专利名称：用于水平定向钻井中的功率控制的设备和方法
技术领域：
本发明一般涉及用于水平地下钻孔的方法和设备，并且更具体地涉及一种用于管 理自引擎的泵功率提取的方法和设备。
背景技术：
用于水、电、气、电话和有线电视的公用事业管路常常由于安全和美观原因而在地 下延伸。在许多情形中，地下公用事业设施可以掩埋于沟槽中，然后回填该沟槽。虽然在新 建筑物领域中有用，但是在沟槽中掩埋公用事业设施具有某些弊端。在支撑现有建筑物的 区域中，沟槽可能引起对结构或者道路的严重扰动。另外，很有可能的是挖掘沟槽可能损坏 先前掩埋的公用事业设施并且由于挖掘沟槽而被扰动的结构或者道路很少能恢复至它们 的原有状况。开放沟槽也可能造成工人和行人受伤的危险。近来已经开发了钻出水平地下孔的通用技术，以便克服上述弊端以及在运用常规 沟槽挖掘技术时未解决的其它弊端。根据也称为水平定向钻井(HDD)或者无沟槽地下钻 孔的此类水平钻孔技术，钻孔系统处于地表面上并且相对于地表面以倾斜角度将孔钻入地中。HDD过程包括定位孔钻孔步骤。在该步骤中，产生在起始点开始并在终止点结束且 在地下(通常水平或者通常平行于地面)延伸的钻孔。该钻孔通过定位钻孔机以旋转和推 进钻柱使其穿过地而形成。钻头附接到钻柱的前端。通过将贮存在钻孔机中的储备钻杆中 的各个钻杆端到端地连接起来而形成钻柱。形成钻杆之间的连接，在随后的步骤中该连接 被钻孔机断开。钻井流体能够流过钻孔工具上的钻柱并且从钻孔向上回流以便去除切屑物和污 泥。在钻孔工具达到所需深度之后，然后沿着基本上水平路径导弓I工具以产生水平钻孔。在 已经获得所需长度的钻孔之后，然后向上导引工具以穿破地的表面。扩孔器然后附接到钻 柱，该钻柱回拉经过钻孔，由此将钻孔扩大至较大直径。普遍将公用事业设施管路或者其它 管道附接到扩孔工具，从而将它与扩孔器一起拖动经过钻孔。常称为推动扩孔的、与水平定向钻井关联的另一技术涉及在钻孔工具已经退出钻 孔的出口侧之后在钻孔的入口侧将扩孔器附接到钻柱。然后推动扩孔器经过钻孔，同时从 钻孔的出口侧行进离开的钻杆在钻孔的出口位置被个别地断开。有时使用推动扩孔技术， 因为它有利地提供钻井流体的再循环。比如在钻孔的出口位置断开钻杆而需要的操作者与 钻柱的直接互作用程度比与传统水平定向钻井技术关联的直接互作用程度大得多。
发明内容
本公开涉及一种用于自动避免HDD系统中的引擎过载的系统和方法。水平定向钻 井机可以包括引擎，为多个液压电机提供功率。例如，可以使用一个液压电机来推或拉钻 柱，可以使用另一液压电机来旋转钻柱，可以使用再一液压电机来操作泥浆泵。液压电机通 过分开的泵和液压流体回路从引擎提取功率。本发明提供了一种控制方法和系统，用于防止多个液压泵使得引擎过载。本发明的各个实施方式涉及一种水平定向钻井机，其包括引擎，通过旋转轴输出 机械能；旋转泵，利用由该引擎通过旋转轴的旋转而输出的机械能来操作旋转电机，该旋转 电机通过该旋转泵与该旋转电机之间的旋转液压流体回路的加压来旋转钻柱；推进泵，利 用由该引擎通过该旋转轴的旋转而输出的机械能来操作推进电机，该推进电机通过该推进 泵与该推进电机之间的推进液压流体回路的加压来纵向移动该钻柱；泥浆泵，利用由该引 擎通过该旋转轴的旋转而输出的机械能来操作泥浆电机，该泥浆电机通过该泥浆泵与该泥 浆电机之间的泥浆液压流体回路的加压来通过该钻柱递送流体；旋转液压流体传感器，输 出指示旋转液压流体回路中的液压流体压力的旋转压力信号；推进液压流体传感器，输出 指示推进液压流体回路中的液压流体压力的推进压力信号；泥浆液压流体传感器，输出指 示泥浆液压流体回路中的液压流体压力的泥浆压力信号；传感器，输出指示旋转轴的旋转 速率的旋转信号；以及控制电路，包括处理器和存储器，该处理器配置为执行存储在存储 器中的程序指令，处理器执行存储的程序指令使得控制电路控制该旋转泵自该引擎输出 的机械能的功率提取，控制该推进泵自该引擎输出的机械能的功率提取，控制该泥浆泵自 该引擎输出的机械能的功率提取，基于旋转压力信号和旋转信号计算自该引擎的旋转泵功 率提取，基于推进压力信号和旋转信号计算自该引擎的推进泵功率提取，基于泥浆压力信 号和旋转信号计算自该引擎的泥浆泵功率提取，基于该旋转泵功率提取、该推进泵功率提 取和该泥浆泵功率提取计算总功率提取，比较总功率提取和与该引擎的输出能力相关的阈 值，以及基于该总功率提取超过该阈值而降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵的每个自该 引擎的机械能提取。这种实施方式可以包括用户接口，其包括旋转用户输入件，配置用于基于用户输 入而输出旋转信号；推进用户输入件，配置用于基于用户输入而输出推进信号；以及泥浆 用户输入件，配置用于基于用户输入而输出泥浆信号，其中处理器执行所存储的程序指令 使得该控制电路基于旋转信号控制旋转泵的功率提取；基于推进信号控制推进泵的功率 提取；基于泥浆信号控制泥浆泵的功率提取，以及其中旋转泵的功率提取、推进泵的功率提 取和泥浆泵的功率提取每个基于该总功率提取超过该阈值根据用户输入水平来调节。在这种实施方式中，处理器执行所存储的程序指令可以使得该控制电路基于该总 功率提取超过该阈值，以成比例的量降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引 擎的机械能提取。在这种实施方式中，处理器执行所存储的程序指令可以使得该控制电路基于该总 功率提取超过该阈值，以不同的量降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个的机械能 提取。这种实施方式可以包括引擎温度传感器，其输出指示该引擎的冷却剂温度的温度 信号，其中处理器执行所存储的程序指令可以使得该控制电路基于该引擎的冷却剂温度超 过由该温度信号指示的温度阈值，降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎 的机械能提取。这种实施方式可以包括引擎负载传感器，其输出指示该引擎上的负载的负载信 号，其中处理器执行所存储的程序指令可以使得该控制电路基于旋转信号计算每分钟引擎 转数参数，以及基于该每分钟引擎转数参数超过由旋转信号指示的每分钟引擎转数阈值，降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的机械能提取。在这种实施方式中，处理器执行所存储的程序指令可以使得该控制电路计算该 旋转液压流体回路中液压流体的旋转液压流体流量，计算该推进液压流体回路中液压流体 的推进液压流体流量，计算该泥浆液压流体回路中液压流体的泥浆液压流体流量，以及其 中该旋转泵功率提取的计算基于该旋转液压流体流量，该推进泵功率提取的计算基于该推 进液压流体流量，该泥浆泵功率提取的计算基于该泥浆液压流体流量。本发明的各种实施方式针对一种水平定向钻井机，其包括引擎，输出机械能 ’旋 转泵，利用由该引擎输出的机械能来操作用于旋转钻柱的旋转电机；推进泵，利用由该引擎 输出的机械能来操作用于纵向移动该钻柱的推进电机；泥浆泵，利用由该引擎输出的机械 能来操作用于通过该钻柱递送流体的泥浆电机；以及控制电路，包括控制器和存储器，该处 理器配置为执行存储在存储器上的程序指令，处理器执行存储的程序指令使得控制电路 计算自该引擎的旋转泵功率提取，计算自该引擎的推进泵功率提取，计算自该引擎的泥浆 泵功率提取，基于该旋转泵功率提取、该推进泵功率提取和该泥浆泵功率提取计算总功率 提取，比较总功率提取和阈值，以及基于该总功率提取超过该阈值而降低该旋转泵、该推进 泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的机械能提取。这种实施方式可以包括第一传感器，输出指示由该旋转泵所泵浦的液压流体的 第一液压流体参数的第一参数信号；第二传感器，输出指示由该推进泵所泵浦的液压流体 的第二液压流体参数的第二参数信号；以及第三传感器，输出指示由该泥浆泵所泵浦的液 压流体的第三液压流体参数的第三参数信号，其中处理器执行所存储的程序指令可以使得 控制电路基于第一参数信号计算该旋转泵功率提取，基于第二参数信号计算该推进泵功 率提取，以及基于第三参数信号计算该泥浆泵功率提取。在这种实施方式中，该第一液压流体参数可以是旋转泵输出的液压流体流量，该 第二液压流体参数可以是推进泵输出的液压流体流量，以及该第三液压流体参数可以是泥 浆泵输出的液压流体流量。在这种实施方式中，处理器执行所存储的程序指令可以使得控制电路基于该总功 率提取超过该阈值，以相等份额降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的 机械能提取。在这种实施方式中，处理器执行所存储的程序指令可以使得控制电路基于该总功 率提取超过该阈值，以不相等份额降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎 的机械能提取。这种实施方式可以包括用户接口，其包括旋转输入件，配置用于输出旋转命令信 号、推进输入命令信号以及泥浆输入命令信号，其中处理器执行所存储的程序指令可以使 得该控制电路基于旋转命令信号控制旋转泵的能量提取；基于推进命令信号控制推进泵 的能量提取；基于泥浆命令信号控制泥浆泵的能量提取，其中旋转泵的能量提取、推进泵的 能量提取和泥浆泵的能量提取每个均能够基于该总功率提取超过该阈值由该控制电路根 据用户输入水平来调节。这种实施方式可以进一步包括引擎冷却剂温度传感器，配置为输出指示该引擎的 冷却剂流体温度的温度信号，其中处理器执行所存储的程序指令可以使得该控制电路如 果该冷却剂流体温度超过基于该温度信号的温度阈值，则降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的机械能提取。本发明的各种实施方式针对一种用于控制水平定向钻井机中自引擎的泵功率提 取的方法，该方法包括提供定向钻井机，其具有引擎，用于输出机械能，旋转泵，利用由 该引擎输出的机械能来操作用于旋转钻柱的旋转电机，推进泵，利用由该引擎输出的机械 能来操作用于纵向移动该钻柱的推进电机，泥浆泵，利用由该引擎输出的机械能来操作用 于通过该钻柱递送流体的泥浆电机；感测指示由该旋转泵所泵浦的液压流体的第一液压流 体参数的第一参数信号；感测指示由该推进泵所泵浦的液压流体的第二液压流体参数的第 二参数信号；感测指示由该泥浆泵所泵浦的液压流体的第三液压流体参数的第三参数信 号；基于第一信号确定自该引擎输出的机械能的旋转泵功率提取；基于第二信号确定自该 引擎输出的机械能的推进泵功率提取；基于第三信号确定自该引擎输出的机械能的泥浆泵 功率提取；基于该旋转泵功率提取、该推进泵功率提取和该泥浆泵功率提取确定总泵功率 提取；比较总泵功率提取和与该引擎的输出能力相关的阈值；以及基于该总泵功率提取超 过该阈值，而降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的功率提取。在这种实施方式中，该第一液压流体参数可以是旋转泵输出的液压流体流量，该 第二液压流体参数可以是推进泵输出的液压流体流量，以及该第三液压流体参数可以是泥 浆泵输出的液压流体流量。在这种实施方式中，降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的功 率提取可以进一步包括在该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵之间以相等份额降低功率提取。在这种实施方式中，降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的功 率提取可以进一步包括在该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵之间以不相等份额降低功率提 取。这种实施方式可以进一步包括接收来自第一用户操控输入件的旋转输入参数； 接收来自第二用户操控输入件的推进输入参数；接收来自第三用户操控输入件的泥浆输入 参数；基于该旋转输入参数控制该旋转泵自该引擎的功率提取；基于该推进输入参数控制 该推进泵自该引擎的功率提取；基于该泥浆输入参数控制该泥浆泵自该引擎的功率提取； 以及基于该总功率能量提取超过该阈值来改变旋转输入参数、推进输入参数和泥浆输入参 数中的每个，以降低该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的功率提取。这种实施方式可以进一步包括接收指示该引擎的引擎冷却剂温度的引擎冷却剂 温度信号；以及基于该冷却剂流体温度超过基于该引擎冷却剂温度信号的温度阈值，降低 该旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的能量提取。各个实施方式针对一种水平定向钻井机，其包括引擎，输出机械能；旋转泵，利 用由该引擎输出的机械能来操作用于旋转钻柱的旋转电机；推进泵，利用由该引擎输出的 机械能来操作用于纵向移动该钻柱的推进电机；泥浆泵，利用由该引擎输出的机械能来操 作用于通过该钻柱递送流体的泥浆电机；用于计算自该引擎的旋转泵功率提取的装置；用 于计算自该引擎的推进泵功率提取的装置；用于计算自该引擎的泥浆泵功率提取的装置； 用于基于该旋转泵功率提取、该推进泵功率提取和该泥浆泵功率提取计算总功率提取的装 置；用于比较总功率提取和阈值的装置；以及用于基于该总功率提取超过该阈值而降低该 旋转泵、该推进泵和该泥浆泵中的每个自该引擎的机械能提取的装置。本发明的上述概括并非为了描述本发明的每个实施方式或者每个实现方式。通过参照结合附图进行的下文具体描述和权利要求书将会清楚和理解本发明的优点和效果，并 得到对本发明的更完整理解。
图1图示了根据本公开的各种实施例的钻井系统的各种部件和示出向下钻孔部 件的地面横截面图；图2图示了根据本公开的各种实施例的在水平定向钻井中的功率管理的各个方 面的图示；以及图3图示了根据本公开的各种实施例的在水平定向钻井中的功率管理的各个方 面的图示。尽管本发明可以有各种修改和替代形式，但是已经在附图中以示例的方式示出并 且这里将具体描述其细节。然而将理解其本意并非使本发明限于描述的具体实施例。反言 之，本发明旨在于覆盖落入如所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改、等效和替 代形式。
具体实施例方式在下文对所示出的实施例的描述中，参考了构成该描述的一个部分的附图，其中 通过示例的方式示出了可以实现本发明的各种实施例。应当理解，可以利用其他实施方式， 也可以在并不偏离本发明的范围的情况下进行结构和功能改变。根据本发明的系统、设备或方法可以包括在此处描述的一个或多个特征、结构、方 法或者它们的结合。例如，设备和系统可以实现为包括下面描述的有利的特征或者过程中 的一个或多个。其本意是，这样的设备或者系统不必包括此处描述的所有特征，而是可以实 现为包括提供有用结构和/或功能性的选定特征。图1示出了穿过地10中进行HDD钻井操作的部分的横截面。该地下钻孔系统总 体上被示出为机器12，其位于地面上11，并且包括其上定位有倾斜纵向部件16的平台14。 平台14通过销18或者其他限制部件固定到地，以便在钻井操作期间限制平台14的运动。 在纵向部件16上定位的是推进/回拉电机17，用于在总体上以箭头示出的前向、纵向方向 上驱动钻柱22。钻柱22包括大量以端到端的方式附接的钻柱部件23。旋转电机19也定位 在倾斜纵向部件16上并被安装成允许沿着该纵向部件16移动，以便用于旋转钻柱22 (被 示出为位于上部位置19a和下部位置19b之间的中间位置处)。在操作时，旋转电机19旋 转钻柱22，该钻柱22具有在钻柱22的端部附接的钻孔工具24。可以利用跟踪器单元28来接收从钻孔工具24发送的信息信号，该跟踪器单元继 而将该信息信号或者该信号的修改形式通信传送给位于钻孔机12处的接收器。钻孔机12 还可以包括发射器或者收发器，以用于从钻孔机12向跟踪器单元28发送和/或从其接收 信息信号，诸如指令信号。可以备选地通过使用经由钻柱22在钻孔工具24和中央处理器 25之间建立的通信链路，来促进数据和指令的传输。钻孔操作可以如下进行。旋转电机19初始定位在上部位置19a，并且旋转钻柱22。 在钻孔工具24通过钻柱22的旋转而旋转时，通过推进/回拉电机17在前向方向中朝着下 部位置将旋转电机19和钻柱22推入地中，从而形成钻孔26。当已经将钻柱22向钻孔26中推进一个钻柱部件23的长度时，旋转电机19到达下部位置19b。然后手工或者自动地将 新的钻柱部件23添加到钻柱22，释放旋转电机19，并且将其回拉到上部位置19a。使用旋 转电机19将新的钻柱部件23拧到钻柱22，旋转/推动过程重复进行，以便迫使新增长的 钻柱22进一步进入地中，从而延伸钻孔26。通常，使用泥浆电机通过钻柱22来泵浦水或 者其他流体(通常是混合物形式，此处称作泥浆)。如果使用气锤，则可以使用空气压缩机 来迫使空气/泡沫通过钻柱22。泥浆或者空气/泡沫经过钻孔26向上回流以便移除切削 物、污泥和其他碎屑，并提高钻孔有效性和/或效率。水平钻井转向能力是通常提供用于控 制钻孔工具24的方向，以使得能够向得到的钻孔26赋予期望的方向。手工控制件可以用于控制旋转电机19、推进/回拉电机17、泥浆电机，以便提供期 望的各个输出。例如，用户可以使用操纵杆来控制推进/回拉电机17输出，以便使钻柱23 前进和回缩。另一操纵杆可以用于控制旋转电机19。类似地，用户控制件可以用于控制通 过钻柱的泥浆递送水平。在所有的这些情况下，来自各个用户输入件的信号通过一个或多 个控制器来接收，该一个或多个控制器用以控制电机和/或为电机供电的泵的操作。
在各种HDD系统中，可以使用若干电机使钻柱旋转，使钻柱前进/回缩，以及驱动 泥浆通过钻柱。例如，旋转电机可以旋转钻柱，推进/回拉电机可以使钻柱前进/回缩，泥 浆电机可以驱动泥浆通过钻柱。这些电机中的每个电机均由流经各个液压流体回路的液压 流体提供功率。这些各个回路中的液压流体流动通过从公共引擎提取机械能的各个泵而产 生。例如，HDD钻机可以具有由电力或者燃料提供动力的引擎，该引擎输出机械运动 (动能)。机械运动由各个泵利用，以迫使液压流体经过各个回路以及为各个电机提供功 率。泵将来自引擎的机械运动(通常为旋转运动)转换成另一形式的能量(通常为液压)。 通过泵转换的能量可以操作HDD钻机的各种旋转、推进以及流体递送功能。以这样的方式操作分配功率的HDD系统能够具有若干优点。例如，只需要一个引 擎和燃料输入，而其他系统可能需要用于旋转、推进和泥浆递送功能的分离的引擎。另外， 可以使用较大引擎，从而允许在需要时将引擎中的大量功率集中于单个任务。例如，如果需 要高速旋转以用于特定磨削功能，则单引擎HDD钻机可以将其所有功率资源投入到旋转钻 柱。这样，单引擎HDD钻机相对于多引擎实施方式可以提供更加强大的钻柱旋转、推进、回 缩或者流体递送。然而，虽然单引擎HDD钻机能够管理功率资源以便在需要时灵活地专攻任何一个 功能，但是多任务性能可以会使得引擎的功率分布复杂化。如果每个泵的提取组合起来要 求大于引擎所能够递送的功率，则引擎可能会承受不住。例如，用户可能操纵用于控制钻柱 旋转的操纵杆，以要求旋转泵以其能力的100%为旋转电机输出提供功率，同时用户还操纵 用于控制钻柱的推进的另一操纵杆，以要求推进泵以其能力的70%为推进电机输出提供功 率，这超过了引擎能够递送的功率的总量。在这样的情况下，引擎输出可能会下降，或者引 擎可能会停机，从而致使经由这些泵供给这些电机的能量无法预测的且并不协调的减少。本公开的方法和系统实施方式通过以下方式来处理这些和其他问题监测泵的参 数，计算电机的总功率要求，比较总功率要求和引擎的功率输出能力，调整针对泵的控制信 号，以便防止透支自引擎的功率。图2示出了在HDD系统200中用于管理自引擎的泵提取的实施方式。引擎201将可存储能量(诸如汽油)转换为机械能，并输出旋转形式的机械能。旋转泵202、推进/回 拉泵203、泥浆泵204每个彼此背负布置(piggyback on)。旋转泵202、推进/回拉泵203、 泥浆泵204每个均可通过控制信号来独立控制，以便以可变的方式利用引擎201输出的机 械能。 取决于每个电机202至204基于控制信号从引擎201提取了多少能量，可以控制 旋转电机205、推进电机206和泥浆电机207以分别旋转钻柱、使钻柱前进/回缩以及经过 钻柱递送流体。例如，旋转泵202响应于控制信号，以从引擎201输出提取某一量的机械能， 从而使液压回路260中的液压流体流通。旋转泵202在旋转液压回路260中产生的液压流 体的压力供旋转电机205使用，以便旋转钻柱。同样，推进泵203在推进液压回路261中产 生的液压流体的压力供推进电机206使用，以便使钻柱推进/回缩，以及泥浆泵203在泥浆 液压回路262中产生的液压流体的压力供泥浆电机207使用，以便通过钻柱递送流体并递 送入钻孔中。不同的液压流体回路260-262允许分别适合于旋转电机205、推进电机206和泥浆 电机207的不同增压和流量。传感器208-210分别监视各个液压回路260-262的参数。传 感器208-210能够感测与电机输出关联的各个参数，尤其诸如是液压压力(磅每平方英寸， PSI)和液压流体流量(加仑每分钟，GPM)。传感器208-210分别向监视电路211-213提供 与这些参数相关的反馈信息。可以向监视电路211-213提供来自引擎201的信息，诸如是 对泵202-204进行供给的输出轴的每分钟转数。旋转泵202、推进/回拉泵203和泥浆泵204的各自能量提取部分上分别由来自旋 转输入250、推进/回拉输入251和泥浆输入253的控制信号来控制。还向各自的监视回路 211-213中的每个提供输入信息。监视回路211-213可以分别使用由传感器208-210、泵202-204以及控制输入 250-253提供的信息，来分别计算泵202-204中的每个对引擎201的功率提取。对功率提取 信息进行求和215并将其与引擎201相关的信息进行比较214。例如，一个或多个阈值可以 存储在存储器中，并且可以将总功率提取计算215与该阈值进行比较214。该阈值可以与引 擎201的最大功率输出相关联，例如为引擎201的最大功率输出的95%。总功率提取215超过与引擎201的最大功率输出相关联的阈值214可以指示功率 提取即将超过引擎201的能力，从而将存在引擎201停机或者引擎201性能降低的危险。 HDD系统200可以通过减小控制输入250-253、调整电机202-204 (例如，减小功率提取)来 对此进行响应，这可以优先于指导旋转、推进和泥浆递送的用户输入。对于每个泵202-204，可以一致地进行自引擎201的泵功率提取降低。在一些情况 下，当达到总提取215阈值时214，泵202-204中的每个均可按它们各自操作能力的来 缩短冲程。例如，如果旋转泵202以其能力的60%操作，推进泵203以其能力的20%操作， 泥浆泵204以其能力的15%操作，则这些泵202-204中的每个均可按它们各自操作能力的 10%来缩短冲程。在一些实施方式中，泵202-204可以基于它们当前的操作水平，诸如当前操作水 平的百分比，来缩短冲程。例如，计算211-213每个泵202-204的功率提取。因此，每个泵 202-204能够按它们各自当前操作功率水平的百分比(例如，20%)来缩短冲程。这样，如 果基于总电机提取超过阈值而使得每个泵的功率提取降低20%，则泵提取30马力将会被限制为24马力。在一些实施方式中，泵202-204能够基于功率而按照标准量来缩短冲程。例如，每 个泵204-204的功率提取可以降低由针对每个泵202-204的功率计算211-213所确定的马 力量或者瓦特量，该降低的功率提取量与任何单个泵的功率提取无关。在一些实施方式中，每个泵的功率提取可以线性地或者指数地降低，直到计算的 总电机提取215降回到阈值以下214，当总电机提取215降落至阈值以下214时，维持输入 到泵202-204的那些控制参数水平。
在一些实施方式中，一个泵的功能相对于其他泵而言可能更受偏爱，因此在该受 偏爱的泵之前使其他泵缩短冲程，或者使其他泵缩短冲程的量比该受偏爱的泵更大。这种 非等功率提取降低可以保持与该受偏爱的泵相关的功能，诸如钻柱旋转、推进或者泥浆递 送。例如，在一些HDD应用中，总是使泥浆流经钻孔是关键功能，因为泥浆可以清除切削物 并用作润滑剂，从而减小机器应力。在这样的应用中，相对于旋转电机205和推进/回拉电 机206的输出而言，保持泥浆电机207的输出可能是有价值的。这可以通过在减小受偏爱 泵的提取之前减小非受偏爱泵的提取来完成(例如，仅当旋转泵202和推进/回拉泵203 已经缩短冲程但依然超过总功率阈值时才使泥浆泵204缩短冲程)。在一些实施方式中，受 偏爱的泵可以与非受偏爱的泵同时缩短冲程，但是其缩短冲程的量更小(例如，相对于其 他非受偏爱的泵/电机，该量是泵或电机能力、或当前操作水平的较小百分数(％)量，或者 是预定功率减小的较小量)。在一些实施方式中，所有泵可以在同时但以不同的速度来缩短 冲程。例如，泥浆和推进泵功率提取可以降低至用户输入的10%，而旋转泵可以降低到用户 输入的仅50%。在泵202-204提取基于总功率提取215超过阈值214而降低后，各自计算的功率 提取211-213将有望降低，自引擎201的总功率提取215将有望降低。然而，如果总功率提 取215继续超过阈值一段时间，或者超过了一个更高的阈值，则可以使用更加积极的步骤 (诸如更大的功率提取减小)来进一步减小泵202-204功率提取，直至总功率提取215降到 阈值以下并到达引擎201输出能力内可接受的量。由于总功率提取215减低至阈值以下，所以可以调整在来自输入250-253的控制 信号或者使其恢复以便更好地匹配用户预期的输入，并允许泵202-204从引擎201提取用 户经由控制件所指示的量的功率。图3示出了本发明公开的各个方面。根据各个实施方式，测得的变量用于计算多 个泵中的每个泵从引擎提取的马力量。图3所示的实施方式包括三个静液压泵旋转泵 305，用于驱动钻柱的旋转；推进/回拉泵323，用于驱动钻柱的推进和/或回拉；以及泥浆 泵313，用于促进钻孔中的流体(诸如，泥浆混合物)的递送。旋转泵305的操作由旋转泵 控制器304来控制，该旋转泵控制器通过逻辑电路303接收来自钻井模式单元301 (例如， 基于自动钻井模式设置)和输入控制件302 (例如，与用户操纵杆/选转手柄对接)的控 制信号以及来自控制器316的控制信号。推进/回拉泵323的操作由推进/回拉泵控制器 324控制，该推进/回拉泵控制器通过逻辑电路325接收来自钻井模式单元326 (例如，基于 自动钻井模式设置)和输入控制件327 (例如，与用户操纵杆_推进/回拉手柄对接)的控 制信号以及来自控制器316的控制信号。泥浆泵330的操作类似地可以由用户输入件和钻 井模式单元(未图示)来控制。
每个泵均消耗来自引擎的一些功率量。每个泵所消耗的功率可以由下列式子来估 算液压泵功率=((((引擎RPM/C2)xCl)x液压流量的百分数)χ液压流体 PSI)/1741*C3))；其中Cl =额定引擎RPM;C2 =在额定引擎RPM下的实际泵输出流量 (GPM)；以及C3 =液压泵总效率(例如，0. 90 = 90% ) 如上面的等式所示，旋转泵功率计算309依赖于液压压力306、自旋转泵的液压流 体流307和引擎RPM 308。泥浆泵功率计算314依赖于液压压力311、自泥浆泵的液压流体 流312和引擎RPM 310。推进泵功率计算323依赖于液压压力321、自推进泵的液压流体流 322和引擎RPM 320。将旋转泵功率计算309、泥浆泵功率计算314和推进泵功率计算323 中的每个进行求和，以计算总功率315要求。控制器316比较该总功率315要求与一个或 多个存储的阈值，诸如最大引擎输出。在一些实施方式中，控制器316操作比例积分环路， 以比较总功率316参数和引擎参数。在控制器316确定泵304、313和324的该总功率315提取超过阈值时，控制器316 可以降低旋转泵控制器304、推进/回拉泵控制器324和泥浆泵控制器330的功率输入。旋 转泵305的功率输出和引擎功率消耗可以完全由用户控制件302和/或钻井模式单元301 控制直至达到阈值，此时，控制器316将会限制旋转泵305的功率输出和引擎功率消耗。推 进/回拉泵324的功率输出和引擎功率消耗可以完全由用户控制件327和/或钻井模式单 元326控制直至达到阈值，此时，控制器316将会限制旋转泵323的功率输出和引擎功率消 耗。泥浆泵的功率输出和引擎功率消耗可以类似地控制。泵控制器(例如，旋转泵控制器304、推进/回拉控制器324、泥浆泵控制器330)可 以执行算法以便管理用户输入件和控制器316设置。例如，可以将操纵杆输入百分数(例 如，0-100%)乘以从控制器316接收的功率限制百分数(例如，0-100%)。如果输入302 了 80%的旋转功率水平且控制器316将泵输出限制为输入302的90%，则旋转泵控制器304 可以命令旋转泵305输出能力的72% (例如，使用算法(来自用户的输入百分比)*(来自 控制器的冲程缩短百分比)/100 =泵能力的泵功率提取百分比)。推进/回拉泵313和推 进/回拉泵323可以被类似地控制，以便管理用户输入件和控制器316限制。在一些实施 方式中，钻井模式单元301输入可以设置旋转泵305输出水平，在这种情况下，控制器316 可以以与用于限制用户输入件302的方式类似的方式来限制旋转泵305输出。可以与钻井 模式单元301输入以相同的方式由控制器来限制与推进相关的钻井模式单元326输入以及 与泥浆递送相关的钻井模式单元输入。在一些实施方式中，控制器316可以基于引擎负载317和/或引擎冷却温度318来 限制旋转泵、推进/回拉泵和泥浆泵的操作。在这种情况下，如果引擎负载317和/或引擎 冷却剂温度318超过阈值，则控制器316可以控制旋转泵控制器304、泥浆泵控制器330和 推进/回拉泵控制器324，以便此处所讨论的任何方式来限制旋转泵305、泥浆泵313和推 进/回拉泵324的操作(例如，当泵的总功率提取超过阈值时)。例如，如果引擎在2400RPM 操作，且引擎的RPM随后降低至1900RPM时，则不期望引擎旋转输出的降低，于是可以如此 处所讨论的那样基于感测的RPM下降来减小泵305、313和323的提取。在一些实施方式中，操作员使用左操纵杆输入302来控制钻柱的旋转，使用右操 纵杆输入327来控制施加到钻柱上的推进或回拉力。通过配置(profile)功能向旋转泵发送来自左操纵杆的控制信号，通过配置功能向推进/回拉泵发送来自右操纵杆的控制信 号。实质上，左、右操作杆均由用户使用，以便向水平钻井机输入他或她期望的动作。在一些实施方式中，马力限制器PI环路基于输入数据确定引擎是否过载。如果引 擎过载，则调整自针对各个液压泵的操纵杆的控制信号。在所描述的实施方式中，基于感测 的每分钟引擎转数(RMP)、液压流体压力(PSI)和液压流体流量来计算子每个泵的马力提 取。可以向HP限制器PI环路发送每个泵的马力提取和总马力功率提取。该环路阻止用户 向泵请求比引擎能够递送的功率更多的功率。当在钻井模式中操作时，HDD钻机的液压系统功率需求可能超过引擎输出功率能 力。为了减小或者避免引擎过载，本公开提供了一种控制系统。该控制系统的一个实施方 式被配置为监视液压功率、引 擎百分数负载(J1939)以及引擎冷却剂温度。如果这三个变量中任意一个高于它们各自的阈值，则修改针对该液压系统的控制 信号以便控制该“超限”的变量。当该“超限”变量降回到其各自限制之下时，控制系统允 许针对该液压系统的控制信号升回到它们的原始值。本发明的实施例可以使用具有耦合到处理器的存储器的控制器来实现这里描述 的方法和功能。存储器可以是用计算机程序、软件、计算机可执行指令、能够由计算机执行 的指令等编码成由电路(如主机控制器的处理器)执行的计算机可读介质。例如，存储器 可以是存储计算机程序的计算机可读介质，处理器执行该计算机程序将使得HDD系统执行 此处参考的步骤，诸如与管理自引擎的泵功率提取相关的步骤。以示例格式给出了这里提供的讨论和图示，其中描述和图示所选实施例以介绍本 发明的各种方面。根据本发明的系统、设备或者方法可以包括这里描述的特征、结构、方法 或者其组合中的一个或者多个。例如，设备或者系统可以被实施成包括下文描述的有利特 征和/或过程中的一个或者多个。根据本发明的设备或者系统可以被实施成包括在单独示 例和/或图示中图示和/或公开的多个特征和/或方面。旨在于这样的设备或者系统无需 包括这里描述的所有特征，而是可以被实施成包括所选特征，这些特征提供有用结构、系统 和/或功能。虽然可以将某些功能的示例仅描述为由电路执行以力求简洁，但是如本领域普通 技术人员将理解的那样，可以使用这里描述的电路和方法来实现任何功能、方法和技术。
权利要求
一种具有功率控制的水平定向钻井机，包括引擎，通过旋转轴输出机械能；旋转泵，利用由所述引擎通过所述旋转轴的旋转而输出的机械能来操作旋转电机，所述旋转电机通过所述旋转泵与所述旋转电机之间的旋转液压流体回路的加压来旋转钻柱；推进泵，利用由所述引擎通过所述旋转轴的旋转而输出的机械能来操作推进电机，所述推进电机通过所述推进泵与所述推进电机之间的推进液压流体回路的加压来纵向移动所述钻柱；泥浆泵，利用由所述引擎通过所述旋转轴的旋转而输出的机械能来操作泥浆电机，所述泥浆电机通过所述泥浆泵与所述泥浆电机之间的泥浆液压流体回路的加压来通过所述钻柱递送流体；旋转液压流体传感器，输出指示所述旋转液压流体回路中的液压流体压力的旋转压力信号；推进液压流体传感器，输出指示所述推进液压流体回路中的液压流体压力的推进压力信号；泥浆液压流体传感器，输出指示所述泥浆液压流体回路中的液压流体压力的泥浆压力信号；传感器，输出指示所述旋转轴的旋转速率的旋转信号；以及控制电路，包括处理器和存储器，该处理器配置为执行存储在所述存储器中的程序指令，处理器执行所述存储的程序指令使得控制电路控制所述旋转泵自所述引擎输出的机械能的功率提取，控制所述推进泵自所述引擎输出的机械能的功率提取，控制所述泥浆泵自所述引擎输出的机械能的功率提取，基于所述旋转压力信号和所述旋转信号计算自所述引擎的旋转泵功率提取，基于所述推进压力信号和所述旋转信号计算自所述引擎的推进泵功率提取，基于所述泥浆压力信号和所述旋转信号计算自所述引擎的泥浆泵功率提取，基于所述旋转泵功率提取、所述推进泵功率提取和所述泥浆泵功率提取计算总功率提取，比较所述总功率提取和与所述引擎的输出能力相关的阈值，以及基于所述总功率提取超过所述阈值而降低所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵的每个自所述引擎的机械能提取。
2.根据权利要求1所述的水平定向钻井机，进一步包括用户接口，其包括 旋转用户输入件，配置用于基于用户输入而输出旋转信号；推进用户输入件，配置用于基于用户输入而输出推进信号；以及 泥浆用户输入件，配置用于基于用户输入而输出泥浆信号，其中处理器执行所存储的 程序指令使得所述控制电路基于所述旋转信号控制所述旋转泵的功率提取；基于所述推 进信号控制所述推进泵的功率提取；基于所述泥浆信号控制所述泥浆泵的功率提取，以及 其中所述旋转泵的功率提取、所述推进泵的功率提取和所述泥浆泵的功率提取每个基于所 述总功率提取超过所述阈值而根据用户输入水平来调节。
3.根据权利要求1所述的水平定向钻井机，其中处理器执行所存储的程序指令使得所 述控制电路基于所述总功率提取超过所述阈值，以成比例的量降低所述旋转泵、所述推进 泵和所述泥浆泵中的每个自所述引擎的机械能提取。
4.根据权利要求1所述的水平定向钻井机，其中处理器执行所存储的程序指令使得所述控制电路基于所述总功率提取超过所述阈值，以不同的量降低所述旋转泵、所述推进泵 和所述泥浆泵中的每个的机械能提取。
5.根据权利要求1所述的水平定向钻井机，进一步包括引擎温度传感器，输出指示所 述引擎的冷却剂温度的温度信号，其中处理器执行所存储的程序指令使得所述控制电路基 于所述引擎的冷却剂温度超过由所述温度信号指示的温度阈值，降低所述旋转泵、所述推 进泵和所述泥浆泵中的每个自所述引擎的机械能提取。
6.根据权利要求1所述的水平定向钻井机，进一步包括引擎负载传感器，输出指示所 述引擎上的负载的负载信号，其中处理器执行所存储的程序指令使得所述控制电路基于所 述旋转信号计算每分钟引擎转数参数，以及基于所述每分钟引擎转数参数超过由所述旋转 信号指示的每分钟引擎转数阈值，降低所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵中的每个自 所述引擎的机械能提取。
7.根据权利要求1所述的水平定向钻井机，其中处理器执行所存储的程序指令使得所 述控制电路计算所述旋转液压流体回路中液压流体的旋转液压流体流量，计算所述推进 液压流体回路中液压流体的推进液压流体流量，计算所述泥浆液压流体回路中液压流体的 泥浆液压流体流量，以及其中所述旋转泵功率提取的计算基于所述旋转液压流体流量，所 述推进泵功率提取的计算基于所述推进液压流体流量，所述泥浆泵功率提取的计算基于所 述泥浆液压流体流量。
8.一种具有功率控制的水平定向钻井机，包括引擎，输出机械能；旋转泵，利用由所述引擎输出的机械能来操作用于旋转钻柱的旋转电机；推进泵，利用由所述引擎输出的机械能来操作用于纵向移动所述钻柱的推进电机；泥浆泵，利用由所述引擎输出的机械能来操作用于通过所述钻柱递送流体的泥浆电 机；以及控制电路，包括控制器和存储器，该处理器配置为执行存储在存储器中的程序指令，处 理器执行存储的程序指令使得所述控制电路计算自所述引擎的旋转泵功率提取，计算自 所述引擎的推进泵功率提取，计算自所述引擎的泥浆泵功率提取，基于所述旋转泵功率提 取、所述推进泵功率提取和所述泥浆泵功率提取计算总功率提取，比较总功率提取和阈值， 以及基于所述总功率提取超过所述阈值而降低所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵中的 每个自所述引擎的机械能提取。
9.根据权利要求8所述的水平定向钻井机，进一步包括第一传感器，输出指示由所述旋转泵所泵浦的液压流体的第一液压流体参数的第一参 数信号；第二传感器，输出指示由所述推进泵所泵浦的液压流体的第二液压流体参数的第二参 数信号；以及第三传感器，输出指示由所述泥浆泵所泵浦的液压流体的第三液压流体参数的第三参 数信号，其中处理器执行所存储的程序指令使得所述控制电路基于所述第一参数信号计 算所述旋转泵功率提取，基于所述第二参数信号计算所述推进泵功率提取，以及基于所述 第三参数信号计算所述泥浆泵功率提取。
10.根据权利要求9所述的水平定向钻井机，其中所述第一液压流体参数是由所述旋转泵输出的液压流体流量，所述第二液压流体参数是由所述推进泵输出的液压流体流量， 以及所述第三液压流体参数是由所述泥浆泵输出的液压流体流量。
11.根据权利要求8所述的水平定向钻井机，其中处理器执行所存储的程序指令使得 所述控制电路基于所述总功率提取超过所述阈值，以相等份额降低所述旋转泵、所述推进 泵和所述泥浆泵中的每个自所述引擎的机械能提取。
12.根据权利要求8所述的水平定向钻井机，其中处理器执行所存储的程序指令使得 所述控制电路基于所述总功率提取超过所述阈值，以不相等份额降低所述旋转泵、所述推 进泵和所述泥浆泵中的每个自所述引擎的机械能提取。
13.根据权利要求8所述的水平定向钻井机，进一步包括用户接口，其包括旋转输入 件，配置用于输出旋转命令信号、推进输入命令信号以及泥浆输入命令信号，其中处理器执 行所存储的程序指令使得所述控制电路基于所述旋转命令信号控制所述旋转泵的能量提 取；基于所述推进命令信号控制所述推进泵的能量提取；基于所述泥浆命令信号控制所述 泥浆泵的能量提取，其中所述旋转泵的能量提取、所述推进泵的能量提取和所述泥浆泵的 能量提取每个基于所述总功率提取超过所述阈值由所述控制电路根据用户输入水平来调 节。
14.根据权利要求8所述的水平定向钻井机，进一步包括引擎冷却剂温度传感器，配置 为输出指示所述引擎的冷却剂流体温度的温度信号，其中处理器执行所存储的程序指令使 得所述控制电路在所述冷却剂流体温度超过基于所述温度信号的温度阈值的情况下降低 所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵中的每个自所述引擎的机械能提取。
15.一种用于控制水平定向钻井机中自引擎的泵功率提取的方法，该方法包括 提供定向钻井机，其具有引擎，用于输出机械能，旋转泵，利用由所述引擎输出的机械能来操作用于旋转钻柱的旋转电机，推进泵，利用由所述引擎输出的机械能来操作用于纵 向移动所述钻柱的推进电机，泥浆泵，利用由所述引擎输出的机械能来操作用于通过所述 钻柱递送流体的泥浆电机；感测指示由所述旋转泵所泵浦的液压流体的第一液压流体参数的第一信号； 感测指示由所述推进泵所泵浦的液压流体的第二液压流体参数的第二信号； 感测指示由所述泥浆泵所泵浦的液压流体的第三液压流体参数的第三信号； 基于所述第一信号确定自所述引擎输出的机械能的旋转泵功率提取； 基于所述第二信号确定自所述引擎输出的机械能的推进泵功率提取； 基于所述第三信号确定自所述引擎输出的机械能的泥浆泵功率提取； 基于所述旋转泵功率提取、所述推进泵功率提取和所述泥浆泵功率提取确定总泵功率 提取；比较总泵功率提取和与所述引擎的输出能力相关的阈值；以及 基于所述总泵功率提取超过所述阈值，而降低所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵 中的每个自所述引擎的功率提取。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一液压流体参数是所述旋转泵输出的液 压流体流量，所述第二液压流体参数是所述推进泵输出的液压流体流量，以及所述第三液 压流体参数是所述泥浆泵输出的液压流体流量。
17.根据权利要求15所述的方法，其中降低所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵中的每个自所述引擎的功率提取包括在所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵之间以相等份 额降低功率提取。
18.根据权利要求15所述的方法，其中降低所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵中 的每个自所述引擎的功率提取包括在所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵之间以不相等 份额降低功率提取。
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括 接收来自第一用户操控输入件的旋转输入参数； 接收来自第二用户操控输入件的推进输入参数； 接收来自第三用户操控输入件的泥浆输入参数；基于所述旋转输入参数控制所述旋转泵自所述引擎的功率提取； 基于所述推进输入参数控制所述推进泵自所述引擎的功率提取； 基于所述泥浆输入参数控制所述泥浆泵自所述引擎的功率提取；以及 基于所述总功率能量提取超过所述阈值来改变所述旋转输入参数、所述推进输入参数 和所述泥浆输入参数中的每个，以降低所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵中的每个自 所述引擎的功率提取。
20.根据权利要求15所述的系统，进一步包括接收指示所述引擎的引擎冷却剂温度的引擎冷却剂温度信号；以及 基于所述冷却剂流体温度超过基于所述引擎冷却剂温度信号的温度阈值，降低所述旋 转泵、所述推进泵和所述泥浆泵中的每个自所述引擎的能量提取。
21.一种具有功率控制的水平定向钻井机，包括 引擎，输出机械能；旋转泵，利用由所述引擎输出的机械能来操作用于旋转钻柱的旋转电机；推进泵，利用由所述引擎输出的机械能来操作用于纵向移动所述钻柱的推进电机；泥浆泵，利用由所述引擎输出的机械能来操作用于通过所述钻柱递送流体的泥浆电机；用于计算自所述引擎的旋转泵功率提取的装置； 用于计算自所述引擎的推进泵功率提取的装置； 用于计算自所述引擎的泥浆泵功率提取的装置；用于基于所述旋转泵功率提取、所述推进泵功率提取和所述泥浆泵功率提取计算总功 率提取的装置；用于比较所述总功率提取和阈值的装置；以及用于基于所述总功率提取超过所述阈值而降低所述旋转泵、所述推进泵和所述泥浆泵 中的每个自所述引擎的机械能提取的装置。
全文摘要
本公开针对用于控制在水平定向钻井中自引擎的泵功率提取的方法和设备。本发明的各个实施方式针对一种水平定向钻井机(12)，其包括引擎(201)，输出机械能；旋转泵(202)，利用由引擎输出的机械能来操作用于旋转钻柱(22)的旋转电机(19)；推进泵，利用由引擎输出的机械能来操作用于纵向移动钻柱的推进电机(17)；泥浆泵(204)，利用由引擎输出的机械能来操作用于通过钻柱递送流体的泥浆电机；以及控制电路(211，212，213)，包括控制器和存储器，该处理器配置为执行存储在存储器中的程序指令，处理器执行存储的程序指令使得控制电路计算自引擎的旋转泵功率提取，计算自引擎的推进泵功率提取，计算自引擎的泥浆泵功率提取，基于旋转泵功率提取、推进泵功率提取和泥浆泵功率提取计算总功率提取，比较总功率提取和阈值，以及基于总功率提取超过阈值而降低旋转泵、推进泵和泥浆泵中的每个自引擎的机械能提取。
文档编号E21B44/06GK101883910SQ200880117077
公开日2010年11月10日 申请日期2008年10月16日 优先权日2007年10月16日
发明者D·佩尔斯, P·R·拉尼 申请人:弗米尔制造公司