[發明專利]廣適應的新型自動送鉆裝置

有效

• 申請號: 200910052115.4
• 申請日: 2009-05-27
• 公開（公告）號: CN101566059A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發明（設計）人: 李春第
• 申請（專利權）人: 江蘇中曼石油設備有限公司
• 主分類號: E21B44/00
• 分類號: E21B44/00;G05B19/05
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 周 濤

技術領域

本發明屬于一種石油鉆井設備，特別是涉及一種廣適應性的新型石 油鉆機的自動送鉆裝置。

背景技術

目前石油鉆井領域仍然以手動送鉆為主，相對于手動送鉆，自動送 鉆可以大大降低司鉆的勞動強度，提高鉆井效率和鉆井質量，減少對于 設備的損傷。

現有技術中的自動送鉆系統主要有三種：

第一種通過帶式剎車進行自動送鉆。美國在1966年就已經開始研 制用于帶式剎車的自動送鉆裝置，主要有“熊牌”和“6-13”型自動送 鉆裝置。其工作原理如下：在鉆井過程中，鉆壓變化通過地面的死繩固 定器和膜式傳感器后，轉換成液壓訊號并傳送給傳感器。轉換器由司鉆 根據鉆頭與地層巖石情況給出特定的鉆壓值，一方面把鉆壓變化與給出 的鉆壓值進行比較。另一方面還把比較后的鉆壓差值轉換成氣訊號，再 通過功率放大器以后控制氣馬達的轉速進而控制帶式剎車的剎車力矩達 到控制鉆進速度的目的，該自動送鉆方式的主要特征是機械控制，而且 必須有絞車置于鉆臺上時方可使用，常常會產生8.85～13.34kN的鉆壓波 動

第二種：盤式剎車自動送鉆系統從1998年開始使用，其原理和帶 式剎車相似，不同在于不是通過控制氣馬達來控制帶剎，而是通過控制 液壓比例閥來控制盤剎實現對自動送鉆速度的控制。該控制方式控制精 度比帶式剎車有很大提高，但是盤式剎車對于線性比例閥的要求很高， 而且因為管路的影響，摩擦系統也是非線性系統，所以比較難于控制。

第三種就是通過變頻電機實現自動送鉆。這是最近幾年隨著變頻控制 技術的發展才興起的一種自動送鉆的控制方式。但是由于地下地層情況 復雜，自動送鉆的被控對象具有時滯、時變、非線性的特點，執行系統 的鋼絲繩、大鉤與鉆桿之間、變速齒輪內部等傳遞環節存在形變、時滯 或非線性等復雜現象，無法得到精確的系統數學模型，所以以前自動送 鉆系統的應用一直不是非常理想。另一方面由于地層的變化造成自動送 鉆系統的參數需要不斷進行調整，這種調整當前多采用司鉆手工調整的 方式進行，因為沒有固定的調整算法，不同的司鉆又有不同的調整習慣， 所以現場自動送鉆系統參數的調整隨意性很大，無法保證得到最優的參 數配置。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術中存在的不足，提供一種新型 的廣適性自動送鉆裝置。采用本發明的自動送鉆裝置可以根據不同鉆機 環境適時改變送鉆壓力，以適用不同的工作環境。還可以延長鉆機的鉆 頭使用壽命。

本發明的技術方案如下：

一種廣適應的新型自動送鉆裝置，該裝置包括執行機構、變頻電機 和變頻器，所述的執行機構由絞車帶動，絞車通過減速箱和離合器接至 變頻電機上，所述的變頻器接至變頻電機，三相電源連通變頻器，其特 征在于，所述的執行機構上設置有一個懸重傳感器，該懸重傳感器將所 測數據輸入至可編程控制器PLC中，該可編程控制器PLC連通變頻器和 一個作為人機界面的觸摸屏，可編程控制器PLC中包含有鉆壓計算模塊 和PID模塊，所述的可編程控制器PLC執行如下操作步驟：

①由作為人機界面的觸摸屏輸入給定鉆壓，通過懸重傳感器讀出當 前懸重并傳輸至可編程控制器PLC中的鉆壓計算模塊，由鉆壓計算模塊 計算出當前鉆壓，并將當前鉆壓輸入至PID模塊中；

②由PID模塊根據當前鉆壓計算出鉆壓差，通過I環節、P環節和 D環節計算出變頻器的給定速度值，并將該給定速度值輸入至變頻器中；

③由變頻器控制變頻電機變頻調速，進而控制執行機構適時改變鉆 壓以實現自動送鉆。

上述的步驟①中的鉆壓計算模塊執行如下操作：

讀入當前懸重，查看是否為第一次讀入當前懸重，若是則將當前懸 重作為初始懸重，若否則當前鉆壓＝當前懸重-初始懸重。

若是采用參數人工輸入的方式，上述步驟②中的鉆壓差＝當前鉆壓 -給定鉆壓，I環節的參數、P環節的參數和D環節的參數均由人機界面 輸入，根據上述數值計算出變頻器的給定速度值U(k)：

U(k)＝∑Wl(k)Xl(k)，l分別可取i、p或d；

Wp(k)*Xp(k)＝Kp*E(k)；

Wi(k)*Xi(k)＝Kp*T/Ti*∑E；

Wd(k)*Xd(k)＝Kp*Td/T*[E(k)-E(k-1)]；

其中：E(k)為第K次采樣時實際鉆壓和給定鉆壓的差；