一种钻机和修井机井口管柱交接互锁管控装置及方法与流程

本发明属于石油机械电气控制技术领域，涉及一种钻机和修井机井口管柱交接互锁管控装置，本发明还涉及一种钻机和修井机井口管柱交接互锁管控方法。

背景技术：

石油钻机和修井机作业时处理钻杆、钻铤、油管(统称为管柱)等贯穿于整个钻修井过程。针对钻井工况，开始钻井前需要将管柱由地面堆场运输至钻台面并建立立根存放于立根台；钻井过程中需要频繁的起下钻，此过程涉及将管柱在立根排放区与井口之间的位置转移；完钻后还需将管柱从井中提出并拆卸为单根收集。针对修井工况，需将油管(气管)从井中提出，卸扣排放，修井完毕后再将其逐个连接下放至井内。这其中的任一管柱处理过程都涉及管柱持有权限的交接。

随着自动化钻机和修井机的推广应用，卡瓦和吊卡分别被动力卡瓦和液压吊卡所取代。操作方式也由设备就近直接操作升级为集成式操作台远程控制。管柱交接处理过程的成功与否也变为操作者在司钻房内观察。而当设备活门未正对司钻房、环境光线较弱等非理想工况出现时，远程操作人员观察错误，可能造成安全事故。

因此，目前还没有一种石油钻机和修井机在井口交接管柱时的安全管理系统，由系统自动判断交接过程是否成功，进而进一步限制操作是否可继续执行。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钻机和修井机井口管柱交接互锁管控装置，解决了现有技术无法自动判断管柱处理过程中权限交接是否成功的问题，同时能够自动判断是否满足继续执行操作的条件，确保自动化钻机和修井机井口管柱权限交接过程的绝对安全。

本发明的另一目的是提供一种钻机和修井机井口管柱交接互锁管控方法。

本发明采用的技术方案是，一种钻机和修井机井口管柱交接互锁管控装置，在钻台面的井口位置安装有动力卡瓦，管柱通过动力卡瓦延伸至井筒内部；钻机或修井机的游吊机构连接有吊环，吊环的下端悬挂有液压吊卡，

以管柱互锁控制系统为核心，管柱互锁控制系统内部包括plc控制器、工业以太网网关、dc电源，plc控制器、工业以太网网关、dc电源均安装于控制箱体中；

dc电源负责将ac交流电转换为24v的dc控制电，给plc控制器、工业以太网网关供电；

plc控制器负责该管柱互锁控制系统中控制程序的逻辑运算；

工业以太网网关与液压吊卡电控、动力卡瓦电控、绞车电控、人机界面单元以及plc控制器之间通过profinet通讯电缆连接。

本发明采用的另一技术方案是，一种钻机和修井机井口管柱交接互锁管控方法，该管控方法的控制前提是，当绞车提升高度≤1m时，则执行管柱交接互锁管控方法，该管柱交接互锁管控方法实现的主要功能包括：液压吊卡打开保护、动力卡瓦打开保护、绞车正转权限控制、绞车反转权限控制，

该管控方法包括：管柱互锁控制系统管理液压吊卡向动力卡瓦交接管柱，以及管柱互锁控制系统处理动力卡瓦向液压吊卡交接管柱。

本发明的有益效果是，实现井口管柱交接过程设备操作的安全互锁；自动判断管柱是否交接成功，易设置、免维护；工作稳定，不受任何人为因素和外界环境的干扰，传感器检测准确无误；系统自动判断互锁区域，仅将管柱位于该区域内时才会激活互锁保护，互锁区域外无操作限制。

附图说明

图1是本发明装置的控制原理示意图；

图2是本发明装置涉及的液压吊卡与动力卡瓦在井口交接管柱示意图；

图3是本发明装置中的人机界面单元实施例的布局示意图；

图4是本发明方法的交接方式实施例之一；

图5是本发明方法的交接方式实施例之二。

图中，1.钻台面，2.管柱，3.动力卡瓦，4.液压吊卡，5.吊环，6.管柱互锁控制系统，7.人机界面单元，8.液压吊卡电控，9.动力卡瓦电控，10.绞车电控，11.接近开关a，12.接近开关b，13.编码器，14.互锁管理区，15.消息提示区，16.设备操作区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在钻井或修井作业时，需在钻台井口位置进行管柱交接，该过程主要涉及液压吊卡与动力卡瓦的管柱持有权限交接。

参照图2，是钻台井口位置管柱交接过程涉及的机构布局，在钻台面1的井口位置安装有动力卡瓦3，管柱2通过动力卡瓦3延伸至井筒内部；钻机或修井机的游吊机构连接有吊环5，吊环5的下端悬挂有液压吊卡4，由液压吊卡4悬挂管柱2随游吊机构上下运动；

当动力卡瓦3松开时，管柱2可在动力卡瓦3内部随游吊机构上下运动；当动力卡瓦3卡紧时，管柱2穿过动力卡瓦3的部位处于被锁紧状态，游吊机构无法带动管柱2下放；液压吊卡4也有打开和关闭两种状态，当打开时无法提升管柱2，仅当关闭时才可提升管柱2；

动力卡瓦3与液压吊卡4交接管柱2时(二者之间距离小于设定值时视为二者交接管柱2)，两者均处于关闭状态后才可打开其中一个设备，即：若要松开动力卡瓦3则需先关闭液压吊卡4；若要打开液压吊卡4则需先卡紧动力卡瓦3；否则，有可能出现管柱2的脱落事故；

因此，需在上述管柱交接操作过程设置必要的交接互锁装置及方法。

参照图1，本发明管柱交接互锁管控装置实施例的结构是，以管柱互锁控制系统6为核心，管柱互锁控制系统6内部包括plc控制器、工业以太网网关、24v的dc电源、以及必要的连接电缆和固定附件，plc控制器、工业以太网网关、dc电源均安装于控制箱体中，并固定牢靠；dc电源负责将ac交流电(220v的ac交流电或380v的ac交流电)转换为24v的dc控制电，给plc控制器、工业以太网网关供电；plc控制器负责该管柱互锁控制系统6中控制程序的逻辑运算；工业以太网网关与液压吊卡电控8、动力卡瓦电控9、绞车电控10、人机界面单元7以及plc控制器之间通过profinet通讯电缆连接，实现plc控制器与各连接设备进行实时数据交互通讯。

液压吊卡电控8与接近开关a11信号连接(接近开关a11安装于液压卡活门处，用于检测吊卡活门是否可靠关闭。)，液压吊卡电控8需要接收接近开关a11的反馈值，通过位置信息直接检测活门打开或关闭状态，并经液压吊卡电控8处理后通过工业以太网网关，以总线形式发送至plc控制器。

液压吊卡电控8向管柱互锁控制系统6发送的数据为：液压吊卡关闭状态；管柱互锁控制系统6向液压吊卡电控8发送的数据为：允许液压吊卡打开指令，具体是：

液压吊卡电控8需向管柱互锁控制系统6中plc控制器发送液压吊卡4的打开/关闭状态信号，该状态信号为开关量，当plc控制器接收到高电平信号时表示液压吊卡4处于关闭状态，当plc控制器接收到低电平信号时表示液压吊卡4处于打开状态。plc控制器需向液压吊卡电控8发送允许液压吊卡4打开的状态指令，当该指令为高电平时表示允许液压吊卡电控8执行液压吊卡4打开的动作，当该指令为低电平时表示不允许液压吊卡电控8执行液压吊卡4打开的动作。

动力卡瓦电控9与接近开关b12信号连接(接近开关b12安装于动力卡瓦3内部卡紧件的下端或侧面，用于检测卡紧机构的卡紧状态)，动力卡瓦电控9需要接收接近开关b12的状态信号，通过该状态信号直接检测卡瓦的松开或卡紧状态，并经过动力卡瓦电控9处理后通过工业以太网网关，以总线形式发送至plc控制器。

动力卡瓦电控9需要发送的数据为：动力卡瓦松开卡紧状态；动力卡瓦电控9需要接收的数据为：允许动力卡瓦打开指令，具体过程是：

动力卡瓦电控9需向管柱互锁控制系统6中plc控制器发送动力卡瓦3的松开/卡紧状态信号，该状态信号为开关量，当plc控制器接收到高电平信号时表示动力卡瓦3处于卡紧状态，当plc控制器接收到低电平信号是表示动力卡瓦3处于松开状态。plc控制器需向动力卡瓦电控9发送允许动力卡瓦3松开的状态指令，当该指令为高电平时表示允许动力卡瓦电控9执行动力卡瓦3松开的动作，当该指令为低电平时表示不允许动力卡瓦电控9执行动力卡瓦3松开的动作。

绞车电控10与绞车的编码器13信号连接，编码器13用于检测绞车提升高度值，该高度值通过绞车电控10处理后通过工业以太网网关，以总线形式发送至plc控制器。

绞车电控10需要发送的数据为：提升高度；绞车电控10需要接收的数据包括：允许绞车上提、允许绞车下放、禁止绞车上提、禁止绞车下放四种信号，具体过程是：

绞车电控10需向管柱互锁控制系统6中plc控制器发送游车机构高度的值，该状态信号为实数型。管柱互锁控制系统6中plc控制器需向绞车电控10发送允许绞车上提、允许绞车下放、禁止绞车上提、禁止绞车下放的信号，上述四个状态信号均为开关量。

当绞车电控10接收到允许绞车上提的高电平、允许绞车下放的低电平、禁止绞车上提的低电平、禁止绞车下放的高电平时可执行绞车的上提动作；

当绞车电控10接收到允许绞车上提的低电平、允许绞车下放的高电平、禁止绞车上提的高电平、禁止绞车下放的低电平时可执行绞车的下放动作；

当绞车电控10接收到其他状态信号时均不允许绞车执行上提或下放动作。

管柱互锁控制系统6中预置有实现上述管柱交接互锁管控过程的控制程序，主要包括管柱交接互锁管理过程中的内部逻辑运算；通过与其它设备电控部件的通讯，发送或接收实时数据；通过与人机界面单元7的通讯，实现逻辑处理结果显示、以及接收操作指令。

本发明钻机和修井机井口管柱交接互锁管控方法的控制前提是，当绞车提升高度>1m后则退出本发明管柱交接互锁管控装置的保护范畴，设备动作不受该保护程序控制；当绞车提升高度≤1m时，则执行本发明的管柱交接互锁管控方法，该管柱交接互锁管控方法实现的主要功能包括：液压吊卡打开保护、动力卡瓦打开保护、绞车正转权限控制、绞车反转权限控制。

参照图3，为管柱交接互锁管控装置中的人机界面单元7的一种实施例布局结构，人机界面单元7由操作面板和触摸式一体机组成，根据功能划分为互锁管理区14、消息提示区15和设备操作区16，

互锁管理区14位于触摸式一体机，用于管柱交接互锁管控装置的参数设置，包括：井口安全互锁开关、游车高度信号是否有效、井口安全区域高度设定(默认1m)等。该参数将发送至管柱互锁控制系统6，用于系统内部程序的逻辑运算。

消息提示区15位于触摸式一体机，包括的指示灯分别为液压吊卡关闭指示、互锁功能激活指示、动力卡瓦卡紧指示、交接条件满足指示；包括的数值显示窗口为提升高度显示；包括的内容提示窗口为提示消息。上述提示信息用于向操作者提示当前是否具有互锁功能被激活、交接过程的条件是否满足、未满足条件的原因以及各设备的传感器状态提示。

设备操作区16位于操作面板，主要功能包括：液压吊卡打开、液压吊卡关闭、动力卡瓦打开、动力卡瓦关闭四个开关量按钮；绞车正转/反转一个单轴双向模拟量控制手柄。分别用于液压吊卡4、动力卡瓦3、绞车正反转三个设备和主要功能的操作指令下发。

下述图4和图5流程图，为本发明管柱交接互锁管控方法在两个交接方向的具体控制方式实施例：

参照图4，为管柱互锁控制系统6管理液压吊卡4向动力卡瓦3交接管柱2的过程，具体步骤是：

第一步，管柱互锁控制系统6接收到液压吊卡4打开操作指令后，执行该管控方法的前提为井口安全互锁功能开启、游车高度信号有效以及绞车电控10发送的提升高度位于1m以内；否则不属于管柱互锁控制系统6所管理的管柱2交接过程，直接退出管柱交接互锁程序；

第二步，满足第一步所述条件后，判断接收到动力卡瓦电控9发送的动力卡瓦3的松开卡紧状态信号，若收到松开状态信号则终止操作，若收到卡紧状态信号则向液压吊卡电控8发送允许液压吊卡4打开的指令信号；

第三步，程序判断液压吊卡4是否打开，管柱互锁控制系统6读取液压吊卡电控8发送的液压吊卡4打开关闭状态，若此状态为关闭则认为液压吊卡4打开失败，终止操作；否则执行管柱2交接成功，

在此程序执行过程中，若执行至“终止操作”指令则此时管柱互锁控制系统6向绞车电控10发送“禁止绞车上提”的指令，若执行至“管柱交接成功”指令则此时管柱互锁控制系统6向绞车电控10发送“允许绞车上提”的指令。

参照图5，为管柱互锁控制系统6处理动力卡瓦3向液压吊卡4交接管柱2的过程，具体步骤是：

步骤1，管柱互锁控制系统6接收到动力卡瓦3打开操作指令后，执行该管控方法的前提为井口安全互锁功能开启、游车高度信号有效以及绞车电控10发送的提升高度位于1m以内；否则不属于管柱互锁控制系统6所管理的管柱2交接过程，直接退出管柱交接互锁程序；

步骤2，满足步骤1所述条件后，判断液压吊卡电控8发送的液压吊卡4的打开关闭状态，若收到打开状态信号则终止操作，若收到关闭状态信号则向动力卡瓦电控9发送允许动力卡瓦3松开的指令，执行动力卡瓦3的松开动作；

步骤3，程序判断动力卡瓦3是否松开，管柱互锁控制系统6读取动力卡瓦电控9发送的动力卡瓦3的松开锁紧状态，若此时状态为卡紧则认为动力卡瓦3松开失败，终止操作；否则执行管柱2交接成功，

在此程序执行过程中，若执行至“终止操作”指令则此时管柱互锁控制系统6向绞车电控10发送“禁止绞车上提”的指令，若执行至“管柱交接成功”指令则此时管柱互锁控制系统6向绞车电控10发送“允许绞车上提”的指令。

本发明针对现有技术无法直接判断自动化钻机和修井机中管柱持有权限交接是否成功的问题提出了一种钻机和修井机井口自动管柱交接互锁管控装置及方法，避免管柱在钻台低位区交接时出现交接失误造成的安全问题，为交接管柱提供稳定的逻辑判断程序。