[发明专利]钻机引擎控制

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制钻机引擎(rig engine)的功率负荷的系统、涉及包含这样的系统的井筒钻机(wellbore rig)、涉及供在该系统中使用的可编程逻辑控制器，并涉及控制钻机引擎的功率负荷的方法。

背景技术

在某些方面中，本发明涉及：控制发电机引擎，并且在某些特定方面，涉及控制井筒钻机发电机引擎以控制其形成的气体排放；涉及在例如钻井(drilling)的井筒操作中使用的钻机的功率系统；涉及用于回收和使用钻机装置产生的功率的方法和系统；并涉及提高钻机上使用的功率的质量。

用于陆基和海上井筒操作的钻机使用各种使用电功率的工具、装置、器具、系统和设备。通常，功率由一个或多个依靠柴油燃料或者其他碳氢化合物燃料运行的发电机供应。这样的钻机(包括但不限于钻井钻机和生产平台)具有例如绞车、泵、电动机泥浆泵、驱动系统(转盘、动力水龙头、顶部驱动器)、管架系统、液压功率单元，和/或各种钻机工具(灯、A/C单元、器具)、电子部件和用于这些东西的控制系统。典型的常规钻井钻机具有一个或多个交流(AC)发电机，其向硅可控整流器提供功率，所述硅可控整流器把AC功率转换为DC功率，例如用于各种工具和系统的DC电动机，并用于DC供电的顶部驱动器或原动机。

在某些现有系统中，钻机发电机具有依靠天然气(或其他相对清洁的燃料)运行的引擎。这些引擎可能对不同的功率需求响应迟钝，并且这可能对例如(但不限于)分离速度(tripping speed)有负面影响。在很多这样的引擎中，引擎必须被加以很重的负荷(以高功率水平运行)，以使和引擎相关联的催化转换器正常地并且有效率地运行。在很多实例中，各种井筒操作是间歇的，并且维持这些引擎处于恒定的重负荷困难和/或昂贵。在某些情况下，为了补偿迟钝的引擎响应，使用人为负荷(例如电阻器组)以保持引擎负荷较高，直到其产生的功率可使用在实际操作中为止。这些人为负荷燃烧了相对较多的燃料，并且不期望的排放的总体积较高，但是不期望的氮氧化物(“NOx”)排放的量可以较低。较高的燃料消耗可能导致过量的二氧化碳排放。

在大约90％或者更高的负荷容量时在发电机引擎(柴油或者天然气推动的)中达到最大的燃料效率。除了达到较高的燃料效率以外，在钻井以及和钻井相关的应用中使用的某些天然气推动的引擎被运行于70％或更高的负荷容量。做出这个限制以维持足够高的废气温度，从而帮助催化转换器正常工作。

在很多钻井应用中，为了补偿发电机上的瞬变负荷，引擎被低效率地利用，这经常是绞车操作的结果。在天然气推动的系统中，绞车负荷下的节流门响应可能如此迟钝以至于其影响工业标准运行速度。一个现有的解决方案是维持引擎处于待用模式以补偿迟钝的节流门响应和循环负荷。由于这些原因维持发电机处于待用模式可能使用过量的燃料，并增加氮氧化物(NOx)和其他燃烧副产品的水平。

在某些系统中，这些问题的解决方案是在绞车制动周期期间添加电阻负荷，然后在绞起期间把负荷从电阻器组转移到绞车。这种使引擎负荷平衡的方法在钻机操作绞车时消耗过量的燃料，这产生了比所需的更多体积的二氧化碳和NOx。

在几种情况下，钻机上的机器或者装置产生功率，例如绞车在其处于制动模式时制动。这种功率在很多情况下被转移到浪费该功率而非将其回收供重新使用的设备。在一个方面中，功率被馈送到电阻器装置，并被作为热量耗散。

在某些情况下，提供给钻机机器的功率是低质量的(例如但不限于不满足IEEE标准519的标准的功率)。使用这种低质量的功率在某些情况下是不期望的，并且对于某些关键应用是不合适的，所述关键应用例如运行某些仪器、装置、电气部件、灵敏的电子设备和计算机化设备，它们可能被低质量功率损坏，例如这些低质量功率可能导致过热，或者可能导致标准设备(例如变压器、电动机、继电器、电阻器)不必要地“跳开”或激活，导致设备离线或者导致错误信号。在一个特定方面，低质量功率使识别功率下降的继电器跳开(不必要地)。某些低质量功率具有高谐波失真。

在某些情况下，钻机操作具有各种必要的或关键的功率负荷。某些装置和设备必须总是具有可用功率，并且其必须处于某个要求的水平。不能提供这些必要的和关键的负荷可能导致对各种元件的破坏和钻机操作的停止。而且，钻机上任何地方的降低的电压可能产生必须被处理的电功率。