專利名稱：一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油田應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，屬于一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置。
背景技術(shù)：
目前，測控裝置廣泛應(yīng)用于航天、水電、發(fā)電、機(jī)電、通訊技術(shù)等領(lǐng)域， 井下水平鉆孔技術(shù)也需要一套測控裝置，其中鉆頭鉆進(jìn)控制裝置與方法比較復(fù) 雜，現(xiàn)有的水平鉆孔機(jī)的控制裝置的體積都比較大，而井下水平鉆孔裝置由于 空間的限制，使得井下水平鉆孔裝置的體積不能夠過大，因此阻礙了井下水平 鉆孔控制裝置的開發(fā)，尤其是鉆頭鉆進(jìn)控制的方法和裝置都比較復(fù)雜，不易實(shí) 現(xiàn)裝置的體積小型化。

發(fā)明內(nèi)容
為了提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)井下水平鉆孔機(jī)鉆頭鉆進(jìn)的動作控制的小型化控 制裝置，本發(fā)明設(shè)計了一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置。
本發(fā)明的井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置包括上位控制計算機(jī)S4、中間控制與 通訊單元S5、三相變頻器S1、三相調(diào)壓器S2、三相變壓器S3、下位嵌入式 測量與控制單元T8、磁方位角傳感器Tl、鉆頭給進(jìn)電機(jī)T9、轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī) TIO、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll和保護(hù)控制電機(jī)T12，上位控制計算機(jī)S4通過中 間控制與通訊單元S5分別和三相變頻器S1、三相調(diào)壓器S2、三相變壓器S3 和下位嵌入式測量與控制單元T8的串行通訊端口連接，所述三相變頻器Sl 輸出控制信號給三相調(diào)壓器S2，三相調(diào)壓器S2輸出控制信號給三相變壓器 S3，三相變壓器S3分別輸出三相電壓信號給鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll和保護(hù)控 制電機(jī)T12，磁方位角傳感器T1的角度信號輸出給所述下位嵌入式測量與控 制單元T8，下位嵌入式測量與控制單元T8分別發(fā)出控制信號給轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī) TIO、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll和保護(hù)控制電機(jī)T12，所述磁方位角傳感器Tl 用于測量井下水平鉆孔機(jī)鉆頭的實(shí)際方位角。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為填補(bǔ)了目前井下鉆孔井機(jī)鉆進(jìn)控制裝置在油田應(yīng)用技術(shù) 領(lǐng)域的空白，井下水平鉆孔機(jī)作業(yè)的準(zhǔn)確度高，作業(yè)過程能夠被實(shí)時監(jiān)測和控 制。


圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式所述的井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置包括上
位控制計算機(jī)S4、中間控制與通訊單元S5、三相變頻器S1、三相調(diào)壓器S2、 三相變壓器S3、下位嵌入式測量與控制單元T8、磁方位角傳感器T1、鉆頭給 進(jìn)電機(jī)T9、轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)TIO、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll和保護(hù)控制電機(jī)T12， 上位控制計算機(jī)S4通過中間控制與通訊單元S5分別和三相變頻器Sl、三相 調(diào)壓器S2、三相變壓器S3和下位嵌入式測量與控制單元T8的串行通訊端口 連接，所述三相變頻器Sl輸出控制信號給三相調(diào)壓器S2，三相調(diào)壓器S2輸 出控制信號給三相變壓器S3，三相變壓器S3分別輸出三相電壓信號給鉆頭轉(zhuǎn) 速驅(qū)動電機(jī)T11和保護(hù)控制電機(jī)T12，磁方位角傳感器T1的角度信號輸出給 所述下位嵌入式測量與控制單元T8，下位嵌入式測量與控制單元T8分別發(fā)出 控制信號給轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)TIO、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll和保護(hù)控制電機(jī)T12， 所述磁方位角傳感器Tl用于測量井下水平鉆孔機(jī)鉆頭的實(shí)際方位角。
本實(shí)施方式中所述的鉆頭給進(jìn)電機(jī)T9和轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)T10可以選用步進(jìn) 電機(jī)，所述的鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll和保護(hù)控制電機(jī)T12可以選用三相異步 電動機(jī)。
本實(shí)施方式中所述的三相變壓器S3的作用是把380伏的電壓升到1000 伏左右，三相調(diào)壓器S2的作用是把電壓穩(wěn)定到1000伏，三相變頻器Sl的作 用是可以平穩(wěn)的啟動鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll和保護(hù)控制電機(jī)T12。
本實(shí)施方式所述的井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置中的上位控制計算機(jī)S4用 于通過其串口發(fā)送轉(zhuǎn)速控制命令、鉆頭進(jìn)給速度控制命令、鉆頭鉆進(jìn)方位角控 制命令和鉆頭給進(jìn)量控制命令給下位嵌入式測量與控制單元T8;所述下位嵌 入式測量與控制單元T8用于根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速控制命令控制鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電 機(jī)Tll的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制井下水平鉆孔機(jī)的鉆頭轉(zhuǎn)速；它還用于根據(jù)接收到的 鉆頭鉆進(jìn)方位角控制命令以及磁方位角傳感器Tl發(fā)送的角度信息控制轉(zhuǎn)角驅(qū) 動電機(jī)TIO，進(jìn)而控制井下水平鉆孔機(jī)的鉆頭鉆進(jìn)方位角；它還用于根據(jù)接收 到的鉆頭給進(jìn)量控制命令控制鉆頭給進(jìn)電機(jī)T9，進(jìn)而控制鉆頭的進(jìn)給量。
本實(shí)施方式所述的井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置控制鉆頭鉆進(jìn)方位角的過程為由上位控制計算機(jī)S4將鉆頭鉆進(jìn)方位角的控制命令發(fā)送給中間控制與
通訊單元S5，中間控制與通訊單元S5將控制命令發(fā)送給下位嵌入式測量與控 制單元T8，下位嵌入式測量與控制單元T8讀取磁方位角傳感器Tl所測量得 到的鉆頭當(dāng)前所處的位置，根據(jù)鉆頭方位角存在的差異量啟動轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī) TIO，轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)TIO的輸出軸的轉(zhuǎn)動驅(qū)動兩個摩擦輪帶動井下水平鉆孔機(jī) 在油井套管內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭鉆進(jìn)方位角的控制。
本實(shí)施方式所述的井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置實(shí)現(xiàn)鉆頭進(jìn)給量控制的過 程為由上位控制計算機(jī)S4將鉆頭進(jìn)給量控制命令發(fā)送給中間控制與通訊單 元S5，中間控制與通訊單元S5將控制命令發(fā)送給下位嵌入式測量與控制單元 T8，下位嵌入式測量與控制單元T8對鉆頭給進(jìn)電機(jī)T9發(fā)出驅(qū)動信號，從而 獲得鉆頭的進(jìn)給量的控制，下位嵌入式測量與控制單元T8依據(jù)控制命令調(diào)整 鉆頭給進(jìn)電機(jī)T9的轉(zhuǎn)速，從而完成鉆頭進(jìn)給速度的控制。上位控制計算機(jī)S4 發(fā)送的給進(jìn)量控制命令根據(jù)鉆機(jī)的情況而定， 一般在0m到1.5m之間。
本實(shí)施方式所述的井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置實(shí)現(xiàn)鉆頭鉆進(jìn)方位角的控 制過程為上位控制計算機(jī)S4通過中間控制與通訊單元S5發(fā)送設(shè)定鉆頭鉆 進(jìn)方位角JD,給下位嵌入式測量與控制單元T8，所述下位嵌入式測量與控制 單元T8比較接收到的鉆頭鉆進(jìn)方位角JD,和磁方位角傳感器T1發(fā)送的鉆頭實(shí) 際鉆井方位角JD2，當(dāng)JD, 二JD2時，停止轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)T10的運(yùn)轉(zhuǎn)，否則控 制轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)T10直到滿足JD, 二JD2為止。
本實(shí)施方式所述的井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置的鉆頭轉(zhuǎn)速控制的過程為 上位控制計算機(jī)S4經(jīng)中間控制與通訊單元S5將設(shè)定鉆速co的信息發(fā)送給下 位嵌入式測量與控制單元T8，所述下位嵌入式測量與控制單元T8判斷設(shè)定鉆 頭鉆速co是否有效，如果有效，則根據(jù)所述設(shè)定鉆速控制鉆頭進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)；如 果無效，則將設(shè)定鉆速Q(mào))信息發(fā)送回上位控制計算機(jī)S4重新進(jìn)行判斷與設(shè)定。
本實(shí)施方式的上位控制計算機(jī)S4發(fā)送的鉆頭進(jìn)給速度控制命令中的鉆頭 給進(jìn)速度一般是在0 r/min至50r/min之間。
本實(shí)施方式所述的井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置在鉆孔機(jī)鉆頭鉆進(jìn)過程中 對于控制鉆頭鉆進(jìn)過程中鉆孔的位置保持不變的控制方法為由轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī) T10的輸出軸帶動齒輪泵工作，工作的齒輪泵使井下水平鉆孔機(jī)的內(nèi)部與油井
套管形成一定壓力差，這一壓力差將錨爪向外張開，錨爪將井下水平鉆孔機(jī)固 定在油井套管內(nèi)，從而達(dá)到在鉆頭鉆進(jìn)過程中鉆孔的位置保持不變的目的。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的井下水平鉆孔機(jī)
的控制裝置的區(qū)別在于，它還包括鉆進(jìn)限位開關(guān)T1和后退限位開關(guān)T2，所述 鉆進(jìn)限位開關(guān)Tl和后退限位開關(guān)T2分用于檢測鉆孔機(jī)鉆頭是否處于鉆進(jìn)和 后退的極限位置，所述的鉆進(jìn)限位開關(guān)Tl和后退限位開關(guān)T2輸出的位置信 號給下位嵌入式測量與控制單元T8。
本實(shí)施方式增加了限位開關(guān)，所述限位開關(guān)分別檢測鉆孔機(jī)鉆頭的是否處 于鉆進(jìn)或后退的極限位置，并將信息發(fā)送給下位嵌入式測量與控制單元T8， 當(dāng)所述鉆孔機(jī)的鉆頭處于鉆進(jìn)的極限位置或者后退的極限位置的時候，所述下 位嵌入式測量與控制單元T8控制鉆頭給進(jìn)電機(jī)T9停止或者反方向工作，避 免鉆頭鉆進(jìn)與后退超出范圍。所述兩個限位開關(guān)可以分別安裝在鉆頭給進(jìn)電機(jī) T9所驅(qū)動的絲杠的兩端，通過檢測與絲杠連接的絲母的位置來確定鉆頭的位 置。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的井下水平鉆孔機(jī) 的控制裝置的區(qū)別在于，它還包括第一電流傳感器T4和第二電流傳感器T5， 第一電流傳感器T4和第二電流傳感器T5分別用于測量鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tl 1 和保護(hù)控制電機(jī)T12的工作電流，所述第一電流傳感器T4和第二電流傳感器 T5分別輸出電流信號給下位嵌入式測量與控制單元T8。
本實(shí)施方式增加了電流檢測器件，可以隨時檢測鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll 和保護(hù)控制電機(jī)T12的工作電流，下位嵌入式測量與控制單元T8根據(jù)檢測到 的電流的大小獲得對應(yīng)電機(jī)的帶載情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有電機(jī)長時間工作在載荷比較 大的情況時，能夠發(fā)出報警并采取措施，有效避免由于長時間過大載荷造成鉆 頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll或者保護(hù)控制電機(jī)T12的損壞。判斷電機(jī)工作載荷是否 過大，可以通過電機(jī)實(shí)際載荷與上位控制計算機(jī)S4發(fā)送的設(shè)定載荷進(jìn)行比較 獲得。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的井下水平鉆孔機(jī) 的控制裝置的區(qū)別在于，它還包括多個溫度傳感器T6，多個溫度傳感器T6分 別用于測量鉆頭給進(jìn)步進(jìn)電機(jī)T9、轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)TIO、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll和保護(hù)控制電機(jī)T12的殼體的溫度值，所述多個溫度傳感器T6分別輸出溫度 信號給下位嵌入式測量與控制單元T8。
本實(shí)施方式增加量溫度檢測器件，下位嵌入式測量與控制單元T8能夠根 據(jù)溫度檢測器件傳遞的溫度信息隨時了解各個驅(qū)動電機(jī)的殼體溫度，當(dāng)溫度出 現(xiàn)異常的時候，能夠及時發(fā)出警報并采取措施，可以有效的避免由于電機(jī)的溫 度過高造成鉆頭給進(jìn)步進(jìn)電機(jī)T9、轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)TIO、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)Tll 或者保護(hù)控制電機(jī)T12的損壞。本實(shí)施方式中所述的溫度異常的判斷方法， 可以通過對比溫度檢測器件檢測到的溫度和上位控制計算機(jī)S4發(fā)送的設(shè)定溫 度來獲得，如果測量的溫度不在設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)，就是異常情況。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的井下水平鉆孔機(jī) 的控制裝置的區(qū)別在于，它還包括拉壓力傳感器T7，拉壓力傳感器T7用于測 量鉆孔機(jī)鉆頭在鉆進(jìn)過程中的壓力和后退過程中拉力，所述拉壓力傳感器T7 輸出拉壓力信號給下位嵌入式測量與控制單元T8。
本實(shí)施方式中增了拉壓力傳感器，能夠在工作過程中實(shí)時監(jiān)測鉆頭所承受 的拉力或壓力的大小，并將檢測到的數(shù)據(jù)傳遞給下位嵌入式測量與控制單元 T8，所述下位嵌入式測量與控制單元T8根據(jù)所述拉力和壓力的大小隨時通過 調(diào)整鉆頭給進(jìn)步進(jìn)電機(jī)T9的控制參數(shù)來控制鉆進(jìn)速度，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整并控制 鉆頭受到的拉力或壓力在一定的安全范圍內(nèi)的目的。所述鉆頭受到的拉力或壓 力的安全范圍可以由上位控制計算機(jī)S4設(shè)定并傳送給下位嵌入式測量與控制 單元T8。
權(quán)利要求
1、一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置，其特征在于它包括上位控制計算機(jī)(S4)、中間控制與通訊單元(S5)、三相變頻器(S1)、三相調(diào)壓器(S2)、三相變壓器(S3)、下位嵌入式測量與控制單元(T8)、鉆頭給進(jìn)電機(jī)(T9)、磁方位角傳感器(T1)、轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)(T10)、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)(T11)和保護(hù)控制電機(jī)(T12)，上位控制計算機(jī)(S4)通過中間控制與通訊單元(S5)分別和三相變頻器(S1)、三相調(diào)壓器(S2)、三相變壓器(S3)和下位嵌入式測量與控制單元(T8)的串行通訊端口連接，所述三相變頻器(S1)輸出控制信號給三相調(diào)壓器(S2)，三相調(diào)壓器(S2)輸出控制信號給三相變壓器(S3)，三相變壓器(S3)分別輸出三相電壓信號給鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)(T11)和保護(hù)控制電機(jī)(T12)，磁方位角傳感器(T1)的角度信號輸出給所述下位嵌入式測量與控制單元(T8)，下位嵌入式測量與控制單元(T8)分別發(fā)出控制信號給轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)(T10)、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)(T11)和保護(hù)控制電機(jī)(T12)，所述磁方位角傳感器(T1)用于測量井下水平鉆孔機(jī)鉆頭的實(shí)際方位角。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置，其特征在于 所述上位控制計算機(jī)(S4)用于通過其串口發(fā)送轉(zhuǎn)速控制命令、鉆頭鉆進(jìn)方位 角控制命令和鉆頭給進(jìn)量控制命令給下位嵌入式測量與控制單元(T8);所述下位嵌入式測量與控制單元(T8)用于根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速控制命令 控制鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)(T11)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制井下水平鉆孔機(jī)的鉆頭轉(zhuǎn)速; 它還用于根據(jù)接收到的鉆頭鉆進(jìn)方位角控制命令以及磁方位角傳感器(Tl) 發(fā)送的角度信息控制轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)(TIO)，進(jìn)而控制井下水平鉆孔機(jī)的鉆頭 鉆進(jìn)方位角；它還用于根據(jù)接收到的鉆頭給進(jìn)量控制命令控制鉆頭給進(jìn)電機(jī) (T9)，進(jìn)而控制鉆頭的進(jìn)給量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置，其特征在于 它還包括鉆進(jìn)限位開關(guān)(Tl)和后退限位開關(guān)(T2)，鉆進(jìn)限位開關(guān)(Tl)和 后退限位開關(guān)(T2)分用于檢測鉆孔機(jī)鉆頭的是否處于鉆進(jìn)和后退的極限位 置，所述鉆進(jìn)限位開關(guān)(Tl)和后退限位開關(guān)(T2)分別輸出位置信號給下 位嵌入式測量與控制單元(T8)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置，其特征在于它還包括第一電流傳感器(T4)和第二電流傳感器(T5)，第一電流傳感器(T4) 和第二電流傳感器(T5)分別用于測量鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)(T11)和保護(hù)控制 電機(jī)(T12)的工作電流，所述第一電流傳感器(T4)和第二電流傳感器(T5) 分別輸出電流信號給下位嵌入式測量與控制單元(T8)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置，其特征在于 它還包括多個溫度傳感器(T6)，多個溫度傳感器(T6)分別用于測量鉆頭給 進(jìn)電機(jī)(T9)、轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)(TIO)、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)(T11)和保護(hù)控制 電機(jī)(T12)的殼體的溫度值，所述多個溫度傳感器(T6)分別輸出溫度信號 給下位嵌入式測量與控制單元(T8)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置，其特征在于 它還包括拉壓力傳感器(T7)，拉壓力傳感器(T7)用于測量鉆孔機(jī)鉆頭在鉆 進(jìn)過程中的壓力和后退過程中的拉力，所述拉壓力傳感器(T7)輸出拉壓力 信號給下位嵌入式測量與控制單元(T8)。
全文摘要
一種井下水平鉆孔機(jī)的控制裝置，它涉及油田應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有井下水平鉆孔機(jī)鉆頭鉆進(jìn)控制裝置體積大的問題。它的上位控制計算機(jī)通過中間控制與通訊單元分別和三相變頻器、三相調(diào)壓器、三相變壓器和下位嵌入式測量和控制單元的串行通訊端口連接，三相變頻器、三相調(diào)壓器和三相變壓器為鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)和保護(hù)控制電機(jī)提供工作電源，磁方位角傳感器用于測量井下水平鉆孔機(jī)鉆頭的實(shí)際方位角，并將所述角度傳遞給下位嵌入式測量和控制單元，下位嵌入式測量和控制單元分別控制轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機(jī)、鉆頭轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)和保護(hù)控制電機(jī)。本發(fā)明在進(jìn)行井下水平鉆孔作業(yè)時能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和控制，準(zhǔn)確度高，它可以廣泛的應(yīng)用到油田的井下水平鉆孔領(lǐng)域。
文檔編號E21B44/00GK101343995SQ20081013689
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
發(fā)明者劉宗宗, 唐俊東, 李海成, 梁福民, 宏 段, 晶 王, 胡曉東, 宇 韓, 高光磊 申請人:大慶油田有限責(zé)任公司