一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及钻采机械领域，公开了一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法及装置，包括：S1)实时采集基础数据；S2)计算均减速条件下大钩从当前大钩高度位置运行到高度限值位置所需要的加速度a；S3)判断加速度a是否小于最小介入加速度；S4)判断大钩当前是否处于轻载；S5)判断当前大钩速度是否超过钻头位置限速；S6)判断加速度a是否大于最大刹车能力；S7)根据最大刹车能力调节电机；S8)刹车器按最大刹车力输出。本发明专利技术针对不同的大钩位置和钻头位置采取了不同的速度限值，在确保提升系统和井眼安全的前提下提高上提下放效率；避免触发限位装置的硬刹车，保证提升系统安全，延长了使用寿命和维护成本；降低了人工成本。

A global velocity control method and device for improving drilling efficiency and safety factor

【技术实现步骤摘要】
一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法及装置
本专利技术涉及钻采机械领域，尤其涉及一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法及装置。
技术介绍
目前钻机游车的防上碰下砸装置主要依赖物理机构、编码器或激光测距等方式在大钩高度达到上下限值时进行刹车。一方面，这些刹车方式需要提升系统瞬间承受较大的应力，影响提升系统安全和使用寿命；另一方面，为了防止触发防上碰下砸紧急刹车，司钻需要降低大钩移动速度提前刹车，影响效率。比如，国家专利文献CN204344008U，公开了“一种石油钻机上游车的防上碰下砸装置”，该技术的防上碰下砸装置包括有激光测距传感器、安全栅、控制器、刹车继电器、释放按钮和触摸屏，所述的激光测距传感器利用支架固定在天车的下端，该激光测距传感器的探头正对所述的游车，所述的安全栅连接所述的激光器测距传感器以接收传感器信号，该安全栅连接并传输传感器信号至所述的控制器，所述控制器的一个输出端连接触摸屏，一个输出端连接刹车继电器，该刹车继电器连接所述的释放按钮以控制盘刹刹车。又比如国家专利文献CN208561524U，公开了“石油钻机游车防上碰下砸装置”，该技术包括起升装置和游车本体，起升装置与游车本体通过钢丝绳连接，游车本体任意的一侧的外壁固定设置限位装置，限位装置包括第一气缸、第二气缸和限位器，第一气缸和第二气缸的伸缩端头部均固定设置第一限位板，第一限位板靠近游车本体的一侧均固定设置限位器；游车本体侧面固定设置控制器，限位器与控制器电连接。现有技术存在以下问题：(1)当达到限位时才进行刹车控制，刹车瞬间提升系统承受应力较大，影响提升系统安全和使用寿命；(2)为了避免触发限位装置，司钻会降低大钩移动速度提前刹车，影响效率,并且需要全程集中精力，操作强度大；(3)不能根据钻头所处底层采取合理的上提下放速度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法及装置，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，包括步骤：S1)实时采集基础数据，根据钻头所在井深的高度h获取钻头位置限速vmax；S2)根据实时采集的基础数据计算均减速条件下大钩从当前大钩高度位置运行到高度限值位置刚好停止所需要的加速度a；S3)设置最小介入加速度amin和最大刹车能力amax，判断加速度a是否小于最小介入加速度amin，若是，则进入步骤S4)，若否，则进入步骤S6)；S4)判断大钩当前处于轻载状态还是重载状态，若处于轻载状态，则不进行自动刹车控制；若处于重载状态，则进入S5)；S5)获取当前大钩速度，判断当前大钩速度是否超过钻头位置限速vmax，若是，则按照最小介入加速度amin对大钩进行减速控制；若否，则不进行自动刹车控制；S6)判断加速度a是否大于最大刹车能力amax，若否，则进入步骤S7)；若是，则进入步骤S8)；S7)根据最大刹车能力amax对电机进行调节，进行自动刹车控制；S8)电机停止输出，刹车器按最大刹车力输出。进一步的，若钻机为交流变频钻机，则将交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度作为最大刹车能力a1max，anax＝a1max；若钻机为直流电机或机械电机，则在大钩上行时以重力加速度作为最大刹车能力a2max，anax＝a2max；在大钩下行时结合当前大钩载荷计算辅刹最大刹车力对应的加速度，将辅刹最大刹车力对应的加速度作为最大刹车能力a3max，anax＝a3max。进一步的，步骤S7)根据最大刹车能力amax对电机进行调节，进行自动刹车控制，包括步骤：S71)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a1max，若是，则交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度进行减速；若否，则进入步骤S72)；S72)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a2max，若是，停止电机输出，进行自然减速；若否，则进入步骤S73)；S73)计算辅刹所需的刹车力，将刹车力转换成相应的油压或电流，根据油压或电流进行自动刹车控制。进一步的，步骤S73)中根据加速度a与最大刹车能力amax的比值计算辅刹所需的刹车力。进一步的，步骤S8)中所述刹车器为辅刹和/或盘刹。根据载荷的重量判断大钩为轻载还是重载，当大钩轻载时，如果加速度a小于最小介入加速度amin，则自动控制不介入；如果加速度a介于最小介入加速度amin和最大刹车能力amax之间，交流变频钻机以电机减速斜坡减速，其它类型钻机(直流钻机或机械钻机)若上行则停止电机输出，自然减速；若下行则根据加速度a与最大刹车能力amax的比值计算辅刹需要的刹车力，并换算成相应的油压或电流进行控制；如果该加速度a大于最大刹车能力amax，则电机停止输出，辅刹和/或盘刹按最大刹车力输出。当大钩重载时，如果该加速度a小于最小介入加速度amin，则看当前大钩速度是否超过钻头位置限速vmax，超过则按最小介入加速度amin进行减速控制，若否，则自动控制不介入；如果加速度a大于最小介入加速度amin，则减速控制与轻载时相同。进一步的，基础数据包括：当前大钩高度位置、大钩速度、大钩移动方向和大钩移动方向的高度限值位置；大钩移动方向包括上行或下行；高度限值位置包括上行最大高度限值位置或下行最低高度限值位置。进一步的，获取钻头位置限速t为从钻头所在井深处允许钻具以最大匀速运动到井口处的时间，ξ为风险因子,f(ξ)为钻具从钻头高度位置最大匀速度运动到井口处所需时间相对于风险因子ξ的函数,λ为钻头位置特性，v(λ)为钻具匀速运动的速度相对于钻头位置特性的函数，f(ξ)和v(λ)均通过实验数据拟合得到，α为最大速度误差。钻头位置限速即钻头所在井深允许钻具匀速运动的最大速度。先通过计算机仿真模拟各种环境下钻具匀速运动的速度相对于钻头位置特性λ的函数v(λ)以及钻具从钻头高度位置最大匀速度运动到井口处所需时间相对于风险因子ξ的函数f(ξ)，风险因子ξ和钻头位置特性λ由工作人员对实际环境进行分析赋值获得。在实际操作过程中，通过实际情况获取相应的风险因子ξ和钻头位置特性λ，然后获得与风险因子ξ以及钻头位置特性λ分别相对应的函数f(ξ)以及函数v(λ)，可以根据实际环境情况对最大速度误差α进行调整，最后计算获得钻头位置限速vmax。进一步的，风险因子包括:井漏、溢流、井壁掉块、地质风险、井眼轨迹全角变化率、坍塌和/或卡钻；钻头位置特性包括：井身结构、井眼轨迹、钻具组合、套管、裸眼、井斜角和/或不同位置钻具刚度。钻头位置限速结合了钻头位置特性，包括井身结构、井眼轨迹、钻具组合、套管、裸眼、井斜角和/或不同位置钻具刚度。并综合考虑了井漏、溢流、井壁掉块、地质风险、井眼轨迹全角变化率、坍塌和/或卡钻风险因素，对钻头处于不同井深时允许的速度进行分类分级，针对不同钻头位置采取不同的速度限值，在确保提升系统和井眼安全的前提下提高了上提下放的效率。...

【技术保护点】
1.一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，包括步骤：/nS1)实时采集基础数据，根据钻头所在井深的高度h获取钻头位置限速v

【技术特征摘要】
1.一种提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1)实时采集基础数据，根据钻头所在井深的高度h获取钻头位置限速vmax；
S2)根据实时采集的基础数据计算均减速条件下大钩从当前大钩高度位置运行到高度限值位置刚好停止所需要的加速度a；
S3)设置最小介入加速度amin和最大刹车能力amax，判断加速度a是否小于最小介入加速度amin，若是，则进入步骤S4)，若否，则进入步骤S6)；
S4)判断大钩当前处于轻载状态还是重载状态，若处于轻载状态，则不进行自动刹车控制；若处于重载状态，则进入S5)；
S5)获取当前大钩速度，判断当前大钩速度是否超过钻头位置限速vmax，若是，则按照最小介入加速度amin对大钩进行减速控制；若否，则不进行自动刹车控制；
S6)判断加速度a是否大于最大刹车能力amax，若否，则进入步骤S7)；若是，则进入步骤S8)；
S7)根据最大刹车能力amax对电机进行调节，进行自动刹车控制；
S8)电机停止输出，刹车器按最大刹车力输出。


2.根据权利要求1所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，若钻机为交流变频钻机，则将交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度作为最大刹车能力a1max，anax＝a1max；若钻机为直流电机或机械电机，则在大钩上行时以重力加速度作为最大刹车能力a2max，anax＝a2max；在大钩下行时结合当前大钩载荷计算辅刹最大刹车力对应的加速度，将辅刹最大刹车力对应的加速度作为最大刹车能力a3max，anax＝a3max。


3.根据权利要求2所述的提高钻井效率和安全系数的全域速度控制方法，其特征在于，步骤S7)根据最大刹车能力amax对电机进行调节，进行自动刹车控制，包括步骤：
S71)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a1max，若是，则交流变频钻机以电机减速斜坡对应的加速度进行减速；若否，则进入步骤S72)；
S72)判断最大刹车能力amax是否为最大刹车能力a2max，若是，停止电机输出，进行自然减速；若否，则进入步骤S73)；
S73)计算辅刹...

【专利技术属性】
技术研发人员：缑柏弘，杭达震，
申请(专利权)人：北京四利通控制技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11