用于对管进行接管和拆管的自动化系统和方法
【专利摘要】一种用以对管进行接管或拆管的自动化的管处理系统100，所述系统包括：旋转驱动器200，所述旋转驱动器适合于可操作地抓住管650，以连接至管柱750或从所述管柱750分离；控制器300，所述控制器适合于接收和处理指示与所述管柱750的接管和拆管相关联的旋转、扭矩和最小时间值的数据；和用户界面400，所述用户界面适合于向操作者传送所述管的接管或拆管的所接收的数据、预定值或所接收和数据和预定值两者。还公开了自动化方法。
【专利说明】用于对管进行接管和拆管的自动化系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及适合于将管接管至管柱或者将管从管柱上拆管的自动化的管处理系 统，其具有:旋转驱动器；控制器，其适合于通过比较旋转、扭矩和最小时间的值与可接受 的预定值，接收和处理指示旋转、扭矩和最小时间的值的关联数据，以确定何时完成接管和 拆管；和用户界面，以及涉及用于实现这种管的接管或拆管的方法和设备。
【背景技术】
[0002]石油和天然气井钻井系统包括多种类型的管道系统，通常将其称为“管”。管包括 钻管、套管和其它可螺纹连接的石油和天然气井结构。通常使用相结合的管组成的长钻柱 钻出井筒，或者在钻井后抑制或防止井筒坍塌。通过一端上存在阳型螺纹并且在另一端上 存在阴型螺纹制作一些管。其它管的特征在于，在任一端上都为阳型螺纹，并且使用具有两 个阴型螺纹的螺纹接箍在管之间形成连接。将一系列管连接在一起以产生钻柱的操作被称 为“接管”过程，而通常将相反的操作称为“拆管”过程。
[0003]当结合用于油井的多段管的长度时，管系的长度之间的连接的特性是关键的。特 别地，由于在勘探和生产期间，石油行业已经更深地钻入地表，所以已经遇到了更大压力。 需要可靠的方法确保良好连接。
[0004]一种连接方法包括:连接两根协作配合的螺纹管段；通过动力钳使管段相对彼此 旋转；测量所施加的、使一根管段相对于另一根管段旋转的扭矩，以及一根管段相对另一根 管段旋转的次数或圈数。将指示扭矩和圈数的信号传送给控制器，该控制器则确定所测量 的扭矩和圈数是否落入已知产生良好连接的预定的扭矩和圈数范围内。一旦达到了处于 指定最小和最大值(称为安全值(dump valve))内的扭矩-圈数值,则终止动力钳施加的扭 矩。然后，输出信号，例如可听信号运行，以指示该连接是否为好连接或坏连接。
[0005]当前实践通常包括将所述连接在预定的扭矩范围内接管，同时绘制施加的扭矩与 旋转或时间的曲线，然后视觉检查并且确定接管的质量。这需要具有手动人工响应的第三 方界面，以停止接管过程。在许多实施中，需要手动干涉，以在用于进行接管的旋转之前检 查管之间的接触。一些对自动化接管过程的传统尝试依赖于过于有限而难以监测和确认已 经做出适当连接的信息。在美国专利N0.7，712，523 -J, 594, 540 -J, 568, 522 -J, 296,623 ； 7，281，587 ;7，264，050 ;7，100，698 ;6，536，520 和 7，896，084 中描述了各种传统的接管技 术。
[0006]因此，存在一种对确保做出了良好连接，同时最小化或消除直接人类参与的自动 化的接管系统和方法的需求。
【发明内容】
[0007]本公开涵盖一种适合于将管接管至管柱或者将管从管柱上拆管的自动化的管处 理系统，包括:旋转驱动器，其适合于可操作地抓住和旋转管；控制器，其适合于接收和处 理指示关联管和管柱的接管和拆管的旋转、扭矩和最小时间的值的数据，其中该控制器比较旋转、扭矩和最小时间的值与可接受的预定值，以确定何时完成接管和拆管；和用户界面，适合于向操作者传送管的接管或拆管的所接收的数据、预定值或所接收的数据和预定值两者。[0008]在优选实施例中，该系统还包括服务器，其包括多根管的比较处理信息，并且所述服务器适合于在控制器和用户界面每个之间交换信息，其中处理信息包括螺纹计数和大小、或者将一对管接管或拆管所需的旋转信息至少其中之一。在更优选实施例中，该系统包括可操作地关联旋转驱动器的多个传感器，以在操作中测量旋转、扭矩和最小时间。在另一更优选实施例中，该系统还包括通信网络，其适合于将从一个或更多传感器接收的信息传达给控制器，在控制器和服务器之间传达，以及从控制器或服务器向用户界面传达，或上述的任何组合。在另一更优选实施例中，通信网络是无线的。
[0009]在另一实施例中，该系统还包括可操作的停止按钮，其适合于允许人类操作员中断控制器，并且在不使管掉落的情况下(即，在管被设备保持的同时)停止自动化管处理。在又一实施例中，用户界面包括显示单元。在再一实施例中，控制器适合于当超过最小时间值，并且旋转和扭矩值至少其中之一至少基本匹配相应的预定值时，停止接管或拆管过程。在又一实施例中，该系统还包括配重，其可操作地关联旋转驱动器，以提供管或管柱，或管和管柱两者的位置或者其施加的重量至少其中之一的反馈。在再一实施例中，可接受的旋转、扭矩和持续的最小时间的预定值中的一个或更多个取决于关联正在处理的管的一个或更多参数。在优选实施例中，基于下列多种因素调节参数，包括管道等级；管类型；标称外径尺寸；每英尺的重量；螺纹数；接箍螺纹类型，或上述的组合。
[0010]本公开也涵盖了通过下列方式将管与管柱接管或将管从管柱上拆管的自动化方法，即:选择第一管和第二管以彼此接管或拆管，其中第二管形成一部分管柱；向控制器输入关于管的信息；开始旋转，以将第一管与第二管接管，或者将第一管从第二管上拆管；在接管或拆管期间，监测一个或更多传感器，以获得关于旋转圈数、扭矩和开始旋转后持续的最小时间的测量数据；比较测量数据与旋转圈数、扭矩和持续的最小时间的可接受的预定值；和基于开始旋转后持续的最小时间以及旋转圈数或扭矩的比较，停止旋转，其中至少两个测量数据满足或超过相应的可接受的旋转圈数、扭矩和持续的最小时间的值中的至少两个值。
[0011]在一个实施例中，基于下列多种因素调节关于管的输入信息，包括管道等级；管类型；标称外径尺寸；每英尺的重量；螺纹数；接箍螺纹类型，或上述的组合。在另一实施例中，该方法还包括如果圈数、扭矩或持续的最小时间的值其中之一不可接受，就开始补救动作。在优选实施例中，补救动作包括自动重新开始接管或拆管，或上述的组合。在又一优选实施例中，补救动作包括向操作者提供警告信号。在一个更优选实施例中，操作者手动停止或重新开始旋转，或手动停止和重新开始旋转两者。
[0012]在另一实施例中，该方法还包括测量第一和第二管之间的扭矩的变化、每个配重缸的张力值的变化，或上述的组合。在又一实施例中，基于连接至正在接管或拆管的管的旋转驱动器，测量扭矩。在优选实施例中，存在至少一个配重缸，并且其具有反馈，该反馈包括下列至少其中之一:管相对初始位置、相对管柱、相对旋转驱动器或上述的组合的位置?’最小旋转时间；和施加在管或管柱上的重量设置，或上述两者。在另一实施例中，旋转圈数、扭矩和时间的可接受的预定值包括最大、最小和最佳值至少其中两个值。在再一实施例中，通信包括控制器和可操作地关联控制器、服务器或控制器和服务器两者的多个传感器之间的 无线通信，以测量旋转、扭矩和持续的最小时间。在又一实施例中，该方法还包括向操作者 显示测量数据。在一个优选实施例中，当测量数据充分可接受时，显示器显示单词“通过”和 成功的第二指示，或者当测量值不可接受时，就显示“失败”和失败的第二指示。在再一实 施例中，该方法还包括比较至少两个测量数据值与至少两个可接受的预定值，其中至少一 个值是持续的最小时间。在进一步实施例中，控制器、操作者或控制器和操作者两者开始终 止旋转。在优选实施例中，控制器在停止旋转之前基于一个或更多比较值减慢旋转。
[0013]本公开也涵盖通过下列方式利用旋转驱动器将管与管柱接管或将管从管柱上拆 管的自动化方法，即:选择第一管和第二管以彼此接管或拆管；向控制器输入关于管的信 息，其中控制器被编程有圈数、扭矩和持续的最小时间的可接受的预定值；开始旋转，以将 管与管柱接管，或者将管从管柱上拆管；在接管或拆管期间，监测旋转圈数、扭矩和持续的 最小时间，以获得测量数据；将来自可操作地关联旋转驱动器的传感器的测量数据传送给 控制器；和基于测量数据与初始旋转的值的比较处于所有三个可接受的旋转圈数、扭矩和 持续的最小时间的范围内，停止旋转。在一个实施例中，该方法还包括:如果圈数、扭矩或持 续的最小时间的值其中之一不可接受，就开始补救动作。在又一实施例中，该方法还包括向 操作者显示测量数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]当参考附图阅读时，通过下文详细说明将最好地理解本公开。应强调，根据行业标 准实践，未按比例绘制各特征。实际上，为了清楚地讨论，可任意放大或缩小各特征的尺寸。
[0015]图1是根据本公开一个或更多方面的自动化接管系统的优选实施例的图示；和
[0016]图2是根据本公开一个或更多方面的优选的接管过程的过程流程图。
【具体实施方式】
[0017]本公开涉及来自联接控制模块/控制器的多个参数的信息的协作组合，该控制模 块/控制器基于反馈改变旋转驱动操作，以产生关于自动化的管接管和拆管操作的提高的 置信水平。本发明的系统和方法寻求人为误差和运行时间两者的最小化，同时有利地提供 更快速度和经济可行地运行管。能够通过根据本公开实施例的自动化且更能故障保护所使 用的数据实现该目标，以确认适当地对管进行接管和拆管。
[0018]本系统和方法应用于任意种具有交接部(shoulder)密封的螺纹构件，包括但不限 于:管，例如钻管，管系和套管；立管；以及张力构件。根据本公开的各方面，减轻了螺纹接 头的连接松动以及对螺纹接头的损伤的可能性。
[0019]参考图1，本公开的自动化管处理系统100适合于对管进行接管或拆管。该系统 包括:旋转驱动器200，其适合于可操作地抓住管；控制器300 ;用户界面400 ;和管处理装 置700。旋转驱动器200通常包括顶部驱动器或方钻杆驱动器(kelly drive).管处理装置 700包括任何适当的钻井机构或抓管机构。优选地，管处理装置700是这样一种装置，其包 括美国专利N0.7，445，050和7，552，764 ;美国专利申请公开N0.2009/0321064 ;和2010年 12月30日提交的美国专利申请N0.12/982，644中所述的一种或更多种特征，每个公开内容 都在此通过引用以其整体并入。可任选地但是优选地是，该系统也包括服务器(未示出)，其可操作地至少关联控制器，并且可任选地也关联用户界面。这种服务器能够包括多个管的比较处理信息，并且其适合于在控制器和用户界面每个之间交换信息。
[0020]控制器300包括可编程中心处理单元，其可与存储器、大容量存储装置、输入控制单元和显示单元一起运行。另外，控制器300还能够包括一个或更多支持电路，诸如电源、时钟、高速缓冲存储器、输入/输出电路，等等。控制器300适合于从传感器500或其它装置或上述的组合接收数据，并且适合于控制与其连接的一个或更多装置。控制器300能够为任何可编程装置，例如任何适当的可编程逻辑控制器(PLC)，诸如计算机。
[0021]在正常操作期间，控制器300执行主要程序读取，在重复性基础上比较和计算扭矩、圈数和持续的最小时间。优选地，以规律间隔测量扭矩、圈数和持续的最小时间。在一个实施例中，计算机获取程序指令，并且将它们存贮在主存储器或者其它永久性电子存储装置内，例如闪存、硬盘驱动器，或者任何其它可用的存储装置中。然后，计算机执行存贮在主存贮器(或其它存储装置)中的程序指令，以实施接管的控制系统的功能。这里的许多实施例都仅涉及管的“接管”，然而，也应将本公开理解为，为了拆管，包括所有这些接管的设备、系统和方法的相反操作。计算机使用程序指令，以产生命令信号，并且将命令信号传送至旋转驱动器200。旋转驱动器200响应命令信号，并且产生被传送回控制器300的反馈信号。计算机通过外部I/O装置接收反馈信号。然后，计算机使用反馈信号和程序指令，以产生用于传送至旋转驱动器200的另外的命令信号。
[0022]重要的是，图1的控制器300响应相应于下列参数的信号:1)旋转驱动器向管650施加的和/或管650和管柱750之间施加的扭矩；2)接管或拆管操作的各个阶段之间的持续的最小时间，或者从操作开始至结束的持续的时间；和3)管650的旋转圈数。这些参数用于确定何时已经做出了好接头或坏接头，或者何时已经适当地断开了接头。例如，如果在接管操作开始时已经发生了螺纹错扣，则甚至在已经持续最小时间之前，扭矩就将太快速地增大，并且该操作将被视为坏连接。当已经发生了坏连接时，优选地是，通过在相反方向上逆转，使可旋转的管后退，从而确保操作始于处于适当分开但是相邻或接触的位置处的螺纹。
[0023]控制器300监测圈数计数信号、扭矩信号和最小时间信号，并且将这些信号的测量值与预定值比较。通过计算机的一个或更多功能单元，诸如控制器模块或其它适当的功能单元，执行所测量的圈数计数信号、扭矩信号和时间的值关于预定值的比较。
[0024]优选地，当旋转、扭矩和持续的最小时间值这三个中的至少两个值至少基本匹配相同的预定值参数时，控制器300停止接管或拆管过程。在例证性实施例中，控制器300基于所有三个参数停止该过程。在一个实施例中，至少一个参数是从开始对管或管柱进行接管或拆管操作起持续的最小时间。“基本匹配”的意思是，该值处在预定值的上下约1-20%内，优选为约3-15%内，并且更优选为约5-10%内。在优选实施例中，预定值本身是一个数值范围。例如，如果扭矩的预定值是3750英尺-磅-7500英尺-磅，则对于基本匹配的测量扭矩，测量扭矩将为约3000英尺-磅-9000英尺-磅,优选为约3187.5英尺-磅-8625英尺-磅，并且更优选为约3375英尺-磅-8250英尺-磅。
[0025]可能为了特殊连接，由操作者或通过其它方式从计算机存储器(或其它存储装置)输入或选择的例示性预定值包括:正被接管或拆管的管与管柱之间的增量扭矩值；增量圈数值(即，圈数的变化);增量张力值(例如，一个或更多配重缸的张力的变化);最小和最大圈数值；最小和最大扭矩值；持续的最小和最大时间值；最佳扭矩值；最佳圈数值；和持续的 最佳时间值。优选地，选择旋转圈数、扭矩和持续的最小时间的可接受的预定值，并且其包 括最大、最小和最佳值中的至少两个值。可由操作者通过输入装置将预定值输入计算机，该 输入装置诸如键盘，能够作为多个输入装置中的一个包括该输入装置。开发控制器300，从 而通过简单、易于使用的用户界面自动化该过程。
[0026]预定值基于管650的特定参数，例如，包括管道级别；管类型；标称外径尺寸；每英 尺的重量；接箍螺纹类型；螺纹数；每英寸的螺纹数；或上述的组合。除了螺纹构件的几何 形状之外，可在导出扭矩、圈数和持续的最小时间的预定值时考虑各种其它变量和因素。例 如，润滑剂和环境条件可能影响预定值。在一个实施例中，对于特殊管连接，使用源自先前 的接管或拆管操作的信息，在控制器300中存储一组预定参数(理论上，其源自先前批次的 统计学分析，或者源自测量值)。在其它实施例中，从不同的井筒或多个井筒收集存储在数 据库中的数值。然后，可在相同条件期间，快速获取该信息。在一些实施例中，基于在当前 操作期间传送给控制器300的反馈信号，连续地更新预定值。
[0027]当已经达到了最小扭矩、最小时间值或最小圈数值时，控制器300将寻找其它参 数的最小值，并且如果在达到了这些其它参数中的一个参数的最大值之前，已经达到了其 它参数的最小值，就指示已经做出了良好接头。在对于给定的接管使用两个参数的情况下， 只要两个数值都保持在可接受范围内，则一旦达到了第一目标，旋转就可继续，或者直到达 到第一目标为止。
[0028]如果反馈信号指示已经做出了坏连接，则控制器300或操作者就能够在接管或拆 管期间停止旋转。例如，如果圈数、扭矩或时间中的其中一个值不可接受，则控制器300可 产生安全信号，以切断旋转驱动器200，从而允许管650停止。也可在检测出终止连接位置 或坏连接时，发出安全信号。这些信号可自动切断操作，或者可用于通知操作员维修，或者 上述两者。该系统还可向操作者产生警告信号，诸如听觉信号、闪光，等等。例如，如果在持 续了最小时间之后，接着持续了最大时间，而未实现适当的圈数和扭矩值，则控制器就将认 为连接(或断开)失败，并且将采取补救动作。另一实例是，在开始操作后持续最小时间之 前，当圈数或扭矩值超过允许的最大值的时候，在该情况下，也将认为连接(或断开)失败。
[0029]优选地，系统100包括可操作的停止按钮，其适合于允许人类操作者手动停止自 动化的管操作。优选的是处于钻架地面上和处于钻机控制站处的可操作的停止按钮。
[0030]在所示实施例中，控制器300确认适当的接管或拆管，并且如果三个参数中的任 何一个失败，就可根据操作者的判断要求重新开始或拆管。一旦其中一个测量值不可接受， 控制器300就开始补救动作。通常，补救动作包括重新开始对该连接的接管或拆管，或上述 的组合。
[0031]通常，为了重新开始接管操作，控制器300分开连接，并且再次自动开始连接过 程。在一个实施例中，在第一次失败之后，控制器300可自动向操作者发送信号，以重新输 入管的参数，检查当前参数是否正确，或者选择新的管。在其它实施例中，控制器300将尝 试再次对该连接进行接管，并且如果在多次尝试后仍不能做出适当连接，控制器300就要 求人类操作者检查和输入新数据。
[0032]如图所示，系统100使用传感器500检测驱动轴的圈数、当前顶部驱动器的扭矩和 旋转时间。控制器300使用该信息确认管对已经实际结合，并且完成了接管或拆管序列。应理解，在一个实施例中，系统100可基于通常通过控制装置提供的传感器输入而直接地测量圈数、扭矩和最小旋转时间其中之一或更多。
[0033]在另一实施例中，能够在旋转驱动器200处布置圈数计数器，诸如光学传感器，以检测管650的旋转，并且产生代表该旋转运动的圈数计数信号。类似地，能够将扭矩换能器附接至旋转驱动器200，以产生代表所施加的扭矩的扭矩信号。也可作为用于电旋转台或顶部驱动马达的电流测量装置，或者作为用于液压操作的顶部驱动器的压力传感器，实施该扭矩传感器。也可在旋转驱动器200处布置用于测量时间的传感器，以直接测量从接管或拆管操作开始至结束的时间，或者测量操作的各阶段之间的时间。在一个实施例中，基于圈数和旋转速度的结合，计算持续的时间。
[0034]作为替换方式或者另外作为备份，控制器300可通过测量对旋转驱动器200输入的功率的电压、电流和/或频率(如果是AC顶部驱动器的话)，计算旋转驱动器200的扭矩和旋转输出。例如，在DC顶部驱动器中，速度与电压输入成比例，并且扭矩与电流输入成比例。AC顶部驱动器将要求基于本领域技术人员已知的、通过常规实验获得的各种因素的另外计算。
[0035]将传感器测量数据传送给控制器300，优选通过无线通信网络，诸如无线电、以太网或移动电话传送，其中控制器300被编程有用于各种类型的管的指令，以确定何时完成接管或拆管序列。特别地，控制器300可获得最佳值和具有最小和最大值(或最小最大值两者)的参数范围。在一个实施例中，基于最小值，仅测量持续时间参数，以确保接管耗费至少特定时间长度。从操作开始，持续的最小时间可能约为0.5-10秒，优选为0.8-6秒，从而确保处理操作适当进行，在该时间点处，最小和最大扭矩值、圈数值或上述两者变得相对更重要，以确保适当连接或断开。然而，优选地是，测量、优选直接测量扭矩、旋转和最小时间值。
[0036]在管组件的接管期间，操作者可在输出装置上观察各种输出，该输出装置诸如用户界面400，例如显示屏，其可为多个输出装置之一。显示器能够包括下列一个或更多，例如实际扭矩、圈数和实时时间的5位数字显示；指示好接头和坏接头或接头连接的状态灯；扭矩、圈数和最小时间的基准值；和给操作者的准备停止旋转的警告。优选地，显示器向操作者显示测量数据，并且当测量数据充分可接受时，显示词语“通过”，并且优选显示至少一个不同的成功指示，或者当测量数据不可接受时，就显示“失败”，并且优选显示至少一个不同的失败指示，以允许控制器或操作者做出关于钻井、套管或其它整体过程中的进一步步骤的决定，其中接管或拆管形成上述过程的一部分。该通过/失败测试确认管对已经实际结合，并且如果未产生连接，则控制器300能够重新开始接管过程。例如，能够通过绿光，短消息，像铃声响，或者陈述词语“通过”的语音，或上述的组合实现“通过”信号，而通过红光，刺耳的喇叭声，陈述词语“失败”或“故障”的语音，或上述的组合实现“失败”信号。将取决于本文讨论的所有管和连接变量的良好连接通常将耗费约15-90秒，优选为约30-60秒，并且取决于所涉及的管的具体类型，将包括可旋转管的最少4圈至最大约40圈，优选为约6-25圈。
[0037]操作者或控制器可审查显示器上的数据，以确定是否需要进一步动作。如果传感器500检测的参数基本不处于预定值内，操作者就可使控制器300更改或调整井筒设备，以便使参数将符合预定值。作为替代方式，如果相应的操作者确定不可能控制设备以将参数保持在预定值内，或者出于安全原因，他可手动使控制器停止相应井筒设备的运行。[0038]在不同实施例中，所显示的输出的格式和内容可变化。作为实例，操作者可观察对 具体管连接已经输入的各种预定值。此外，操作者可观察图形信息，诸如扭矩率曲线和扭矩 率微分曲线的表示图。
[0039]上述多个输出装置也可包括打印机，诸如纸带记录器或数字打印机，或者绘图仪， 诸如x_y绘图仪，用以提供硬拷贝输出，或者包括电子存储装置，诸如存储器、闪存、硬盘驱 动器或其它允许记录和获取信息的电子介质。上述多个输出装置还可包括喇叭或其它音频 设备，以在接管期间警告操作者发生了重要事件，诸如交接部状况、终止连接位置，或坏连 接。在一个优选实施例中，显示器被布置用以向操作者图形化显示信息，或者与数字、表格、 或者其它固件形式的信息，以及硬拷贝、电子存储装置中的信息或上述两者图形化结合。在 另一优选实施例中，无线地或者通过有线连接直接将输出传输到互联网，并且使远离控制 器的远程用户可访问。本文中使用的“远程”涉及这样的用户，其处于钻架上的另一位置，诸 如钻机的值班房，处于同一油田或气田中的相邻或附近的钻架上，或者离开钻架。优选地， 被传输至互联网的输出与相同钻架或其它钻架上的一个或更多另外的系统的输出同步，诸 如美国专利N0.7，860，593的钻井设计分析和钻井控制系统及方法，其公开内容在此通过 引用以其整体并入。作为替代方式或另外地，该输出能够在互联网上与2007年8月29日 提交的美国专利申请N0.11/847,048中公开的远程监测钻井的系统和方法的输出同步，其 公开内容在此通过引用以其整体并入。
[0040]如上所述，控制器300能够通过从各种传感器500接收的数据，确定已经在管650 和管柱750之间做出可接受的螺纹接头。作为替代方式或者除了上文以外，可使用配重 600，以采集关于管650和管柱750之间形成的接头的信息。配重600的功能可类似于弹簧 或液压活塞-缸布置结构，以在管650和管柱750螺纹拧紧(或螺纹松脱)期间，补偿旋转驱 动器200与例如套管运行设备之间的垂直运动。配重600可操作地关联旋转驱动器200，从 而优选地提供有关管650或管柱750的位置或者所施加的重量至少其中之一的反馈，并且 在一个实施例中，配重包括例如套管运行设备和管两者的重量。
[0041]除了在管的螺纹拧紧在一起(或螺纹松脱)期间，允许旋转驱动器200相对于例 证性套管运行设备的渐进运动之外，配重600还可分别用于确保已经做出或破坏了螺纹接 头，以及确保将管机械连接在一起或使其分离。例如，在已经在管650和管柱750之间做出 接头之后，由于已经完全螺纹拧紧在管住上的管650的向下运动，所以配重的弹簧或缸体 可以完全延伸，或“冲出(stroked out)”。然而，如果由于旋转驱动器200的某种故障，或 者由于管及管之下的管柱之间未对准，还未在管650和管柱750之间形成接头，则配重600 的缸体或弹簧将因为还未沿(或完全沿)管柱上的螺纹长度移动以完成连接的单根管施加 于缸体或弹簧的相对小的力，而将未完全延伸，或者将仅仅部分延伸。
[0042]能够使用位于配重600附近的拉伸传感器，以检测配重600的拉伸，并且能够依 赖传送给控制器300的数据，测量配重反馈。例如，配重反馈包括下列至少一个:管相对于 开始位置、相对于管柱、相对于旋转驱动器或相对于任意但是固定的点，或上述的组合的位 置。反馈也能够包括旋转时间以及施加在管或管柱上的重量设置，或上述两者，或者反馈能 够来自其它传感器源，诸如旋转驱动器马达、轴或抓地装置，或上述的组合。
[0043]现在将参考图2详细描述自动接管过程的优选实施例。
[0044]在步骤700中，操作者通过输入装置输入管参数，该输入装置诸如键盘，能够在多个输入/输出装置中包括该输入装置。该参数用于准备低的、最小的、和最大的圈数、扭矩和时间；和基准的、最小的、和最大的圈数、扭矩和时间的预定值。在另一实施例中，能够对一种类型管输入单个代码，并且相关的电子存储装置将使该代码关联存储在数据库中的所有其它参数，从而将它们载入控制器。作为替代方式，能够通过使用传感器自动实现输入，例如，通过读取处于管末端的条形码，通过嵌入每根管中的无线电频率ID，通过测量外径和螺纹计数，或者通过其它测量变量或测量加计算的变量。
[0045]在操作者已经将单根管定位在管柱附近或者实际接触管柱，并且准备好在步骤800开始连接接管后，在步骤900中，操作者按下控制面板上的“自动接管”按钮。在步骤1000中，控制器载入扭矩、圈数和时间的预定值。通过旋转驱动单元引起的相对旋转，将两个螺纹构件(例如，阳型和阴型管道，套管，或管道，或套管和接箍)接合在一起。控制器使可旋转管的螺纹与固定的管(通常是与其附接的管柱或接箍)的螺纹匹配，并且向旋转驱动器发送命令信号，以开始可旋转管的旋转。控制器开始以开始速度和开始扭矩使管转动。优选地，开始速度和扭矩小于完全螺纹拧紧(或螺纹松脱)速度和扭矩，以向控制器提供下列机会，即:帮助确保已经开始了适当的连接或断开。如步骤1100中所示，贯穿螺纹拧紧(或螺纹松脱)，控制器通过监测全部传送给控制器的扭矩反馈信号、圈数反馈信号和时间反馈信号，监测所施加的扭矩、圈数和开始后持续的时间。然后，一旦已经在步骤1200中接合初始螺纹并且开始前进，则控制器或操作者就使旋转加速至最大RPM。例如，控制器能够通过开始操作后持续的最小时间、配重的初始延伸量、可旋转管的垂直位置的变化、扭矩的变化(例如，管之间的)、圈数等等，确定初始螺纹已接合。在拆管操作(未示出)中，随着开始螺纹松脱，扭矩将开始降低，其使得控制器确定已经成功开始了螺纹松脱。
[0046]随着拧入，配重使管和任选地关联的处理设备(例如，套管运行工具)“浮起”，以抑制或防止螺纹错扣。在步骤1300中，基于管的参数，配重缸体在被施加至管柱的预定重量设置下，在预定时间上下降预定距离。圈数传感器检测管的旋转，并且产生代表这种旋转运动的信号。类似地，扭矩换能器产生代表旋转驱动器施加至管的扭矩的信号，并且时间传感器在过程开始时发送信号。
[0047]在一个实施例中，以规律间隔测量所施加的扭矩、旋转和时间。可由操作者指定测量扭矩、时间和旋转的频率(例如，每隔半秒或一秒，或者频率更高或更低)，并且可在计算机存储器或其它电子存储装置中存储测量值。此外，可通过扭矩率微分计算器，对每对测量值组计算扭矩关于旋转的变化率。可由绘图仪对这三个值(扭矩、旋转和时间)绘图，以在输出装置上显示。
[0048]将来自传感器的信号发送给控制器。然后，控制器本身或可关联操作的计算机监测计数器和换能器信号，并且比较这些信号的当前值与预定值，以连续地或者在选定的旋转位置处向控制器提供控制信号。
[0049]基于测量或计算值与预定值的比较，控制器确定各种事件的发生，并且确定是否继续旋转或取消接管(或拆管)。如果控制器确定操作是坏连接，则可终止旋转，并且可任选地但是优选地自动或手动重新开始。否则，继续旋转，直到检测到期望的交接部上或下的条件为止。如果数值不可接受，则控制器就指示坏连接。
[0050]在步骤1400中，当已经满足了三个参数中的至少两个时，例如扭矩和时间或者圈数和持续的最小时间，则计算机就通过输出装置对操作者发出通过条件的信号，诸如绿灯和平稳的音调。在实际停止旋转之前，控制器例如基于来自顶部驱动器的圈数计数和/或 配重反馈，减慢管的旋转。减慢速度允许可旋转管在不破坏管的情况下，尤其是在不破坏管 的螺纹的情况下，与固定的管形成稳固的螺纹连接。也可刚好在拆管完成之前，使用相同的 速度降低。在一个实施例中，该减慢可在操作完成前约0.2-2秒发生。
[0051]在步骤1500中，一旦通过来自旋转驱动器的闭环反馈实现了至少两个参数(在可 接受范围内)的最佳值，则控制器就最终停止旋转顶部驱动器或其它旋转驱动器。如果实现 了最小值，则显示屏就将显示“通过”。
[0052]如步骤1600中所示，如果未实现最佳值，则取消接管周期，或者控制器的过程失 败。在步骤1700中，控制器停止顶部驱动器，并且在显示屏上显示“失败”。然后，在步骤 1800中，控制器或操作者重新开始该过程。
[0053]计算机能够以红光以及颤动或喇叭型音调发出坏接头的信号。另外，计算机能够 产生安全信号，从而一旦实现好接头或坏接头，就自动切断旋转驱动器。控制器也能够向打 印机输出代表扭矩和圈数值的输出信号，诸如纸带记录器或数字打印机，或者绘图仪，诸如 x-y绘图仪，或者电子存储装置，或者本文讨论的其它输出装置。
[0054]通常应将本文使用的术语“约”理解为，涉及数字范围内的两个数字。此外，应将 本文中的所有数字范围都理解为包括该范围内的每个整数。
[0055]虽然已经在上述说明中描述了本公开的优选实施例，但是应理解，本公开不限于 本文公开的特定实施例，而是能够有本领域技术人员作出的多种变型。应理解，不偏离公开 的和本公开教导的方法和装置，所使用的材料和机械细节可与本文的说明稍微不同或者变 化。
【权利要求】
1.一种适合于将管接管至管柱或者将管从管柱上拆管的自动化的管处理系统100，所述管处理系统包括: 旋转驱动器200，所述旋转驱动器适合于可操作地抓住和旋转管650 ； 控制器300，所述控制器适合于接收和处理指示与所述管650和所述管柱750的接管和拆管相关联的旋转、扭矩和最小时间值的数据，其中所述控制器300比较所述旋转、扭矩和最小时间值与可接受的预定值，以确定何时完成所述接管和拆管；和 用户界面400，所述用户界面适合于向操作者传送所述管的接管或拆管的所接收的数据、所述预定值或所接收的数据和所述预定值两者。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括服务器，所述服务器包括多根管的比较处理信息，并且所述服务器适合于在所述控制器300和所述用户界面400每个之间交换信息，其中所述处理信息包括对一对管进行接管或拆管所需的旋转信息、或者螺纹计数和大小中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的系统，还包括可操作地关联所述旋转驱动器200的多个传感器500，以在操作中测量旋转、扭矩和最小时间。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括通信网络，所述通信网络适合于将从一个或更多个传感器500接收的数据传送给所述控制器300，在所述控制器300和所述服务器之间传送，以及从所述控制器300或服务器传送给所述用户界面400，或上述的任何组合，其中所述通信网络任选地为无线的。
5.根据权利要求1或2所述的系统，还包括可操作的停止按钮，所述停止按钮适合于允许人类操作员中断所述控制器300，并且在不使所述管650掉落的情况下停止自动化管处理。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述控制器300适合于当超过所述最小时间值，并且所述旋转和扭矩值中的至少一个至少基本匹配相应的所述预定值时，停止所述接管或拆管的过程。
7.根据权利要求1或2所述的系统，还包括配重600，所述配重可操作地关联所述旋转驱动器200，以提供所述管650或管柱750，或所述管和管柱两者的位置或者所施加的重量中的至少一个的反馈。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述可接受的预定旋转、扭矩和持续的最小时间的值中的一个或更多个取决于关联正在处理的管的一个或更多参数；其中基于下列多种因素调节所述参数，所述因素包括管道等级；管类型；标称外径尺寸；每英尺的重量；螺纹数；每英寸的螺纹数；接箍螺纹类型；或上述组合；或上述两者。
9.一种将管与管柱接管或将管从管柱上拆管的自动化方法，所述方法包括: 选择第一管650和第二管以彼此接管或拆管，其中所述第二管形成一部分所述管柱750 ； 向控制器300输入关于所述管的信息； 开始旋转，以将所述第一管650与所述第二管接管，或者将所述第一管具从所述第二管上拆管； 在所述接管或拆管期间，监测一个或更多传感器500，以获得关于旋转圈数、扭矩和开始旋转后持续的最小时间的测量数据；比较所述测量数据与旋转圈数、扭矩和持续的最小时间的可接受的预定值；和基于开始旋转后持续的最小时间以及旋转圈数或扭矩的比较，停止旋转，其中至少两个所述测量数据满足或超过相应的所述可接受的旋转圈数、扭矩和持续的最小时间的值中的至少两个值。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括如果圈数、扭矩或持续的最小时间值其中之一不可接受，就开始补救动作。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述补救动作包括:(I)自动重新开始接管或拆管，或上述的组合；或者(2)向操作者提供警告信号；或上述两者。
12.根据权利要求9-11任一项所述的方法，其中基于下列多种因素调节所输入的信息，其包括管道等级；管类型；标称外径尺寸；每英尺的重量；螺纹数；每英寸的螺纹数；接箍螺纹类型，或上述的组合；或上述两者。
13.根据权利要求9-11任一项所述的方法，还包括测量所述第一和第二管之间的扭矩的变化、每个配重缸600的张力值的变化，或上述的组合，其中所述配重缸具有反馈，所述反馈包括下列至少之一:管650相对初始位置、相对管柱750、相对旋转驱动器200或上述的组合的位置；最小旋转时间；和施加在管650或管柱750上的重量设置，或上述两者。
14.根据权利要求9-11任一项所述的方法，还包括向操作者显示测量数据，其中当所述测量数据充分可接受时，所述显示器显示单词“通过” 1500和成功的第二指示，或者当所述测量值不可接受时，显示“失败” 1700和失败的第二指示。
15.根据权利要求9-11任一项所述的方法，其中所述控制器300、操作者或控制器和操作者两者开始终止旋转1600，并且如果所述控制器开始停止，则所述控制器300在停止旋转之前基于一个或更多个比较值减慢旋转。
16.根据权利要求9-11任一项所述的方法，还包括测量所述第一和第二管之间的扭矩的变化、每个配重缸的张力值的变化,或上述的组合。
17.根据权利要求9-11任一项所述的方法，其中基于连接至正接管或拆管的管的旋转驱动器，测量所述扭矩，其中所述配重具有反馈，所述反馈包 括下列至少之一:(i )管相对初始位置、相对管柱、相对旋转驱动器或上述的组合的位置；(ii)最小旋转时间；和施加在管或管柱上的重量设置，或(iii)上述两者；或上述的组合。
18.根据权利要求9-11任一项所述的方法，其中旋转圈数、扭矩和时间的可接受的预定值包括最大、最小和最优值中的至少两个值。
19.一种利用旋转驱动器将管与管柱接管或将管从管柱上拆管的自动化方法，所述自动化方法包括:选择第一管650和第二管以彼此接管或拆管；向控制器300输入关于所述管的信息，其中所述控制器300被编程有圈数、扭矩和持续的最小时间的可接受的预定值；开始旋转，以将所述管650与所述管柱750接管，或者将所述管650从所述管柱750上拆管；在所述接管或拆管期间，监测旋转圈数、扭矩和持续的最小时间，以获得测量数据；将来自可操作地关联所述旋转驱动器200的传感器500的测量数据传送给所述控制器 300 ;和基于所述测量数据与初始旋转的值的比较处于所有三个可接受的旋转圈数、扭矩和持续的最小时间的范围内，停止旋转。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括:如果圈数、扭矩或持续的最小时间的值其中之一不可接受，则开始补救动作。
21.根据权利要求19 所述的方法，还包括向操作者显示测量数据。
【文档编号】E21B19/18GK103502571SQ201280020726
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2011年4月28日
【发明者】约翰·B·帕特森, 罗曼·K·诺瓦克, 贾斯汀·M·亚斯基, 斯坦尼斯瓦夫·C·苏利马 申请人:坎里格钻探技术有限公司