[发明专利]一种控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用提环载荷传感的方式控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法。

技术背景

目前，石油钻机顶驱装置的控制系统主要采用交流变频控制方式，可以根据需要设定主电机的限定转速和限定扭矩。

在此之前的控制系统，都是由操作人员通过调节手轮等方式设定顶驱装置的限定转速和限定扭矩，转速和扭矩的设定相互独立且不随钻井工况的变化而变化。当钻井工况发生变化时，需要对设定值进行相应调整，但现有技术本身无法判断工况，因此需要人工参与判断和加以调节。人工操作带有很大的不确定性，难以保证调整的及时和合理，从而影响了钻井作业的效率和安全程度。

在此之前，钻机大钩的载荷参数(悬重和钻压)仅用于仪表显示供司钻人员参考。要想将这些参数引入顶驱装置的控制系统，需要在顶驱装置以外的部件上加装传感器，或者由其他设备提供信号。由于顶驱装置为移动设备，不是固定与某套钻机配套，有时甚至频繁更换。拆装传感器会增加工作量，从其他设备取信号又涉及到设备改造和匹配的问题。

发明内容

本发明的目的是在原有控制方法的基础上，通过在顶驱装置提环系统中加入载荷传感器，将提升系统的载荷(悬重和钻压)参数引入顶驱控制系统，用于判断钻井工况，并根据载荷变化情况自动对顶驱装置的转速和扭矩设定值进行及时调整。

本发明的方案是采用带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置，测量提环承载L_T，该装置主要由提环、提环销和箱体组成，在提环的两端分别设有水平穿过的两个圆柱形提环销，提环销的一端与箱体固定，在两个提环销上分别固定有载荷传感器，载荷传感器连接信号输出电缆，载荷传感器采用的是应变式压力传感器。

顶驱装置提环系统载荷传感的基本原理是：在顶驱装置使用过程中，随着提环系统承载的不同，在提环销上会产生相应的形变，传感器将该形变转化为电信号，传给控制系统。

提环承载加大，相当于大钩悬重增加，或者钻压减小；反之，提环承载减小，相当于大钩悬重减小，或者钻压增加。在钻井作业中，一般要求钻压保持恒定。

本发明的控制方法如下：

(1)在顶驱运行之前，司钻人员通过人机界面或其他输入终端输入钻井扭矩限定值T_H、转速限定值S_H、转速安全值S_max；系统检测实际转速S_A、实际输出扭矩T_A、提环承载L_T；根据其变化判断工况，自动调整转速设定值S_S和扭矩设定值T_S；一般情况下，T_S≤T_H，S_S≤S_H；特殊工况时允许S_S≤S_H≤S_max；S_A随S_S调节，系统稳定运行时S_A＝S_S；T_A在不超过扭矩设定值T_S的范围内随负载扭矩T_L变化，T_A＝T_L≤T_S。

(2)顶驱装置启动时，记录L_T当前值作为钻具自重参考值W_T；S_S从0开始，按设定曲线增加至S_H；T_S从常数T₀开始逐渐提高，根据实际加速度调整T_S；T_S应不小于T_L+T_a，T_a为提供加速度的扭矩；最终达到理想钻井工况，即：S_A＝S_S＝S_H，T_S取T_L*C₁(C₁≥1，为常数)和T_H中较小的值。程序流程图如下图3所示：