[发明专利]一种顶驱控制系统

说明书

本发明公开了一种顶驱控制系统，涉及石油钻井自动控制技术领域，包括顶驱控制人机界面，顶驱控制器，数据转换接口，正反转控制人机界面，可编程控制器，转换开关，变频调速器，顶驱，钻柱和位置传感器，所述顶驱控制人机界面安装在顶驱控制器上，顶驱控制器通过电缆与转换开关相连；所述正反转控制人机界面与可编程控制器相连，可编程控制器通过电缆与转换开关相连；顶驱控制器通过数据转换接口与可编程控制器相连；转换开关的另一端与变频调速器相连，变频调速器连接顶驱；顶驱与钻柱连接，顶驱上安装位置传感器。采用本系统，消除了钻柱的静摩擦力，降低了钻柱摩阻扭矩，提高了滑动钻井速度和效率。

技术领域

本发明涉及石油钻井自动控制技术领域，确切地说涉及一种顶驱控制系统。

背景技术

在定向井、水平井钻井过程中主要采用旋转导向钻井技术和定向滑动钻井技术实现井眼轨迹的控制，钻达目标地层。旋转导向钻井通过井下特定装置在旋转条件下，在钻头位置产生预期的力或转角，实现所钻井洞按预期方向偏移，钻洞效率高，但作业费用高，在国内未进行大范围使用。定向滑动钻井技术是保持钻柱不旋转，依靠井下带角度的动力钻具产生预期的力或转角，较常规钻井只增加了一根带角度的井下动力钻具和一个测量井筒偏移后的空间位置的MWD，使用成本较低，是当前定向井、水平井采用的主流技术。该方法的缺点是在滑动钻井过程中，钻头依靠井下动力钻具的动力破岩，钻头以上钻柱不旋转，而是沿井眼轴向滑动，部分钻柱躺在井筒下壁，静摩擦力极大，导致钻头切削地层岩石的能量不能有效施加，同时保持井下动力钻具在井筒中相对高点的角度（工具面）稳定也较为困难，表现在作业过程中钻井速度慢，频繁调整工具面角度浪费大量时间，同时发生井下复杂和事故的可能性也大幅增加。

为了提高滑动钻井速度和效率，近年来业界产生了井下振动方法，通过在距离钻头一定距离处加装一个水力震荡装置，在钻井过程中把部分水力能量转化为“振动”能力，带动与之相邻的一定范围内的钻柱“振动”，从而消除一定钻柱与井筒的静摩擦力，起到了一定的提高滑动钻井速度和效率的作用。同时该方法也存在一定的不足，一是井下的水力震荡装置存在一定的工作寿命和失效机率，会导致额外的起下钻，增加了钻井时间和费用，二是该装置的工作能量来至于水力能量，表现为钻井过程中地面注入水力压力(泵压)增加，往往在2-5MPa，部分泵压已经很高了的井，就不能使用或许只有更换更高能力的地面注入设备，三是该方法只能带动与井下振动装置相邻的一定范围内的钻柱“振动”，不能消除整个钻柱的静摩擦力，导致效果不好，甚至没有。

为了降低钻柱摩阻扭矩，提高机械钻速和效率，现场出现一种通过操纵顶驱控制器上旋钮，实现顶驱带动钻柱正反转动，降低钻柱与井壁摩阻扭矩的方法，该方法操作简单，不要借助其他装置设备，成本低。但该方法仅适于具有丰富经验的司钻，在正反转动顶驱的同时不能引起工具面的变动，上手操作难度高，进行推广应用难度大。

经检索，美国国民油井华高有限合伙公司申请了一件名为摆动钻柱的装置和方法的专利，该专利在中国的公开号为CN101466911A，公开日为2009年6月24日，其主要内容是：一种摆动钻柱的方法，所示方法包括如下步骤：（a）在第一方向上旋转所述钻柱，直到到达第一极限位置；（b）在第二方向上旋转所述钻柱，直到到达第二极限为止；其特征在于，所述第一和第二极限的基础在于旋转期间所施加能量的量值。该专利虽然提到了可以摆动钻柱，但一方面，该方法顺时针和逆时针旋转钻柱目标角位置相同，另一方面，其没有公布确定顺时针与逆时针旋转钻柱目标角位置的步骤以及如何拥有滑动钻井的方法，在滑动钻井中应用不具备可操作性。