基于顶部驱动装置的上卸扣系统及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统及其控制方法，该上卸扣系统包括：绞车、顶部驱动装置、井口大钳和控制设备；顶部驱动装置包括：顶驱主轴、液动卡瓦、背钳、电机；其中，液动卡瓦用于抓取立根；电机用于驱动顶驱主轴正转或反转旋扣以连接或断开立根上端与顶驱主轴之间的螺纹；背钳用于卡紧钻柱；井口大钳用于连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹；绞车上安装有绞车传感器，用于检测顶部驱动装置的位置信息，并反馈至控制设备；控制设备用于控制液动卡瓦、电机、背钳和井口大钳执行相应的功能以实现上扣或卸扣操作。本发明专利技术能够减少上卸扣作业过程中所需操作人员的数量，降低操作风险，提高作业安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于顶部驱动装置的上卸扣系统及其控制方法
本专利技术涉及石油开采领域，尤其涉及一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统及其控制方法。
技术介绍
本部分旨在为权利要求书中陈述的本专利技术实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。顶部驱动装置(简称顶驱装置或顶驱)是一种新型的钻井装备，与采用方钻杆和转盘的传统钻进方式相比，顶部驱动装置可以在井架空间上部直接驱动钻柱旋转并沿专用导轨向下送进，完成旋转钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣、倒划眼等多种钻井操作。上卸扣是钻井、下套管起下钻工序中重要的步骤之一。传统意义上的上扣指的是利用井口动力钳将立根接在钻柱与方钻杆之间；卸扣指的是断开方钻杆与钻柱连接的第一扣。上卸扣的时候，一般使用下钳固定住下面的钻杆，上钳夹住上面的钻杆正转或反转以达到上紧、断开螺纹的目的。为了保护丝扣，上卸扣过程中，上钳和下钳体之间的间距须随着螺纹的旋入或旋出而变化；其中，上扣只要满足规定的上扣扭即可，而卸扣则一般需要紧扣扭矩的数倍扭矩(冲扣)。利用顶部驱动装置配合井口动力钳来进行上卸扣作业，可大大减轻劳动强度，提高效率和作业安全性。目前，顶部驱动装置配合井口动力钳的上卸扣过程如下：①坐放钻柱：完成钻进后，操作人员将吊卡(卡瓦)放入钻台面，司钻人员下放钻柱使吊卡(卡瓦)卡紧钻柱；②顶部驱动装置卸扣：司钻人员操作顶驱控制台的组合按钮(一般同时操作两个按钮)对顶驱下达卸扣指令，顶驱主轴反转与钻杆脱离，卸扣的同时，司钻人员需要操作手柄缓慢上提顶驱，避免磨扣；③提起单根/立根：司钻人员观察到螺纹完全脱开后，通过控制台上提顶驱，操作吊环倾斜，操作人员引导单根/立根进入吊卡并手动关闭吊卡，司钻人员上提顶驱并操作按钮，使吊环提起单根/立根脱离钻台面；④连接单根/立根：司钻人员将倾斜油缸切换至浮动状态，使吊环以自由状态对正井口；缓慢下放顶驱，使单根/立根下端与钻柱上端对扣，操作人员使用井口大钳上扣，连接单根/立根与钻柱。继续下放顶驱，单根/立根上端进入顶驱装置导向环，与顶驱装置保护接头对扣。司钻人员控制顶驱装置以小扭矩旋扣，再根据计算值进行紧扣，同时缓慢下放顶驱以补偿螺纹旋入的长度。通过对现有顶部驱动装置配合井口动力钳的上卸扣过程分析，现有上卸扣控制过程存在如下缺陷：(一)人工成本高。实际作业中，除去司钻，必须配置二层台操作人员1名，钻台操作人员2～3人；(二)钻台面、二层台必须配备操作人员，作业劳动强度大，二层台作业属于高空作业，安全风险高；(三)对司钻人员的操作要求高。上卸扣过程中，司钻人员需要控制各种设备，必须操作各种按钮、按键、手柄，且多个重要环节须人工判断和干预，一旦出现工作疏忽将造成重大的安全事故及经济损失。针对上述缺陷，对于基于顶部驱动装置的上卸扣作业，现有技术中急需一种能够上卸扣自动控制方法，以减少上卸扣作业中，人为干预，操作繁琐且安全性低的技术问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，用以解决现有基于顶部驱动装置的上卸扣作业过程中，需要人工多次干预或操作，导致操作繁琐且安全低的技术问题，该上卸扣系统包括：绞车、顶部驱动装置、井口大钳和控制设备；顶部驱动装置包括：顶驱主轴、液动卡瓦、背钳、电机；其中，液动卡瓦用于抓取立根；电机用于驱动顶驱主轴正转或反转旋扣以连接或断开立根上端与顶驱主轴之间的螺纹，背钳用于在顶驱主轴正转或反转旋扣时卡紧钻柱；井口大钳用于连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹；绞车上安装有绞车传感器，用于检测绞车下放或上提顶部驱动装置的位置信息，并反馈至控制设备；控制设备用于根据顶部驱动装置的位置信息，控制液动卡瓦、电机、背钳和井口大钳执行相应的功能以实现上扣或卸扣操作。本专利技术实施例还提供一种基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法，用以解决现有基于顶部驱动装置的上卸扣作业过程中，需要人工多次干预或操作，导致操作繁琐且安全低的技术问题，该方法应用于上述的基于顶部驱动装置的上卸扣系统，包括：获取顶部驱动装置的位置信息；根据顶部驱动装置的位置信息，弹出上卸扣提示信息，其中，上卸扣提示信息用于提示输入卸扣指令或上扣指令；在检测到卸扣指令的情况下，控制背钳卡紧钻柱的同时，控制电机按照预先确定的冲扣扭矩和卸扣扭矩驱动顶驱主轴反转旋扣，以断开顶驱主轴与钻柱连接的第一扣；在检测到上扣指令的情况下，控制顶部驱动装置的液动卡瓦抓取立根，并控制井口大钳连接立根下端与钻柱上端之间的螺纹，以及控制背钳卡紧钻柱的同时，控制电机按照预先确定的上扣扭矩驱动顶驱主轴正转旋扣，以连接立根上端与顶驱主轴之间的螺纹。本专利技术实施例中，通过绞车上安装的绞车传感器检测绞车下放或上提顶部驱动装置的位置信息，并反馈至控制设备；控制设备根据反馈的位置信息，确定顶部驱动装置是否到达上扣位置、卸扣位置或抓取立根位置；当顶部驱动装置到达抓取立根位置时，控制液动卡瓦抓取立根；当顶部驱动装置到达上扣位置时，控制井口大钳连接立根下端与钻柱上端之间的螺纹，并控制电机驱动顶驱主轴正转旋扣以连接立根上端与顶驱主轴之间的螺纹，实现上扣；当顶部驱动装置到达卸扣位置时，控制电机驱动顶驱主轴反转旋扣以断开顶驱主轴与钻柱连接的第一扣，实现卸扣。通过本专利技术实施例，实现了根据实时检测的顶部驱动装置的位置，自动执行上卸扣操作的目的，能够大大减少上卸扣作业过程中所需操作人员的数量，降低操作风险，提高作业安全性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1为本专利技术实施例中提供的一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统示意图；图2为本专利技术实施例中提供的一种顶部驱动装置示意图；图3为本专利技术实施例中提供的一种井口大钳示意图；图4为本专利技术实施例中提供的一种基于顶部驱动装置的上卸扣控制方法流程图；图5为本专利技术实施例中提供的一种用于起下钻模式的上卸扣控制方法流程图。附图标记：绞车1、顶部驱动装置2、井口大钳3、线缆4、动力源5、电控房6、液压源7、控制设备8、绞车传感器1-1、平衡系统2-1、液压控制阀组2-2、旋转头2-3、顶驱主轴2-4、第一对扣传感器2-5、液动卡瓦2-6、背钳2-7、电机2-8、散热器2-9、冷却风机2-10、倾斜油缸伸出长度传感器2-11、固定支架3-1、上钳3-2、下钳3-3、第二对扣传感器3-4。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本专利技术实施例做进一步详细说明。在此，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。本专利技术实施例中提供了一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，图1为本专利技术实施例中提供的一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，其特征在于，包括：绞车(1)、顶部驱动装置(2)、井口大钳(3)和控制设备(8)；所述顶部驱动装置(2)包括：顶驱主轴(2-4)、液动卡瓦(2-6)、背钳(2-7)、电机(2-8)；/n其中，所述液动卡瓦(2-6)用于抓取立根；/n所述电机(2-8)用于驱动所述顶驱主轴(2-4)正转或反转旋扣以连接或断开立根上端与所述顶驱主轴(2-4)之间的螺纹；所述背钳(2-7)用于在所述顶驱主轴(2-4)正转或反转旋扣时卡紧钻柱；/n所述井口大钳(3)用于连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹；/n所述绞车(1)上安装有绞车传感器(1-1)，用于检测所述绞车(1)下放或上提所述顶部驱动装置(2)的位置信息，并反馈至所述控制设备(8)；/n所述控制设备(8)用于根据所述顶部驱动装置(2)的位置信息，控制所述液动卡瓦(2-6)、所述电机(2-8)、所述背钳(2-7)和所述井口大钳(3)执行相应的功能以实现上扣或卸扣操作。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，其特征在于，包括：绞车(1)、顶部驱动装置(2)、井口大钳(3)和控制设备(8)；所述顶部驱动装置(2)包括：顶驱主轴(2-4)、液动卡瓦(2-6)、背钳(2-7)、电机(2-8)；
其中，所述液动卡瓦(2-6)用于抓取立根；
所述电机(2-8)用于驱动所述顶驱主轴(2-4)正转或反转旋扣以连接或断开立根上端与所述顶驱主轴(2-4)之间的螺纹；所述背钳(2-7)用于在所述顶驱主轴(2-4)正转或反转旋扣时卡紧钻柱；
所述井口大钳(3)用于连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹；
所述绞车(1)上安装有绞车传感器(1-1)，用于检测所述绞车(1)下放或上提所述顶部驱动装置(2)的位置信息，并反馈至所述控制设备(8)；
所述控制设备(8)用于根据所述顶部驱动装置(2)的位置信息，控制所述液动卡瓦(2-6)、所述电机(2-8)、所述背钳(2-7)和所述井口大钳(3)执行相应的功能以实现上扣或卸扣操作。


2.如权利要求1所述的上卸扣系统，其特征在于，所述顶部驱动装置(2)还包括：平衡系统(2-1)，用于上卸扣系统执行上扣或卸扣操作的情况下，下放或上提所述顶部驱动装置(2)以补偿螺纹旋入或旋出的长度。


3.如权利要求1所述的上卸扣系统，其特征在于，所述顶部驱动装置(2)还包括：第一对扣传感器(2-5)，用于检测所述顶驱主轴(2-4)与立根上端是否成功对扣；
其中，所述控制设备(8)还用于在所述顶驱主轴(2-4)与立根上端成功对扣的情况下，控制电机(2-8)驱动所述顶驱主轴(2-4)正转旋扣，以连接立根上端与所述顶驱主轴(2-4)之间的螺纹。


4.如权利要求1所述的上卸扣系统，其特征在于，所述顶部驱动装置(2)还包括：倾斜油缸伸出长度传感器(2-11)，用于在所述液动卡瓦(2-6)抓取钻杆时检测倾斜油缸伸出长度，并根据倾斜油缸伸出长度确定钻杆是否回到中心位置；
其中，所述控制设备(8)还用于在钻杆没有回到中心位置的情况下，控制钻杆回到中心位置；以及在钻杆中心位置的情况下，控制所述绞车(1)下放所述顶部驱动装置(2)。


5.如权利要求1所述的上卸扣系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，楚飞，高瀚，雷宇，谢宏峰，齐建雄，王洋绅，程腾飞，于川，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京石油机械有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11