专利名称：钻杆接头自动旋扣控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油行业中钻井装备领域，具体是一种连续循环钻井系统实现钻 杆接头自动旋扣的控制装置和控制方法。
背景技术：
目前，连续循环钻井系统是一项先进的钻井技术和装备，能够在接单根期间保持 钻井液的连续循环，从而在整个钻进期间实现稳定的当量循环密度和不间断的钻屑排出， 避免了停泵和开泵循环时引起的井底压力波动，全面改善了井眼条件和钻井安全，极大地 降低钻井事故，提高总的机械钻速。钻杆接头自动旋扣控制是连续循环钻井系统的核心技术之一，旋扣控制的基本工 作原理是卸扣时，动力钳上的旋扣马达通过齿轮传动机构和钻杆夹紧机构驱动钻杆反转， 在钻杆接头旋离的同时，利用平衡补偿油缸使动力钳随钻杆同步向上运动直至接头完全分 离；反之，上扣时，动力钳上的旋扣马达通过齿轮传动机构和钻杆夹紧机构驱动钻杆正转， 在钻杆接头旋合的同时，利用平衡补偿油缸使动力钳随钻杆同步向下运动直至接头旋紧。作业时，连续循环钻井系统必须在主机的腔体总成内完成钻杆接头的旋扣操作， 而操作人员无法直接观测到腔内情况，同时在腔内还存在高速流动的高压钻井液，因此与 常规旋扣操作相比控制难度较大。钻杆自动旋扣控制的关键技术难点包括(1)同步运动控制在钻杆接头旋扣过程中，由于螺纹副啮合运动作用，钻杆在旋 转的同时会产生轴向移动，因此，必须使动力钳随着接头螺纹的旋转与钻杆保持同步轴向 运动，否则将可能因运动干涉，而导致旋扣扭矩迅速升高，甚至损伤钻杆接头螺纹；(2)轴向载荷控制腔内高压钻井液产生的上顶力使钻杆接头螺纹承受很大的轴 向载荷作用，这样就造成螺纹啮合面上的接触压力骤然增大，引起过高的旋扣扭矩，甚至导 致螺纹磨损、粘扣以致失效等。因此，旋扣时必须平衡钻井液上顶力作用，将接头螺纹承受 的轴向载荷严格控制在合理的范围内，有效降低接头螺纹的啮合面压力和旋扣摩阻，保护 螺纹不受损伤。
发明内容本实用新型的目的是提供一种钻杆接头自动旋扣控制装置，通过控制旋扣马达 和平衡补偿油缸，实现旋扣时动力钳与钻杆的同步运动和接头螺纹的轴向载荷平衡，保护 接头螺纹不受损伤。解决连续循环钻井系统在实施钻杆接头自动旋扣操作过程中的同步运 动和轴向载荷控制问题。通过协同控制旋扣马达与平衡补偿油缸，实现旋扣时动力钳与钻 杆的同步运动和接头螺纹的轴向载荷平衡，提高钻杆接头旋扣控制的安全可靠性和作业效 率，降低操作人员的劳动强度。本实用新型采用的技术方案是钻杆接头自动旋扣控制装置，主要由恒压泵1、四 个旋扣马达8、四个平衡补偿油缸20、一个比例换向阀4、一个压力补偿器5、一个电磁换向 阀12、三个比例减压阀、两个液控单向阀、一个双路节流/单向阀14、七个压力传感器、一个位移传感器21、一个转速传感器9和油箱22组成，其连接关系如下A)恒压泵1的压力油口连接比例减压阀a2的油口 B、比例减压阀blO的油口 P、比 例减压阀cll的油口 P和电磁换向阀12的油口 P ；B)压力补偿器5的油口 P与比例减压阀a2的油口 A相连，压力补偿器5的油口 Pl与比例换向阀4的油口 P相连；压力补偿器5的油口 Tl与比例换向阀4的油口 T相连； 压力补偿器5的油口 Al与比例换向阀4的油口 A相连；压力补偿器5的油口 Bl与比例换 向阀4的油口 B相连，压力补偿器5的油口 A与四个旋扣马达8的油口 A相连；压力补偿器 5的油口 B与四个旋扣马达8的油口 B相连；C)电磁换向阀12的油口 A与液控单向阀al6和液控单向阀bl7的油口 Y相连，电 磁换向阀12的油口 B与液控单向阀al6和液控单向阀bl7的油口 X相连；D)双路节流/单向阀14的油口 Al与比例减压阀blO的油口 A相连，双路节流/ 单向阀14的油口 Bl与比例减压阀cl 1的油口 A相连，双路节流/单向阀14的油口 A与液 控单向阀al6的油口 A相连，双路节流/单向阀14的油口 B与液控单向阀bl7的油口 A相 连；E)液控单向阀al6的油口 B与平衡补偿油缸20的有杆腔油口 A相连，液控单向阀 bl7的油口 B与平衡补偿油缸20的无杆腔油口 B相连；F)比例减压阀a2的油口 Y、压力补偿器5的油口 T、电磁换向阀12的油口 T、比例 减压阀blO的油口 T和比例减压阀Cll的油口 T与油箱相连；G)压力传感器a3与比例减压阀a2的油口 A相连，压力传感器M与旋扣马达8的 油口 A相连，压力传感器c7与旋扣马达8的油口 B相连，压力传感器dl3与比例减压阀blO 的油口 A相连，压力传感器el5与比例减压阀cll的油口 A相连，压力传感器f 18与液控单 向阀al6的油口 B相连，压力传感器gl9与液控单向阀bl7的油口 B相连；H)转速传感器9安装在任一个旋扣马达8上，位移传感器21安装在任一个平衡补 偿油缸20的活塞杆上或缸体内。本领域的技术人员熟知所述的油口 A、油口 B、油口 Al、油口 Bi、油口 Y、油口 T和油 口 P的含义和具体位置；能理解所述的相连或连接是通过液压管或液压软管连接的。本实用新型的有益效果本实用新型提供一种连续循环钻井系统在主机的腔体总 成内实现钻杆自动旋扣的控制装置和方法。该实用新型通过协同控制旋扣马达与平衡补偿 油缸，消除运动干涉和钻井液上顶力对钻杆接头旋扣控制的不利影响，避免旋扣时造成螺 纹损伤。通过协同控制旋扣马达与平衡补偿油缸，解决了旋扣时动力钳与钻杆的同步运动 以及接头螺纹的轴向载荷平衡等控制难题，避免了因运动干涉和钻井液上顶力作用而造成 钻杆接头螺纹损伤，有效提高了钻杆接头旋扣控制的安全可靠性和作业效率，降低了操作 人员的劳动强度。
图1是钻杆接头旋扣控制装置原理图。图中，1.恒压泵，2.比例减压阀a，3.压力传感器a，4.比例换向阀，5.压力补偿 器，6.压力传感器b，7.压力传感器c，8.旋扣马达，9.转速传感器，10.比例减压阀b，11.比例减压阀c，12.电磁换向阀，13.压力传感器d，14.双路节流/单向阀，15.压力传感器e， 16.液控单向阀a，17.液控单向阀b，18.压力传感器f，19.压力传感器g，20.平衡补偿油 缸，21.位移传感器，22.油箱。
具体实施方式
实施例1 以一个钻杆接头自动旋扣控制装置为例，对本实用新型作进一步详细 说明。参阅图1。钻杆接头自动旋扣控制装置，主要由恒压泵1、四个旋扣马达8、四个平 衡补偿油缸20、一个比例换向阀4、一个压力补偿器5、一个电磁换向阀12、三个比例减压 阀、两个液控单向阀、一个双路节流/单向阀14、七个压力传感器、一个位移传感器21、一个 转速传感器9和油箱22组成。恒压泵1的型号JRR075CP ；旋扣马达8的型号TG(^80 ；平衡补偿油缸20的 型号WYX01140L-1FY ；比例换向阀4的型号DPZA_A-273_S3 ；压力补偿器5的型号 JPC-211/30 ；电磁换向阀12的型号AExd4Z60a ；比例减压阀a2、比例减压阀blO、比例减压 阀cll的型号MVBPM33-200 ；两个液控单向阀的型号SL10PB2 ；双路节流/单向阀14的型 号Z2FS10 ；七个压力传感器的型号PBLM25AEx、位移传感器21的型号PT8420、转速传感 器9的型号2MC-EX-H-10M。以上部件勻为现有产品。其连接关系如下A)恒压泵1的压力油口连接比例减压阀a2的油口 B、比例减压阀blO的油口 P、比 例减压阀cll的油口 P和电磁换向阀12的油口 P ；B)压力补偿器5的油口 P与比例减压阀a2的油口 A相连，压力补偿器5的油口 Pl与比例换向阀4的油口 P相连；压力补偿器5的油口 Tl与比例换向阀4的油口 T相连； 压力补偿器5的油口 Al与比例换向阀4的油口 A相连；压力补偿器5的油口 Bl与比例换 向阀4的油口 B相连，压力补偿器5的油口 A与四个旋扣马达8的油口 A相连；压力补偿器 5的油口 B与四个旋扣马达8的油口 B相连；C)电磁换向阀12的油口 A与液控单向阀al6和液控单向阀bl7的油口 Y相连，电 磁换向阀12的油口 B与液控单向阀al6和液控单向阀bl7的油口 X相连；D)双路节流/单向阀14的油口 Al与比例减压阀blO的油口 A相连，双路节流/ 单向阀14的油口 Bl与比例减压阀cl 1的油口 A相连，双路节流/单向阀14的油口 A与液 控单向阀al6的油口 A相连，双路节流/单向阀14的油口 B与液控单向阀bl7的油口 A相 连；E)液控单向阀al6的油口 B与平衡补偿油缸20的有杆腔油口 A相连，液控单向阀 bl7的油口 B与平衡补偿油缸20的无杆腔油口 B相连；F)比例减压阀a2的油口 Y、压力补偿器5的油口 T、电磁换向阀12的油口 T、比例 减压阀blO的油口 T和比例减压阀Cll的油口 T与油箱相连；G)压力传感器a3与比例减压阀a2的油口 A相连，压力传感器M与旋扣马达8的 油口 A相连，压力传感器c7与旋扣马达8的油口 B相连，压力传感器dl3与比例减压阀blO 的油口 A相连，压力传感器el5与比例减压阀cll的油口 A相连，压力传感器f 18与液控单 向阀al6的油口 B相连，压力传感器gl9与液控单向阀bl7的油口 B相连；H)转速传感器9安装在任一个旋扣马达8上，位移传感器21安装在任一个平衡补偿油缸20的活塞杆上或缸体内。利用比例减压阀blO和压力传感器f 18控制平衡补偿油缸20的有杆腔压力pi，利 用比例减压阀cll和压力传感器gl9控制平衡补偿油缸20的无杆腔压力p2，不仅使平衡补 偿油缸20的下压力F2与钻井液上顶力Fl相平衡，而且使动力钳能够在适当的轴向推动力 作用下随钻杆同步上下运动；比例减压阀blO和比例减压阀cll具有溢流功能，利用压力传感器dl3和压力传 感器el5可分别检测比例减压阀blO和比例减压阀cll油口 A的压力；利用电磁换向阀12和两个液控单向阀al6和液控单向阀bl7可以控制平衡补偿 油缸20有杆腔和无杆腔的油路通断，并通过调整双路节流/单向阀14的节流口开度，可使 平衡补偿油缸20运动更为平稳；利用比例换向阀4、压力补偿器5和转速传感器9，可以准确控制旋扣马达8转速， 使旋扣马达8能够平稳地驱动钻杆转动旋扣，不受负载变化影响；利用比例减压阀a2和压力传感器a3控制旋扣马达8的最大工作压力p5，可起到 保护接头螺纹的作用；利用压力传感器M和压力传感器c7分别检测旋扣马达8的油口 A压力p6和油 口 B压力p7，通过测算出实际旋扣扭矩可以辅助判断接头螺纹承受的轴向载荷是否满足控 制要求；通过位移传感器21检测平衡补偿油缸20的轴向运动位移，结合转速传感器9检 测出的旋扣马达8转速值，可以判断接头螺纹的旋扣运动是否正常。
权利要求1. 一种连续循环钻井系统的钻杆接头自动旋扣控制装置，其特征在于主要由恒压 泵(1)、四个旋扣马达(8)、四个平衡补偿油缸(20)、一个比例换向阀G)、一个压力补偿 器(5)、一个电磁换向阀(12)、三个比例减压阀、两个液控单向阀、一个双路节流/单向阀 (14)、七个压力传感器、一个位移传感器(21)、一个转速传感器(9)和油箱0 组成，A)恒压泵(1)的压力油出口连接比例减压阀a(2)的油口B、比例减压阀b (10)的油口 P、比例减压阀c (11)的油口 P和电磁换向阀(12)的油口 P;B)压力补偿器(5)的油口P与比例减压阀a(2)的油口 A相连，压力补偿器(5)的油口 Pl与比例换向阀⑷的油口 P相连；压力补偿器(5)的油口 Tl与比例换向阀⑷的油口 T 相连；压力补偿器(5)的油口 Al与比例换向阀⑷的油口 A相连；压力补偿器(5)的油口 Bl与比例换向阀⑷的油口 B相连，压力补偿器(5)的油口 A与四个旋扣马达⑶的油口 A相连；压力补偿器(5)的油口 B与四个旋扣马达(8)的油口 B相连；C)电磁换向阀(12)的油口A与液控单向阀a(16)和液控单向阀b (17)的油口 Y相连， 电磁换向阀(12)的油口 B与液控单向阀a(16)和液控单向阀b (17)的油口 X相连；D)双路节流/单向阀(14)的油口Al与比例减压阀b(10)的油口 A相连，双路节流/ 单向阀(14)的油口 Bl与比例减压阀C(Il)的油口 A相连，双路节流/单向阀(14)的油口 A与液控单向阀a(16)的油口 A相连，双路节流/单向阀(14)的油口 B与液控单向阀b (17) 的油口A相连；E)液控单向阀a(16)的油口B与平衡补偿油缸00)的有杆腔油口 A相连，液控单向阀 b (17)的油口 B与平衡补偿油缸OO)的无杆腔油口 B相连；F)比例减压阀a(2)的油口Y、压力补偿器(5)的油口 T、电磁换向阀(12)的油口 T、比 例减压阀b(10)的油口 T和比例减压阀c(ll)的油口 T与油箱(22)相连；G)压力传感器aC3)与比例减压阀aO)的油口A相连，压力传感器b (6)与旋扣马达 ⑶的油口 A相连，压力传感器c (7)与旋扣马达⑶的油口 B相连，压力传感器d (13)与比 例减压阀b(10)的油口 A相连，压力传感器e(15)与比例减压阀c(ll)的油口 A相连，压力 传感器f(18)与液控单向阀a(16)的油口 B相连，压力传感器g(19)与液控单向阀b(17) 的油口B相连；H)转速传感器(9)安装在任一个旋扣马达(8)上，位移传感器安装在任一个平衡 补偿油缸OO)的活塞杆上或缸体内。
专利摘要钻杆接头自动旋扣控制装置，应用于钻井连续循环钻井系统钻杆接头自动旋扣。恒压泵与比例减压阀a和电磁换向阀相连；压力补偿器与比例减压阀a相连压力补偿器与旋扣马达相连；电磁换向阀与液控单向阀a和液控单向阀b相连，电磁换向阀与液控单向阀a和液控单向阀b相连；双路节流/单向阀与比例减压阀b相连，双路节流/单向阀与比例减压阀c相连，双路节流/单向阀与液控单向阀a相连，双路节流/单向阀与液控单向阀b相连；压力传感器a与比例减压阀a、旋扣马达、比例减压阀b、比例减压阀c、平衡补偿油缸平衡补偿油缸相连。效果是通过控制旋扣马达与平衡补偿油缸，消除运动干涉和钻井液上顶力对钻杆接头旋扣控制的不利影响，避免旋扣时造成螺纹损伤。
文档编号E21B19/18GK201843540SQ20102059700
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者王爱国, 肖建秋, 胡志坚, 邵强, 马青芳 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团钻井工程技术研究院