(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号(10)授权公告号 CN 204357349 U (45)授权公告日(45)授权公告日 2015.05.27
(21)申请号 201420840110.4(22)申请日 2014.12.26
(73)专利权人四川宏华电气有限责任公司
地址610000 四川省成都市金牛高科技产业
园迎宾大道信息园东路99号(72)发明人王江阳 李汉兴 武广瑷 邓果
魏仕海 于东奎(74)专利代理机构成都金英专利代理事务所
(普通合伙) 51218
代理人袁英(51)Int.Cl.
E21B 7/04(2006.01)E21B 44/00(2006.01)E21B 3/02(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图1页
(54)实用新型名称
一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统(57)摘要
本实用新型公开了一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统，包括钻具组合、工具面解码系统（11）、顶驱伺服和制动系统（12）、角度信号处理系统（13）、和工具面控制系统（14）；整个定位系统由顶驱（7）、软扭矩系统（9）、编码器、控制器等构成。控制系统接收来自MWD的工具面角信息，如超过阈值，则驱动顶驱旋转，通过PID方法调节，实施动态调节，直至工具面角到达设定范围。本实用新型的软扭矩系统（9）能根据钻进情况实时调节，保证钻具组合在钻进的突发事件中正常工作，能有效防止由于钻柱共振和卡钻而引起的钻柱或下部钻具组合扭断。 C N 2 0 4 3 5 7 3 4 9 U CN 204357349 U
权 利 要 求 书
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1.一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统，其特征在于：它包括钻具组合、工具面解码系统（11）、顶驱伺服和制动系统（12）、角度信号处理系统（13）、和工具面控制系统（14）；
所述的钻具组合包括钻头（1）、弯角式造斜动力钻具（2）、随钻测量系统（3）、钻杆（4）、钻台（6）、顶驱（7）和立管（15），在顶驱（7）上设有顶驱电机（8）和软扭矩系统（9），顶驱电机（8）上设有角度传感器（10）；
钻头（1）连接弯角式造斜动力钻具（2），弯角式造斜动力钻具（2）与随钻测量系统（3）相连，所述的钻杆（4）穿过钻台（6），钻杆（4）的上端与顶驱（7）相连，钻杆（4）的下端与随钻测量系统（3）上端连接，顶驱（7）与立管（15）连接，立管（15）上设有MWD系统压力传感器（16）；MWD系统压力传感器（16）与工具面解码系统（11）相连，顶驱电机（8）与顶驱伺服和制动系统（12）连接，顶驱角度信号传感器（10）与角度信号处理系统（13）相连，工具面解码系统（11）、顶驱伺服和制动系统（12）和角度信号处理系统（13）均与工具面控制系统（14）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统，其特征在于：钻台（6）上设有防喷器（5），所述的防喷器（5）安装在地面，钻杆（4）套装于防喷器（5）中部。
3.根据权利要求1所述的一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统，其特征在于：所述的顶驱电机（8）为立式结构的三相鼠笼式变频调速异步电动机，顶驱电机（8）的主轴与顶驱主轴共轴，上端连接冲管总成，下端与钻杆（4）连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统，其特征在于：所述的角度传感器（10）安装在顶驱电机（8）的轴上。
5.根据权利要求1所述的一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统，其特征在于：所述的软扭矩系统（9）由处理控制器、司钻控制盘、传感器及若干链接部件组成。
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说 明 书
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一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统
技术领域
[0001]
本实用新型涉及一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统。
背景技术
在常规钻井作业过程中，直井段和稳斜段通常采用顶驱或转盘方式旋转钻进，导向钻井段若采用井下弯角式造斜动力钻具，则通常使用滑动钻井方式，在泵排量调整、地层岩性变化、动力钻具磨损等条件下，容易产生钻具工具面漂移，导致井眼轨迹控制失败等问题。面对这一情况，通常的做法是在井下工具面漂移后，采用停钻、上提钻具的方法重新设定工具面，而这将影响作业时效。同时，在常规导向钻具滑动钻进过程中，因钻具不能旋转，导致施加钻压滞后、井眼净化困难，易引起作业效率低、由于钻柱的共振和卡钻易出现钻柱或下部钻具组合扭断，工序复杂等问题。因此，急需一种可以实现井下定向动力钻具工具面的动态控制方法。
[0002]
实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能有效防止由于钻柱共振和卡钻而引起的钻柱或下部钻具组合扭断，缓冲释放钻柱的抗扭振动，避免瞬时的过高扭矩而造成钻具扭断的基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统。[0004] 本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统，包括钻具组合、工具面解码系统、顶驱伺服和制动系统、角度信号处理系统、和工具面控制系统；
[0005] 所述的钻具组合包括钻头、弯角式造斜动力钻具、随钻测量系统、钻杆、钻台、顶驱和立管，在顶驱上设有顶驱电机和软扭矩系统，顶驱电机上设有角度传感器；钻头连接弯角式造斜动力钻具，弯角式造斜动力钻具与随钻测量系统相连，所述的钻杆穿过钻台，钻杆的上端与顶驱相连，钻杆的下端与随钻测量系统上端连接，顶驱与立管连接，立管上设有MWD系统压力传感器；MWD系统压力传感器与工具面解码系统相连，顶驱电机与顶驱伺服和制动系统连接，顶驱角度信号传感器与角度信号处理系统相连，工具面解码系统、顶驱伺服和制动系统和角度信号处理系统均与工具面控制系统连接。[0006] 钻台上设有防喷器，所述的防喷器安装在地面，钻杆套装于防喷器中部。[0007] 顶驱电机为立式结构的三相鼠笼式变频调速异步电动机，顶驱电机的主轴与顶驱主轴共轴，上端连接冲管总成，下端与钻杆连接。[0008] 的角度传感器安装在顶驱电机的轴上。[0009] 软扭矩系统由处理控制器、司钻控制盘、传感器及若干链接部件组成。[0010] 本实用新型的优点在于：能有效防止由于钻柱共振和卡钻而引起的钻柱或下部钻具组合扭断，缓冲释放钻柱的抗扭振动，避免瞬时的过高扭矩而造成钻具扭断。附图说明
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说 明 书
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图1为本实用新型的结构示意图；[0012] 图中，1-钻头，2-弯角式造斜动力钻具，3-随钻测量系统，4-钻杆，5-防喷器，6-钻台，7-顶驱，8-顶驱电机，9-软扭矩系统，10-角度传感器，11-工具面解码系统，12-顶驱伺服和制动系统，13-角度信号处理系统，14-工具面控制系统，15-立管，16-MWD系统压力信号传感器。
具体实施方式
[0013] 下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案，但本实用新型所保护的内容不局限于以下所述。
[0014] 如图1所示，一种基于装置有软扭矩顶驱电机的角度精确定位系统，包括钻具组合、工具面解码系统11、顶驱伺服和制动系统12、角度信号处理系统13、和工具面控制系统14；
[0015] 所述的钻具组合包括钻头1、弯角式造斜动力钻具2、随钻测量系统3、钻杆4、钻台6、顶驱7和立管15，在顶驱7上设有顶驱电机8和软扭矩系统9，顶驱电机8上设有角度传感器10；钻头1连接弯角式造斜动力钻具2，弯角式造斜动力钻具2与随钻测量系统3相连，所述的钻杆4穿过钻台6，钻杆4的上端与顶驱7相连，钻杆4的下端与随钻测量系统3上端连接，顶驱7与立管15连接，立管15上设有MWD系统压力传感器16；MWD系统压力传感器16与工具面解码系统11相连，顶驱电机8与顶驱伺服和制动系统12连接，顶驱角度信号传感器10与角度信号处理系统13相连，工具面解码系统11、顶驱伺服和制动系统12和角度信号处理系统13均与工具面控制系统14连接。[0016] 钻台6上设有防喷器5，防喷器5安装在地面，钻杆4套装于防喷器5中部。[0017] 顶驱电机8为立式结构的三相鼠笼式变频调速异步电动机，顶驱电机8的主轴与顶驱主轴共轴，上端连接冲管总成，下端与钻杆4连接。[0018] 角度传感器10安装在顶驱电机8的轴上。[0019] 软扭矩系统9由处理控制器、司钻控制盘、传感器及若干链接部件组成。[0020] 本实用新型的工作原理为：[0021] （1）钻井系统中的MWD系统压力信号传感器16采集井下MWD信号，并将采集到的井下MWD信号传送到工具解码系统11，工具面解码系统11根据接收到的井下MWD信号，求解出井下工具面信息，并将井下工具面信息传递给工具面控制系统14；[0022] （2）工具面控制系统14将接收到的井下工具面信息进行解码，并进行逻辑判断，判断是否超出工具面控制系统14中设定的阈值；如果不超出设定阈值，则不采取调整措施，继续钻井；如果超出设定阈值，则启动顶驱伺服和制动系统12中的伺服系统；[0023] （3）顶驱伺服和制动系统12中的伺服系统调整顶驱的角度，此时，角度传感器10将顶驱电机8的角度值反馈给角度信号处理系统13，角度信号处理系统13将反馈信号进行信号处理，并传送给工具面控制系统14；[0024] （4）工具面控制系统14判断顶驱电机8当前的角度值是否达到设定的角度值，如果没有达到设定的角度值，则返回步骤（3），顶驱伺服和制动系统12继续调整顶驱电机8的角度；如果达到设定的角度值，则启动顶驱伺服和制动系统12中的制动系统；[0025] （5）顶驱伺服和制动系统12中的制动系统制动顶驱电机8，实现刹车，锁定工具面
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说 明 书
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并继续钻井；[0026] （6）返回步骤（1），工具面解码系统11持续接收井下MWD信号，实时跟踪井下工具面情况，如果工具面漂移到工具面控制系统14设定的阈值以上时，将再次启动本实用新型工具面控制系统14，进行新一轮的工具面自动调整作业。
[0027] 工具面控制系统14接收来自MWD系统压力信号传感器16的工具面角信息，如超过阈值，则通过PID方法，实施动态调节，直至工具面角到达设定范围。软扭矩系统9则根据钻进情况实时调节，保证钻具组合在钻进的突发事件中正常工作。[0028] 其中，顶驱电机8采用变频调速异步电动机作为顶驱装置的直接驱动动力。采用柴油发电机组供电，经变流器整流逆变输出电压频率可调的三相交流电供给该电机使用。电机为立式结构的三相鼠笼式变频调速异步电动机，在运转过程中随游车上下移动。顶驱电机8采用强迫通风，风机卧式安装于机座表面上，通过导风筒连接在定子联线端风孔位置。冷却空气由下端盖的风孔进入，通过气隙、转子通风孔流入电机上端，再通过导风筒由风机滤尘器流出。变频电机通过控制器可实现对角度的精确定位。[0029] 通过在顶驱上装置软扭矩系统9，有效防止由于钻柱共振和卡钻而引起的钻柱或下部钻具组合扭断，缓冲释放钻柱的抗扭振动，避免瞬时的过高扭矩而造成钻具扭断。软扭矩系统9配合变频调速异步电动机的大扭矩、转速低、精度高的特点，可以代替步进电机、伺服电机的控制效果，能更加精确的对旋转角度实现定位。[0030] 软扭矩系统9有一个控制系统，该控制系统考虑了整流驱动器、顶驱、钻柱及下部钻具组合的特征，并提供补偿反馈控制，经整流驱动器修正，为能避免钻柱卡钻；通过测量马达的转速和扭矩，预测钻头卡死的条件，在控制盘上发出警报信号。控制系统主要由处理控制器、司钻控制盘、传感器及若干链接部件组成。处理控制器固定在整流控制房内，通过逻辑电路连接到整流系统上。它是整个整流系统的核心，与司钻控制盘相通，与整流驱动系统连接。
[0031] 司钻控制盘带有触摸屏幕控制，可以直观地显示数据输入菜单、图表等，并带有保护操作盘、具有防爆性能，能在恶劣环境下使用。[0032] 当启动处理控制器时，司钻控制台上的触摸屏显示操作内容，并提醒操作者在使用软扭矩系统前检查数据输入的情况，屏幕可分别进入4个分屏幕：[0033] （1）Control&status（软扭矩系统控制盒工作状态），若输入的数据正确无误，就可进入该屏幕。[0034] （2）Fine¶meters（参数微调），若钻杆4及下部钻具组合的数据已输入，并检查无误，就可进入该屏幕。[0035] （3）Pipe Data Entry（钻具数据输入），开始启动软扭矩系统，就要检查所有的有关钻杆、下部钻具组合、顶驱的传动比及其惯性模量，准确无误后，即可进入该屏幕。[0036] （4）Clean up screen（清除屏幕），按此键只清除屏幕而不会影响任何内部设置。[0037] 正常钻井时的控制盘显示为：[0038] （1）DSTRS ON/OFF （Drill Sring Torque Reducer System，，钻柱扭矩降低系统开关），当输入全部数据并完成了调谐操作，正在钻井时，可打开钻柱扭矩降低系统，即DSTRS ON状态，在接单根、划眼作业时，可将该系统关闭，关闭后，顶驱的节流阀得到分流，并且节流阀不受钻柱扭矩降低系统的影响。
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[0039] （2）Drill Bit Struck（钻头卡钻状态），当感受到钻头卡钻状态时，该显示屏将出
现闪烁，并且会发出警报，同时，钻柱扭矩系统自动关闭，触摸Alarm Silence键关掉喇叭。[0040] （3）工作状态显示，输入节流量、钻柱扭矩降低系统的节流量及顶驱的扭矩安培数，用柱状图显示在屏幕上。[0041] （4）DSTRS Gain（钻井扭矩降低系统调节器），可调节范围1～25，用于通过观察柱状图的变化量来调节钻柱扭矩降低系统。
[0042] 在每口井开始时或每一组新钻具下至井里时，应从设置状态重新输入扭矩。
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说 明 书 附 图
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