[发明专利]钻杆接头自动旋扣控制装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油行业中钻井装备领域，具体是一种连续循环钻井系统实现钻杆接头自动旋扣的控制装置和控制方法。

背景技术

目前，连续循环钻井系统是一项先进的钻井技术和装备，能够在接单根期间保持钻井液的连续循环，从而在整个钻进期间实现稳定的当量循环密度和不间断的钻屑排出，避免了停泵和开泵循环时引起的井底压力波动，全面改善了井眼条件和钻井安全，极大地降低钻井事故，提高总的机械钻速。

钻杆接头自动旋扣控制是连续循环钻井系统的核心技术之一，旋扣控制的基本工作原理是：卸扣时，动力钳上的旋扣马达通过齿轮传动机构和钻杆夹紧机构驱动钻杆反转，在钻杆接头旋离的同时，利用平衡补偿油缸使动力钳随钻杆同步向上运动直至接头完全分离；反之，上扣时，动力钳上的旋扣马达通过齿轮传动机构和钻杆夹紧机构驱动钻杆正转，在钻杆接头旋合的同时，利用平衡补偿油缸使动力钳随钻杆同步向下运动直至接头旋紧。

作业时，连续循环钻井系统必须在主机的腔体总成内完成钻杆接头的旋扣操作，而操作人员无法直接观测到腔内情况，同时在腔内还存在高速流动的高压钻井液，因此与常规旋扣操作相比控制难度较大。钻杆自动旋扣控制的关键技术难点包括：

(1)同步运动控制：在钻杆接头旋扣过程中，由于螺纹副啮合运动作用，钻杆在旋转的同时会产生轴向移动，因此，必须使动力钳随着接头螺纹的旋转与钻杆保持同步轴向运动，否则将可能因运动干涉，而导致旋扣扭矩迅速升高，甚至损伤钻杆接头螺纹；

(2)轴向载荷控制：腔内高压钻井液产生的上顶力使钻杆接头螺纹承受很大的轴向载荷作用，这样就造成螺纹啮合面上的接触压力骤然增大，引起过高的旋扣扭矩，甚至导致螺纹磨损、粘扣以致失效等。因此，旋扣时必须平衡钻井液上顶力作用，将接头螺纹承受的轴向载荷严格控制在合理的范围内，有效降低接头螺纹的啮合面压力和旋扣摩阻，保护螺纹不受损伤。

发明内容

本发明的目的是：提供一种钻杆接头自动旋扣控制装置及控制方法，通过控制旋扣马达和平衡补偿油缸，实现旋扣时动力钳与钻杆的同步运动和接头螺纹的轴向载荷平衡，保护接头螺纹不受损伤。解决连续循环钻井系统在实施钻杆接头自动旋扣操作过程中的同步运动和轴向载荷控制问题。通过协同控制旋扣马达与平衡补偿油缸，实现旋扣时动力钳与钻杆的同步运动和接头螺纹的轴向载荷平衡，提高钻杆接头旋扣控制的安全可靠性和作业效率，降低操作人员的劳动强度。

本发明采用的技术方案是：钻杆接头自动旋扣控制方法，利用比例换向阀和压力补偿器准确控制旋扣马达转速，使旋扣马达能够驱动钻杆平衡转动旋扣，与此同时，利用两个具有溢流功能的比例减压阀分别控制平衡补偿油缸的有杆腔和无杆腔压力，不仅能够平衡钻井液上顶力作用，将接头螺纹承受的轴向载荷控制在合理范围内，有效降低接头螺纹的啮合面压力和旋扣摩阻，而且使动力钳能够在适当的轴向力作用下随钻杆同步上下运动。

钻杆接头自动旋扣控制装置，主要由恒压泵1、四个旋扣马达8、四个平衡补偿油缸20、一个比例换向阀4、一个压力补偿器5、一个电磁换向阀12、三个比例减压阀、两个液控单向阀、一个双路节流/单向阀14、七个压力传感器、一个位移传感器21、一个转速传感器9和油箱22组成，其连接关系如下：

A)恒压泵1的压力油口连接比例减压阀a2的油口B、比例减压阀b10的油口P、比例减压阀c11的油口P和电磁换向阀12的油口P；

B)压力补偿器5的油口P与比例减压阀a2的油口A相连，压力补偿器5的油口P1与比例换向阀4的油口P相连；压力补偿器5的油口T1与比例换向阀4的油口T相连；压力补偿器5的油口A1与比例换向阀4的油口A相连；压力补偿器5的油口B1与比例换向阀4的油口B相连，压力补偿器5的油口A与四个旋扣马达8的油口A相连；压力补偿器5的油口B与四个旋扣马达8的油口B相连；

C)电磁换向阀12的油口A与液控单向阀a16和液控单向阀b17的油口Y相连，电磁换向阀12的油口B与液控单向阀a16和液控单向阀b 17的油口X相连；

D)双路节流/单向阀14的油口A1与比例减压阀b10的油口A相连，双路节流/单向阀14的油口B1与比例减压阀c11的油口A相连，双路节流/单向阀14的油口A与液控单向阀a16的油口A相连，双路节流/单向阀14的油口B与液控单向阀b17的油口A相连；

E)液控单向阀a16的油口B与平衡补偿油缸20的有杆腔油口A相连，液控单向阀b17的油口B与平衡补偿油缸20的无杆腔油口B相连；