一种顶驱智能控制系统及方法技术方案

技术编号：40933776 阅读：2 留言：0更新日期：2024-04-18 14:53

本发明专利技术公开了一种顶驱智能控制系统及方法，属于油气钻探技术领域，该系统包括顶驱状态信号输入模块、钻机状态信号输入模块、井下工具状态信号输入模块、数据存储模块、中央处理单元、顶驱控制信号输出模块和人机操作界面，所述顶驱状态信号输入模块、钻机状态信号输入模块、井下工具状态信号输入模块分别与数据存储模块连接，所述数据存储模块和中央处理单元连接，所述中央处理单元分别与顶驱控制信号输出模块、人机操作界面连接。本发明专利技术还提供了一种顶驱智能控制方法。本发明专利技术的技术方案提升了顶驱控制的自动化水平，简化了顶驱操作，具有操作安全的特点，适合推广应用。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及油气钻探，特别涉及一种顶驱智能控制系统及方法。

技术介绍

1、顶驱是顶部驱动钻井装置的简称，它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该装置能显著提高钻井作业的能力和效率，已成为石油钻井行业的标准产品。随着钻井工艺的发展和钻井装备自动化的提升，顶驱控制系统需要涉及的自动化、智能化也越来越多，例如对吊环精确控制的要求，对顶驱转速扭矩、旋转角度精确控制的要求，以及对顶驱与其他设备联动的要求等。这些控制包括顶驱中动力水龙头的自动控制、管子处理装置的自动控制以及动力水龙头和管子处理装置的联动控制。

2、现有技术主要依靠司钻人工进行操作，例如在抓取或推送钻具时，司钻先操作吊环旋转至合适角度，再操作吊环倾斜至适当位置，完成抓取或推送钻具的作业。在整个操作过程中，全部依赖于司钻的主观判断，如果判断不准确时，就需要反复进行调节。进行上卸扣作业时，需要司钻操作旋转头锁紧销锁紧、背钳夹紧、控制电机输出扭矩，步骤多，时间长。人工操作与司钻的经验和培训水平密切相关，由于不熟悉设备，导致出现的操作故障，甚至安全问题时有发生。此外经常出现顶驱配备新技术，但由于培训不到位，司钻不能很好利用的情况，也不利于新技术的推广使用。因此，有必要设计一种顶驱智能控制系统和方法，对顶驱的状态进行全面监测，能够自主判断顶驱所处工况，并根据该工况提出对应操作建议，经司钻确认后自动实施。

3、目前国内外对于顶驱控制方法的专利分为两种，一是整体控制，二是功能控制。</p>

4、整体控制主要是对于顶驱各个功能进行的控制，根据控制箱安装的位置可以分为本地控制与远程控制。其特点在于，控制系统可以对顶驱的全部功能进行控制，由操作人员手动给出操作指令后，顶驱按照给出的操作指令执行对应动作，操作人员可在司钻房本地操作，或者在安全的区域进行远程操作。顶驱的各项功能，都是由操作人员手动进行控制，不具备自动控制或者联动控制的功能。根据该方式申请的专利主要有：

5、专利技术专利cn 108089506 a顶驱钻井控制优化装置，其实质是一种远程控制装置，通过操作人员给出的指令，远程控制顶驱执行对应的动作。

6、二是针对某种工况，对顶驱单项功能进行控制。工况的识别，主要由操作人员根据经验进行判断。当操作人员识别出在某种工况下时，启动对应的功能，让顶驱处于某种特殊的运行状态中，以利于该工况下的钻井作业。是否能识别出该工况，是否应该启动对应功能，主要依赖于操作人员对设备、对钻井工艺的了解程度，顶驱无法自动识别，是否应该启动相应的功能。根据该方式申请的专利主要有以下几项：

7、专利技术专利cn 112360426 a一种钻井顶驱控制系统及方法，其实质是对顶驱在某些特定工况下进行控制。主要是针对于避免粘滑及卡钻现象的顶驱钻井控制系统及方法。

8、专利技术专利cn 113950219 a顶驱智能防碰控制仪，其实质是对顶驱运行位置进行检测，实现防止碰撞的目的。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提供一种顶驱智能控制系统及方法，利用采集到的各种信息，实现判断顶驱工况，根据工况给出对应操作建议，并控制顶驱自动完成操作的目的。提升顶驱控制的自动化水平，简化顶驱操作，将人工经验带来的影响降低，提升顶驱操作和运行的安全性。

2、本专利技术考虑顶驱高度、悬重、钻压、泵压、转速、扭矩、角度等参数，提出了一种顶驱控制方法，对顶驱多项作业进行自动化控制。系统控制对象包括管子处理装置与动力水龙头两部分，可实现两部分的联动控制，系统可通过获得的参数，识别顶驱当前工况；并根据当前工况，推荐司钻使用相应功能，在得到司钻确认后，自动控制顶驱运行对应功能。可自动化控制的功能包括吊环定位、顶驱自动上卸扣、顶驱自动释放反扭矩和顶驱转速扭矩控制。为了更好地使用本控制系统，设计了信号处理和传输装置及整个系统的使用方法。本专利技术的实施例是这样实现的：

3、一方面，本专利技术的实施例提供了一种顶驱智能控制系统，包括顶驱状态信号输入模块、钻机状态信号输入模块、井下工具状态信号输入模块、数据存储模块、中央处理单元、顶驱控制信号输出模块和人机操作界面，所述顶驱状态信号输入模块、钻机状态信号输入模块、井下工具状态信号输入模块分别与数据存储模块连接，所述数据存储模块和中央处理单元连接，所述中央处理单元分别与顶驱控制信号输出模块、人机操作界面连接；

4、所述顶驱状态信号输入模块、钻机状态信号输入模块、井下工具状态信号输入模块用于获得钻井相关的参数信号；

5、所述数据存储模块用于存储所述顶驱状态信号输入模块、钻机状态信号输入模块、井下工具状态信号输入模块获得的信号；

6、所述中央处理单元用于读取数据并通过内置算法，识别到顶驱现在所处的工况；

7、所述人机操作界面用于显示推荐顶驱操作；

8、所述顶驱控制信号输出模块用于输出推荐顶驱操作。

9、进一步，所述钻井相关的参数信号包括顶驱的各类控制命令、顶驱转速、顶驱扭矩、顶驱旋转角度、工具面、泵压、钻压、悬重、顶驱高度等信号。

10、进一步，还包括数据采集模块、数据库、工况识别模块、控制模块。

11、再进一步，所述数据采集模块包括顶驱状态数据采集模块、钻机状态数据采集模块、井下工具状态数据采集模块和其他状态数据采集模块。

12、再进一步，所述工况识别模块包括粘滑工况识别模块、堵转工况识别模块和定向工况识别模块。

13、再进一步，所述控制模块包括动力水龙头控制模块、管子处理装置控制模块和顶驱自动化控制模块。

14、进一步，所述顶驱控制信号输出模块包括数字量输出模块和模拟量输出模块。

15、数字量输出模块用于控制顶驱的正、反转，吊环的前、后倾，旋转头正、反转，备钳夹紧、松开，刹车抱闸等；数字量输出模块可输出24vdc信号，也可通过通讯方式与顶驱控制器连接；

16、模拟量输出模块用于控制顶驱旋转速度，顶驱限定扭矩，顶驱旋转角度等；模拟量输出模块可输出0-10v电压信号，±10v电压信号，4-20ma电流信号，0-20ma电流信号等，也可通过通讯方式与顶驱控制器连接；

17、另一方面，本专利技术的实施例提供了一种顶驱智能控制方法，包括自动顶驱上扣的控制、顶驱自动卸扣的控制、顶驱自动抓取钻杆的控制；

18、实现自动顶驱上扣的控制方法，包括以下步骤：

19、步骤一：正向旋扣；具体包括三个步骤，步骤a，系统控制顶驱按照预定的转速旋转；步骤b，通过检测顶驱实际扭矩判断顶驱主轴与钻杆是否完成连接，达到旋扣扭矩后，旋扣停止；步骤c，完成正向旋扣，发出旋扣完成信号；

20、步骤二：背钳夹紧；具体包括三个步骤，步骤a，系统控制背钳夹紧钻杆；步骤b，通过安装在顶驱背钳液压管路上的传感器，检测背钳是否完成夹紧，背钳压力大于系统设置的阈值并保持一定时间后，认为背钳夹紧；步骤c，控本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种顶驱智能控制系统，其特征在于，包括顶驱状态信号输入模块、钻机状态信号输入模块、井下工具状态信号输入模块、数据存储模块、中央处理单元、顶驱控制信号输出模块和人机操作界面，所述顶驱状态信号输入模块、钻机状态信号输入模块、井下工具状态信号输入模块分别与数据存储模块连接，所述数据存储模块和中央处理单元连接，所述中央处理单元分别与顶驱控制信号输出模块、人机操作界面连接；

2.根据权利要求1所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，所述钻井相关的参数信号包括顶驱的各类控制命令、顶驱转速、顶驱扭矩、顶驱旋转角度、工具面、泵压、钻压、悬重、顶驱高度信号。

3.根据权利要求1所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，还包括数据采集模块、数据库、工况识别模块、控制模块。

4.根据权利要求3所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，所述数据采集模块包括顶驱状态数据采集模块、钻机状态数据采集模块、井下工具状态数据采集模块和其他状态数据采集模块。

5.根据权利要求3所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，所述工况识别模块包括粘滑工况识别模块、堵转工况识别模块和定向工况识别模块。

6.根据权利要求3所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，所述控制模块包括动力水龙头控制模块、管子处理装置控制模块和顶驱自动化控制模块。

7.根据权利要求1所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，所述顶驱控制信号输出模块包括数字量输出模块和模拟量输出模块；

8.一种顶驱智能控制方法，其特征在于，包括自动顶驱上扣的控制、顶驱自动卸扣的控制、顶驱自动抓取钻杆的控制；

9.根据权利要求8所述的顶驱智能控制方法，其特征在于，还包括顶驱堵转的识别，通过控制系统的堵转工况识别软件模块识别，其输入的数据包括顶驱实际扭矩T，顶驱转速n，识别周期t，顶驱高度h；识别模块按照识别周期t记录数据，根据公式计算，得到ΔT＝T2-T1，Δn＝n2-n1，系统根据ΔT，Δn的值以及当前时刻的T与n值进行判断，当ΔT持续处于正值，且Δn处于负值达到多个识别周期t后，系统认为顶驱即将发生堵转，标记此时处于堵转预警状态，在堵转预警状态时，顶驱扭矩值T达到设定扭矩，顶驱实际转速n趋近于0时，识别此时发生堵转；堵转后，系统提示司钻是否释放反扭矩，得到确认后，系统执行自动释放反扭矩程序；自动释放反扭矩程序，其输入的数据包括顶驱实际扭矩Tact，顶驱实际转速nact，顶驱设置扭矩Tset和顶驱设置转速nset；输出的数据为顶驱设置扭矩Tset和顶驱设置转速nset，通过顶驱控制信号输出模块控制顶驱输出扭矩及转速；自动释放反扭矩程序，通过降低顶驱设置扭矩，逐渐减小井下堵转的反扭矩，同时检测顶驱的实际转速nact，当发现顶驱实际转速nact＜0，超过一定阈值，且单位时间t内的Δnact逐渐增大时，停止减小扭矩设置值，此时根据单位时间t内的Δnact的变化情况，决定系统的响应：Δnact逐渐增大或保持时，增加顶驱设置扭矩Tset；Δnact逐渐减小时，保持当前顶驱设置扭矩Tset；Δnact趋近于0及nact趋近于0时，继续减小顶驱设置扭矩Tset，直至顶驱实际扭矩Tact＜一定阈值后，系统自动释放反扭矩完成。

10.根据权利要求8所述的顶驱智能控制方法，其特征在于，还包括识别及处理定向钻井时摩阻过大、托压及工具面偏差的工况，定向钻井时工况的识别，通过控制系统的定向工况识别模块，其输入的数据包括泵压P泵，顶驱转动角度θ顶，顶驱扭矩T，钻压PWOB，悬重，识别周期t，钻杆长度l；钻井作业时，将钻杆等效成弹簧，顶驱旋转角度与钻头旋转角度不完全相同，钻头的旋转角度与顶驱的扭矩、钻杆长度、钻杆刚性有关，钻头角度的旋转角度与顶驱旋转角度有如下的关系：Δθ钻头＝k·l·T·Δθ顶驱，通过三个步骤对对工具面偏差进行调整，使工具面保持在允许的范围内：

11.根据权利要求8所述的顶驱智能控制方法，其特征在于，还包括摩阻过大及托压情况的判断与处理，通过控制系统的定向工况识别模块，其输入的数据包括钻压PWOB，泵压、悬重，识别周期t，井深；系统通过三个步骤对摩阻过大及托压情况进行处理：

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【技术特征摘要】

3.根据权利要求1所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，还包括数据采集模块、数据库、工况识别模块、控制模块。

5.根据权利要求3所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，所述工况识别模块包括粘滑工况识别模块、堵转工况识别模块和定向工况识别模块。

6.根据权利要求3所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，所述控制模块包括动力水龙头控制模块、管子处理装置控制模块和顶驱自动化控制模块。

7.根据权利要求1所述的顶驱智能控制系统，其特征在于，所述顶驱控制信号输出模块包括数字量输出模块和模拟量输出模块；

8.一种顶驱智能控制方法，其特征在于，包括自动顶驱上扣的控制、顶驱自动卸扣的控制、顶驱自动抓取钻杆的控制；

9.根据权利要求8所述的顶驱智能控制方法，其特征在于，还包括顶驱堵转的识别，通过控制系统的堵转工况识别软件模块识别，其输入的数据包括顶驱实际扭矩t，顶驱转速n，识别周期t，顶驱高度h；识别模块按照识别周期t记录数据，根据公式计算，得到δt＝t2-t1，δn＝n2-n1，系统根据δt，δn的值以及当前时刻的t与n值进行判断，当δt持续处于正值，且δn处于负...

【专利技术属性】
技术研发人员：张尧，王博，杨泉水，楚飞，陈鹏，谭帅，周泽人，孙艳辉，周磊，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：

全部详细技术资料下载我是这个专利的主人