[發明專利]鉆桿接頭自動旋扣控制裝置及控制方法

有效

• 申請號: 201010535230.X
• 申請日: 2010-11-04
• 公開（公告）號: CN102022106A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: 馬青芳;胡志堅;王愛國;肖建秋;邵強
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團公司;中國石油集團鉆井工程技術研究院
• 主分類號: E21B44/00
• 分類號: E21B44/00;E21B19/18;F15B15/18
• 代理公司: 北京市中實友知識產權代理有限責任公司 11013
• 代理人: 李玉明

1.一種連續循環鉆井系統的鉆桿接頭自動旋扣控制裝置，其特征在于：主要由恒壓泵(1)、四個旋扣馬達(8)、四個平衡補償油缸(20)、一個比例換向閥(4)、一個壓力補償器(5)、一個電磁換向閥(12)、三個比例減壓閥、兩個液控單向閥、一個雙路節流/單向閥(14)、七個壓力傳感器、一個位移傳感器(21)、一個轉速傳感器(9)和油箱(22)組成，

A)恒壓泵(1)的壓力油出口連接比例減壓閥a(2)的油口B、比例減壓閥b(10)的油口P、比例減壓閥c(11)的油口P和電磁換向閥(12)的油口P；

B)壓力補償器(5)的油口P與比例減壓閥a(2)的油口A相連，壓力補償器(5)的油口P1與比例換向閥(4)的油口P相連；壓力補償器(5)的油口T1與比例換向閥(4)的油口T相連；壓力補償器(5)的油口A1與比例換向閥(4)的油口A相連；壓力補償器(5)的油口B1與比例換向閥(4)的油口B相連，壓力補償器(5)的油口A與四個旋扣馬達(8)的油口A相連；壓力補償器(5)的油口B與四個旋扣馬達(8)的油口B相連；

C)電磁換向閥(12)的油口A與液控單向閥a(16)和液控單向閥b(17)的油口Y相連，電磁換向閥(12)的油口B與液控單向閥a(16)和液控單向閥b(17)的油口X相連；

D)雙路節流/單向閥(14)的油口A1與比例減壓閥b(10)的油口A相連，雙路節流/單向閥(14)的油口B1與比例減壓閥c(11)的油口A相連，雙路節流/單向閥(14)的油口A與液控單向閥a(16)的油口A相連，雙路節流/單向閥(14)的油口B與液控單向閥b(17)的油口A相連；

E)液控單向閥a(16)的油口B與平衡補償油缸(20)的有桿腔油口A相連，液控單向閥b(17)的油口B與平衡補償油缸(20)的無桿腔油口B相連；

F)比例減壓閥a(2)的油口Y、壓力補償器(5)的油口T、電磁換向閥(12)的油口T、比例減壓閥b(10)的油口T和比例減壓閥c(11)的油口T與油箱22相連；

G)壓力傳感器a(3)與比例減壓閥a(2)的油口A相連，壓力傳感器b(6)與旋扣馬達(8)的油口A相連，壓力傳感器c(7)與旋扣馬達(8)的油口B相連，壓力傳感器d(13)與比例減壓閥b(10)的油口A相連，壓力傳感器e(15)與比例減壓閥c(11)的油口A相連，壓力傳感器f(18)與液控單向閥a(16)的油口B相連，壓力傳感器g(19)與液控單向閥b(17)的油口B相連；

H)轉速傳感器(9)安裝在任一個旋扣馬達(8)上，位移傳感器(21)安裝在任一個平衡補償油缸(20)的活塞桿上或缸體內。

2.根據權利要求1所述的鉆桿接頭自動旋扣控制裝置，其特征在于：其自動旋扣控制方法如下：自動旋扣控制分為上扣控制和卸扣控制；

上扣控制：

A)首先利用壓力傳感器f(18)和壓力傳感器g(19)分別檢測平衡補償油缸(20)的有桿腔壓力(p1)和無桿腔壓力(p2)；

B)分別調整比例減壓閥b(10)和比例減壓閥c(11)的油口A壓力(p3和p4)，并利用壓力傳感器d(13)和壓力傳感器e(15)進行檢測，使壓力(p3)與平衡補償油缸(20)的有桿腔壓力(p1)一致，壓力(p4)與平衡補償油缸(20)的無桿腔壓力(p2)一致；

C)電磁換向閥(12)通電，開啟液控單向閥a(16)和液控單向閥b(17)，使平衡補償油缸(20)的有桿腔油口A與比例減壓閥b(10)的油口A連通，平衡補償油缸(20)的無桿腔油口B與比例減壓閥c(11)的油口A連通；

D)測算出鉆井液上頂力值(F1)，用比例減壓閥c(11)將平衡補償油缸(20)的無桿腔壓力(p2)調整為零，用比例減壓閥b(10)調整平衡補償油缸(20)的有桿腔壓力(p1)，使平衡補償油缸(20)產生的下壓力(F2)略大于高壓鉆井液產生的上頂力(F1)，如1000N，此時接頭螺紋承受向下的軸向載荷；

E)根據旋扣扭矩要求，利用比例減壓閥a(2)和壓力傳感器a(3)設置旋扣馬達(8)的最大工作壓力(p5)，如10MPa，然后啟動比例換向閥(4)，使比例換向閥(4)的油口P與油口A連通，油口T與油口B連通；

F)在壓差補償器(5)的輔助作用下，通過控制比例換向閥(4)的閥口開度，并利用轉速傳感器(9)進行轉速檢測，使旋扣馬達(8)通過齒輪傳動機構(25)和鉆桿夾緊機構(24)以30～50r/min的轉速驅動鉆桿(26)平穩正轉上扣；

G)當上部鉆桿(26)相對于下部鉆柱(29)正轉上扣時，鉆桿(26)和動力鉗(23)將產生下行趨勢，迫使平衡補償油缸(20)的無桿腔壓力(p2)升高，而有桿腔壓力(p1)降低，此時無桿腔中的油液通過比例減壓閥c(11)開始溢流，而比例減壓閥b(10)將向有桿腔補充油液，推動平衡補償油缸(20)的活塞桿下行，平衡補償油缸(20)產生的下壓力(F2)仍大于與鉆井液上頂力(F1)約1000N，即平衡補償油缸(20)使動力鉗隨鉆桿同步向下運動，而接頭螺紋承受的向下載荷保持不變；

H)當轉速傳感器(9)檢測到旋扣馬達(8)停止轉動，同時位移傳感器(21)檢測到鉆桿(26)和動力鉗(23)的下行位移(S1)大于接頭旋緊所需的最短下行距離(L1)時，如10mm，判斷接頭已經旋緊到位；

I)關閉比例換向閥(4)，使其回復至中位，同時電磁換向閥(12)斷電，關閉液控單向閥a(16)和液控單向閥b(17)，截斷平衡補償油缸(20)的有桿腔和無桿腔的油路，完成上扣控制；

卸扣控制：

J)按照步驟A)、步驟B)和步驟C)依次進行操作；

K)測算出鉆井液上頂力值(F1)，用比例減壓閥c(11)將平衡補償油缸(20)的無桿腔壓力(p2)調整為約2MPa，用比例減壓閥b(10)調整平衡補償油缸(20)的有桿腔壓力(p1)，使平衡補償油缸(20)的下壓力(F2)略小于高壓鉆井液產生的上頂力(F1)，如1000N，此時接頭螺紋承受向上的軸向載荷：

L)根據旋扣扭矩要求，利用比例減壓閥a(2)和壓力傳感器a(3)設置旋扣馬達(8)的最大工作壓力(p5)，如10MPa，然后啟動比例換向閥(4)，使比例換向閥(4)的油口P與油口B連通，油口T與油口A連通；

M)在壓差補償器(5)的輔助作用下，通過控制比例換向閥(4)的閥口開度，并利用轉速傳感器(9)進行轉速檢測，使旋扣馬達(8)通過齒輪傳動機構(25)和鉆桿夾緊機構(24)以大約40r/min的轉速驅動鉆桿(26)平穩反轉卸扣；

N)當鉆桿(26)相對于鉆柱(29)反轉卸扣時，鉆桿(26)和動力鉗(23)將產生上行趨勢，迫使平衡補償油缸(20)的有桿腔壓力(p1)升高，而無桿腔壓力(p2)降低，此時有桿腔中的油液通過比例減壓閥b(10)開始溢流，而比例減壓閥c(11)將向無桿腔補充油液，推動平衡補償油缸(20)的活塞桿上行，但平衡補償油缸(20)產生的下壓力(F2)仍小于鉆井液上頂力(F1)約1000N，即平衡補償油缸(20)使動力鉗隨鉆桿同步向上運動，而接頭螺紋承受的向上載荷保持不變；

O)利用壓力傳感器b(6)和壓力傳感器c(7)分別檢測旋扣馬達(8)的油口A壓力(p6)和油口B壓力(p7)，當測算出實際旋扣扭矩(M)小于某一設定值，如1kN.m，同時位移傳感器(21)檢測到鉆桿(26)和動力鉗(23)的上行位移(S2)大于接頭松開所需的最短上行距離(L2)時，如10mm，判斷接頭已經卸扣脫離；

P)關閉比例換向閥(4)，使其回復至中位，同時電磁換向閥(12)斷電，關閉液控單向閥a(16)和液控單向閥b(17)，截斷平衡補償油缸(20)的有桿腔和無桿腔的油路，完成卸扣控制。