本發(fā)明涉及一種定向鉆進、防托壓的電動轉(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)：

目前在我國石油勘探和開采中，普遍使用的是旋轉(zhuǎn)鉆井法。而轉(zhuǎn)盤是目前旋轉(zhuǎn)鉆機的關(guān)鍵設(shè)備，也是鉆機三大工作機之一。在鉆井過程中，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，自動化程度低等缺點，雖然現(xiàn)在采用的頂部驅(qū)動有一定技術(shù)優(yōu)勢，但由于其價格昂貴，考慮經(jīng)濟因素，頂驅(qū)并不是普通井隊的最佳選擇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種定向鉆進、防托壓的電動轉(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）、隨鉆測量系統(tǒng)（5）和控制器（3）。

所述的控制器（3）電連接計算機，對數(shù)據(jù)進行存儲，所述的控制器（3）內(nèi)還設(shè)轉(zhuǎn)盤、鉆桿扭矩計算模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)算法模型與預(yù)測控制(mpc)算法相結(jié)合，控制速度與轉(zhuǎn)動角度之間的關(guān)系，實現(xiàn)定向鉆進，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)生微小變形都會引起電橋電阻值的變化，從而實時反饋轉(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，通過所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的自動控制；

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，輸入軸連接電動機，輸出軸與轉(zhuǎn)盤相連，鉆機氣源系統(tǒng)過來的壓縮空氣向加力泵活塞缸充氣，壓縮氣體通過加力泵內(nèi)油缸活塞推動液壓油形成油壓，推動剎車鉗對剎車盤實施夾持，達到剎車目的；

所述的隨鉆測量系統(tǒng)（5）位于鉆桿（1）側(cè)后部，主要由加速度計和磁力計組成，可對工具面角度、井斜角、方位角進行實時測量。

本發(fā)明的操控方法為：所述的轉(zhuǎn)速扭矩傳感器在電動轉(zhuǎn)盤工作過程中可以反饋轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩，通過鉆桿扭矩計算模型，計算鉆桿各段的扭矩值并輸入到控制器，通過所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，所述的隨鉆測量系統(tǒng)可對工具面角度進行測量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時由旋轉(zhuǎn)鉆進轉(zhuǎn)為滑動鉆進，并進一步控制滑動鉆進的方向，所述的控制器電連接計算機，對數(shù)據(jù)進行存儲，可實現(xiàn)與其他設(shè)備的通訊。

進一步的，所述的電動轉(zhuǎn)盤采取旋轉(zhuǎn)鉆進與滑動鉆進相互轉(zhuǎn)化的模式，在電動轉(zhuǎn)盤工作過程中開始旋轉(zhuǎn)鉆進，轉(zhuǎn)動鉆桿至鉆進流速，當(dāng)托壓大于一定數(shù)值時轉(zhuǎn)換為滑動鉆進，通過隨鉆測量系統(tǒng)對工具面角度進行測量，當(dāng)工具面角度在目標(biāo)工具面角度之前一個提前角時，停止頂驅(qū)轉(zhuǎn)動，在已建立的左右扭矩限值內(nèi)進行自動扭矩轉(zhuǎn)動，當(dāng)工具面角度穩(wěn)定接近目標(biāo)工具面角度時，通過工具面角度與目標(biāo)角度的比較進一步控制滑動鉆進的方向。

進一步的，所述的提前角為45~90°。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

（1）該裝置內(nèi)置扭矩自動算法，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)算法模型與預(yù)測控制(mpc)算法相結(jié)合，實時控制轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，達到減小摩阻；

（2）隨鉆測量系統(tǒng)可隨鉆測定井斜角、方位角、工具面角度，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進與滑動鉆進的相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電動轉(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際工作中的滯后現(xiàn)象，能夠在短時間內(nèi)控制鉆機，避免鉆井事故的發(fā)生。

附圖說明

圖1為電動轉(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——隨鉆測量系統(tǒng)，6——變頻調(diào)速系統(tǒng)；

圖2為電動轉(zhuǎn)盤裝置原理說明圖；

圖3為實施例一控制流程圖；

圖4為實施例二控制流程圖。

具體實施方式

實施例一

一種定向鉆進、防托壓的電動轉(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）、隨鉆測量系統(tǒng)（5）和控制器（3）。

所述的控制器（3）電連接計算機，對數(shù)據(jù)進行存儲，所述的控制器（3）內(nèi)還設(shè)轉(zhuǎn)盤、鉆桿扭矩計算模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)算法模型與預(yù)測控制(mpc)算法相結(jié)合，控制速度與轉(zhuǎn)動角度之間的關(guān)系，實現(xiàn)定向鉆進，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)生微小變形都會引起電橋電阻值的變化，從而實時反饋轉(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，通過所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的自動控制；

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，輸入軸連接電動機，輸出軸與轉(zhuǎn)盤相連，當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時，啟動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氣源系統(tǒng)過來的凈化壓縮空氣，通過比例調(diào)壓閥調(diào)壓后，向加力泵活塞缸一端充氣，壓縮氣體通過加力泵內(nèi)油缸活塞推動液壓油，并將液壓油送到剎車鉗缸內(nèi)形成油壓，最終推動剎車鉗對剎車盤實施夾持，達到剎車目的；

所述的隨鉆測量系統(tǒng)（5）位于鉆桿（1）側(cè)后部，主要由加速度計和磁力計組成，可對工具面角度、井斜角、方位角進行實時測量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時由旋轉(zhuǎn)鉆進轉(zhuǎn)為滑動鉆進，并進一步控制滑動鉆進的方向。

本發(fā)明的操控方法為：所述的轉(zhuǎn)速扭矩傳感器在電動轉(zhuǎn)盤工作過程中可以反饋轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩，通過鉆桿扭矩計算模型，計算鉆桿各段的扭矩值并輸入到控制器，通過所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，所述的隨鉆測量系統(tǒng)可對工具面角度進行測量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時由旋轉(zhuǎn)鉆進轉(zhuǎn)為滑動鉆進，并進一步控制滑動鉆進的方向，所述的控制器電連接計算機，對數(shù)據(jù)進行存儲，可實現(xiàn)與其他設(shè)備的通訊。

所述的電動轉(zhuǎn)盤采取旋轉(zhuǎn)鉆進與滑動鉆進相互轉(zhuǎn)化的模式，在電動轉(zhuǎn)盤工作過程中電動機和隨鉆測量系統(tǒng)接在井底鉆具上，開始旋轉(zhuǎn)鉆桿，轉(zhuǎn)動鉆桿至鉆進流速，當(dāng)托壓大于一定數(shù)值時轉(zhuǎn)換為滑動鉆進，通過隨鉆測量系統(tǒng)對工具面角度進行測量，當(dāng)工具面角度在目標(biāo)工具面角度之前一個提前角時，停止頂驅(qū)轉(zhuǎn)動，在已建立的左右扭矩限值內(nèi)進行自動扭矩轉(zhuǎn)動，當(dāng)工具面角度穩(wěn)定接近目標(biāo)工具面角度時，通過工具面角度與目標(biāo)角度的比較進一步控制滑動鉆進的方向，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。

實施例二

一種定向鉆進、防托壓的電動轉(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）、隨鉆測量系統(tǒng)（5）和控制器（3）。

所述的控制器（3）電連接計算機，對數(shù)據(jù)進行存儲，所述的控制器（3）內(nèi)還設(shè)轉(zhuǎn)盤、鉆桿扭矩計算模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)算法模型與預(yù)測控制(mpc)算法相結(jié)合，控制速度與轉(zhuǎn)動角度之間的關(guān)系，實現(xiàn)定向鉆進，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)生微小變形都會引起電橋電阻值的變化，從而實時反饋轉(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，通過所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的自動控制；

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，輸入軸連接電動機，輸出軸與轉(zhuǎn)盤相連，當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時，啟動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氣源系統(tǒng)過來的凈化壓縮空氣，通過比例調(diào)壓閥調(diào)壓后，向加力泵活塞缸一端充氣，壓縮氣體通過加力泵內(nèi)油缸活塞推動液壓油，并將液壓油送到剎車鉗缸內(nèi)形成油壓，最終推動剎車鉗對剎車盤實施夾持，達到剎車目的；

所述的隨鉆測量系統(tǒng)（5）位于鉆桿（1）側(cè)后部，主要由加速度計和磁力計組成，可對工具面角度、井斜角、方位角進行實時測量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時由旋轉(zhuǎn)鉆進轉(zhuǎn)為滑動鉆進，并進一步控制滑動鉆進的方向。

本發(fā)明的操控方法為：所述的轉(zhuǎn)速扭矩傳感器在電動轉(zhuǎn)盤工作過程中可以反饋轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩，通過鉆桿扭矩計算模型，計算鉆桿各段的扭矩值并輸入到控制器，通過所述的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的速度、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，所述的隨鉆測量系統(tǒng)可對工具面角度進行測量，當(dāng)工具面角度大于一定數(shù)值時由旋轉(zhuǎn)鉆進轉(zhuǎn)為滑動鉆進，并進一步控制滑動鉆進的方向，所述的控制器電連接計算機，對數(shù)據(jù)進行存儲，可實現(xiàn)與其他設(shè)備的通訊。

所述的電動轉(zhuǎn)盤采取旋轉(zhuǎn)鉆進與滑動鉆進相互轉(zhuǎn)化的模式，在電動轉(zhuǎn)盤工作過程中電動機和隨鉆測量系統(tǒng)接在井底鉆具上，開始旋轉(zhuǎn)鉆桿，轉(zhuǎn)動鉆桿至鉆進流速，當(dāng)托壓大于一定數(shù)值時轉(zhuǎn)換為滑動鉆進，通過隨鉆測量系統(tǒng)對工具面角度進行測量，當(dāng)工具面角度在目標(biāo)工具面角度前約90°時，停止頂驅(qū)轉(zhuǎn)動，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，開始再次下放鉆桿，當(dāng)工具面角度穩(wěn)定接近目標(biāo)工具面角度時，通過工具面角度與目標(biāo)角度的比較進一步控制滑動鉆進的方向，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。

以上實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其進行限制，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，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)明所要求保護的技術(shù)方案精神和范圍。