[发明专利]基于顶部驱动装置的上卸扣系统及其控制方法

权利要求书

1.一种基于顶部驱动装置的上卸扣系统，其特征在于，包括：绞车(1)、顶部驱动装置(2)、井口大钳(3)和控制设备(8)；所述顶部驱动装置(2)包括：平衡系统(2-1)、顶驱主轴(2-4)、液动卡瓦(2-6)、背钳(2-7)、电机(2-8)、倾斜油缸伸出长度传感器(2-11)；

其中，所述液动卡瓦(2-6)用于抓取立根；

平衡系统(2-1)，用于上卸扣系统执行上扣或卸扣操作的情况下，下放或上提所述顶部驱动装置(2)以补偿螺纹旋入或旋出的长度；

所述电机(2-8)用于驱动所述顶驱主轴(2-4)正转或反转旋扣以连接或断开立根上端与所述顶驱主轴(2-4)之间的螺纹；所述背钳(2-7)用于在所述顶驱主轴(2-4)正转或反转旋扣时卡紧钻柱；

所述井口大钳(3)用于连接或断开立根下端与钻柱上端之间的螺纹；

所述绞车(1)上安装有绞车传感器(1-1)，用于检测所述绞车(1)下放或上提所述顶部驱动装置(2)的位置信息，并反馈至所述控制设备(8)；

所述控制设备(8)用于根据所述顶部驱动装置(2)的位置信息，控制所述液动卡瓦(2-6)、所述电机(2-8)、所述背钳(2-7)和所述井口大钳(3)执行相应的功能以实现上扣或卸扣操作；

倾斜油缸伸出长度传感器(2-11)，用于在所述液动卡瓦(2-6)抓取钻杆时检测倾斜油缸伸出长度，并根据倾斜油缸伸出长度确定钻杆是否回到中心位置；

其中，所述控制设备(8)还用于在钻杆没有回到中心位置的情况下，控制钻杆回到中心位置；以及在钻杆中心位置的情况下，控制所述绞车(1)下放所述顶部驱动装置(2)；

利用所述上卸扣系统进行卸扣的过程包括：

起下钻模式下，当顶部驱动装置(2)下放钻柱至接近钻台面时，绞车传感器(1-1)触发，顶部驱动装置(2)停止向下移动，操作界面弹出是否卸扣指令；

如果司钻选择否，上卸扣系统等待进一步指令；

如果司钻选择是，上卸扣系统自动启动液动卡瓦(2-6)，将钻柱锁紧在钻台面；同时，操作界面弹出选择钻杆/套管尺寸；由司钻选择钻杆尺寸，上卸扣系统计算卸扣扭矩及冲扣扭矩的加载策略，显示在操作界面上，并询问是否继续；

如果司钻选择否，上卸扣系统等待进一步指令；

如果司钻选择是，上卸扣系统自动启动背钳(2-7)卡紧钻柱，顶驱主轴(2-4)按照计算的加载策略增加反扭矩冲扣，上卸扣系统根据扭矩变化检测到冲扣完成后，自动切换到旋扣模式，以卸扣扭矩快速旋扣，并控制平衡系统(2-1)，按照螺纹导程和旋转角度之间的计算值上提顶部驱动装置(2)；当螺纹完全旋开后，顶部驱动装置(2)在平衡系统(2-1)的作用下上跳，使顶驱主轴(2-4)和钻杆完全脱离；

第一次卸扣在人工干预设定参数完成后，当再次进行卸扣时，上卸扣系统按照设定的参数和上述卸扣流程完成卸扣操作；

利用所述上卸扣系统进行上扣的过程包括：

起下钻模式下，在卸扣完成后，顶部驱动装置(2)停止运动，并弹出是否上扣指令；

如果司钻选择否，上卸扣系统等待进一步指令；

如果司钻选择是，顶部驱动装置(2)运动到井架上部，上卸扣系统通过绞车传感器(1-1)传送的数据判断出顶部驱动装置(2)到达设定位置，顶部驱动装置(2)停止向上运动，吊环倾斜，自动打开液动卡瓦(2-6)，接收由二层台机械手送过来的立根/单根，锁紧液动卡瓦(2-6)后，上卸扣系统控制吊环向顶驱主轴(2-4)运动，上卸扣系统通过倾斜油缸伸出长度传感器(2-11)回传的数据判断立根/单根回到中心位置后，绞车(1)自动启动下放，当自动化井口大钳(3)内部安装的对扣传感器检测到立根下端对扣后，操作界面弹出选择钻杆尺寸命令，司钻输入钻杆/套管尺寸，其中，上卸扣系统默认尺寸为上次卸扣尺寸；上卸扣系统自动计算上扣扭矩及扭矩加载策略，显示在操作界面，并询问是否继续；

如果司钻选择否，上卸扣系统等待进一步指令；

如果司钻选择是，上卸扣系统启动自动化井口大钳(3)上扣，同时，平衡系统(2-1)自动补偿上扣螺纹旋入的长度，上扣完成后，顶部驱动装置(2)继续下行，立根在导向套的作用下完成与顶驱主轴(2-4)的对扣，顶部驱动装置(2)及井口大钳(3)内部安装的对扣传感器检测到动作无误后，上卸扣系统启动背钳(2-7)卡紧，顶驱主轴(2-4)按照加载策略加载，同时平衡系统(2-1)启动，自动补偿螺纹旋入的长度；当上卸扣检测到上扣扭矩达到预定值时，液动卡瓦(2-6)松开，上扣完成；

当第一次上扣在人工设定参数完成后，当再次上扣时，上卸扣系统据设定参数，按照上述上扣流程完成上扣操作。