变频器连接，该变频器的出线端与变频电机相连接；该检测组件包括电流检测器、电压检测器、悬重压力检测器、泵压压力检测器、扭矩检测器和速度检测器；其中，该电流检测器设置于电抗器的主电路电源入口及出口，该电压检测器也设置于电抗器的主电路电源入口及出口；该悬重压力检测器设置在死绳固定器上，用于测量整体钻具悬重，并与PLC控制器连接；该泵压压力检测器设置于泥浆泵处，并与PLC控制器连接；该扭矩检测器设置于转盘处，并与PLC控制器连接；该速度检测器设置于变频电机的传动主轴的位置上，并与变频器连接；该上位机与PLC控制器连接。

本实用新型的目的还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其中该UPS电源包括主用UPS电源和备用UPS电源。

前述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其中该控制单元还包括指示灯。

前述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其中该变频电机上设有电机冷却风机。

前述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其中该上位机包括监控触摸屏。

前述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其中该监控触摸屏上具有多个选择按钮。

借由上述技术方案，本实用新型具有下列优点及有益效果：本实用新型的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，能够满足不同的需求，例如恒钻时、恒钻压、恒泵压或恒扭矩。且适应不同的工作环境，具体的，恒钻时的控制模式很适合极软或软地层的钻进施工；恒钻压的控制模式在非定向情况下使用率很高，通用性比较强；恒泵压的控制模式在打定向井时使用效果很好。

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：为本实用新型的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统的结构示意图。

【主要元件符号说明】

1：送钻装置开关             2：电抗器

3：控制单元                 4：变频单元

5：检测组件                 6：PLC控制器

7：变频电机                 8：上位机

31：UPS电源                 32：继电器

33：指示灯                  41：变频器

42：制动电阻                43：DTI板

51：电流检测器              52：电压检测器

53：悬重压力检测器          54：泵压压力检测器

55：扭矩检测器              56：速度检测器

71：电机冷却风机            81：监控触摸屏

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一种应用于石油钻机的四参数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。

参阅图1所示，为本实用新型的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统(简称，四参数自动送钻系统)的结构示意图；该应用于石油钻机的四参数自动送钻系统包括送钻装置开关1、电抗器2、控制单元3、变频单元4、检测组件5、PLC控制器6、变频电机(或交流变频电机)7和上位机8。其中，该送钻装置开关1与电抗器2连接，主要用于开启或关断该四参数自动送钻系统，即当该送钻装置开关1闭合时，该四参数自动送钻系统处于工作状态，而该送钻装置开关1断开时，该四参数自动送钻系统处于停机状态。且该送钻装置开关1可以采用现有的多种形式开关。

该电抗器2设置于主电路回路，与控制单元3连接，主要用于电网滤波作用给控制单元3，保证主电路电源提供较好的电能质量。

该控制单元3包括至少一个UPS电源(即不间断电源)31和多个继电器32；该UPS电源与四参数自动送钻系统中的其他用电元件连接，主要用于为该四参数自动送钻系统中的其他用电元件供电，例如为PLC控制器6提供电能，当包括多个UPS电源时，可以设置为主用UPS电源和备用UPS电源；多个继电器32与变频单元4、PLC控制器6相连接，从而使控制单元2可以基于变频单元4或PLC控制器6下发的控制信息，控制变频单元4或交流变频电机7中的各开关的断开/吸合。另外，该控制单元2还包括指示灯33，用于安全照明。

该变频单元4包括变频器41、制动电阻42和DTI板43，该变频器41整流部分直流母线输出与制动电阻42连接，主要用于吸收反馈到电网的多余能量，而该DTI板43也与变频器41连接，用于采集有关电机转速的信号；该变频器41的出线端与变频电机7相连接，该变频电机7提供所需的电能。且该变频电机7上设有电机冷却风机71，用于去除变频电机7在工作过程中产生的多余的热量，保护变频电机，延长使用寿命。

该检测组件5包括电流检测器51、电压检测器52、悬重压力检测器53、泵压压力检测器54、扭矩检测器55和速度检测器56。其中，该电流检测器51设置于电抗器2的主电路电源入口及出口等位置，用于检测主电路回路的电流；当送钻装置开关1闭合时，该电流检测器51就会接入主电路回路，以检测主电路回路的电流；而该电流检测器51可以采用现有的多种型号的电流检测元件，例如电流互感器。该电压检测器52设置于电抗器2的主电路电源入口及出口等位置，用于检测主电路回路的电压；当送钻装置开关1闭合时，该电压检测器52就会接入主电路回路，以检测主电路回路的电压；而该电压检测器52可以采用现有的多种型号的电压检测元件，例如电压互感器。该悬重压力检测器53设置在死绳固定器上，并与PLC控制器6连接，用于检测钻具整体的悬重并将检测结果传输给PLC控制器6，经处理后该PLC控制器6发送控制信号给变频器41，以调整变频电机。该泵压压力检测器54设置于泥浆泵处，并与PLC控制器6连接，用于检测泥浆对井底的压力并将检测结果传输给PLC控制器6，经处理后该PLC控制器6发送控制信号给变频器41，以调整变频电机。而该悬重压力检测器53和泵压压力检测器54可以采用现有的多种型号的压力传感器。该扭矩检测器55设置于转盘(用于带动钻具转动)处，并与PLC控制器6连接，用于检测转盘的扭矩并将检测结果传输给PLC控制器6，经处理后该PLC控制器6发送控制信号给变频器41，以调整变频电机。该速度检测器56设置于变频电机的传动主轴的位置上，并与变频器41连接，用于检测变频电机的转速并将检测结果传输给变频器41。而该扭矩检测器55可以采用现有的多种型号的电流传感器，该速度检测器56可以采用现有的多种型号的编码器。

该PLC控制器6主要用于控制变频器的启动与各种数据的接收和处理。具体的，该PLC控制器6可以通过对控制单元3中的各继电器的控制实现对各指示灯和风机的控制，该PLC控制器6还用于采集悬重压力检测器53输出的信号、泵压压力检测器54输出的信号和扭矩检测器55输出的信号并将这些信号或检测结果储存等。

该上位机8与PLC控制器6连接，即该上位机8的各控制信息通过PLC控制器6下发至控制单元3和变频单元4等，同时该PLC控制器6接收到的检测结果也会上传至上位机8并显示。该上位机8包括监控触摸屏81，该监控触摸屏81上具有多个选择按钮，用于下发控制命令，例如恒钻时按钮、恒钻压按钮、恒泵压按钮和恒扭矩按钮，用于选择控制模式。而该上位机8可与控制单元3连接，以从控制单元3的UPS处获得电能，当然，该上位机8也可以单独获得电能。该上位机8可选择例如计算机等具有一定数据处理功能的智能终端，本实用新型不对其进行限制。

下面，对本实用新型的工作过程进行简单的介绍。首先送钻装置开关1闭合，本实用新型的四参数自动送钻系统通电，进入自检模式：在自检模式中，悬重压力检测器、泵压压力检测器和扭矩检测器等将检测到的数据传输给PLC控制器,此时监控触摸屏上开始动态显示电机转速、电机扭矩、泥浆泵泵压、钻具悬重等参数。随后如果自检没有问题，进入工作模式：在工作模式中，先为变频器单元提供电源，由电流检测器和电压检测器检测电流电压，并显示电压、电流值同时相关电源指示灯点亮；后在监控触摸屏上选择需要的控制模式，即选择点击恒钻时按钮、恒钻压按钮、恒泵压按钮或恒扭矩按钮，就能够进入相应的控制模式。具体来说，恒钻时的控制模式很适合极软或软地层的钻进施工；恒钻压的控制模式在非定向情况下使用率很高，通用性比较强；恒泵压的控制模式在打定向井时使用效果很好，但泥浆性能不好时使用效果就不会非常好；所以，可根据实际情况进行适当的选择。

举例来说，当选择恒钻时时，点击恒钻时按钮，同时设置转速限制、泵压限制与扭矩限制，当四参数自动送钻系统运行时，要利用悬重压力检测器、泵压压力检测器、扭矩检测器进行采样，并将采集的检测数据传至PLC控制器进行处理(比较、A/D转换及D/A转换)，下发控制信号至变频器，调整变频电机7，使绞车以稳定的速度上提或下放。当系统出现故障后，会自动报警同时故障指示灯点亮，变频器使能关断，同步记录故障信息，提高了设备的可靠性、稳定性、安全性以及降低了设备处理时间。

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 (6)

1.一种应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其特征在于其包括送钻装置开关、电抗器、控制单元、变频单元、检测组件、PLC控制器、变频电机和上位机；

其中，该送钻装置开关与电抗器连接，该电抗器设置于主电路回路，与控制单元连接；该控制单元包括至少一个UPS电源和多个继电器，该UPS电源与四参数自动送钻系统中的其他用电元件连接，该多个继电器分别与变频单元、PLC控制器相连接；该变频单元包括变频器、制动电阻和DT I板，该变频器整流部分直流母线输出与制动电阻连接，该DT I板也与变频器连接，该变频器的出线端与变频电机相连接；

该检测组件包括电流检测器、电压检测器、悬重压力检测器、泵压压力检测器、扭矩检测器和速度检测器；其中，该电流检测器设置于电抗器的主电路电源入口及出口，该电压检测器也设置于电抗器的主电路电源入口及出口；该悬重压力检测器设置在死绳固定器上，并与PLC控制器连接；该泵压压力检测器设置于泥浆泵处，并与PLC控制器连接；该扭矩检测器设置于转盘处，并与PLC控制器连接；该速度检测器设置于变频电机的传动主轴的位置上，并与变频器连接；该上位机与PLC控制器连接。

2.根据权利要求1所述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其特征在于其中该UPS电源包括主用UPS电源和备用UPS电源。

3.根据权利要求1所述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其特征在于其中该控制单元还包括指示灯。

4.根据权利要求1所述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其特征在于其中该变频电机上设有电机冷却风机。

5.根据权利要求1所述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其特征在于其中该上位机包括监控触摸屏。

6.根据权利要求5所述的应用于石油钻机的四参数自动送钻系统，其特征在于其中该监控触摸屏上具有多个选择按钮。