反扭矩释放方法及装置

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别涉及一种反扭矩释放方法及装置。

背景技术

在现有石油钻机系统中，转盘或顶驱(即顶部驱动)在钻进过程中可能会产生反扭矩，进而引起转盘或顶驱快速倒转。例如，当一根立柱打完后即将更换另一根立柱时，需要将转盘或顶驱停转后再进行立柱更换工作，但如果钻进深度超过一定井深且遇到井底地层较硬时就会产生反扭矩，若此时停止转盘或顶驱工作，转盘或者顶驱在反扭矩作用下会快速倒转。再例如，在钻进过程中出现堵转现象，钻具速度自动降为零，此时井下会产生非常大的反扭矩，而如果变频器出现故障无法向转盘或顶驱输出扭矩，这时转盘或顶驱会快速倒转。

为减少转盘或顶驱快速倒转给钻机系统带来的伤害，需要对反扭矩进行释放。目前的反扭矩释放方式一般是由经验丰富的司钻采用点动刹车方式，使转盘或顶驱缓慢反转来释放反扭矩。但这种方式会使刹车盘磨损较快，而且需要司钻注意力极度集中，并保证刹车能快速响应。

发明内容

本发明提供了一种反扭矩释放方法及装置，能够使驱动装置的反扭矩缓慢的自动释放，不需要司钻采用点动刹车方式，减少刹车盘的磨损，节省人力。

第一方面，本发明提供了一种反扭矩释放方法，该方法包括：

确定是否需要进入反扭矩释放状态；

若是，则减少对驱动装置的输出扭矩，减小所述驱动装置对应的转速限幅，并监测反扭矩的释放过程是否出现异常状态，在出现异常状态时调节对驱动装置的输出扭矩，并在异常状态消失后继续减少对所述驱动装置的输出扭矩，直到所述驱动装置的反扭矩释放完成，所述转速限幅用于在反扭矩释放完成后对所述驱动装置的转速进行限制。

第二方面，本发明提供了一种反扭矩释放装置，该方法包括：

状态确定模块，用于确定是否需要进入反扭矩释放状态；

反扭矩释放模块，用于在确定需要进入反扭矩释放状态时，减少对驱动装置的输出扭矩，减小所述驱动装置对应的转速限幅，并监测反扭矩的释放过程是否出现异常状态，在出现异常状态时调节对驱动装置的输出扭矩，并在异常状态消失后继续减少对所述驱动装置的输出扭矩，直到所述驱动装置的反扭矩释放完成，所述转速限幅用于在反扭矩释放完成后对所述驱动装置的转速进行限制。

第三方面，本发明提供一种变频器，包括存储器、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，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面提供的方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的方法的步骤。

第五方面，本发明提供一种计算机程序，包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时使至少一个处理器执行第一方面提供的方法的步骤。

本发明提供的反扭矩释放方案，在确定需要进入反扭矩释放状态时，减少对驱动装置的输出扭矩，监测释放过程是否出现异常状态，并在出现异常状态时对输出扭矩进行调整，直到反扭矩释放完成，因此本发明能够实现反扭矩自动的缓慢释放，减少异常状态给钻井系统带来的伤害，保证反扭矩释放过程的安全性。这个过程不需要经验丰富的司钻采用点刹的方式释放反扭矩，因此可以减少这种方式给刹车盘带来的磨损，而且也节省了人力。而且，本发明还减小了所述驱动装置对应的转速限幅，这样当反扭矩释放完成后驱动装置不会突然快速转动，从而保证在反扭矩释放完成后的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以基于这些附图获得其他的附图。

图1a是本发明一个实施例提供的反扭矩释放方法的流程示意图；

图1b是本发明另一个实施例中步骤S120的流程示意图；

图2是本发明又一个实施例提供的反扭矩释放装置的结构框图；

其中，附图标记如下：

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在钻井系统中，在钻井系统中，变频器连接驱动装置，驱动装置连接钻具，变频器向驱动装置输出扭矩，输出扭矩通过驱动装置驱动钻具中的钻杆进行工作。其中驱动装置即顶驱或者转盘。

第一方面，本发明提供一种反扭矩释放方法，该方法由变频器执行，如图1a所示，该方法可以包括如下步骤S110～S120：

S110、确定是否需要进入反扭矩释放状态；

在具体实施时，可以有三种处理模式：自动模式、手动模式和关闭模式，模式的选择可以在钻井系统的人机交互屏上设定，无需增加硬件开关，在人机交互屏上设定好处理模式后，向变频器发送相应的模式信息，进而便于变频器进行相应的处理。在自动模式下，变频器可以根据现场的操作状态、数据采集情况自行判断是否需要进入反扭矩释放状态，如果需要则由变频器自主进行反扭矩释放的操作。而手动模式下，由司钻人工判断是否需要进入反扭矩释放状态，如果需要则启动钻井系统的人机交互屏上的一键释放功能，然后由变频器自主进行反扭矩释放的操作。在关闭模式下，由司钻人工判断是否需要进入反扭矩释放状态，并由司钻人工进行反扭矩释放的操作。

也就是说，步骤S110可以包括：若反扭矩释放模式被配置为自动模式，则获取在钻井过程中钻井系统的运行信息，并根据所述运行信息判断所述驱动装置是否处于反扭矩饱和状态；若是，则确定需要进入反扭矩释放状态。

举例来说，在钻井状态下，井下钻具的反扭矩达到最大限幅，而驱动装置的转速接近于0，此时则认为驱动装置处于反扭矩饱和状态。

当然还可以采用更为量化的判断方式，获取的运行信息可以包括所述钻杆产生的反扭矩和所述驱动装置的输出效率，然后判断所述运行信息是否满足预设条件；若满足则驱动装置处于反扭矩饱和状态，此时需要进行反扭矩释放。其中预设条件可以包括

式中，T

从上述预设条件中可以看出，当T

而且，在钻具与井壁产生的摩擦力中，既考虑了钻具的重量和密度，也考虑了钻具中泥浆的质量和密度，比较符合在实际工作场景。而且，由于在实际场景中，钻井未必是竖直的，有可能会有一定的倾斜度。实际上很多场景中，钻具都是以一定的倾斜角向下钻井的。所以考虑到这一点，在9.8μN(m

进一步的，这里的减速比为输出速度与输入速度的比值，可理解的是，变频器输出的扭矩经过驱动装置传递给钻具，变频器输入给驱动装置的动力和驱动装置输出给钻具的动力会产生损耗，依据该减速比可以确定损耗后的动力。进一步考虑到驱动装置的输出效率，所以驱动装置的最大扭矩为T

可理解的是，当满足上述预设条件时，驱动装置的转速接近于0。

从上述预设条件中可以看出，预设条件中考虑了钻杆的反扭矩、质量因素、密度因素、摩擦因素、钻井的倾斜角、减速比和输出效率等，即考虑到多方面因素来确定一个匹配的预设条件，符合实际的场景需求。

在具体实施时，若反扭矩释放模式被配置为手动模式，若工作人员启动了人机交互屏上的反扭矩释按键，则确定需要进入反扭矩释放状态。也就是说，变频器响应于对人机交互屏上的反扭矩释按键的触发，确定需要进入反扭矩释放状态。

S120、若确定需要进入反扭矩释放状态，则减少对驱动装置的输出扭矩，减小所述驱动装置对应的转速限幅，并监测反扭矩的释放过程是否出现异常状态，在出现异常状态时调节对驱动装置的输出扭矩，并在异常状态消失后继续减少对所述驱动装置的输出扭矩，直到所述驱动装置的反扭矩释放完成，所述转速限幅用于在反扭矩释放完成后对所述驱动装置的转速进行限制。

可理解的是，转速限幅的作用是对驱动装置的转速进行限制，而不是对反转速度进行限制，是在反扭矩释放完成后，变频器恢复了驱动装置正常工作时所需要的输出扭矩。例如，在正常工作时，变频器对驱动装置的输出扭矩为N1，在反扭矩释放后，变频器对驱动装置的输出扭矩降为N2。由于驱动装置需要正常工作，因此再次将变频器对驱动装置的输出扭矩恢复为N1。驱动装置在恢复后的输出扭矩的作用下会突然快速转动，也有可能会发生钻井事故等风险，因此将原来的转速限幅减小。例如，原来的转速限幅为1000rpm，减小到原来限幅的2％，即将转速限幅设置为20rpm，这样当驱动装置在恢复后的输出扭矩的作用下也不会突然快速转动，保证反扭矩释放完成后不会发生故障等。在正常工作一段时间之后，可以再将转速限幅恢复为原来的1000rpm。

可理解的是，不论是自动模式还是手动模式，只要进入了反扭矩释放模式，反扭矩的释放操作是一样的。

可理解的是，当驱动装置处于反扭矩饱和状态时，钻具的反扭矩增大到变频器所输出的扭矩，此时驱动装置从变频器得到的扭矩和从钻具得到的反扭矩达到平衡，此时若变频器减少对驱动装置的输出扭矩，则驱动装置会进入反转状态，从而释放反扭矩。

在具体实施时，可以按照预设的比例逐步减少对驱动装置的输出扭矩，例如刚开始变频器对驱动装置的输出扭矩为1000Nm，设置预设比例为2％，这样变频器对驱动装置的输出扭矩每秒以步长20Nm的速度降低，980、960、940……，直到反扭矩释放完成。当然也可以将在上一秒的输出扭矩的基础上降低2％，例如，980、960.4、941.192……，直到反扭矩释放完成，因为随着反扭矩的减小，驱动装置的反转速度会加快，通过这种方式可以适当放慢反扭矩的释放步伐，驱动装置的反转速度增加的较慢。

在具体实施时，需要缓慢释放反扭矩，反扭矩的释放过快会导致释放过程出现异常，异常状态有多种，例如，变频器出现过电压、反转速度过快可能会引发钻杆倒扣等。针对不同的异常状态需要不同的判断方法。

其中，S120中所述监测反扭矩的释放过程是否出现异常状态，在出现异常状态时调节对驱动装置的输出扭矩可以包括：监测变频器是否处于过电压状态，若是，则确定所述释放过程出现第一异常状态，并停止减少对所述驱动装置的输出扭矩。

在判断第一异常状态时，具体可以通过监测变频器的直流母线电压是否高于预设电压值，若直流母线的电压高于预设值则认为变频器处于过电压状态，进而认为释放过程出现了第一异常状态。

可理解的是，当变频器处于过电压状态时，有可能会造成变频器故障，变频器因故障无法向驱动装置输出扭矩时会造成驱动装置快速倒转产生危险，因此在反扭矩的释放过程中监测变频器是否处于过电压状态。如果出现过电压状态，则停止减少对所述驱动装置的输出扭矩，即保持对驱动装置的输出扭矩不变，进而缓解变频器的过电压状态，在第一异常状态消失后，接着继续减少对所述驱动装置的输出扭矩。

其中，参见图1b，S120中监测反扭矩的释放过程是否出现异常状态，在出现异常状态时调节对驱动装置的输出扭矩的过程也可以包括如下步骤S121～S124：

S121、监测所述驱动装置的反转速度是否大于等于预设的第一反转速度，若是，则确定所述释放过程出现第二异常状态；

其中，第一反转速度可以根据经验确定，当驱动装置的反转速度大于第一反转速度时就认为驱动装置的反转速度较快，释放过程出现了第二异常状态。

S122、在所述释放过程出现所述第二异常状态时，判断所述驱动装置的反转速度是否大于等于所述第二反转速度；

其中，第二反转速度大于所述第一反转速度，且所述第二反转速度为所述驱动装置能够引起钻杆发生倒扣的最小反转速度。

也就是说，当释放过程出现第二异常状态时有可能会发生两种情况：一种是驱动装置的反转速度小于第二反转速度；另一种是驱动装置的反转速度大于等于第二反转速度。需要针对不同的情况进行不同的调整。

在具体实施时，第二反转速度可以根据经验值确定，但是由于不同的钻井系统的参数不同，可以采用一个量化的计算标准，具体可以采用第一公式确定第二反转速度，第一公式包括：

式中，n2为所述第二反转速度，t

由于第二反转速度是能够引起钻杆发生倒扣的最小反转速度，这一最小反转速度受多方面的影响。从第一公式中可以看出，第二反转速度的确定因素有多个。

进一步的，上述第一公式可以由如下公式进行相应推导：

其中，由于第二反转速度为所述驱动装置能够引起钻杆发生倒扣的最小反转速度，而n

其中，T

其中，m为所有钻杆的质量之和，ρ1为所述钻杆材质的密度。

S123、若所述驱动装置的反转速度大于等于所述第二反转速度，则增加对所述驱动装置的输出扭矩；

可理解的是，当驱动装置的反转速度达到第二反转速度时，钻井系统发生危险的可能性比较大，此时必须要采取有效措施降低驱动装置的反转速度。为了降低驱动装置的反转速度，需要变频器增加向驱动装置的输出扭矩。

在具体实施时，可以采用第二公式计算对所述驱动装置增加的输出扭矩，所述第二公式包括：

式中，ΔT为增加的输出扭矩，P为变频器的功率，n1为所述驱动装置的反转速度，n2为所述第二反转速度。

可理解的是，当驱动装置的反转速度越大，需要增加的输出扭矩就越大，在计算得到ΔT后，在对驱动装置的当前输出扭矩的基础上增加ΔT。

在增加对驱动装置的输出扭矩之后，继续监测，如果监测后发现驱动装置的反转速度并没有减小，则再次计算新的ΔT，并在当前输出扭矩的基础上继续增加新的ΔT，并继续监测。如果驱动装置的反转速度开始减小，则保持当前的输出扭矩不变，直到驱动装置的反转速度小于第一反转速度。

S124、若所述驱动装置的反转速度小于所述第二反转速度大于等于第一反转速度，则停止减少对所述驱动装置的输出扭矩。

可理解的是，如果虽然释放过程出现了第二异常状态，但是驱动装置的反转速度小于第二反转速度，说明此时驱动装置的反转速度虽然比较大，但是没有引发钻具倒扣的风险，此时只需停止减少对所述驱动装置的输出扭矩，即保持当前输出扭矩不变，直到驱动装置的反转速度小于第一反转速度，第二异常状态消失，继续减小对驱动装置的输出扭矩。

在具体实施时，上述反扭矩释放完成，并非反扭矩减小为0，实际上钻具的反扭矩不会减小为0，因此只要检测到反扭矩小于一定值就认为反扭矩释放完成。例如，一定值为2kNm。也就是说，当检测到钻具的反扭矩小于一定值时，就认为反扭矩释放完成，然后退出反扭矩释放状态，并向人机交互屏发出反扭矩释放完成的提示信息。

可理解的是，对于自动模式而言，变频器自动判断是否需要进入反扭矩释放状态，并实时监测运行状态、调节对驱动装置的输出、自动判断是否释放完成等，实现全自动化处理，无需司钻操作，由于在反扭矩释放过程中监控运行状态，可以实现控制驱动装置的反转速度，实现反扭矩的缓慢释放，避免变频器处于过电压状态而引发变频器故障，进而造成钻具快速倒转产生危险。同时避免反转速度过快而引发钻具倒扣，即根据反转速度的大小自动调节对驱动装置的输出扭矩，在释放完成后自动退出反扭矩释放状态。

第二方面，本发明提供一种反扭矩释放装置，如图2所示，该装置200包括：

状态确定模块210，用于确定是否需要进入反扭矩释放状态；

反扭矩释放模块220，用于在确定需要进入反扭矩释放状态时，减少对驱动装置的输出扭矩，监测反扭矩的释放过程是否出现异常状态，在出现异常状态时调节对驱动装置的输出扭矩，并在异常状态消失后继续减少对所述驱动装置的输出扭矩，直到所述驱动装置的反扭矩释放完成。

在一些实施例中，反扭矩释放模块220中所述监测反扭矩的释放过程是否出现异常状态，在出现异常状态时调节对驱动装置的输出扭矩，可以包括：监测变频器是否处于过电压状态；若是，则确定所述释放过程出现第一异常状态，并停止减少对所述驱动装置的输出扭矩。

在一些实施例中，反扭矩释放模块220中所述监测反扭矩的释放过程是否出现异常状态，在出现异常状态时调节对驱动装置的输出扭矩，可以包括：监测所述驱动装置的反转速度是否大于等于预设的第一反转速度，若是，则确定所述释放过程出现第二异常状态；在所述释放过程出现所述第二异常状态时，判断所述驱动装置的反转速度是否大于等于所述第二反转速度，若是，则增加对所述驱动装置的输出扭矩；所述第二反转速度大于所述第一反转速度，所述第二反转速度为所述驱动装置能够引起钻杆发生倒扣的最小反转速度。

在一些实施例中，反扭矩释放模块220中所述监测反扭矩的释放过程是否出现异常状态，在出现异常状态时调节对驱动装置的输出扭矩，还可以包括：在所述释放过程出现所述第二异常状态时，若所述驱动装置的反转速度小于所述第二反转速度，则停止减少对所述驱动装置的输出扭矩。

在一些实施例中，反扭矩释放模块220可以采用第一公式确定所述第二反转速度，所述第一公式包括：

式中，n2为所述第二反转速度，t

在一些实施例中，反扭矩释放模块220可以采用第二公式计算对所述驱动装置增加的输出扭矩，所述第二公式包括：

式中，ΔT为增加的输出扭矩，P为变频器的功率，n1为所述驱动装置的反转速度，n2为所述第二反转速度。

在一些实施例中，状态确定模块进一步用于：若反扭矩释放模式被配置为自动模式，则获取在钻井过程中钻井系统的运行信息，并根据所述运行信息判断所述驱动装置是否处于反扭矩饱和状态；若是，则确定需要进入反扭矩释放状态；或者，若反扭矩释放模式被配置为手动模式，响应于对人机交互屏上的反扭矩释按键的触发，确定需要进入反扭矩释放状态。

在一些实施例中，所述运行信息包括所述钻杆产生的反扭矩和所述驱动装置的输出效率；状态确定模块中所述根据所述运行信息判断所述驱动装置是否处于反扭矩饱和状态，可以包括：判断所述运行信息是否满足预设条件；若是，则所述驱动装置处于反扭矩饱和状态，所述预设条件包括：

式中，T

第三方面，本发明提供一种变频器，包括存储器、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，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面提供的方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的方法的步骤。具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施方式的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机(或CPU或MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。此外，还可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作。还可以将从存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施方式中任一实施方式的功能。用于提供程序代码的存储介质实施方式包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。

第五方面，本发明还提供一种计算机程序，包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时使至少一个处理器执行以上第一方面提供的方法的步骤。

本发明各实施例至少具有如下有益效果：

在确定需要进入反扭矩释放状态时，减少对驱动装置的输出扭矩，监测释放过程是否出现异常状态，并在出现异常状态时对输出扭矩进行调整，直到反扭矩释放完成，因此本发明能够实现反扭矩自动的缓慢释放，减少异常状态给钻井系统带来的伤害，保证反扭矩释放过程的安全性。这个过程不需要经验丰富的司钻采用点刹的方式释放反扭矩，因此可以减少这种方式给刹车盘带来的磨损，而且也节省了人力。而且，本发明还减小了所述驱动装置对应的转速限幅，这样当反扭矩释放完成后驱动装置不会突然快速转动，从而保证在反扭矩释放完成后的安全性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。