在石油工业中，用于钻井的设备或机器被统称为钻塔或钻机。在 这些钻机上，设置有用于使钻杆旋转的装置，其中最流行的和最成功 的是一种被称为顶部驱动系统的装置。在油田内的顶部驱动系统的流 行和激增大大提高了工业钻机和操作者以安全和有益的方式处理钻杆 操作的能力。
一种所述的操作是“后扩孔”，其中操作者在同时抽出钻探泥浆和 转动钻杆的时候把钻杆提出井孔外，这样避免在钻杆和井孔之间产生 摩擦力，这种摩擦力可能引起钻杆在井孔中被夹住。直到近来，这种 后扩孔处理或者完全由人工进行，或者涉及使用在提升设备内的复杂 的控制。
例如，在人工处理中，操作者通过接合一个离合器接合提升装置， 然后手动地操纵提升节流阀，或者是手阀或者是脚阀，以便缓慢地把 钻杆提出井外。不过，在这个操作期间，钻机必须同时监视吊钩载荷 和转矩或者立管的压力(如果使用井下泥浆马达)，以便指示钻杆分 别沿横向或沿转动方向具有被夹住的危险。
或者，在另一种处理中，可能要求操作者操纵一个和提升装置相 连的控制系统。在这种系统中，当操作者发出指令时，控制系统便启 动提升装置，以便缓慢地把钻杆提出井外。不过，钻机必须仍然监视 挂钩载荷、转矩与/或立管的压力，以便指示钻杆可能具有被夹在井中 的危险。
此外，这些处理的两个问题是，许多提升系统不允许在一个延长 的时间间隔内保持钻杆不动，即当钻杆被夹在井中时可能发生的情况。 因而，这些处理的每一个依赖于操作者的判断来避免设备的破坏。因 而，需要一种改进的控制系统，其允许后扩孔的较大的控制，同时减 少操作者的负担。

本发明涉及一种用于在“后扩孔”操作期间自动操纵绞车的控制 系统。在一个实施例中，所述控制系统和一个操作者控制单元相连， 以便允许钻机在对于一个或几个特定的扩孔参数进行的扩孔操作期间 进入要达到的最大值。在扩孔操作期间，控制系统连续地监视特定的 扩孔参数，并比较测量值和由操作者输入的限制值或最大值。当超过 任何的最大值时，便向铰车发出控制信号，使得减少提升的速度。
在另一个实施例中，所述特定的扩孔参数可以从对钻头的拉力 (POB)、提升速率(ROH)以及钻孔转矩任何一个或全部中选择。在另 一个实施例中，通过应用一个绞车制动组件来控制提升的速度。
在一个实施例中，本发明是一种用于控制钻机的后扩孔操作的自 动化方法。该方法包括提供一种提升系统，其在后扩孔操作期间以一 定的提升速度和一定的提升转矩移动钻杆。所述提升系统包括至少一 个后扩孔参数传感器，用于测量相应的至少一个后扩孔参数。该方法 还包括比较至少一个后扩孔参数的预定值和所述至少一个后扩孔参数 的测量值；以及当所述至少一个后扩孔参数的测量值等于所述至少一 个后扩孔参数的预定值时，启动一个反抗提升系统的提升转矩的制动 组件。
在另一个实施例中，本发明是一种用于控制钻机的后扩孔操作的 自动化方法。该方法包括提供一种绞车系统，其在后扩孔操作期间以 一定的提升速度和一定的提升转矩移动钻杆。所述提升系统包括至少 一个后扩孔参数传感器，用于测量相应的至少一个后扩孔参数。该方 法还包括提供一种操作者控制单元，其允许操作者在其中输入所述至 少一个后扩孔参数的预定值；以及提供一种控制系统，用于比较至少 一个后扩孔参数的预定值和所述至少一个后扩孔参数的测量值，其中 所述控制系统当所述至少一个后扩孔参数的测量值等于所述至少一个 后扩孔参数的预定值时，启动一个反抗提升系统的提升转矩的制动组 件。
在另一个实施例中，本发明是一种用于控制钻机的后扩孔操作的 系统，其包括在后扩孔操作期间以一定的提升速度和一定的提升转矩 移动钻杆的提升系统。所述提升系统包括至少一个后扩孔参数传感器， 用于测量相应的至少一个后扩孔参数。一个操作者控制单元允许操作 者在其中输入所述至少一个后扩孔参数的预定值。一个后扩孔参数传 感器获得所述至少一个后扩孔参数的测量值。一个控制系统监视至少 一个后扩孔参数。一个制动组件当所述至少一个后扩孔参数的测量值 等于所述至少一个后扩孔参数的预定值时，反抗绞车系统的提升转矩。
附图说明
当结合附图参阅下面的详细说明时，可以更好地理解本发明的这 些和其它的特征和优点，其中：
图1是按照本发明的钻机和绞车/制动控制系统的示意图；
图2是图1的绞车/制动控制系统的方块图，包括信号流程图； 以及
图3是图1的绞车/制动控制系统的示意图。

如图1-3所示，本发明涉及一种绞车/制动控制系统110(下文 称为“控制系统110”)，用于在后扩孔(下文称为“扩孔”)操作期间 绞车50或类似的提升装置的自动化操作。
如图1所示，在本发明的一个实施例中控制系统110连接到操作 者控制单元115。钻孔者或操作者输入控制单元115的对于一个或多 个特定扩孔参数在扩孔操作期间所能达到的最大值。例如，扩孔参数 可以包括一些或所有对钻头的拉力(POB)、提升速率(ROH)和钻 孔转矩。然后，操作者开始扩孔操作。
在扩孔操作期间，控制系统100通过各个传感器90，100和104 连续地监视POB，ROH与/或钻孔转矩，并比较测量的值和由操作者输 入的限制值或最大值。当任何最大值被超过时，便通过来自控制系统 110的控制信号启动制动组件70，以便减少提升的速度。在这种实施 例中，制动组件70在扩孔操作期间通过施加一个制动转矩调节提升的 速度，所述制动转矩反抗绞车50的提升转矩，使得维持由操作者设置 的POB，ROH与/或钻孔转矩的限制值。
图1表示和常规的钻机互连的本发明的控制系统110的示意的表 示。在所示的实施例中，井架10在其上端部支撑着定滑轮15。绳索 装置17使定滑轮15和用于支撑钩状结构25的动滑轮20或载荷承载 部分相连。钩状结构25和顶部驱动组件12相连并支撑着顶部驱动组 件12，顶部驱动组件又和钻杆柱13相连。钻杆柱13包括一个或几个 钻杆和钻头14，在借助于顶部驱动组件12进行转动的钻探操作中， 产生油井16。在扩孔操作期间，使用绞车50把钻杆柱13拉出油井16 的外部。
绞车50和提升线30相连，在扩孔操作期间，提升线帮助绞车50 提升钻杆柱13。借助于死线35和死线固定器40，提升线30的一端被 牢固地固定在地上。提升线30的另一端形成连附于绞车50上的快绳 45。
在图1所示的实施例中，绞车50包括一个或几个马达55，例如 电的，柴油的或其它合适的马达，和传动装置60，该传动装置和一个 圆柱形的可转动的鼓65相连，用于在钻探和扩孔操作期间根据需要而 缠绕和释放快绳45，以便相关的定滑轮15和动滑轮20进行操作。在 这种实施例中，可转动的鼓65也被称为绕线鼓或提升鼓。虽然图1 示出了提升系统的一个实施例，应当理解，本发明的自动扩孔控制系 统也可以利用能够可控地提升钻杆的其它的提升系统。
如图1所示，可以使用多个位置传感器，例如在井架10中的接 近开关102，或连附于绞车驱动轴85的编码器100，用于确定动滑轮 20的位置，以便在扩孔处理期间获得附加的安全性和控制。在这种实 施例中，从接近开关102或编码器100分别向控制系统110发出指示 动滑轮20的位置的输出控制信号107或105。然后可以使用动滑轮20 的实际的速度和位置，以便在扩孔期间确保提升的安全操作。虽然在 一个实施例中位置传感器是接近开关102，应当理解，本发明的自动 扩孔控制系统可以利用其它的装置来确定动滑轮20的位置。
虽然本发明中可以利用能够进行自动控制的任何制动，如图1所 示，制动组件70优选地包括主摩擦制动80，一般是带型制动或卡盘 制动，辅助制动75，例如涡流型制动或摩擦板制动，以及紧急制动78。 制动组件70借助于绞车50的驱动轴85和绞车50相连。制动组件70 由控制系统110控制。此外，虽然在本发明中可以利用任何合适的启 动器，一般地说本发明的制动器70由液压或气动启动，例如使用气缸， 气缸被供给钻机气压，所述气压借助于例如电子控制的空气阀门由控 制系统110发出的控制信号109调节。
如上所述，为了对控制系统110提供扩孔监视信号，在本发明中 可以利用若干个传感器。在图1所示的实施例中，一个载荷检测装置 90，例如应变计或液压载荷单元和死线35相连，并产生输出控制信号 95，该信号指示出在死线35中的张力，因而指示由动滑轮20或POB 承受的载荷。来自载荷检测装置90的这个POB测量由应变计90提供 和发送给控制系统110。可以使用各种张力测量装置，用于指示在绳 35上的张力条件。在一个实施例中，如图1所示，和拉直的绳的数量 以及校准系数相结合，使用载荷检测装置90的输入计算实际的吊钩载 荷或POB。或者，一个常规的载荷单元、液压张力传感器或其它的载 荷测量装置可以和井架10相连，用于提供代表动滑轮20承受的载荷 的输出控制信号95。
作为替换，或此外，所述系统还可以配备有用于监视提升速率的 传感器。在这种实施例中，如图1所示，一个测量装置例如编码器100 被固定到绞车驱动轴85上。在这种实施例中，输出控制信号105从编 码器100被发送到控制系统100，该信号代表当鼓65旋转以便拉入或 放出快绳45并随之动滑轮20上升或下降时可转动的鼓65的转速。使 用这种编码器，可以使用信号的频率来测量动滑轮20运动的速度，一 般地说，其中通过计算鼓65的实际速度，并根据拉直的绳、鼓65的 直径、线卷的数量以及绳的尺寸来最终计算动滑轮20的速度。或者， 动滑轮20运动的速度可以由动滑轮20的垂直位置的改变来计算。在 这种系统中，ROH可以由动滑轮20的速度来计算。此外，可以利用 接近开关102验证由编码器100进行的测量。
最后，如图1所示，或者或此外，可以监视钻探转矩。钻探转矩 可以通过检测顶部驱动器或转台上的转矩被测量，例如通过转矩传感 器104，或者由顶部驱动组件的马达驱动装置112或者转台驱动装置 113得知。在这种实施例中，指示出钻探转矩的输出控制信号108从 转矩传感器104或从驱动器112或113发送给控制系统110。或者， 当使用井下钻探马达时，可以通过测量立管的压力来获得钻探转矩。
参见图1-3，控制系统110和制动组件70呈信号连接，用于提 供制动控制信号109，并连续地接收分别来自载荷检测装置90、编码 器100和转矩传感器104的输出控制信号95、105和108，其中输出 控制信号95、105和108中的每一个是电气的、数字的或者其它合适 的信号。控制系统110还和位于井架10上的或位于井架10附近的操 作者控制单元115呈信号连接，使得操作者可以对于要被监视的特定 的扩孔参数提供合适的最大值。或者，例如位于井架10上或井架10 附近的设备室内的单独的工作站可以和控制系统110相连，用于提供 附加的用户接口和配置信号。
在一个实施例中，如图2所示，操作者控制中心115或人机接口 优选地包括工业处理器驱动的监视器160，其中操作者或钻探工人可 以设置和控制特定的扩孔参数。例如，操作者对于对钻头的拉力 (POB)(pull on the drill bit)、提升速度(ROH)和钻探转矩的任何一个或 者全部可以输入在扩孔操作期间要达到的最大值。
如图2所示，控制系统110包括可编程的控制器(铰车PC 115)， 例如可编程的逻辑控制器，单板计算机或其类似物，对其输入来自各 个传感器的测量的扩孔值，以及来自操作者控制中心115的各个操作 者规定的最大值。然后，可编程控制器155比较这些值，并向制动系 统和被连接在驱动系统120之间的绞车输出合适的控制信号，其中例 如通过使用串行通信连接150例如光学连接与/或硬线连接进行所述输 出。
在所示的实施例中，使用两个或更多的远程可编程控制器(PC) 输入/输出(I/O)单元145来控制绞车50的制动组件70(包括盘制动器 80、停车制动器75和紧急制动器78中的任何一个或全部，如图2所 示)和绞车处理器155，虽然任何合适的接口都可以使用。处理器160 还和控制系统110相连，用于在各种钻机操作期间提供操作者的值、 操纵参数和计算的值的输入和输出。
虽然并非必须的，控制系统110还可以通过驱动系统120和绞车 的马达55相连。马达55可以是交流电动机或直流(dc)电动机，驱动 系统120可以分别是交流驱动或直流驱动。驱动系统120例如还可以 包括控制器125，例如可编程控制器，以及和交流总线135相连的一 个或几个马达驱动器130，用于提供马达的控制。
如上所述，如图3所示，本发明的控制系统110可以包括自动后 扩孔(ABR)方式，操作者通过接合绞车离合器即上部离合器2B和下部 离合器2A来启动该方式。在启动ABR时(例如在自动钻探的同时) 接合2A或2B便命令控制系统110启动驱动系统120和制动组件70。
在ABR方式下操作期间，控制系统110检测操作者启动下部离 合器控制或上部离合器控制的时间，这又分别启动下部和上部离合器 电磁线圈7g或7e。然后，来自启动的离合器电磁线圈7g或7e与/或 下部离合器2A或上部离合器2B上的压力传感器的信号被传送给控制 系统110的CPU，其检测操作者的后扩孔意图。
一旦绞车离合器2被接合，控制系统110便计算需要由绞车的马 达55提供的转矩的数量，并利用输出信号7F控制转矩指令选择器9， 其接着对绞车驱动装置输出一个转矩输入120C。接着，绞车马达55 产生转矩，该转矩超过用于保持动滑轮20的载荷静止所需的转矩。作 为静止的吊钩载荷加上操作者输入的最大POB值计算启动转矩。
然后控制系统110利用来自各个传感器7C的控制信号计算和监 视扩孔参数，并把这些值和由操作者输入的关于这些参数的限制值比 较，以便确保后扩孔操作在操作者的限制内进行。如果来自传感器的 测量值和由操作者输入的限制匹配或者超过所述的限制，则CPU向制 动启动器发出信号，接着制动启动器控制制动系统70，使得提供一个 转矩，用于反抗绞车马达55的提升转矩并控制钻杆柱的提升速度，从 而维持由操作者输入的对于ROH，POB，与/或钻探转矩的限制。CPU 命令制动系统70施加反抗绞车马达55的提升转矩，使得减少提升速 度，直到不再超过相关的最大值，然后命令制动启动器减少制动系统 70的反抗转矩，从而允许绞车马达55增加提升速度。
例如，如果在提升和后扩孔时，顶部驱动马达的转矩由于孔紧的 原因而超过由操作者输入的关于钻探转矩的限制时，CPU便命令制动 启动器控制制动组件70，使得提供制动，从而减少提升的速度，以便 使得当以较慢的速度通过紧的区域时能够减小钻探马达的转矩。因为 制动组件70的平滑的比例控制及其产生比绞车马达55在这种方式中 提供的更多的转矩的足够的能力，这是可能的。
如果需要完全停止绞车马达55以阻止扩孔系统超过由操作者输 入的关于特定的扩孔参数的一个或几个限制，控制系统110则向转矩 指令选择器9发出转矩指令7F，其接着从驱动系统120发出转矩指令 120C，以减少由绞车马达55产生的转矩到0。这阻止对马达的破坏， 并使得能够安全地进行操作。
当控制系统110不处于ABR方式时，绞车转矩指令将来自手动 的手节流阀或脚节流阀或其类似的装置。
在另一个实施例中，可以由操作者使用其它的控制来控制提升转 矩，同时制动系统仍然被用于提升的速度控制。
如上所述，控制系统连续地监视特定的后扩孔参数，并比较测量 的值和由操作者输入的关于特定的后扩孔参数的限制或最大值。当任 何最大值被满足或超过时，便向绞车发送一个控制信号，使得减少提 升的速度。不过，虽然上述的说明针对由特定的后扩孔参数传感器测 量的特定的后扩孔参数，被监视的后扩孔参数可以是以下的任何一个 或者它们的组合：钻头的重量，提升转矩，提升速度，钻探泥浆的流 量，钻探泥浆的压力以及在钻探泥浆内泥浆筛的岩层钻屑状态。这些 后扩孔参数可以利用后扩孔参数传感器来测量，所述传感器包括以下 任何一个或者它们的组合：应变计，接近传感器/开关，照相机，陀螺 仪，编码器和磁拾取器/开关。
上面参照目前优选的实施例对本发明进行了说明。本发明所属的 技术领域的人员应当理解，不脱离本发明的原理、构思和范围，可以 对所述的结构和操作方法作出各种改变，例如在尺寸、形状、材料、 成分、电路元件、导线连接、以及所述的电路和结构的其它细节上的 改变。因而，前面的说明不应当认为是只和所述的以及附图所示的精 确的结构有关，而应当认为是和下面的权利要求一致并支持这些权利 要求，这些权利要求具有其最完整和最公正的范围。