[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

技術領域

本發明涉及石油行業中鉆井裝備領域，具體是一種連續循環鉆井系統實現鉆桿接頭自動旋扣的控制裝置和控制方法。

背景技術

目前，連續循環鉆井系統是一項先進的鉆井技術和裝備，能夠在接單根期間保持鉆井液的連續循環，從而在整個鉆進期間實現穩定的當量循環密度和不間斷的鉆屑排出，避免了停泵和開泵循環時引起的井底壓力波動，全面改善了井眼條件和鉆井安全，極大地降低鉆井事故，提高總的機械鉆速。

鉆桿接頭自動旋扣控制是連續循環鉆井系統的核心技術之一，旋扣控制的基本工作原理是：卸扣時，動力鉗上的旋扣馬達通過齒輪傳動機構和鉆桿夾緊機構驅動鉆桿反轉，在鉆桿接頭旋離的同時，利用平衡補償油缸使動力鉗隨鉆桿同步向上運動直至接頭完全分離；反之，上扣時，動力鉗上的旋扣馬達通過齒輪傳動機構和鉆桿夾緊機構驅動鉆桿正轉，在鉆桿接頭旋合的同時，利用平衡補償油缸使動力鉗隨鉆桿同步向下運動直至接頭旋緊。

作業時，連續循環鉆井系統必須在主機的腔體總成內完成鉆桿接頭的旋扣操作，而操作人員無法直接觀測到腔內情況，同時在腔內還存在高速流動的高壓鉆井液，因此與常規旋扣操作相比控制難度較大。鉆桿自動旋扣控制的關鍵技術難點包括：

(1)同步運動控制：在鉆桿接頭旋扣過程中，由于螺紋副嚙合運動作用，鉆桿在旋轉的同時會產生軸向移動，因此，必須使動力鉗隨著接頭螺紋的旋轉與鉆桿保持同步軸向運動，否則將可能因運動干涉，而導致旋扣扭矩迅速升高，甚至損傷鉆桿接頭螺紋；

(2)軸向載荷控制：腔內高壓鉆井液產生的上頂力使鉆桿接頭螺紋承受很大的軸向載荷作用，這樣就造成螺紋嚙合面上的接觸壓力驟然增大，引起過高的旋扣扭矩，甚至導致螺紋磨損、粘扣以致失效等。因此，旋扣時必須平衡鉆井液上頂力作用，將接頭螺紋承受的軸向載荷嚴格控制在合理的范圍內，有效降低接頭螺紋的嚙合面壓力和旋扣摩阻，保護螺紋不受損傷。

發明內容

本發明的目的是：提供一種鉆桿接頭自動旋扣控制裝置及控制方法，通過控制旋扣馬達和平衡補償油缸，實現旋扣時動力鉗與鉆桿的同步運動和接頭螺紋的軸向載荷平衡，保護接頭螺紋不受損傷。解決連續循環鉆井系統在實施鉆桿接頭自動旋扣操作過程中的同步運動和軸向載荷控制問題。通過協同控制旋扣馬達與平衡補償油缸，實現旋扣時動力鉗與鉆桿的同步運動和接頭螺紋的軸向載荷平衡，提高鉆桿接頭旋扣控制的安全可靠性和作業效率，降低操作人員的勞動強度。

本發明采用的技術方案是：鉆桿接頭自動旋扣控制方法，利用比例換向閥和壓力補償器準確控制旋扣馬達轉速，使旋扣馬達能夠驅動鉆桿平衡轉動旋扣，與此同時，利用兩個具有溢流功能的比例減壓閥分別控制平衡補償油缸的有桿腔和無桿腔壓力，不僅能夠平衡鉆井液上頂力作用，將接頭螺紋承受的軸向載荷控制在合理范圍內，有效降低接頭螺紋的嚙合面壓力和旋扣摩阻，而且使動力鉗能夠在適當的軸向力作用下隨鉆桿同步上下運動。

鉆桿接頭自動旋扣控制裝置，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，其連接關系如下：

A)恒壓泵1的壓力油口連接比例減壓閥a2的油口B、比例減壓閥b10的油口P、比例減壓閥c11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a2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a16和液控單向閥b17的油口Y相連，電磁換向閥12的油口B與液控單向閥a16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b10的油口A相連，雙路節流/單向閥14的油口B1與比例減壓閥c11的油口A相連，雙路節流/單向閥14的油口A與液控單向閥a16的油口A相連，雙路節流/單向閥14的油口B與液控單向閥b17的油口A相連；

E)液控單向閥a16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b17的油口B與平衡補償油缸20的無桿腔油口B相連；