本發(fā)明涉及一種定向鉆進(jìn)、防托壓的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤裝置及其操控方法，可以廣泛的應(yīng)用于石油鉆井行業(yè)。

背景技術(shù)：

目前在我國(guó)石油勘探和開(kāi)采中，普遍使用的是旋轉(zhuǎn)鉆井法。而轉(zhuǎn)盤是目前旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，也是鉆機(jī)三大工作機(jī)之一。在鉆井過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤起著旋轉(zhuǎn)鉆具、承托鉆井全部鉆具重量以及完成鉆桿裝卸和管具松緊等作用。國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)盤存在定向不精準(zhǔn)，與其它設(shè)備通訊困難，自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，雖然現(xiàn)在采用的頂部驅(qū)動(dòng)有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但由于其價(jià)格昂貴，考慮經(jīng)濟(jì)因素，頂驅(qū)并不是普通井隊(duì)的最佳選擇。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一款自動(dòng)化程度高、可定向、防托壓的具有國(guó)內(nèi)前沿技術(shù)水平的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種定向鉆進(jìn)、防托壓的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤裝置包括轉(zhuǎn)速扭矩傳感器（4）、變頻調(diào)速系統(tǒng)（6）、轉(zhuǎn)盤（2）、鉆桿（1）、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（5）和控制器（3）。

所述的控制器（3）電連接計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，所述的控制器（3）內(nèi)還設(shè)轉(zhuǎn)盤、鉆桿扭矩計(jì)算模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)算法模型與預(yù)測(cè)控制(mpc)算法相結(jié)合，控制速度與轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)，減小摩阻和托壓；

所述的轉(zhuǎn)速扭矩傳感器（4）采用應(yīng)變片傳感器，由彈性軸、測(cè)量電橋、儀器用放大器、接口電路組成，彈性軸采用易發(fā)生形變的材料，受扭矩產(chǎn)生微小變形都會(huì)引起電橋電阻值的變化，從而實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩；

所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)（6）包括變頻器和變頻電機(jī)，通過(guò)所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的自動(dòng)控制；

所述的轉(zhuǎn)盤（2）上設(shè)有鉗盤式慣性剎車裝置，所述的鉗盤式慣性剎車裝置包括輸出軸、剎車盤、連接法蘭、加力泵、氣管線、油管線、減速器和輸入軸，輸入軸連接電動(dòng)機(jī)，輸出軸與轉(zhuǎn)盤相連，鉆機(jī)氣源系統(tǒng)過(guò)來(lái)的壓縮空氣向加力泵活塞缸充氣，壓縮氣體通過(guò)加力泵內(nèi)油缸活塞推動(dòng)液壓油形成油壓，推動(dòng)剎車鉗對(duì)剎車盤實(shí)施夾持，達(dá)到剎車目的；

所述的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（5）位于鉆桿（1）側(cè)后部，主要由加速度計(jì)和磁力計(jì)組成，可對(duì)工具面角度、井斜角、方位角進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

本發(fā)明的操控方法為：所述的轉(zhuǎn)速扭矩傳感器在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤工作過(guò)程中可以反饋轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩，通過(guò)鉆桿扭矩計(jì)算模型，計(jì)算鉆桿各段的扭矩值并輸入到控制器，通過(guò)所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，所述的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)工具面角度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時(shí)由旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)為滑動(dòng)鉆進(jìn)，并進(jìn)一步控制滑動(dòng)鉆進(jìn)的方向，所述的控制器電連接計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通訊。

進(jìn)一步的，所述的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤采取旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)相互轉(zhuǎn)化的模式，在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤工作過(guò)程中開(kāi)始旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿至鉆進(jìn)流速，當(dāng)托壓大于一定數(shù)值時(shí)轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)鉆進(jìn)，通過(guò)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)工具面角度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)工具面角度在目標(biāo)工具面角度之前一個(gè)提前角時(shí)，停止頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)，在已建立的左右扭矩限值內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)工具面角度穩(wěn)定接近目標(biāo)工具面角度時(shí)，通過(guò)工具面角度與目標(biāo)角度的比較進(jìn)一步控制滑動(dòng)鉆進(jìn)的方向。

進(jìn)一步的，所述的提前角為45~90°。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）該裝置內(nèi)置扭矩自動(dòng)算法，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)算法模型與預(yù)測(cè)控制(mpc)算法相結(jié)合，實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，達(dá)到減小摩阻；

（2）隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可隨鉆測(cè)定井斜角、方位角、工具面角度，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)的相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)轉(zhuǎn)盤的定向、防托壓化；

（3）鉗盤式慣性剎車裝置改變了以往氣胎式慣性剎車在實(shí)際工作中的滯后現(xiàn)象，能夠在短時(shí)間內(nèi)控制鉆機(jī)，避免鉆井事故的發(fā)生。

附圖說(shuō)明

圖1為電動(dòng)轉(zhuǎn)盤裝置結(jié)構(gòu)示意圖，

其中：1——鉆桿，2——轉(zhuǎn)盤，3——控制器，4——轉(zhuǎn)速扭矩傳感器，5——隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，6——變頻調(diào)速系統(tǒng)；

圖2為電動(dòng)轉(zhuǎn)盤裝置原理說(shuō)明圖；

圖3為實(shí)施例一控制流程圖；

圖4為實(shí)施例二控制流程圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

一種定向鉆進(jìn)、防托壓的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤裝置包括轉(zhuǎn)速扭矩傳感器（4）、變頻調(diào)速系統(tǒng)（6）、轉(zhuǎn)盤（2）、鉆桿（1）、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（5）和控制器（3）。

所述的控制器（3）電連接計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，所述的控制器（3）內(nèi)還設(shè)轉(zhuǎn)盤、鉆桿扭矩計(jì)算模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)算法模型與預(yù)測(cè)控制(mpc)算法相結(jié)合，控制速度與轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)，減小摩阻和托壓；

所述的轉(zhuǎn)速扭矩傳感器（4）采用應(yīng)變片傳感器，由彈性軸、測(cè)量電橋、儀器用放大器、接口電路組成，彈性軸采用易發(fā)生形變的材料，受扭矩產(chǎn)生微小變形都會(huì)引起電橋電阻值的變化，從而實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩；

所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)（6）包括變頻器和變頻電機(jī)，通過(guò)所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的自動(dòng)控制；

所述的轉(zhuǎn)盤（2）上設(shè)有鉗盤式慣性剎車裝置，所述的鉗盤式慣性剎車裝置包括輸出軸、剎車盤、連接法蘭、加力泵、氣管線、油管線、減速器和輸入軸，輸入軸連接電動(dòng)機(jī)，輸出軸與轉(zhuǎn)盤相連，當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，啟動(dòng)鉗盤式慣性剎車裝置，所述的鉗盤式慣性剎車裝置是由鉆機(jī)氣源系統(tǒng)過(guò)來(lái)的凈化壓縮空氣，通過(guò)比例調(diào)壓閥調(diào)壓后，向加力泵活塞缸一端充氣，壓縮氣體通過(guò)加力泵內(nèi)油缸活塞推動(dòng)液壓油，并將液壓油送到剎車鉗缸內(nèi)形成油壓，最終推動(dòng)剎車鉗對(duì)剎車盤實(shí)施夾持，達(dá)到剎車目的；

所述的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（5）位于鉆桿（1）側(cè)后部，主要由加速度計(jì)和磁力計(jì)組成，可對(duì)工具面角度、井斜角、方位角進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時(shí)由旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)為滑動(dòng)鉆進(jìn)，并進(jìn)一步控制滑動(dòng)鉆進(jìn)的方向。

本發(fā)明的操控方法為：所述的轉(zhuǎn)速扭矩傳感器在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤工作過(guò)程中可以反饋轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩，通過(guò)鉆桿扭矩計(jì)算模型，計(jì)算鉆桿各段的扭矩值并輸入到控制器，通過(guò)所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，所述的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)工具面角度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時(shí)由旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)為滑動(dòng)鉆進(jìn)，并進(jìn)一步控制滑動(dòng)鉆進(jìn)的方向，所述的控制器電連接計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通訊。

所述的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤采取旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)相互轉(zhuǎn)化的模式，在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤工作過(guò)程中電動(dòng)機(jī)和隨鉆測(cè)量系統(tǒng)接在井底鉆具上，開(kāi)始旋轉(zhuǎn)鉆桿，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿至鉆進(jìn)流速，當(dāng)托壓大于一定數(shù)值時(shí)轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)鉆進(jìn)，通過(guò)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)工具面角度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)工具面角度在目標(biāo)工具面角度之前一個(gè)提前角時(shí)，停止頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)，在已建立的左右扭矩限值內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)工具面角度穩(wěn)定接近目標(biāo)工具面角度時(shí)，通過(guò)工具面角度與目標(biāo)角度的比較進(jìn)一步控制滑動(dòng)鉆進(jìn)的方向，當(dāng)工具面角度大于目標(biāo)角度左30°，右沖撞，當(dāng)工具面角度大于目標(biāo)角度右30°，左沖撞，當(dāng)工具面角度在目標(biāo)角度30°范圍內(nèi)，再轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

實(shí)施例二

一種定向鉆進(jìn)、防托壓的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤裝置包括轉(zhuǎn)速扭矩傳感器（4）、變頻調(diào)速系統(tǒng)（6）、轉(zhuǎn)盤（2）、鉆桿（1）、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（5）和控制器（3）。

所述的控制器（3）電連接計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，所述的控制器（3）內(nèi)還設(shè)轉(zhuǎn)盤、鉆桿扭矩計(jì)算模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)算法模型與預(yù)測(cè)控制(mpc)算法相結(jié)合，控制速度與轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)，減小摩阻和托壓；

所述的轉(zhuǎn)速扭矩傳感器（4）采用應(yīng)變片傳感器，由彈性軸、測(cè)量電橋、儀器用放大器、接口電路組成，彈性軸采用易發(fā)生形變的材料，受扭矩產(chǎn)生微小變形都會(huì)引起電橋電阻值的變化，從而實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩；

所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)（6）包括變頻器和變頻電機(jī)，通過(guò)所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的自動(dòng)控制；

所述的轉(zhuǎn)盤（2）上設(shè)有鉗盤式慣性剎車裝置，所述的鉗盤式慣性剎車裝置包括輸出軸、剎車盤、連接法蘭、加力泵、氣管線、油管線、減速器和輸入軸，輸入軸連接電動(dòng)機(jī)，輸出軸與轉(zhuǎn)盤相連，當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，啟動(dòng)鉗盤式慣性剎車裝置，所述的鉗盤式慣性剎車裝置是由鉆機(jī)氣源系統(tǒng)過(guò)來(lái)的凈化壓縮空氣，通過(guò)比例調(diào)壓閥調(diào)壓后，向加力泵活塞缸一端充氣，壓縮氣體通過(guò)加力泵內(nèi)油缸活塞推動(dòng)液壓油，并將液壓油送到剎車鉗缸內(nèi)形成油壓，最終推動(dòng)剎車鉗對(duì)剎車盤實(shí)施夾持，達(dá)到剎車目的；

所述的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（5）位于鉆桿（1）側(cè)后部，主要由加速度計(jì)和磁力計(jì)組成，可對(duì)工具面角度、井斜角、方位角進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時(shí)由旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)為滑動(dòng)鉆進(jìn)，并進(jìn)一步控制滑動(dòng)鉆進(jìn)的方向。

本發(fā)明的操控方法為：所述的轉(zhuǎn)速扭矩傳感器在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤工作過(guò)程中可以反饋轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩，通過(guò)鉆桿扭矩計(jì)算模型，計(jì)算鉆桿各段的扭矩值并輸入到控制器，通過(guò)所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，所述的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)工具面角度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時(shí)由旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)為滑動(dòng)鉆進(jìn)，并進(jìn)一步控制滑動(dòng)鉆進(jìn)的方向，所述的控制器電連接計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通訊。

所述的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤采取旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)相互轉(zhuǎn)化的模式，在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤工作過(guò)程中電動(dòng)機(jī)和隨鉆測(cè)量系統(tǒng)接在井底鉆具上，開(kāi)始旋轉(zhuǎn)鉆桿，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿至鉆進(jìn)流速，當(dāng)托壓大于一定數(shù)值時(shí)轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)鉆進(jìn)，通過(guò)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)工具面角度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)工具面角度在目標(biāo)工具面角度前約90°時(shí)，停止頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)，并停止下放鉆桿，當(dāng)工具面角度在目標(biāo)角度的45°范圍內(nèi)時(shí)，開(kāi)始再次下放鉆桿，當(dāng)工具面角度穩(wěn)定接近目標(biāo)工具面角度時(shí)，通過(guò)工具面角度與目標(biāo)角度的比較進(jìn)一步控制滑動(dòng)鉆進(jìn)的方向，當(dāng)工具面角度大于目標(biāo)角度左30°，右沖撞，當(dāng)工具面角度大于目標(biāo)角度右30°，左沖撞，當(dāng)工具面角度在目標(biāo)角度30°范圍內(nèi)，再轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

以上實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其進(jìn)行限制，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，而這些修改和替換，并不使相應(yīng)的技術(shù)方案本質(zhì)脫離本發(fā)明所要求保護(hù)的技術(shù)方案精神和范圍。