钻井顶驱与井架二层台防碰保护装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石油钻井设备，特别涉及一种钻井顶驱与井架二层台防碰保护装置及方法。
【背景技术】
[0002]顶驱是当今石油钻井的前沿技术与装备，能够完成钻柱旋转钻进，循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作，现在各种类型的钻机越来越多的配备顶驱，各种顶驱主体结构和工作原理是一致的，顶驱的功能虽然很强大，但在钻井施工中存在一个很大的安全隐患是:顶驱在起下钻时需要不停地重复吊环前倾、后倾、悬浮(中位)过程，同时也要重复上提到二层台之上和下方到井口的上下运动过程，这是一种必须的施工程序；正常的操作是不管吊环前倾还是后倾必须再按一下悬浮或中位按钮，在吊环保持垂直状态时才能使顶驱上、下行，目的是避免吊环在倾斜状态时顶驱上、下运动造成挂、碰二层台。顶驱自身的各种操作和顶驱上下运动之间是完全独立的两个控制系统，没有任何连锁保护，但在正常的钻井施工中两者在吊环状态方面是互相紧密联系的，二层台处的前后空间小和顶驱本体之间只有几十公分的间距，吊环倾斜角度稍大就可能碰到二层台，正常接立柱或起钻时的角度必然超过最大允许角度，这种情况在正常的施工工艺中是经常遇到的，在各个使用顶驱的井队已是多次发生两者碰撞事故，总体出现的频率是比较高的。这种问题一旦发生会造成非常严重的后果，顶驱和二层台直接受损、二层台上的操作人员受到伤害;二层台的位置大约是26米高左右，不但问题难以处理还可能有高空落物威胁在井口工作人员，还会间接影响钻井施工各个方面。这种严重安全隐患发生概率较高，光靠操作人员人为防护可靠性太差，造成人员压力大，精神紧张。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种钻井顶驱与井架二层台防碰保护装置及方法，提高设备的安全性，减少或杜绝这个问题的发生，减轻工人劳动强度。
[0004]本发明提到的一种钻井顶驱与井架二层台防碰保护装置，包括顶驱(1)、导轨(2)、二层台(3)、钻台(4)、顶驱吊环(5)、井架(6)、天车(7)、绞车(8)、滚筒仪表轴(9)，所述的钻台(4)上固定有井架(6)，井架(6)的顶部安装有天车(7)，且井架(6)内安装有导轨(2)，钻台
(4)的上方设有二层台(3)，所述二层台(3)固定在井架(6)的中部，钢丝绳的一端连接顶驱
(I)，另一端绕过天车(7)连接到绞车(8)，所述的顶驱(I)的下部安装有顶驱吊环(5)，顶驱吊环(5)可以实现前倾、后倾、悬浮动作，其特征是:所述的顶驱吊环(5)的前倾位置和后倾位置处分别安装有吊环位置检测开关，在中间悬浮位置处设有吊环悬浮检测开关，来判断顶驱吊环的位置状态;在所述的绞车(8)上安装编码器，当绞车上的滚筒旋转一周，编码器可输出多个脉冲记录；中央控制器按编码器记录脉冲数指示出顶驱(I)在井架中的高度;通过在中央控制器内把顶驱吊环的位置和顶驱(I)的高度进行处理比较，实现二层台(3)位置的防碰撞。
[0005]上述的在中央控制器内把顶驱吊环的位置信号和顶驱(I)的高度信号，二者进行处理比较，如果检测到顶驱吊环处于倾斜状态，一旦顶驱高度在设定的井架的二层台高度范围内，中央控制器就给绞车一个刹车控制信号，让绞车自动刹车，同时发出声光报警信号，防止人为失误吊环碰撞井架二层台；在井架的其他高度顶驱吊环可以处于任意状态，这样不影响设备正常操作和钻井的正常施工；另外，顶驱在起钻时顶驱接近二层台时速度较快时，设定提前一段距离进行预警，提醒司钻减速。
[0006]上述的中央控制器采用西门子PLC-200高速处理器，所述的顶驱吊环(5)的前倾位置处安装有前倾吊环位置检测开关(5.1)，后倾位置处安装有后倾吊环位置检测开关(5.2)，中间悬浮位置处设有吊环悬浮检测开关(5.3);中央控制器的输入端连接有键盘，并连接吊环位置检测开关和吊环悬浮检测开关及编码器，输出端连接显示器，并控制刹车输出和报警输出。
[0007]上述的顶驱吊环(5)的前倾位置不超过30度，后倾位置不超过50度;所述的顶驱吊环(5)在经过二层台时，其前倾位置不超过15度。
[0008]本发明提到的钻井顶驱与井架二层台防碰保护装置的使用方法，包括以下步骤:
(1)顶驱高度的检测:在绞车上安装编码器，当滚筒旋转一周，编码器可输出多个脉冲记录，另外将绞车滚筒直径，钻井绳直径，滚筒起始匝数，天车滑轮数以及绳系原始数据输入到控制器中；
(2)顶驱吊环的前倾位置和后倾位置检测:顶驱吊环(5)的前倾位置和后倾位置处分别安装有吊环位置检测开关，在中间悬浮位置处设有吊环悬浮检测开关，检测的信号输入到中央控制器中保持;另外，通过键盘修改设定的高度数值和输入计算高度所需的各种参数；
(3)如果在收到吊环悬浮检测开关产生的信号，中央控制器不动作，顶驱可以在井架内全高度范围内自由上下运动;如果到达设定的二层台高度上下的范围时没有收到这个悬浮或中位检测信号，控制系统就会输出，该输出根据不同的钻机类型控制不同的绞车刹车，可以是24VDC信号也可以是通过电磁阀控制刹车系统的气路，最终是为了控制绞车刹车，同时发出声光报警信号；
(4)另外，顶驱在二层台上高度范围下放时速度较慢不用提前减速，起钻时顶驱从接近二层台时速度较快时，需要提前一段距离进行预警，提醒司钻减速，因此，设定二层台以上2米到二层台以下5米这之间的高度范围内顶驱吊环倾斜时，顶驱本身不能上下运动，刹车机构动作刹车并报警。
[0009]本发明的有益效果是:本发明具有应用范围广泛、安装维护方便、操作简单、反应灵敏的优点，通过现场测试，完全达到设计要求;本发明把顶驱和绞车两个独立的设备系统有机的结合起来，弥补了各自设计上的不足，可以极大提高设备操作的安全性，有效防止因为人为失误造成顶驱吊环碰撞井架二层台以及由此带来的其他严重连带事故，实现设备本质安全化，有效降低操作者的劳动强度和精神紧张程度;有效减少了设备安全隐患和操作风险，降低了设备维修费用，符合公司QHSE要求。
【附图说明】
[0010]附图1是本发明的整体安装示意图； 附图2是本发明的控制原理图；
附图3是本发明的顶驱吊环的前倾和后倾示意图；
上图中:顶驱1、导轨2、二层台3、钻台4、顶驱吊环5、井架6、天车7、绞车8、滚筒仪表轴9，前倾吊环位置检测开关5.1、后倾吊环位置检测开关5.2、吊环悬浮检测开关5.3。
【具体实施方式】
[0011]结合附图1-3，对本发明作进一步的描述:
本发明提到的一种钻井顶驱与井架二层台防碰保护装置，包括顶驱1、导轨2、二层台3、钻台4、顶驱吊环5、井架6、天车7、绞车8、滚筒仪表轴9，所述的钻台4上固定有井架6，井架6的顶部安装有天车7，且井架6内安装有导轨2，钻台4的上方设有二层台3，所述二层台3固定在井架6的中部，钢丝绳的一端连接顶驱I，另一端绕过天车7连接到绞车8，所述的顶驱I的下部安装有顶驱吊环5，顶驱吊环5可以实现前倾、后倾、悬浮动作，其特征是:所述的顶驱吊环5的前倾位置和后倾位置处分别安装有吊环位置检测开关，在中间悬浮位置处设有吊环悬浮检测开关，来判断顶驱吊环的位置状态;在所述的绞车8上安装编码器，当绞车上的滚筒旋转一周，编码器可输出多个脉冲记录；中央控制器按编码器记录脉冲数指示出顶驱I在井架中的高度;通过在中央控制器内把顶驱吊环的位置和顶驱I的高度进行处理比较，实现二层台3位置的防碰撞。
[0012]上述的在中央控制器内把顶驱吊环的位置信号和顶驱I的高度信号，二者进行处理比较，如果检测到顶驱吊环处于倾斜状态，一旦顶驱高度在设定的井架的二层台高度范围内，中央控制器就给绞车一个刹车控制信号，让绞车自动刹车，同时发出声光报警信号，防止人为失误吊环碰撞井