CN213743372U - 一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置 - Google Patents

Abstract

一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，包括设置在上平板上的井架，所述井架顶部设置有安全围栏，所述安全围栏一侧设置有滑轮，滑轮上穿过有钢丝绳，钢丝绳一端连接在绞车滚筒上，另一端连接大钩，所述大钩载荷下端连接拉力传感器，所述拉力传感器下端连接钻柱，所述钻柱端部为钻头。本实用新型提高机械钻速，维持井下钻具组合稳定钻进，最终达到实时和准确控制井底钻压的目的。

Description

一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置

技术领域

本实用新型涉及智能自动送钻系统、钻机自动化技术领域，特别涉及一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置。

背景技术

水平井摩阻大，不易施加井底钻压，常规的五点试钻法或司钻经验给出的钻压准确性较差，易造成井底钻压和地面钻压相差较大，无法获得较为准确的井底钻压：钻头性能得不到充分发挥，出现过低的破岩效率；过大的井底钻压会导致钻头磨损加大，难以施加钻头载荷，导致钻具寿命变短，尤其影响陆地上的水平井，水平井钻井过程中井底钻压与地面钻压之间的关系非常复杂，井底钻压和地面钻压之间存在的差异不容忽视。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，提高机械钻速，维持井下钻具组合稳定钻进，最终达到实时和准确控制井底钻压的目的。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，包括设置在上平板18 上的井架6，所述井架6顶部设置有安全围栏2，所述安全围栏2一侧设置有滑轮1，滑轮1上穿过有钢丝绳3，钢丝绳3一端连接在绞车滚筒13上，另一端连接大钩4，所述大钩4下端连接拉力传感器 5，所述拉力传感器5下端连接钻柱12，所述钻柱12端部为钻头22。

所述绞车滚筒13通过联轴器14连接步进电机15。

所述步进电机15通过控制柜7控制，控制柜7上设置有触摸屏 8。

所述拉力传感器5检测到的压力传递至智能仪表一16上。

所述钻柱12外侧设置有井筒19，所述的井筒19为有机玻璃管，所述钻柱12为加长弯管弹簧材质。

所述钻头22前端设置有用于检测钻压的井底钻压压力传感器21，所述井底压力传感器21将井底钻压直接显示在智能仪表二17上。

一种基于井底钻压的水平井自动送钻系统的控制方法，包括以下步骤；

步骤一：

确定某一井身结构下的可钻性范围：在触摸屏8上依次设置从小到大公差相等的理想井底钻压，通过井底钻压传感器22与大钩载荷传感器5来测量得到井底钻压与大钩载荷的真实值，进行多次重复试验，记录井底钻压平均真实值与大钩载荷平均真实值；

其中，井底钻压传感器22通过井底钻压显示仪表16将井底钻压的力的信号转换为电流信号传输至控制箱7并实现在触摸屏8上的监控与输入；大钩载荷传感器5通过大钩载荷显示仪表17将大钩上的力的信号转换为电流信号传输至控制箱7并实现在触摸屏上8的监控与输入；

步骤二：

确定回归方程，将上一步骤中所求得的大钩载荷平均真实值作为大钩载荷的设置基准，在控制箱7的触摸屏8上依次设置从大到小公差相等理想大钩载荷，通过井底钻压传感器22与大钩载荷传感器5 来测量得到井底钻压与大钩载荷的真实值，进行多次重复试验，记录井底钻压平均真实值与大钩载荷平均真实值，根据记录得到的大钩载荷平均真实值与井底钻压平均真实值，啮合得到该井身结构下大钩载荷与井底钻压的回归方程；

步骤三：

对井底钻压进行预测，根据回归方程可预测不同井底钻压下的大勾载荷值，并在控制箱7上的触摸屏8上直接输入大钩载荷，控制并实现基于井底钻压的自动送钻，称此系统为基于井底钻压自动送钻系统。

本实用新型的有益效果：

本实用新型在水平井钻进过程中，可根据钻头出厂推荐的钻压，结合井底钻压与大钩载荷之间啮合的回归方程，直接得到应该输入的最优地面钻压。使得基于水平井井底钻压的自动送钻系统得到的钻压既准确又能自动输入。在一定情况下可以减少甚至排除繁琐的试钻法。可以充分发挥钻头的性能，提高机械钻速，维持井下钻具组合稳定钻进，最终达到实时和准确控制井底钻压的目的。从而缩短钻井时间，最终节约钻井成本。

在自动送钻过程中以实现对井底钻压的准确控制。该装置可通过井底钻压的预测进而得到地面钻压，在下一次钻具有相同钻井条件的水平井时，可以直接输入地面钻压，得到准确的井底钻压，确保经济性的同时安全性也得到了大力改善。基于井底钻压的自动送钻系统使钻井自动化程度更高，为加速我国钻井智能化的步伐，提高非常规水平井钻井技术提供新的理论计算及技术支撑。并有结构简单，操作方便，易于实现的特点。

附图说明

图1为基于井底钻压的水平井自动送钻系统装置结构示意图。

图2为牙轮钻头结构示意图。

图3为井底钻压与大钩荷载的回归方程曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1，一种基于井底钻压的自动送钻系统装置；包括钻压加载系统、井身模拟系统、监测系统、控制系统、检测系统。

所述的钻压加载系统包括步进电机15，步进电机15通过联轴器14连接绞车滚筒13从而收放钢丝绳3通过滑轮1带动大钩4上下运动。所述控制柜7通过触摸屏8设置不同大钩载荷带动电机15 来调整井底钻压，并为大钩载荷提供拉力，对井底钻头施加压力，再通过井底压力传感器22将井底钻压直接显示在智能仪表二17 上。所述由拉力传感器5测得的大钩4直接显示在智能仪表一16 上。通过对步进电机15的调整，可以模拟真实钻井，显示不同大钩载荷下对应的井底钻压值。

所述的井身模拟系统是钻柱试验装置的主要系统，可用于观察钻柱在井筒中的运动状态和调节井身结构。滑轮1与安全围栏2与井架 6一起焊接固定在上平板18上；底部钻具组合由钻柱12，井筒18与钻头21井筒固定导轨23组成。所述的钻柱12为加长弯管弹簧材质，所述的井筒19为有机玻璃管。可有效地观测钻柱12运动情况。

所述的检测系统由大钩拉力传感器5、井底钻压检测压力传感器 22，控制柜7、触摸屏8和智能化仪表16、17组成。大钩拉力传感器5 安装在大钩4和钻柱12之间，用于检测大钩载荷；所述井底钻压压力传感器一端固定在导轨23上，另一端检测钻柱下放后牙轮钻头22的钻压，即井底钻压；控制柜7用来检测两个传感器通过智能化仪表 16、17反馈回来的压力信号。其有益效果是可快速、准确检测到大钩载荷与井底钻压信号。

所述的控制系统由控制柜7、触摸屏8及智能仪表16、17组成。控制柜7中的可编程控制器编程后可通过智能化仪表16、17反馈得到的信号，在触摸屏上直接输入理想大钩载荷与井底钻压，其有益效果是可实时控制钻柱12的起钻与下钻。

所述的控制柜7中搭配可编程控制器，可编程控制器型号为 SIMATIC S7-200SMART，CPU为ST20；触摸屏8的型号为Smart- 700IE-V30；步进电机15的型号为57BYGH711AA；井底钻压测力传感器22型号为DHZ-101；大钩端的拉压力传感器5型号为DH4011/TJL-1s，所述的智能仪表一16、智能仪表二17型号均为 DH300型高精度测量仪表。

本实用新型通过特有的装置模拟水平井钻井过程中地面钻压与井底钻压的关系。在相似井眼中可直接预测输入相应地面目标钻压，得到准确的井底钻压，就可以实现对井底钻压的准确控制。因此有必要研究一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置。

如图2所示，所述钻头22牙轮钻头。

如图3所示：图中的回归方程中，X为大钩载荷，单位N，Y 为井底钻压，单位N。B1与B2分别为回归方程的一次项与二次项的系数。R平方称为决定系数，R平方值是取值范围在0～1之间的数值，当趋势线的R平方值等于1或接近1时，其可靠性最高，反之则可靠性较低。

本实用新型的工作原理：

一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，基于相似原理，结合静力学分析、动力学分析和运动学分析，设计可以模拟不同井身结构的基于井底钻压的水平井自动送钻系统装置。本装置包含提升系统、动力驱动系统、传动系统、水平井身模拟系统、控制系统与监测仪器仪表，其中井深模拟系统又包含了竖直井段，弯曲井段及水平井段，因此该试验装置能够模拟完整的水平井井底钻压与地面钻压的关系，以实现对井底钻压的准确控制。并有结构简单，操作方便，易于实现的特点。

控制柜7收集到智能仪表一16、智能仪表二17传输回来的来自大钩4端的大钩载荷与井底钻压传感器22的力信号，并在触摸屏8 上实现两个力的修改，从而输出信号控制电机15停转，通过联轴器 14控制绞车滚筒13转动，收放钢丝绳3使得大钩4与钻柱13拉紧大钩传感器5并传输信号，同时钻柱8上提下放带动牙轮钻头21给井底钻压传感器22压力；通过设置不同的大勾5端载荷记录相应的井底传感器22的钻压，进行多组试验拟合出两者间的回归方程。最终由啮合出的回归方程进行井底钻压的预测，实现手动输入大钩5端载荷，可得到准确的井底钻压，实现对井底钻压的准确预测与控制。此装置达到精确控制井底钻压的目的，结合常规自动送钻系统对未来自动化钻井技术提供有效参考思路。

所述的控制柜7中搭配SIEMENS S7-200Smart PLC为控制器，实现对电机的控制，同时与Smart-700IE-V30触摸屏通信，通过触摸屏可实现对电机正反转、速度设定；根据传感器可自由设置大钩载荷与井底钻压等功能，达到稳定、快速、准确的反馈效果。严格按照电气规范、合理布局电气元器件：PLC和触摸屏安装至控制柜中，确保安全稳固，走线规整美观，元件位置摆放合理，不同导线以线标区分，以便调试及后续检查修理。同时，本平台对金属外壳做接地处理，确保试验人员的人身安全。

Claims (6)

1.一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，其特征在于，包括设置在上平板(18)上的井架(6)，所述井架(6)顶部设置有安全围栏(2)，所述安全围栏(2)一侧设置有滑轮(1)，滑轮(1)上穿过有钢丝绳(3)，钢丝绳(3)一端连接在绞车滚筒(13)上，另一端连接大钩(4)，所述大钩(4)下端连接拉力传感器(5)，所述拉力传感器(5)下端连接钻柱(12)，所述钻柱(12)端部为钻头(22)。

2.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，其特征在于，所述绞车滚筒(13)通过联轴器(14)连接步进电机(15)。

3.根据权利要求2所述的一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，其特征在于，所述步进电机(15)通过控制柜(7)控制，控制柜(7)上设置有触摸屏(8)。

4.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，其特征在于，所述拉力传感器(5)检测到的压力传递至智能仪表一(16)上。

5.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，其特征在于，所述钻柱(12)外侧设置有井筒(19)，所述的井筒(19)为有机玻璃管，所述钻柱(12)为加长弯管弹簧材质。

6.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的水平井自动送钻装置，其特征在于，所述钻头(22)前端设置有用于检测钻压的井底钻压压力传感器(21)，所述井底钻压压力传感器(21)将井底钻压直接显示在智能仪表二(17)上。

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