一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法、装置和系统与流程

本发明涉及石油钻井机械领域，具体说是一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法、装置和系统。

背景技术：

现有的顶驱管子处理系统中的倾斜油缸是顶驱起下管串抓送钻具的关键动力设备。常规的顶驱的倾斜油缸是由来自顶驱上部液压系统的液压油进行控制的，为了使液压油供应不受回转头的旋转影响，需要在回转头内部设置管道，并在回转头内套和外套之间使用动密封，这种方法存在的问题是：动密封为易损件，且现场无法更换，若其密封失效，则会导致倾斜油缸无法动作和回转头漏油，严重影响钻井施工。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法、装置和系统，以解决传统控制开环控制方法以及传统的控制装置控制过程不精确和超调量大，同时传统的控制系统受回转头的旋转影响的问题。

第一方面，本发明提供一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法，应用于短节钻具，包括：

建立遥控单元和液压单元；

在顶驱转动过程中，检测当前所述液压单元的位置信息，根据所述位置信息以及设定的位置信息进行对比；

若存在偏差，则通过所述遥控单元向所述液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令，所述调节机构根据所述液压控制指令和所述油路开关指令对所述液压单元的执行机构位置信息进行调节，完成顶驱专用遥控式微型液压控制；

若不存在偏差，所述遥控单元不向所述液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令。

优选地，根据所述设定的位置信息建立设定位置信息方程，判断所述设定位置信息方程的最大值点和最小值点；

实时向所述遥控单元反馈所述液压单元的位置信息，在所述最大值点和所述最小值点的前侧位置发送减小液压控制指令以及减少油路开度指令，以控制所述执行机构位置信息的调节速度。

优选地，根据所述设定的位置信息建立设定位置信息方程，计算所述设定位置信息方程的斜率信息；

若所述斜率信息小于设定的斜率区间最小值，则所述液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度加上第一速度增量后的速度进行调节；

若所述斜率信息大于或者等于所述设定的斜率区间最大值，则所述液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度或者减去第一速度增量后的速度进行调节。

优选地，根据所述设定的位置信息建立设定位置信息方程，计算所述设定位置信息方程的拐点信息；

在所述拐点信息处，初始化所述调节速度。

第二方面，本发明提供一种顶驱专用遥控式微型液压控制装置，包括：存储器和处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序为权利要求上述任一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

建立遥控单元和液压单元；

在顶驱转动过程中，检测当前所述液压单元的位置信息，根据所述位置信息以及设定的位置信息进行对比；

若存在偏差，则通过所述遥控单元向所述液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令，所述调节机构根据所述液压控制指令和所述油路开关指令对所述液压单元的执行机构位置信息进行调节，完成顶驱专用遥控式微型液压控制；

若不存在偏差，所述遥控单元不向所述液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令。

优选地，所述调节机构，包括：电机泵组和电控阀；

通过所述遥控单元，向所述电机泵组发送所述液压控制指令以及向所述电控阀发送所述油路开关指令，控制所述电机泵组启停以及所述电控阀开关；

通过所述电机泵组的启停控制液压油箱设定的输出液压压力，利用所述输出液压压力和所述电控阀控制顶驱倾斜油缸伸缩，完成顶驱专用遥控式微型液压控制。

第三方面，本发明提供一种顶驱专用遥控式微型液压控制系统，包括：

如上述的一种顶驱专用遥控式微型液压控制装置；以及

顶驱吊环，所述顶驱吊环与所述所述顶驱专用遥控式微型液压控制装置连接，通过所述顶驱专用遥控式微型液压控制装置控制与所述顶驱吊环连接的所述短节钻具的位置信息。

优选地，所述一种顶驱专用遥控式微型液压控制系统，还包括：顶驱主轴及旋塞；

所述顶驱吊环，还与顶驱回转头连接，所述顶驱主轴及旋塞的一端与传动机构，所述顶驱主轴及旋塞的另一端与钻具连接；

所述顶驱回转头，带动所述顶驱吊环360°转动；所述传动机构，驱动钻具进行转动。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法，应用于短节钻具，分别建立遥控单元和液压单元；在顶驱转动过程中，检测当前液压单元的位置信息，根据位置信息以及设定的位置信息进行对比；若存在偏差，则通过遥控单元向液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令，调节机构根据液压控制指令和油路开关指令对液压单元的执行机构角度信息进行调节，完成顶驱专用遥控式微型液压控制；这种闭环控制方法的设计，通过偏差信号，可以有效地跟随设定的位置信息。同时，提供一种顶驱专用遥控式微型液压控制装置，已完成上述短节钻具的控制方法，即通过遥控单元，向电机泵组发送液压控制指令以及向电控阀发送油路开关指令，控制电机泵组启停以及电控阀开关；通过电机泵组的启停控制液压油箱设定的输出液压压力，利用输出液压压力和电控阀控制顶驱倾斜油缸伸缩，完成顶驱专用遥控式微型液压控制。并且，在一种顶驱专用遥控式微型液压控制系统中，顶驱专用遥控式微型液压控制装置为独立的装置，顶驱吊环与顶驱专用遥控式微型液压控制装置连接，液压油供应不受顶驱回转头的旋转影响，顶驱专用遥控式微型液压控制装置在顶驱回转头的外侧，顶驱回转头内套和外套之间的密封失效也不会导致倾斜油缸无法动作和顶驱回转头漏油，不会影响钻井施工，解决现有顶驱倾斜油缸液压控制容易密封失效的难题，提高顶驱作业的可靠性。

附图说明

通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法的流程框图；

图2是本发明实施例的一种顶驱专用遥控式微型液压控制装置的示意图；

图3是本发明实施例的一种顶驱专用遥控式微型液压控制系统的示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

图1是本发明实施例的一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法的流程框图。如图1所示，一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法，包括：步骤101建立遥控单元和液压单元，其中，遥控单元与液压单元之间的通信方式为无线通信方式；步骤102在顶驱转动过程中，检测当前液压单元的位置信息，根据位置信息以及设定的位置信息进行对比；步骤103若存在偏差，则通过遥控单元向液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令，调节机构根据液压控制指令和油路开关指令对液压单元的执行机构位置信息进行调节，完成顶驱专用遥控式微型液压控制；步骤104若不存在偏差，遥控单元不向液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令。

进步一地，根据设定的位置信息形成设定位置信息方程，设定位置信息方程可以位置信息曲线或者位置信息曲面，判断位置信息曲线或者位置信息曲面的最大值点和最小值点；设定位置信息方程为认为设定的位置信息曲线或者位置信息曲面，操作人员可以通过上位机或者其他控制装置输入设定的位置信息，所有设定的位置信息或者设定的位置信息与检测当前液压单元的位置信息形成设定位置信息方程，也即液压单元的运动轨迹。液压单元实时向遥控单元反馈液压单元的位置信息，在最大值点和最小值点的前侧位置发送减小液压控制指令以及减少油路开度指令，以控制执行机构位置信息的调节速度。

具体地说，任何控制系统，无论是线性还是非线性控制系统，对于稳定性、快速响应性和准确定都有一定的要求，在本发明中对于设定位置信息方程，我们判断位置信息曲线或者位置信息曲面的最大值点和最小值点，在最大值点和最小值点设定临近的区域（即最大值点和最小值点的前侧位置），其中设定临近的区域可根据需要自由设定，如：可设定最大值点和最小值点前后轨迹长度5cm处发送减小液压控制指令以及减少油路开度指令，也可以利用时间对临近的区域进行限定；减小液压控制指令以及减少油路开度指令，可避免在最大值点和最小值点出现超调的现象，虽然牺牲了一定的快速响应性，但是这种控制方法具有极高的稳定性和准确性，这样的控制方式使得液压单元的位置信息更加有效地跟踪设定位置信息方程，液压单元的位置信息和设定位置信息方程的拟合效果更好。

进步一地，根据设定的位置信息形成设定位置信息方程，计算位置信息曲线的斜率信息；具体地说，设定位置信息方程形成以后，对设定位置信息方程求导或者偏导数，对于二维空间的曲线，可以对设定位置信息方程求导；对于具有2个或2个以上变量的曲面，可以对每个变量求偏导，得到多个变量各自的偏导数，这样可支持多维度的顶驱专用遥控式微型液压控制方式，即可在空间内自由调节，不仅仅限定为一个平面。

实时检测或者测量液压单元的位置信息的斜率信息，若液压单元的位置信息的斜率信息小于设定的斜率区间最小值，则液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度加上第一速度增量后的速度进行调节；若液压单元的位置信息的斜率信息大于或者等于所述设定的斜率区间最大值，则所述液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度或者减去第一速度增量后的速度进行调节。具体地说，第一速度增量可为预先设定的，也可以根据液压单元的位置信息的所在斜率区间进行调整，如：每个斜率区间对应一个速度增量（即，第一速度增量），这样根据液压单元的位置信息的斜率信息与不同的斜率区间来调整速度增量。

为使本领域技术人员更好的了解本发明，本发明给出具体的实例，即，存在2个斜率区间[a，b]和[c，d]，第一个斜率区间[a，b]对应一个增量a，第二个斜率区间[c，d]对应另一个增量b，值得说明的是，斜率区间以及与斜率区间相对应的第一速度增量可以为一个或者多个，本发明不对斜率区间以及第一速度增量的数量进行限制。

对于上述的第一个斜率区间[a，b]和第二个斜率区间[c，d]，首先，判断液压单元的位置信息的斜率信息断斜率区间落在哪个斜率区间。

若液压单元的位置信息的斜率信息落在第一个斜率区间[a，b]，液压单元的位置信息的斜率信息小于设定的第一个斜率区间[a，b]的最小值a，则液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度加上第一速度增量a后的速度进行调节；若液压单元的位置信息的斜率信息大于或者等于设定的第一个斜率区间[a，b]的最大值b，则液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度或者减去第一速度增量a后的速度进行调节。

同理，若液压单元的位置信息的斜率信息落在第二个斜率区间[c，d]，液压单元的位置信息的斜率信息小于设定的第二个斜率区间[c，d]的最小值c，则液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度加上第一速度增量b后的速度进行调节；若液压单元的位置信息的斜率信息大于或者等于设定的第二个斜率区间[c，d]的最大值d，则液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度或者减去第一速度增量b后的速度进行调节。

本发明亦可理解为设定的斜率信息可以为一个信息值，若液压单元的位置信息的斜率信息大于设定的斜率信息的信息值，则液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度加上第一速度增量后的速度进行调节；若液压单元的位置信息的斜率信息小于或者等于设定的斜率信息，则液压单元的执行机构位置信息的调节速度按照当前调节速度或者减去第一速度增量后的速度进行调节。

更进步一地，根据设定的位置信息形成设定位置信息方程，计算设定位置信息方程的拐点信息；在拐点信息处，初始化调节速度。拐点为曲线的凸凹或者曲面的凸凹处的分界点，从起点到分界点处为一个运动周期，在每个拐点处对调节速度初始化，可防止由于当前调节速度过大或过小对本发明的稳定性和相应速度造成影响，如当前调节速度过大可出现实际的运行位置曲线或者曲面出现大幅度超出设定位置曲线或者曲面，需要一定的相应时间才可回到设定位置曲线或者曲面，拟合程度较低；同样，如当前调节速度过小可出现实际的运行位置曲线或者曲面对设定位置曲线或者曲面响应时间过长。

图2是本发明实施例的一种顶驱专用遥控式微型液压控制装置的示意图。如图2所示，一种顶驱专用遥控式微型液压控制装置，包括：钻遥控终端4-1、双电池组4-2、供电电缆4-3、信号接收控制箱4-4、控制线4-5、胶囊式液压油箱4-6、液压管线4-7、小尺寸电机泵组4-8、蓄能器4-9、电控阀4-10和顶驱倾斜油缸4-11。

在图2中，一种顶驱专用遥控式微型液压控制装置，包括：存储器和处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序为上述一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法，其特征在于，处理器执行程序时实现以下步骤：在顶驱转动过程中，检测当前液压单元的位置信息，根据位置信息以及设定的位置信息进行对比；若存在偏差，则通过遥控单元向液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令，调节机构根据液压控制指令和油路开关指令对液压单元的执行机构角度信息进行调节，完成顶驱专用遥控式微型液压控制；若不存在偏差，遥控单元不向液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令。

进一步地，在图2中，调节机构，包括：电机泵组4-8和电控阀4-10；通过遥控单元，向电机泵组4-8发送液压控制指令以及向电控阀4-10发送油路开关指令，控制电机泵组4-8启停以及电控阀4-10开关；通过电机泵组4-8的启停控制液压油箱设定的输出液压压力，利用输出液压压力和电控阀4-10控制顶驱倾斜油缸伸缩，完成顶驱专用遥控式微型液压控制。

在图2中，双电池组4-2通过供电电缆4-3与信号接收控制箱4-4连接，信号接收控制箱4-4分别与小尺寸的电机泵组4-8和电控阀4-10连接，电控阀4-10还分别与蓄能器4-9和顶驱倾斜油缸4-11连接，蓄能器4-9还与小尺寸的电机泵组4-8连接，小尺寸的电机泵组4-8通过液压管线4-7与胶囊式液压油箱4-6连接。

进一步地，在图2中，司钻遥控终端4-1集成在顶驱司钻控制箱中，通过司钻操作给信号接收控制箱4-4发送指令，双电池组4-2通过供电电缆4-3为信号接收控制箱4-4提供所需电能，信号接收控制箱4-4根据接收到的指令通过控制线4-5控制小尺寸的电机泵组4-8的启停以及电控阀4-10的开关动作，号胶囊式液压油箱4-6为整个液压系统提供液压油，液压油通过液压管线4-7输送到各部件，小尺寸电机泵组4-8启动后给液压油增压并维持蓄能器4-9输出端有稳定的液压压力，通过控制电控阀4-10的开关动作并配合其他辅助部件即可实现对顶驱倾斜油缸4-11的伸缩控制。

进一步地，遥控单元的的建立；建立的遥控单元需要实现司钻房内对游移状态倾斜油缸4-11进行控制，由于采用无线传输方式，必须抵抗来自钻台复杂电磁环境的干扰，因此，除需采用大功率的发射天线外，还需对接收端附近的电缆进行有效屏蔽。

同时，进一步地，液压单元的建立；由于空间受限，独立的液压单元在满足功能的前提下必须小型化，因此自主设计了模块化动力及供油系统，采用胶囊式液压油箱4-6，小尺寸的电机泵组4-8，整体布局紧凑，维护方便。另外，采用双电池组4-2的供电模式，从而保证持续的电能供应。

图3是本发明实施例的一种顶驱专用遥控式微型液压控制系统的示意图。如图3所示，一种顶驱专用遥控式微型液压控制系统，包括：顶驱回转头1、顶驱主轴及旋塞2、顶驱背钳3、顶驱专用遥控式微型液压控制装置4、顶驱倾斜油缸4-11和顶驱吊环6。

在图3中，一种顶驱专用遥控式微型液压控制系统，如上述一种顶驱专用遥控式微型液压控制装置4；以及顶驱吊环6，顶驱吊环6与顶驱专用遥控式微型液压控制装置4连接，通过顶驱专用遥控式微型液压控制装置4控制与顶驱吊环6连接的短节钻具的位置信息。

在图3中，一种顶驱专用遥控式微型液压控制系统，还包括：顶驱主轴及旋塞2；顶驱吊环5，还与顶驱回转头1连接，顶驱主轴及旋塞2的一端与传动机构，顶驱主轴及旋塞2的另一端与钻具连接；顶驱回转头，带动顶驱吊环360°转动；传动机构，驱动钻具进行转动。具体地说，传动机构为齿轮箱。

在图3中，顶驱回转头1，包括：旋转机构和固定机构（不旋转部分）。顶驱专用遥控式微型液压控制装置4和顶驱吊环6分别与顶驱回转头1的旋转机构连接，顶驱主轴及旋塞2轴的一端穿过1的内部（顶驱主轴及旋塞2挂在1上部的齿轮箱上，通过齿轮箱带动2旋转），顶驱主轴及旋塞2轴的一端与钻具连接，3和顶驱回转头1的固定机构（不旋转部分）连接（1挂在3上），3不转动；顶驱吊环6悬挂在顶驱回转头1的旋转机构外侧，顶驱专用遥控式微型液压控制装置4的顶驱倾斜油缸4-11与顶驱吊环6的主体连接。

在图3中，具体地说，顶驱回转头1可360°转动，可带动顶驱专用遥控式微型液压控制装置4、顶驱倾斜油缸5以及顶驱吊环6一起旋转，从而便于在不同方向上展开作业，顶驱专用遥控式微型液压控制装置4通过液压管线与顶驱倾斜油缸4-11相连接，为其提供液压源，顶驱倾斜油缸4-11的活塞杆通过卡紧装置卡住顶驱吊环6的本体，当驱倾斜油缸4-11伸缩时带动顶驱吊环6摆动。

更一步地，顶驱回转头1的两侧分别具有顶驱吊环6，2个顶驱吊环6分别与顶驱专用遥控式微型液压控制装置4的顶驱倾斜油缸4-11连接。

本发明经过大庆钻井工程技术研究院自主研发，设计了一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法、装置和系统，结合图1～图3，对本发明的工作过程进行简单描述。一种顶驱专用遥控式微型液压控制方法为：建立遥控单元和液压单元；在顶驱转动过程中，检测当前液压单元的位置信息，根据位置信息以及设定的位置信息进行对比；若存在偏差，则通过遥控单元向液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令，调节机构根据液压控制指令和油路开关指令对液压单元的执行机构角度信息进行调节，同时充分利用设定的位置信息，完成顶驱专用遥控式微型液压控制；若不存在偏差，遥控单元不向液压单元的调节机构发送液压控制指令以及油路开关指令。一种顶驱专用遥控式微型液压控制装置，包括：调节机构，调节机构进一步包括：电机泵组4-8和电控阀4-10；通过遥控单元，向电机泵组4-8发送液压控制指令以及向电控阀4-10发送油路开关指令，控制电机泵组4-8启停以及电控阀4-10开关；通过电机泵组4-8的启停控制液压油箱设定的输出液压压力，利用输出液压压力和电控阀4-10控制顶驱倾斜油缸伸缩，完成顶驱专用遥控式微型液压控制。其中，司钻遥控终端4-1可集成在顶驱司钻控制箱内，也可单独安置在司钻房内。其余各部件则以嵌入的形式安装在顶驱回转头1的背部，该位置既有恰当的空间，又有利于遥控信号的接收。在顶驱运转过程中，当需要顶驱倾斜油缸4-11摆动一个角度时，司钻可以操作司钻遥控终端4-1，发出遥控信号，安装在顶驱回转头1上的信号接收控制箱4-4收到信号后，通过控制小尺寸的电机泵组4-8启停为整个微型液压系统提供满足压力要求的液压油，并通过控制电控阀4-10的开关实现液压油走向的控制，进而实现对顶驱倾斜油缸4-11伸缩的控制。独立液压系统的建立避免了在回转头内部设置侧向油路，使得对顶驱倾斜油缸4-11的控制更为可靠。当顶驱液压系统故障失效时，本发明可独立工作，保证顶驱起下钻、下套管作业的顺利开展。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。