一种钻柱双向扭转控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种钻柱双向扭转控制系统及方法。控制系统主要由数据采集及操作显示仪、主控仪、通讯切换单元和传感器单元组成；数据采集及操作显示仪包括断路器、开关电源、远程ET200模块、数字量输入模块、模拟量输入模块、高速脉冲输入模块、导轨和触摸屏组成。当滑动导向托压严重时，钻柱双向扭转控制系统与变频器建立通讯，通过变频器控制转盘电机正反转，驱动井筒内钻柱双向扭转，具有按角度扭转和扭矩扭转两种控制方式。当滑动导向结束时，切断扭转控制系统与变频器之间通讯，钻机转盘恢复常规控制。钻柱双向扭转控制系统可完全独立于钻机原PLC电控系统使用，且两系统切换方便；扭转参数可根据实时工况自动调整，自动化程度高。程度高。程度高。

【技术实现步骤摘要】
一种钻柱双向扭转控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及石油工程
，具体是涉及一种钻柱双向扭转控制系统及方法。

技术介绍

[0002]滑动导向仍然是目前最常用的导向技术，成本低、技术成熟，但是滑动导向时，钻柱不旋转，钻柱与井壁之间为静摩擦，摩阻高，易托压，对定向产生诸多不利影响。
[0003]为解决这一工程技术难题，近年来国内仅针对顶驱开展了钻柱双向扭转（或称扭摆）技术研究，通过顶驱控制钻柱正反双向扭转，变钻柱与井壁之间静摩擦为动摩擦，减轻定向摩阻，提高定向钻井速度。公开号为CN106050216A，公开日为2016年10年26日的中国专利文献公开了《一种提高滑动钻进效率的顶驱扭摆减阻方法及装置》，该专利详细阐述了顶驱控制钻柱扭摆的方法及控制软件，并说明了具体使用方法，但没有提及控制系统硬件，只适用于顶驱厂家在自家顶驱上开发扭转程序，实现双向扭转功能，具有较大的局限性，且所述扭摆控制方法理论性较强，缺乏实用性。
[0004]经检索，相关专利均为针对顶驱的钻柱扭转控制系统或控制方法，但大部分石油钻机，特别是30、40钻机并没有配备顶驱，仍然使用电动转盘驱动钻柱及钻头钻井。这类电动转盘钻机在定向井、水平井滑动导向作业中，也普遍存在摩阻高，严重托压的现象。

技术实现思路

[0005]针对上述技术缺陷和不足，本专利技术提供了基于电动转盘的钻柱双向扭转控制系统和基于电动转盘的钻柱双向扭转控制方法，本专利技术的扭转控制系统兼容性好，适用于在各种型号钻机转盘上应用，且扭转参数可根据现场采集的传感器数据自动实时调整，自动化程度高，操作方便。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种钻柱双向扭转控制系统，由数据采集及操作显示仪、主控仪、通讯切换单元和传感器单元组成；数据采集及操作显示仪由断路器、开关电源、远程ET200模块、数字量输入模块、模拟量输入模块、高速脉冲输入模块、导轨和触摸屏一组成；主控仪由CPU电源、CPU、串口通讯模块、DP通讯模块、导轨和触摸屏二组成；通讯切换单元包括485中继器、断路器和导轨；传感器单元包括转盘刹车气压传感器、泵压传感器和电机编码器。
[0007]优选地，数据采集及操作显示仪中的断路器、开关电源、远程ET200模块、数字量输入模块、模拟量输入模块、高速脉冲输入模块依次并排安装于导轨上，导轨固定于数据采集及操作显示仪内部底板上，触摸屏一安装于数据采集及操作显示仪顶盖上；数字量输入模块、模拟量输入模块和高速脉冲输入模块用于采集传感器单元的数据。
[0008]优选地，主控仪中的CPU电源，CPU、串口通讯模块和DP通讯模块依次并排安装于导轨上，导轨固定于主控仪内部底板上，触摸屏二安装于主控仪顶盖上。
[0009]优选地，通讯切换单元中的485中继器和断路器并排安装于导轨上，导轨安装于钻井队VFD房的内墙上，485中继器上有通讯切换开关，用于“通讯A”和“通讯B”两路通讯线路
的切换。
[0010]优选地，传感器单元中的转盘刹车气压传感器安装于气源与转盘气态离合器之间的气路上，泵压传感器安装于钻机立管上，电机编码器安装于转盘电机上。
[0011]数字量输入模块与转盘刹车气压传感器用信号线连接，采集转盘刹车信号；模拟量输入模块与泵压传感器用信号线连接，采集立管压力；高速脉冲输入模块与电机编码器用信号线连接，采集电机编码器的高频脉冲信号。
[0012]远程ET200模块与触摸屏一、ET200模块与CPU、CPU与触摸屏二、串口通讯模块与MWD数据地面解析设备、DP通讯模块与485中继器、485中继器与变频器之间用通讯线连接，组成系统通讯网络；数字量输入模块、模拟量输入模块和高速脉冲输入模块采集到的传感器数据经远程ET200模块进入通讯网络，MWD数据经串口通讯模块进入通讯网络，所有数据用于CPU程序控制，以及在触摸屏一与触摸屏二数据显示；触摸屏一采集到的操作指令经ET200模块传送至CPU，触摸屏二采集到的操作指令直接传输到CPU，操作指令经CPU程序处理后，由DP通讯模块经线路“通讯B”、485中继器向变频器发出控制指令，由变频器控制转盘电机动作；转盘电机的实时运行参数从变频器经485中继器、线路“通讯B”经DP通讯模块进入通讯网络，在触摸屏一和触摸屏二上显示。
[0013]优选地，CPU内装载有钻柱双向扭转控制PLC程序，触摸屏一和触摸屏二内装载有人机交互组态程序。
[0014]本专利技术还提供一种基于所述的钻柱双向扭转控制系统的控制方法：S1、在钻井现场，将数据采集及操作显示仪安装于司钻房，供井队司钻使用，主控仪放置于定向房内，供定向工程师使用。并将所有电源线、传感器信号线和通讯线连接好。
[0015]S2、当滑动导向托压严重，井队无法定向时，将485中继器上的通讯切换开关置于“通讯B”这一路通讯上，并给数据采集及操作显示仪、主控仪、通讯切换单元三个模块分别通电，此时钻柱双向扭转控制系统与变频器建立通讯。
[0016]S3、完成通讯切换后，司钻在触摸屏一或定向工程师在触摸屏二上进行钻柱双向扭转参数设置，主要包括双向扭转扭矩、扭转速度及扭转角度等，设置参数经通讯网络传至主控仪的CPU。
[0017]S4、完成参数设置后，司钻在触摸屏一上，点击“扭转开始”按钮，“扭转开始”指令传输到CPU，由CPU内的控制程序按照设定参数，通过变频器对转盘电机实施双向扭转控制，转盘电机通过转盘带动井筒内钻柱双向扭转；扭转过程中，根据泵压传感器的泵压信号，串口通讯模块采集的MWD工具面数据，以及从变频器中读取转盘电机的扭矩信号，扭转控制程序自动调整扭转参数，使扭转降阻效果达到最优；电机编码器实时检测转盘电机转速及角度信号，并传送到CPU，对转盘电机转速和旋转角度进行闭环控制；当转盘刹车气压传感器检测到刹车信号，则扭转控制系统向变频器发出停车指令，停止双向扭转动作；钻柱双向扭转控制系统设置有两种扭转方式，即按双向角度和双向扭矩载荷正反扭转。
[0018]S5、当滑动导向摩阻不高，或滑动导向结束需复合钻进时，司钻在触摸屏一上，点击“扭转结束”按钮即可结束扭转动作；然后将485中继器上的通讯切换开关置于“通讯A”这一路通讯上，即可断开钻柱双向扭转控制系统与变频器的通讯，钻机转盘原PLC电控系统与变频器建立通讯，对转盘电机实施一般钻进控制。
[0019]该钻柱双向扭转控制系统及控制方法，有益的技术效果是：
（1）基于电动转盘的钻柱扭转控制系统与钻机转盘原PLC电控系统完全独立，两系统可自由切换，兼容性好，适用于在各类型钻机电动转盘上应用。
[0020]（2）基于电动转盘的钻柱扭转控制系统利用传感器实时采集立管压力、定向MWD数据以及电机扭矩信号，扭转控制程序根据这些数据自动调整扭转参数，减少人为干预，自动化程度高。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的钻柱双向扭转控制系统示意图。
[0022]图中标记：1.数据采集及操作显示仪，2.主控仪，3.通讯切换单元，4.钻机转盘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻柱双向扭转控制系统，主要由数据采集及操作显示仪（1）、主控仪（2）、通讯切换单元（3）和传感器单元（8）组成；其特征在于：所述数据采集及操作显示仪（1）包括断路器（9）、开关电源（10）、远程ET200模块（11）、数字量输入模块（12）、模拟量输入模块（13）、高速脉冲输入模块（14）和触摸屏一（16）；所述主控仪（2）包括CPU（18）、串口通讯模块（19）、DP通讯模块（20）和触摸屏二（22）；通讯切换单元（3）包括485中继器（23）和断路器（24）；传感器单元（8）包括转盘刹车气压传感器（27）、泵压传感器（28）和电机编码器（29）；数字量输入模块（12）与转盘刹车气压传感器（27）用信号线连接，采集转盘刹车信号；模拟量输入模块（13）与泵压传感器（28）用信号线连接，采集立管压力；高速脉冲输入模块（14）与电机编码器（29）用信号线连接，采集电机编码器（29）的高频脉冲信号；485中继器（23）上有通讯切换开关（26），用于“通讯A”和“通讯B”两路通讯线路的切换；转盘刹车气压传感器（27）安装于气源与转盘气态离合器之间的气路上，泵压传感器（28）安装于钻机立管上，电机编码器（29）安装于转盘电机（6）上；远程ET200模块（11）与触摸屏一（16）、ET200模块（11）与CPU（18）、CPU（18）与触摸屏二（22）、串口通讯模块（19）与MWD数据地面解析设备（7）、DP通讯模块（20）与485中继器（23）、485中继器（23）与变频器（5）之间用通讯线连接，组成系统通讯网络；数字量输入模块（12）、模拟量输入模块（13）和高速脉冲输入模块（14）采集到的传感器数据经远程ET200模块（11）进入通讯网络，MWD数据经串口通讯模块（19）进入通讯网络，所有数据用于CPU（18）程序控制，以及在触摸屏一（16）与触摸屏二（22）数据显示；触摸屏一（16）采集到的操作指令经ET200模块（11）传送至CPU（18），触摸屏二（22）采集到的操作指令直接传输到CPU（18），操作指令经CPU（18）程序处理后，由DP通讯模块（20）经线路“通讯B”、485中继器（23）向变频器（5）发出控制指令，由变频器（5）控制转盘电机（6）双向扭转；转盘电机（6）的实时运行参数从变频器（5）经485中继器（23）、线路“通讯B”经DP通讯模块（20）进入通讯网络，在触摸屏一（16）和触摸屏二（22）上显示。2.根据权利要求1所述的钻柱双向扭转控制系统，其特征在于：所述数据采集及操作显示仪（1）还包括导轨A（15），断路器（9）、开关电源（10）、远程ET200模块（11）、数字量输入模块（12）、模拟量输入模块（13）、高速脉冲输入模块（14）依次并排安装于导轨（15）上。3.根据权利要求2所述的钻柱双向扭转控制系统，其特征在于：所述导轨（15）固定于数据采集及操作显示仪（1）内部底板上；触摸屏一（16）安装于数据采集及操作显示仪（1）顶盖上。4.根据权利要求1所述的钻柱双向扭...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹文波，唐洪林，何洪涛，王建业，杜坤，张喜民，江正清，于丽丽，李玉红，
申请(专利权)人：中石化胜利石油工程有限公司中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，
类型：发明
国别省市：