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　　本专利针对石油钻机顶驱装置传统人工设定转速扭矩导致效率低、安全性差的问题，提出通过在提环系统加装载荷传感器，实时监测钻井工况，自动调整转速和扭矩设定值的控制方法，实现钻井过程的智能化调控，提升作业效率与安全性。

　　本发明涉及一种应用提环载荷传感的方式控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法。

　　目前，石油钻机顶驱装置的控制系统主要采用交流变频控制方式，可以根据需要设定主电机的限定转速和限定扭矩。

　　在此之前的控制系统，都是由操作人员通过调节手轮等方式设定顶驱装置的限定转速和限定扭矩，转速和扭矩的设定相互独立且不随钻井工况的变化而变化。当钻井工况发生变化时，需要对设定值进行相应调整，但现有技术本身无法判断工况，因此需要人工参与判断和加以调节。人工操作带有很大的不确定性，难以保证调整的及时和合理，从而影响了钻井作业的效率和安全程度。

　　在此之前，钻机大钩的载荷参数(悬重和钻压)仅用于仪表显示供司钻人员参考。要想将这些参数引入顶驱装置的控制系统，需要在顶驱装置以外的部件上加装传感器，或者由其他设备提供信号。由于顶驱装置为移动设备，不是固定与某套钻机配套，有时甚至频繁更换。拆装传感器会增加工作量，从其他设备取信号又涉及到设备改造和匹配的问题。

　　本发明的目的是在原有控制方法的基础上，通过在顶驱装置提环系统中加入载荷传感器，将提升系统的载荷(悬重和钻压)参数引入顶驱控制系统，用于判断钻井工况，并根据载荷变化情况自动对顶驱装置的转速和扭矩设定值进行及时调整。

　　本发明的方案是采用带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置，测量提环承载LT，该装置主要由提环、提环销和箱体组成，在提环的两端分别设有水平穿过的两个圆柱形提环销，提环销的一端与箱体固定，在两个提环销上分别固定有载荷传感器，载荷传感器连接信号输出电缆，载荷传感器采用的是应变式压力传感器。

　　顶驱装置提环系统载荷传感的基本原理是在顶驱装置使用过程中，随着提环系统承载的不同，在提环销上会产生相应的形变，传感器将该形变转化为电信号，传给控制系统。

　　提环承载加大，相当于大钩悬重增加，或者钻压减小；反之，提环承载减小，相当于大钩悬重减小，或者钻压增加。在钻井作业中，一般要求钻压保持恒定。

　　本发明的控制方法如下 (1)在顶驱运行之前，司钻人员通过人机界面或其他输入终端输入钻井扭矩限定值TH、转速限定值SH、转速安全值Smax；系统检测实际转速SA、实际输出扭矩TA、提环承载LT；根据其变化判断工况，自动调整转速设定值SS和扭矩设定值TS；一般情况下，TS≤TH，SS≤SH；特殊工况时允许SS≤SH≤Smax；SA随SS调节，系统稳定运行时SA＝SS；TA在不超过扭矩设定值TS的范围内随负载扭矩TL变化，TA＝TL≤TS。

　　(2)顶驱装置启动时，记录LT当前值作为钻具自重参考值WT；SS从0开始，按设定曲线增加至SH；TS从常数T0开始逐渐提高，根据实际加速度调整TS；TS应不小于TL+Ta，Ta为提供加速度的扭矩；最终达到理想钻井工况，即SA＝SS＝SH，TS取TL*C1(C1≥1，为常数)和TH中较小的值。程序流程图如下图3所示 (3)正常钻井时，若送钻速度变快或者进入了较硬的地层，或者送钻速度变快，会导致LT减小，即钻压增加，TL增大；当钻具没有变化的情况下，如果检测到LT减小，并且TA增大，则认为进入了此种工况；为避免TL过分增大导致主电机堵转，系统首先自动增大TS，保持TS＝TL*C1，C1≥1，为常数使SA＝SS；当增至TS＝C2*TH，0＜C2＜1，为常数时，保持TS不变，按设定曲线增加SS至Smax*C3，0＜C3＜1，为常数，以增加切削量。如果SA可以跟随SS增大，则待LT和TL回到正常值，降低SS到SH，TS＝TL*C1，C1≥1，为常数；如果SA不能跟随SS增大，则减小SS至C4*SH，0≤C4＜1，为常数，直至SA降低到0，增加TS到TH；如果SA＝SS，则SS＝SH，如果SA＝0，系统堵转。

　　(4)堵转之后，在上提钻具的过程中，LT增大；突然解卡时，LT迅速减少，SA增大；系统检测到LT减小到WT*C5，C5＞1，为常数时，控制系统提高SS使SS＝SMAX并且调节调速参数提高加速度，防止井下钻柱由于高速甩开脱扣而落井，当SA＝SMAX时，降低SS使SS＝SH，TS＝TL*C1，C1≥1，为常数。

　　(5)在钻进过程中，若LT突然减小，然后稳定在小于WT*C6，C6＜1，为常数的范围内，则认为钻杆甩开或断裂，SS＝0，系统停车后TS＝T0。

　　(6)正常钻井工况下，如果送钻速度变慢或者进入了较软地层，提环承载LT会增大，即钻压减小，负载扭矩TL会相应减小，此时，可以降低主电机转速使SS＝C7*SH，0＜C7＜1，为常数，以减少切削量，减少设备和钻柱的损耗，司钻据此增加送钻速度。

　　本发明专利显著特点是根据钻井工况的变化及时调整转速和扭矩设定值，增强了顶驱装置的自动化程度，减少了人为因素对钻井作业的影响，提高了生产效率和安全性。

　　具体实施例方式(1)参阅图1，系统主要由输入设备、控制单元、动力源、执行机构三部分组成。输入设备采用人机交互界面(HMI)。控制单元可采用可编程逻辑控制器(PLC)、动力源采用交流变频器、执行机构采用交流变频电机带动顶驱主轴旋转。

　　(2)参阅图2，采用带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置，测量LT。该装置主要由提环1、提环销3和箱体2组成，在提环1的两端分别有水平穿过的两个圆柱形提环销3，提环销3的一端与箱体2固定。在两个提环销3上分别固定有载荷传感器，载荷传感器连接有信号输出电缆。载荷传感器采用的是应变式压力传感器。

　　(3)正常钻进工况参阅图3，例如在顶驱运行之前，司钻人员通过人机界面或其他输入终端输入钻井扭矩限定值TH＝30kNm、转速限定值SH＝120rpm、转速安全值Smax＝160rpm。

　　系统检测实际转速SA、实际输出扭矩TA、提环承载LT；顶驱装置启动时，记录LT当前值作为钻具自重参考值WT；SS从0开始，按设定曲线开始逐渐提高，根据实际加速度调整TS；TS应不小于TL+Ta＝18kNm，最终达到理想钻井工况，即SA＝SS＝SH＝120rpm，TS取TL*C1＝22kNm和TH＝30kNm中较小的值，所以系统将转速设定值SS＝120rpm和扭矩设定值TS＝22kNm送入变频器作为速度和扭矩的设定。

　　(4)特殊工况处理参阅图4若送钻速度变快或者进入了较硬的地层，或者送钻速度变快，会导致LT减小，即钻压增加，TL增大；当钻具没有变化的情况下，如果检测到LT减小，并且TA增大，则认为进入了此种工况；为避免TL过分增大导致主电机堵转，系统首先自动增大TS，当增至TS＝C2*TH＝0.9*30＝27kNm，，保持TS不变，按设定曲线增加SS至Smax*C3＝0.85*160＝136rpm，，以增加切削量。如果SA可以跟随SS增大，则待LT和TL回到正常值，降低SS到SH，TS＝TL*C1＝22kNm；如果SA不能跟随SS增大，则减小SS至C4*SH＝0.7*120＝84rpm，直至SA降低到0，增加TS到TH；如果SA＝SS，则SS＝SH＝120rpm，如果SA＝0，系统堵转。

　　堵转之后，在上提钻具的过程中，LT应该增大；突然解卡时，LT迅速减少，SA增大；系统检测到LT减小到WT*C5，C5＝1.05时，控制系统提高SS使SS＝SMAX＝160rpm并且调节调速参数提高加速度，防止井下钻柱由于高速甩开脱扣而落井，当SA＝SMAX＝160rpm时，降低SS使SS＝SH＝120rpm，TS＝TL*C1＝22kNm，系统回到正常钻进状态。

　　1.一种控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法，其特征在于采用带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置，测量提环承载LT，该装置主要由提环、提环销和箱体组成，在提环的两端分别设有水平穿过的两个圆柱形提环销，提环销的一端与箱体固定，在两个提环销上分别固定有载荷传感器，载荷传感器连接信号输出电缆，信号输出电缆与控制系统连接；

　　(1)在顶驱运行之前，司钻人员通过人机界面或其他输入终端输入钻井扭矩限定值TH、转速限定值SH、转速安全值Smax；系统检测实际转速SA、实际输出扭矩TA、提环承载LT；根据其变化判断工况，自动调整转速设定值SS和扭矩设定值TS；一般情况下，TS≤TH，SS≤SH；特殊工况时允许SS≤SH≤Smax；SA随SS调节，系统稳定运行时SA＝SS；TA在不超过扭矩设定值TS的范围内随负载扭矩TL变化，TA＝TL≤TS；

　　(2)顶驱装置启动时，记录LT当前值作为钻具自重参考值WT；SS从0开始，按设定曲线增加至SH；TS从常数T0开始逐渐提高，根据实际加速度调整TS；TS应不小于TL+Ta，Ta为提供加速度的扭矩；最终达到理想钻井工况，即SA＝SS＝SH，TS取TL*C1和TH中较小的值，C1≥1，为常数；

　　(3)正常钻井时，若送钻速度变快或者进入了较硬的地层，或者送钻速度变快，会导致LT减小，即钻压增加，TL增大；当钻具没有变化的情况下，如果检测到LT减小，并且TA增大，则认为进入了此种工况；为避免TL过分增大导致主电机堵转，系统首先自动增大TS，保持TS＝TL*C1，C1≥1，为常数使SA＝SS；当增至TS＝C2*TH，0＜C2＜1，为常数时，保持TS不变，按设定曲线增加SS至Smax*C3，0＜C3＜1，为常数，以增加切削量。如果SA可以跟随SS增大，则待LT和TL回到正常值，降低SS到SH，TS＝TL*C1，C1≥1，为常数；如果SA不能跟随SS增大，则减小SS至C4*SH，0≤C4＜1，为常数，直至SA降低到0，增加TS到TH；如果SA＝SS，SS＝SH，如果SA＝0，系统堵转；

　　(4)堵转之后，在上提钻具的过程中，LT增大；突然解卡时，LT迅速减少，SA增大；系统检测到LT减小到WT*C5，C5＞1，为常数时，控制系统提高SS使SS＝SMAX并且调节调速参数提高加速度，防止井下钻柱由于高速甩开脱扣而落井，当SA＝SMAX时，降低SS使SS＝SH，TS＝TL*C1，C1≥1，为常数；

　　(5)在钻进过程中，若LT突然减小，然后稳定在小于WT*C6，C6＜1，为常数的范围内，则认为钻杆甩开或断裂，SS＝0，系统停车后TS＝T0；

　　(6)正常钻井工况下，如果送钻速度变慢或者进入了较软地层，提环承载LT会增大，即钻压减小，负载扭矩TL会相应减小，此时，可以降低主电机转速使SS＝C7*SH，0＜C7＜1，为常数，以减少切削量，减少设备和钻柱的损耗，司钻据此增加送钻速度。

　　本发明涉及一种控制石油钻机顶驱装置转速扭矩的方法，其特征在于采用带有载荷传感器的顶驱钻机提环装置，测量提环承载LT，该装置主要由提环、提环销和箱体组成，在提环的两端分别设有水平穿过的两个圆柱形提环销，提环销的一端与箱体固定，在两个提环销上分别固定有载荷传感器，载荷传感器连接信号输出电缆，信号输出电缆与控制系统连接；本方法可根据钻井工况的变化及时调整转速和扭矩设定值，增强了顶驱装置的自动化程度，减少了人为因素对钻井作业的影响，提高了生产效率和安全性。

　　发明者邹连阳, 刘新立, 瑞 马, 刘立伟, 谢宏峰 申请人:中国石油天然气集团公司, 北京石油机械厂

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