RU2209306C2

RU2209306C2 - Control system of hydraulically driven drilling rig

Info

Publication number: RU2209306C2
Application number: RU2001119743/03A
Authority: RU
Inventors: М.З. Валитов; В.Н. Тетерин; А.С. Федоров
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие ПО "Баррикады"
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2003-07-27

Abstract

FIELD: operation of drilling equipment, particularly, systems of control of hydraulically driven drilling rigs. SUBSTANCE: control system has rotor and lifting mechanism with ram interconnected through distributing devices by control line provided with OR-valve to power source made in form of pumps and accumulators. In this case, the first inlet of OR-valve is connected with accumulators, and its outlet, with rotor and lifting mechanism. System has drilling tongs, power slips, hydraulic manipulator connected via distributing devices by control lines with outlet of OR-valve. Power source has compressed air source made in form of gas-hydraulic expulsor pumps. Accumulators are of pneumohydraulic type. Gas cavities of expulsor pumps are interconnected via check valves and communicated with gas cavities of accumulators, and hydraulic cavities, with pumps. In this case, gas and hydraulic cavities of each accumulator and expulsor pump are provided respectively with gas and hydraulic distributing devices, and the second inlet of OR-valve is communicated via additional hydraulic distributor to line of highest pressure of one of accumulators or one of expulsor pumps. EFFECT: extended functional potentialities of control system by regulation of filling pressure of accumulators and energy recuperation at reduced power of pumps. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к эксплуатации бурового оборудования, а именно к системам управления гидроприводной буровой установкой. The invention relates to the operation of drilling equipment, and in particular to control systems of a hydraulic drilling rig.

Известна гидравлическая система управления для бурового оборудования, включающая гидравлические цилиндры, насос, прибор гидроуправления (см А.А. Гланц, В. В. Алексеев. Справочник механика геологоразведочных работ. - М.: "Недра", 1987 г., стр.86). A well-known hydraulic control system for drilling equipment, including hydraulic cylinders, a pump, a hydraulic control device (see A.A. Glants, V.V. Alekseev. Handbook of the mechanics of exploration. - M .: "Nedra", 1987, p. 86 )

Известная система не позволяет аккумулировать энергию, а следовательно, для поддержания необходимого рабочего давления в системе требуются насосы соответствующей производительности. The known system does not allow the accumulation of energy, and therefore, to maintain the necessary working pressure in the system, pumps of appropriate capacity are required.

Известна система управления гидроприводной буровой установкой, содержащая ротор и механизм подъема с силовым цилиндром, соединенные через распределительные устройства линией управления, снабженной клапаном "ИЛИ", с источником питания, выполненным в виде насосов и аккумуляторов, при этом первый вход клапана "ИЛИ" соединен с аккумуляторами, а его выход - с ротором и механизмом подъема (см. описание изобретения к патенту RU 2087754, МПК F 15 В 11/02, 1/02 от 30.09.94 г.). A known control system of a hydraulic drilling rig, comprising a rotor and a lifting mechanism with a power cylinder, connected via switchgear to a control line equipped with an OR valve, with a power supply made in the form of pumps and accumulators, wherein the first input of the OR valve is connected to batteries, and its output with a rotor and a lifting mechanism (see the description of the invention to patent RU 2087754, IPC F 15 В 11/02, 1/02 of 09/30/94).

Известная система управления не обеспечивает регулировку давления заправки аккумуляторов. The known control system does not provide for adjusting the pressure of the battery charge.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей системы управления путем регулирования давления заправки аккумуляторов и рекуперации энергии без повышения мощности насосов. The technical task of the invention is to expand the functionality of the control system by regulating the pressure of the battery charge and energy recovery without increasing the power of the pumps.

Технический результат достигается тем, что в системе управления гидроприводной буровой установкой, содержащей ротор и механизм подъема с силовым цилиндром, соединенные через распределительные устройства линией управления, снабженной клапаном "ИЛИ", с источником питания, выполненным в виде насосов и аккумуляторов, при этом первый вход клапана "ИЛИ" соединен с аккумуляторами, а его выход - с ротором и механизмом подъема, согласно изобретению система снабжена буровым ключом, клиновым захватом, гидроманипулятором, соединенными через распределительные устройства линиями управления с выходом клапана "ИЛИ", источник питания снабжен источником сжатого газа, выполненным в виде газогидравлических вытеснителей, а аккумуляторы выполнены пневмогидравлическими, причем газовые полости вытеснителей соединены между собой через обратные клапаны и связаны с газовыми полостями аккумуляторов, а гидравлические - с насосами, при этом газовая и гидравлическая полости каждого аккумулятора и вытеснителя снабжены, соответственно, газовыми и гидравлическими распределительными устройствами, а второй вход клапана "ИЛИ" через дополнительный гидравлический распределитель сообщен с линией наиболее высокого давления одного из аккумуляторов или одного из вытеснителей. The technical result is achieved by the fact that in the control system of a hydraulic drilling rig containing a rotor and a lifting mechanism with a power cylinder connected via a switchgear to a control line equipped with an "OR" valve, with a power source made in the form of pumps and batteries, the first input the valve "OR" is connected to the batteries, and its output is with the rotor and the lifting mechanism, according to the invention, the system is equipped with a drill key, a wedge grip, a hydraulic manipulator connected through a distribution heating devices with control lines with an OR valve output, the power supply is equipped with a compressed gas source made in the form of gas-hydraulic displacers, and the batteries are made of pneumohydraulic, the gas cavities of the displacers being interconnected via non-return valves and connected to the gas cavities of the batteries, and the hydraulic ones - pumps, while the gas and hydraulic cavities of each accumulator and displacer are equipped, respectively, with gas and hydraulic distribution devices and the second input of the OR valve through an additional hydraulic distributor is in communication with the highest pressure line of one of the accumulators or one of the displacers.

Силовой цилиндр механизма подъема соединен с источником питания через гидравлический замок двустороннего действия, входы которого соединены, соответственно, с рабочей полостью силового цилиндра и через обратный клапан - с источником питания, а выходы соответственно - со сливной линией и рабочей полостью. The power cylinder of the lifting mechanism is connected to the power source through a double-acting hydraulic lock, the inputs of which are connected, respectively, with the working cavity of the power cylinder and through the check valve to the power source, and the outputs, respectively, with the drain line and the working cavity.

Силовой цилиндр механизма подъема снабжен дополнительным распределителем, один выход которого напрямую связан с рабочей полостью силового цилиндра, а другой - через редукционный клапан. The power cylinder of the lifting mechanism is equipped with an additional distributor, one output of which is directly connected to the working cavity of the power cylinder, and the other through a pressure reducing valve.

Предлагаемая система управления может функционировать как в ручном режиме (управление оператором с электрогидравлического пульта), так и в автоматическом (при оснащении датчиками давления, положения и микропроцессором). The proposed control system can function both in manual mode (operator control from an electro-hydraulic control panel), and in automatic mode (when equipped with pressure, position sensors and a microprocessor).

Система позволяет при низкой мощности насосов получать необходимое для работы ротора, механизма подъема с силовым цилиндром, бурового ключа, клинового захвата, гидроманипулятора расход и давление автономно, без сообщения с внешним источником газа. The system allows for low pump power to obtain the necessary for the operation of the rotor, the lifting mechanism with a power cylinder, a drill key, a wedge grip, a hydraulic manipulator flow and pressure independently, without communication with an external gas source.

Система позволяет накапливать энергию (при спуске подъемного механизма) при работе буровой установки и использовать ее в момент наибольшей грузоподъемности (при подъеме). The system allows you to accumulate energy (during the descent of the lifting mechanism) during the operation of the drilling rig and use it at the time of the greatest load capacity (during the ascent).

На фиг. 1 представлена принципиальная гидравлическая схема буровой установки,
на фиг. 2 - фрагмент системы управления работой подъемного механизма с гидравлическим замком,
на фиг.3 - то же с редукционным клапаном.In FIG. 1 shows a schematic hydraulic diagram of a drilling rig,
in FIG. 2 - fragment of a control system for the operation of a lifting mechanism with a hydraulic lock,
figure 3 is the same with the pressure reducing valve.

Система управления гидроприводной буровой установкой содержит ротор 1, механизм подъема 2 с силовым цилиндром, буровой ключ 3, клиновой захват 4, гидроманипулятор 5, соединенные через распределительные механизмы 6, 7, 8, 9, 10, соответственно, линией 11 управления с источником питания. Источник питания включает в себя насосы 12 и 13, пневмогидравлические аккумуляторы 14, 15. 16 и источник сжатого газа. Источник сжатого газа выполнен в виде трех вытеснителей 17, 18, 19. Гидравлические полости аккумуляторов 14, 15, 16 и вытеснителей 17, 18, 19 снабжены гидравлическими распределительными устройствами 20, 21, 22 и 23, 24, 25, а газовые полости - газовыми распределительными устройствами 26, 27, 28 и 29, 30, 31, соответственно. Газовые полости вытеснителей 17, 18, 19 соединены между собой через обратные клапаны 32 и 33. Линия 11 управления системы снабжена клапаном 34 "ИЛИ", один вход которого сообщен с аккумуляторами 14, 15, 16, а другой через дополнительный распределитель 35 - с линией управления высокого давления (или аккумулятором 14, или вытеснителем 19). Выход клапана 34 соединен линией 11 управления с ротором 1, механизмом подъема 2 с силовым цилиндром, буровым ключом 3, клиновым захватом 4 и гидроманипулятором 5. The control system of the hydraulic drilling rig contains a rotor 1, a lifting mechanism 2 with a power cylinder, a drill key 3, a wedge grip 4, a hydraulic manipulator 5 connected through distribution mechanisms 6, 7, 8, 9, 10, respectively, by a control line 11 to a power source. The power source includes pumps 12 and 13, pneumohydraulic accumulators 14, 15. 16 and a source of compressed gas. The source of compressed gas is made in the form of three displacers 17, 18, 19. The hydraulic cavities of the accumulators 14, 15, 16 and the displacers 17, 18, 19 are equipped with hydraulic distribution devices 20, 21, 22 and 23, 24, 25, and gas cavities - gas switchgears 26, 27, 28 and 29, 30, 31, respectively. The gas cavities of the displacers 17, 18, 19 are interconnected via check valves 32 and 33. The system control line 11 is equipped with an OR valve 34, one input of which is connected to the accumulators 14, 15, 16, and the other through an additional distributor 35 to the line high pressure control (or accumulator 14, or displacer 19). The output of the valve 34 is connected by a control line 11 to the rotor 1, the lifting mechanism 2 with a power cylinder, a drill key 3, a wedge grip 4 and a hydraulic manipulator 5.

Рабочую полость гидроцилиндра механизма 1 подъема (см. фиг.2) соединяют с источником питания через обратный клапан 36 и гидрозамок 37 двустороннего действия или через дополнительный распределитель 38 и редукционный клапан 39 (см. фиг.3). The working cavity of the hydraulic cylinder of the lifting mechanism 1 (see figure 2) is connected to a power source through a check valve 36 and a double-acting hydraulic lock 37 or through an additional distributor 38 and a pressure reducing valve 39 (see figure 3).

На фиг.2 силовой цилиндр механизма 1 подъема соединен с источником питания через гидравлический замок 37 двустороннего действия, входы которого соединены, соответственно, с рабочей полостью силового цилиндра и через обратный клапан 36 - с источником питания, а соответствующие выходы - со сливной линией и рабочей полостью. In Fig.2, the power cylinder of the lifting mechanism 1 is connected to the power source through a double-acting hydraulic lock 37, the inputs of which are connected, respectively, to the working cavity of the power cylinder and through the check valve 36 to the power source, and the corresponding outputs to the drain line and working the cavity.

На фиг.3 один выход дополнительного распределителя 38 напрямую связан с рабочей полостью силового цилиндра механизма подъема 1, а другой - через редукционный клапан 39. In Fig.3, one output of the additional distributor 38 is directly connected to the working cavity of the power cylinder of the lifting mechanism 1, and the other through the pressure reducing valve 39.

Система управления работает следующим образом. The control system operates as follows.

При подготовке системы к работе газ под давлением закачивают из газопровода или баллона в газовые полости аккумуляторов 14, 13, 16 и вытеснителей 17, 18, 19 через газовые распределительные устройства 26, 27, 28 и 29, 30, 31, соответственно. В начале бурения длина колонны бурильных труб незначительна, поэтому рабочее давление в системе низкое и поршни вытеснителей 17, 18, 19 находятся в нижнем положении. Линию 11 управления и гидравлические полости аккумуляторов 14, 15, 16 и вытеснителей 17, 18, 19 заполняют от насосов 12 и 13 через открытые гидравлические распределительные устройства 20, 21, 22 и 23, 24, 25, соответственно. When preparing the system for operation, gas under pressure is pumped from a gas pipeline or cylinder into the gas cavities of accumulators 14, 13, 16 and displacers 17, 18, 19 through gas distribution devices 26, 27, 28 and 29, 30, 31, respectively. At the beginning of drilling, the length of the drill pipe string is insignificant, therefore, the operating pressure in the system is low and the displacer pistons 17, 18, 19 are in the lower position. The control line 11 and the hydraulic cavities of the batteries 14, 15, 16 and displacers 17, 18, 19 are filled from the pumps 12 and 13 through the open hydraulic switchgears 20, 21, 22 and 23, 24, 25, respectively.

Для обеспечения необходимого высокого давления в источнике газа, а именно в вытеснителях 17, 18, 19, газ дополнительно поджимают насосами 12 и 13 (из газопровода или баллона) при открытых газовых распределительных устройствах 23, 24, 25, 29 и закрытых - 30, 31, 26, 27, 28, 35. При этом газ из вытеснителя 17 через обратный клапан 32 поступает в вытеснитель 18, а из последнего через обратный клапан 33 - в вытеснитель 19, вследствие чего давление газа в вытеснителе 19 имеет максимальное значение. To ensure the necessary high pressure in the gas source, namely in the displacers 17, 18, 19, the gas is additionally pressurized by pumps 12 and 13 (from the gas pipeline or cylinder) with open gas distribution devices 23, 24, 25, 29 and closed - 30, 31 , 26, 27, 28, 35. In this case, gas from the displacer 17 through the check valve 32 enters the displacer 18, and from the latter through the check valve 33 - into the displacer 19, as a result of which the gas pressure in the displacer 19 has a maximum value.

Примерно 20% времени при работе буровой установки составляет работа механизма подъема 1, для совершения которой потребляется 80% мощности, остальные 80% времени приходится на работу других исполнительных механизмов, а именно бурового ключа 3, ротора 1, клинового захвата 4, гидроманипулятора 5, когда не требуется максимальная мощность. Approximately 20% of the time during the operation of the drilling rig is the operation of the lifting mechanism 1, for which 80% of the power is consumed, the remaining 80% of the time is spent on the work of other actuators, namely the drill key 3, rotor 1, wedge grip 4, hydraulic manipulator 5, when no maximum power required.

Рабочее давление, необходимое для работы ротора 1, механизма подъема 2 с силовым цилиндром, бурового ключа 3, клинового захвата 4, гидроманипулятора 5 поддерживают в линии 11 управления насосами 12 и 13 через открытое распределительное устройство 6, 7, 8, 9, 10, соответственно. При необходимости давление подают через клапан "ИЛИ" 34, одним из аккумуляторов 14, 15, 16, при открытом одном из гидравлических распределительных устройств 20, 21, 22. The working pressure necessary for the operation of the rotor 1, the lifting mechanism 2 with a power cylinder, a drill key 3, a wedge grip 4, a hydraulic manipulator 5 is maintained in the control line 11 of the pumps 12 and 13 through an open switchgear 6, 7, 8, 9, 10, respectively . If necessary, the pressure is supplied through the valve "OR" 34, one of the accumulators 14, 15, 16, when one of the hydraulic switchgears 20, 21, 22 is open.

В зависимости от требуемой мощности давление может поддерживаться одновременно двумя аккумуляторами 15, 16 через устройства 21 и 22 и клапан 34 "ИЛИ", при этом в аккумуляторе 14 оно сохраняется максимальным. Depending on the required power, the pressure can be maintained simultaneously by two accumulators 15, 16 through the devices 21 and 22 and the valve 34 "OR", while in the accumulator 14 it remains maximum.

При работе механизма 2 подъема, когда необходима максимальная мощность, жидкость в линию 11 управления системы поступает из насосов 12 и 13 и/или аккумуляторов 14, 15, 16. During operation of the lifting mechanism 2, when maximum power is required, the fluid enters the system control line 11 from pumps 12 and 13 and / or accumulators 14, 15, 16.

При работе бурового ключа 3, ротора 1, клинового захвата 4 и гидроманипулятора 5 часть жидкости из насосов 12 и 13 по линии 11 управления системы поступает в распределительные устройства или 7, или 8, или 9, или 10, соответственно, а часть закачивается в аккумуляторы 14, 13, 16, при этом дополнительный распределитель 35 закрыт. During the operation of the drill key 3, rotor 1, wedge gripper 4 and hydraulic manipulator 5, part of the liquid from the pumps 12 and 13 through the system control line 11 enters the switchgear or 7, or 8, or 9, or 10, respectively, and the part is pumped into the batteries 14, 13, 16, while the additional distributor 35 is closed.

По мере увеличения длины колонны, а значит, и ее веса, повышают рабочее давление в линии 11 управления системы, перекачивая газ из вытеснителя или 17, или 18, или 19 через открытые газовые распределительные устройства или 29, или 30, или 31 в газовые полости аккумуляторов 14, 15, 16 через открытые газовые распределительные устройства 26, 27, 28, соответственно, в зависимости от необходимого количества, повышая давление их заправки и поддерживая тем самым рабочее давление, соответствующее весу колонны. As the length of the column, and hence its weight, increases, the working pressure in the control line 11 of the system is increased by pumping gas from the displacer either 17, or 18, or 19 through open gas distribution devices or 29, or 30, or 31 into the gas cavities accumulators 14, 15, 16 through open gas distribution devices 26, 27, 28, respectively, depending on the required amount, increasing the pressure of their charge and thereby maintaining the working pressure corresponding to the weight of the column.

При уменьшении веса колонны снижают рабочее давление в линии 11 управления системы, перекачивая часть газа из аккумуляторов 14, 13, 16 в вытеснители 17, 18, 19 и периодически сливая жидкость из вытеснителей 17, 18, 19 через устройства 23, 24, 25. Аккумуляторы 14, 13, 16 дозаправляют жидкостью, подаваемой насосами 12 и 13 через гидравлические распределительные устройства 20, 21, 22, соответственно. Таким образом, при работе механизма 2 подъема давление в газовой полости аккумуляторов 14, 15, 16 регулируется в соответствии с весом колонны, а насосы 12 и 13 работают постоянно, имея меньшую мощность. When the weight of the column is reduced, the operating pressure in the control line 11 of the system is reduced by pumping part of the gas from the accumulators 14, 13, 16 to the displacers 17, 18, 19 and periodically draining the liquid from the displacers 17, 18, 19 through the devices 23, 24, 25. Batteries 14, 13, 16 are refilled with the liquid supplied by the pumps 12 and 13 through the hydraulic switchgears 20, 21, 22, respectively. Thus, during the operation of the lifting mechanism 2, the pressure in the gas cavity of the batteries 14, 15, 16 is regulated in accordance with the weight of the column, and the pumps 12 and 13 operate continuously, having less power.

При спуске колонны, когда давление в рабочей полости цилиндра 36 механизма 2 подъема меньше давления в линии 11 управления системы, жидкость из рабочей полости через гидрозамок 37 поступает на слив. During the descent of the column, when the pressure in the working cavity of the cylinder 36 of the lifting mechanism 2 is less than the pressure in the control line 11 of the system, the liquid from the working cavity through the hydraulic lock 37 enters the drain.

С увеличением веса колонны, когда давление в рабочей полости цилиндра 36 больше давления в линии 11 управления системы, гидрозамок 37 переключается в левое положение и жидкость поступает в линию 11 управления системы и далее в жидкостные полости аккумуляторов 14, 13, 16, дозаправляя последние, т.е. происходит накапливание энергии для работы других исполнительных механизмов. With an increase in the weight of the column, when the pressure in the working cavity of the cylinder 36 is greater than the pressure in the system control line 11, the hydraulic lock 37 switches to the left position and the liquid enters the system control line 11 and then into the liquid cavities of the accumulators 14, 13, 16, refueling the latter, t .e. there is an accumulation of energy for the operation of other actuators.

При спуско-подъемных операциях, а именно при работе клинового захвата 4, когда давления в аккумуляторах 15, 16 недостаточно, открывается дополнительный распределитель 35 и жидкость в линию 11 управления системы поступает через клапан 34 "ИЛИ" из линии наиболее высокого давления (из вытеснителя 19 или аккумулятора 14). During tripping operations, namely, when the wedge grip 4 is used, when the pressure in the accumulators 15, 16 is not enough, an additional distributor 35 opens and the liquid enters the system control line 11 through the OR valve 34 from the highest pressure line (from the displacer 19 or battery 14).

При установке редукционного клапана 38 рабочая полость цилиндра механизма 2 подъема напрямую сообщается с распределителем 6 при подъеме и спуске колонны, при бурении же - через редукционный клапан 38, обеспечивая постоянство давления. When installing a pressure reducing valve 38, the working cavity of the cylinder of the lifting mechanism 2 directly communicates with the distributor 6 when lifting and lowering the column, while drilling through the pressure reducing valve 38, ensuring constant pressure.

Claims

1. The control system of the hydraulic drilling rig, comprising a rotor and a lifting mechanism with a power cylinder, connected via switchgear to a control line equipped with an OR valve, with a power source made in the form of pumps and accumulators, while the first input of the OR valve is connected with batteries, and its output with a rotor and a lifting mechanism, characterized in that the system is equipped with a drill key, a wedge grip, a hydraulic manipulator connected via control devices to control lines with the output of the OR valve, the power source is equipped with a compressed gas source made in the form of gas-hydraulic displacers, and the batteries are made of pneumohydraulic, the gas cavities of the displacers are interconnected via check valves and connected to the gas cavities of the batteries, and the hydraulic cavities are connected to the pumps, while the gas and hydraulic cavities of each accumulator and displacer are equipped with gas and hydraulic switchgears, respectively, and the second valve input "OR" through an additional The hydraulic distributor is in communication with the line of the highest pressure of one of the accumulators or one of the displacers.

2. The control system according to claim 1, characterized in that the power cylinder of the lifting mechanism is connected to the power source through a double-acting hydraulic lock, the inputs of which are connected respectively to the working cavity of the power cylinder and through the check valve to the power source, and the outputs, respectively, to drain line and working cavity.

3. The control system according to claim 1, characterized in that the power cylinder of the lifting mechanism is equipped with an additional distributor, one output of which is directly connected to the working cavity of the power cylinder, and the other through a pressure reducing valve.