一种高效智能安全石油钻井绞车系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型具体涉及一种高效智能安全石油钻井绞车系统。其从绞车结构、变频交流控制模式、电磁涡流刹车结构及控制方式的三位一体系统解决长期困扰用户的变频钻机钻井效率低、下放安全性差、系统故障率较高的问题。本实用新型采用的技术方案为包括绞车结构部分及绞车控制部分，所述的绞车结构包括电磁涡轮刹车、盘式刹车、滚筒轴总成、双档变速箱，所述的双档变速箱通过离合器与交流变频电机连接，双档变速箱通过离合器与滚筒轴总成连接，滚筒轴总成通过花键与电磁漩涡刹车连接，滚筒轴总成与电磁漩涡刹车之间通过花键连接有盘式刹车。
【专利说明】一种高效智能安全石油钻井绞车系统
[0001]一、【技术领域】:
[0002]本实用新型具体涉及一种高效智能安全石油钻井绞车系统。
[0003]二、【背景技术】:
[0004]交流变频钻机具有操作简便、控制精度与可靠性较高等优点；具备人工智能化网络平台，与传统机械驱动和直流电驱动钻机相比，具有以下优势:
[0005]1、钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调速范围宽；以极低的速度恒扭矩输出，对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、小泥浆排量作业以及优选参数钻井作业十分有利。
[0006]2、可使电机的短时增矩倍数达到1.5?2倍以上，大大提高了钻机的提升能力和事故处理能力。
[0007]3、由于具有恒功率、宽调速的特性，可大大精简钻机的机械结构。
[0008]4、具有转盘扭矩限制的功能，可防止钻具或机件扭断。
[0009]5、交流变频技术对电机具有安全保护功能。
[0010]6、负载功率因数高，具有软起动性能，降低供电电源的容量。
[0011]7、在负载情况下，可实现平稳起动、制动和调速；在起、下钻时，通过对电网能量的反馈，减少制动装置损耗，节约能源。
[0012]8、交流电机具有体积小、单机容量大、价格便宜等特点，无需进行防爆设计，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理等。
[0013]9、容易实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制。
[0014]10、安装、拆卸和搬运等方便灵活。
[0015]由于变频调速技术可使石油钻机获得更好的钻井性能和宽广的调速使用范围，用于驱动绞车，可使绞车重量减少20?30%、尺寸减小25?40%，并且整个传动系统也被极大地简化，因此普遍认为交流变频电驱动是目前石油钻机最好的驱动形式。鉴于上述优点，交流变频调速钻机近年来得到了快速发展，在国内外获得广泛应用。
[0016]近年来，国内交流变频钻机基本形成了从1000?12000米钻机系列产品，几年应用后，经过再认识分析，与国际先进技术相比，产品存在以下缺点:
[0017]1、与直流驱动钻机相比，起下钻作业效率低，钻井周期长、成本高。
[0018]2、由于钻井工程技术要求快速下钻，而变频钻机绞车由于下放控制模式的限制，下放过程能量无法快速释放，对控制系统电压冲击较大，导致设备故障率高，安全性下降。
[0019]3、提升过程受下放控制模式的限制，导致提升速度无法提高。为尽可能提高提升速度，充分利用电机功率，导致绞车电机种类繁多，标准化程度低，互换性差。
[0020]4、变频钻机通过简单的功能集成，绞车结构、控制系统未进行系统化匹配设计，绞车系统的一体化程度较低。
[0021]三、实用新型内容:
[0022]本实用新型为了解决上述【背景技术】中的不足之处，提供一种从绞车结构、变频交流控制模式、电磁涡流刹车结构及控制方式的三位一体系统解决长期困扰用户的变频钻机钻井效率低、下放安全性差、系统故障率较高的高效智能安全石油钻井绞车系统。[0023]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为:一种高效智能安全石油钻井绞车系统，包括绞车结构部分及绞车控制部分，其特征在于:所述的绞车结构包括电磁涡轮刹车、盘式刹车、滚筒轴总成、双档变速箱，所述的双档变速箱通过离合器与交流变频电机连接，双档变速箱通过离合器与滚筒轴总成连接，滚筒轴总成通过花键与电磁漩涡刹车连接，滚筒轴总成与电磁漩涡刹车之间通过花键连接有盘式刹车；
[0024]所述的绞车控制部分包括可控硅整流装置、PLC控制系统、变频器、司钻操作台、触摸屏和滚筒编码器，所述的PLC控制系统通过工业控制总线分别与可控硅整流装置、变频器、司钻控制台相连；司钻操作台)通过工业控制总线分别与电磁涡流刹车和触摸屏相连；可控硅整流装置通过动力电缆与电磁涡流刹车相连；变频器通过动力电缆与交流变频电机相连，滚筒编码器通过连轴器与滚筒轴总成相连；
[0025]所述的交流变频电机有两个，分别设置于双档变速箱的两侧。
[0026]与现有技术相比，本实用新型具有的优点和效果如下:本实用新型保留了交流变频驱动绞车的优势，优化吸取直流驱动绞车下钻速度快的特点，最大化地提高绞车驱动电机的功率利用率，使得绞车起升工况具有变频驱动的特性，下钻工况则具有直流驱动特性，以实现安全、快速起下钻，进一步提高钻井效率。本专利具备绞车位置检测、建立动态起下钻数学模型，以最佳的实效控制起下钻过程。是一种刹车自动控制、钻井过程实现复合自动送钻功能的新型高效智能安全石油钻井绞车及控制系统。
[0027]四、【专利附图】
【附图说明】:
[0028]图1为本实用新型的结构示意图；
[0029]图2为本实用新型的控制流程图；
[0030]附图标记:1一滚筒轴总成，2—交流变频电机，3—双档变速箱，4一滚筒编码器，5一盘式刹车,6一电磁润轮刹车，7一PLC控制系统,8一变频器，9一司钻操作台，10—触摸屏，11一可控硅整流装置。
[0031]五、【具体实施方式】:
[0032]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明:
[0033]参见图1:一种高效智能安全石油钻井绞车系统，包括绞车结构部分及绞车控制部分，所述的绞车结构包括电磁涡轮刹车6、盘式刹车5、滚筒轴总成1、双档变速箱3，所述的双档变速箱3通过离合器与交流变频电机2连接，所述的交流变频电机有两个，分别设置于双档变速箱的两侧，双档变速箱3通过离合器与滚筒轴总成I连接，滚筒轴总成I通过花键与电磁漩涡刹车6连接，滚筒轴总成I与电磁漩涡刹车6之间通过花键连接有盘式刹车5 ;所述的绞车控制部分包括可控硅整流装置11、PLC控制系统7、变频器8、司钻操作台9、触摸屏10和滚筒编码器4，所述的PLC控制系统7通过工业控制总线分别与可控硅整流装置11、变频器8、司钻操作台9相连；司钻操作台9通过工业控制总线分别与电磁涡流刹车6和触摸屏10相连；可控硅整流装置11通过动力电缆与电磁涡流刹车6相连；变频器8通过动力电缆与两台交流变频电机2相连，滚筒编码器4通过连轴器与滚筒轴总成I相连。
[0034]由司钻操作台9进行手动操作，触摸屏10显示数据，通过PLC控制系统7计算并发布指令控制变频器8起停、速度等动作；滚筒编码器4反馈信号，由PLC控制系统7程序控制实现高度系统功能，PLC控制系统7程序控制可控硅整流装置11输出可调直流电流，从而控制盘式刹车5和电磁涡流刹车6实现复合刹车功能；变频器8在PLC控制系统7控制下输出动力，控制两台交流变频电机2运转，从而通过机械连接带动滚筒轴总成I运转，即绞车运转；
[0035]参见图2:流程开始，判断PLC、涡流刹车、高度系统是否正常，否即流程结束，是即进行绞车下放动作(PLC系统采集滚筒编码器的数据，通过内部程序进行判断，由触摸屏显示数据)；进行绞车下放动作后，判断绞车给定速度是否回零，否即进行绞车钩速判断，是即PLC驱动电磁涡流刹车全速刹车，迅速减小钩速直至为零，电磁涡流刹车功能释放(PLC系统采变频器的数据，通过内部程序进行判断，由触摸屏显示数据)；绞车给定速度不为零，判断绞车钩速是否大于设定钩速，否即绞车按给定速度运行，是即PLC驱动电磁涡流刹车短时间点动刹车，控制绞车钩速在设定钩速以内(PLC系统采集变频器的数据，通过内部程序进行判断，由触摸屏显示数据)；判断绞车钩速后，判断游车高度是否接近目标高度，否即返回绞车下放动作，是即进行绞车给定速度回零(PLC系统采集滚筒编码器的数据，通过内部程序进行判断，由触摸屏显示数据);绞车给定速度回零后，PLC驱动电磁涡流刹车短时间点动刹车，控制绞车钩速在设定钩速以内；之后进行绞车零速悬停；流程结束。
[0036]本实用新型将从绞车结构、变频交流控制模式、电磁涡流刹车结构及控制方式的三位一体系统解决长期困扰用户的变频钻机钻井效率低、下放安全性差、系统故障率较高的问题。
[0037]1、绞车结构
[0038]交流变频电机驱动、双档变速箱结构，维持提升工况载荷的合理分配，充分利用功率匹配，保持互换性，盘刹保持全负荷配置，配置专用电磁涡流刹车，作为下放时辅助刹车，吸收下放能量，并保持全程挂合。
[0039]2、电磁涡流刹车
[0040]电磁涡流刹车采用与绞车主电机复合实现自动送钻；刹车力矩控制模式为PLC程序控制，由控制系统根据动力模型进行下放；输出端按照绞车结构合理布置与匹配，保持全程挂合；新型高效冷却系统适合高温和寒冷地区使用，采用特殊材料，减轻重量，缩小体积。
[0041]3、专用控制系统
[0042](I)提升工况，VFD精确控制，保持变频绞车效率高、控制精度高的优点，并通过优化过程控制程序提闻起钻时效。
[0043](2)下放工况:对变频器进行脉冲封锁，使用电磁涡流刹车来消耗下放过程中产生的能量，达到减速目的。在距离钻台面设定高度利用变频器的捕捉再启动功能，能耗制动系统投入使用，变频器建立悬停功能，并可点动下钻，实现对扣作业时精确控制，达到钻具快速下放。
[0044]下放采用PLC+BYPASS两种控制模式，在正常情况下，电磁涡流刹车的投入由PLC来控制，在应急情况下，通过按钮来实现电磁涡流刹车最大扭矩输出。
[0045]4、本实用新型的创新点如下:
[0046](I)新型高效智能安全石油钻井绞车
[0047]-采用变频绞车配置电磁涡流刹车+能耗制动快速释放下钻能量。
[0048]-标准化大功率高效绞车专用变频电机:恒功率范围宽、调速范围广、功率匹配合理并达到国际先进水平、通用性强的专用变频电机。
[0049]-新型数控高效绞车专用电磁涡流刹车:刹车力矩控制模式为PLC程序控制，由控制系统根据动力模型进行下放；输出端按照绞车结构合理布置与匹配，保持全程挂合；新型高效冷却系统适合高温和寒冷地区使用，采用低碳低硫材料，减轻重量，缩小体积。采用与绞车主电机复合实现自动送钻。
[0050]-高效大功率齿轮传动箱:特制大功率齿轮传动箱，提高传动效率，减小机械损耗；增加运行监测功能。
[0051](2)专用控制系统
[0052]-变频单元启动再捕捉技术:开启此功能后，当变频器启动时会先首先检测电机当前转速，此时输出功率会跟随电机转速直至电机磁场完全建立。
[0053]-起下钻全过程的智能化安全控制技术:起钻VFD精确控制，下放PLC+BYPASS复合控制，全程智能化安全控制。
[0054]-多重刹车安全保护功能技术(MBS):多重刹车系统提供了盘式主刹车，辅助刹车为电机能耗制动与电磁涡流刹车复合工作，为系统提供多个安全冗余。
[0055]-自动控制的钢丝绳防护系统技术(WPS):此系统控制绞车滚筒及所附钢丝绳的速度和负荷。根据负荷和速度，此系统平缓紧急停车，可避免因PLC控制的液-电一体装置产生的Bird’ s Nest Effect (鸟巢效应)。
[0056]-新型复合自动送钻及司钻操控系统技术(ADS):采用电磁涡流刹车与绞车主电机有机结合，集PLC智能控制、钻井参数监控与显示为一体，以复合控制方式实现自动送钻功能。
[0057]-海洋钻井绞车升沉补偿功能技术:新型的PLC控制系统和升沉检测系统及时感应钢丝绳张力大小，并控制绞车收紧或放松钢丝绳对升沉进行补偿，因此要求绞车具备快速提升与下放的功能。
[0058]综上所述，交流变频驱动绞车在起下钻过程中全程闭环控制，下钻速度等于提升速度，下钻速度较低。直流驱动绞车则采用开环式控制，在绞车开始下钻时，钻具靠重力自由下落，当达到一定下钻速度时，辅助刹车投入使用，完成缓冲和安全减速，下钻速度较高。因此，在用的交流变频驱动钻机与直流驱动钻机相比，普遍存在钻井效率低的问题。
[0059]本实用新型保留交流变频驱动绞车的优势，优化吸取直流驱动绞车下钻速度快的特点，最大化地提高绞车驱动电机的功率利用率，使得绞车起升工况具有变频驱动的特性，下钻工况则具有直流驱动特性，以实现安全、快速起下钻，进一步提高钻井效率。本实用新型具备绞车位置检测、建立动态起下钻数学模型，以最佳的实效控制起下钻过程。是一种刹车自动控制、钻井过程实现复合自动送钻功能的新型高效智能安全石油钻井绞车及控制系统。
[0060]本实用新型是一种交流变频控制的单轴齿轮传动绞车，它主要由交流变频电动机、双档变速箱、盘式刹车、电磁涡流刹车、滚筒轴总成等单元部件组成。绞车动力由两台功率交流变频电机驱动，全程无级调速，通过变频控制系统控制；通过减速箱的换档机构换档。绞车刹车系统为复合刹车系统，由液压盘式刹车、新型数控高效绞车专用电磁涡流刹车、电机能耗制动组成。绞车传动采用齿轮传动形式，齿轮及轴承润滑采用强制润滑方式。采用电磁涡流刹车与绞车主电机有机结合，集PLC智能控制、钻井参数监控与显示为一体，以复合控制方式实现自动送钻功能。绞车的所有部件均安装在一个底座上，构成一个独立的运输单元。
【权利要求】
1.一种高效智能安全石油钻井绞车系统，包括绞车结构部分及绞车控制部分，其特征在于:所述的绞车结构包括电磁涡轮刹车(6)、盘式刹车(5)、滚筒轴总成(I)、双档变速箱(3),所述的双档变速箱(3 )通过离合器与交流变频电机(2 )连接，双档变速箱(3 )通过离合器与滚筒轴总成(I)连接，滚筒轴总成(I)通过花键与电磁漩涡刹车(6)连接，滚筒轴总成Cl)与电磁漩涡刹车(6)之间通过花键连接有盘式刹车(5)； 所述的绞车控制部分包括可控硅整流装置(11)、PLC控制系统(7)、变频器(8)、司钻操作台(9)、触摸屏(10)和滚筒编码器(4)，所述的PLC控制系统(7)通过工业控制总线分别与可控硅整流装置(11)、变频器(8)、司钻控制台(9)相连；司钻操作台(9)通过工业控制总线分别与电磁涡流刹车(6)和触摸屏(10)相连；可控硅整流装置(11)通过动力电缆与电磁涡流刹车(6)相连；变频器(8)通过动力电缆与交流变频电机(2)相连，滚筒编码器(4)通过连轴器与滚筒轴总成(I)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高效智能安全石油钻井绞车系统，其特征在于:所述的交流变频电机有两个，分别设置于双档变速箱的两侧。
【文档编号】B66D1/12GK203612858SQ201320662504
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】程波, 谭刚强, 郑明建, 张洪, 田树贵, 李勇, 李飞, 刘东方 申请人:程波