一种顶驱通讯系统和方法与流程-k8凯发

本发明涉及石油钻采工业生产领域，尤其涉及一种顶驱通讯系统和方法。

背景技术：

1、顶驱是顶部驱动钻井装置的简称，是一种安装在井架内部，由游车悬持的钻井装置。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，并沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进、循环钻井液、接立柱、上卸扣、倒划眼、下套管等多种钻完井操作。该装置能显著提高钻井作业的能力和效率，已成为石油钻井行业的标准产品。

2、为了实现顶驱的复杂操作，顶驱配备了一套完善的控制系统，从组成上来讲包括：司钻台、电控房、通讯电缆和本体站(位于顶驱本体上的通讯站点)。

3、电控房内布置有系统主控制器，主控制器通过通讯的方式实现对驱动系统和辅助系统的控制(驱动系统为顶驱电机的动力系统，包括：进线柜、变频器、动力电缆和主电机；辅助系统为顶驱的状态监测、液压系统控制系统)，同时与司钻台和本体站通讯。主控制器收到司钻台下达的指令，通过控制电缆将控制信号传递到顶驱本体上的执行元件，实现顶驱的控制，或接受顶驱本体上的传感器信号实现顶驱的状态感知。传统顶驱的主控制器与本体站的通讯方式有两种，具体地：

4、1)主控制器通过多芯电缆连接传感器或电子执行元件，实现两者之间的直接通讯。多芯电缆封装成一束组成通信电缆束，一端与顶驱本体箱内部的各个传感器和电子执行元件的接线端子相连，一端与电控房内的主控制器相连。为了满足顶驱本体在井架空间上下移动，采用拖挂的游动线缆的方式实现，因此顶驱的游动线缆不仅承受夏季的高温暴晒和冬季的寒冷冰冻等恶劣的自然环境，还要承受反复的弯折、拖拽。

5、2)主控制器通过现场总线方式连接分布式子站。使用现场总线通讯时，顶驱本体上布置的各种传感器和电子执行元件分别接入位于本体箱内部的分布式子站的输入输出端子上，经子站与系统主控制器通讯。采用现场总线通信方法，电控房和本体站之间的通讯介质可从几十芯电缆简化为一组或数组对芯双绞通讯电缆。

6、随着顶驱的使用范围越来越广泛，应用工况越来越复杂，应用环境也越来越恶劣，围绕顶驱而发展起来的钻井辅助工具、钻井工艺方法越来越多。例如液压吊卡、吊环倾角精确控制技术、回转头转速精确控制技术等。这些辅助工具、工艺和技术得以实现的基础是顶驱通讯系统具备完备的通讯功能和良好的扩展性。纵观现有顶驱通讯技术，尚不能满足这些新的辅助工具和工艺技术对于顶驱通讯系统的要求，主要问题有以下几个方面：

7、1)顶驱的智能化升级是顶驱的发展不可逾越的一步，顶驱的智能化升级离不开不断增加的传感器和电子执行机构，当顶驱的本体站与主控制器之间采用电缆直接连接通讯时，随着顶驱本体上传感器、电子执行机构的增加，通讯电缆的芯数需要不断增加(每增加一个传感器或电气执行元件至少需要增加两芯的电缆)，必须选用电缆芯数更多的通信电缆束，电缆芯数增加几芯甚至几十芯。现有钻机和顶驱的机械结构已经无法满足不断加粗和变重的通信电缆束。因此，传统的多芯电缆通讯方式限制了顶驱的功能的扩展。

8、2)当采用总线通讯时，一条网线上可传输几十个传感器和电子执行机构的控制信号，可避免随着传感器和电子执行机构的增加而不断增加电缆的数量。但是，现场总线的传输距离有限，基于以太网的现场总线理论最大传输距离为100米，否则就需要增加中继装置。顶驱本体与电控房的安装距离通常在110米以上，钻井现场环境一般无法满足安装中继装置的条件，因此工程上普遍使用光纤代替网线。从通信的角度来看，光纤通信具有容量大、传输距离远、抗干扰能力强等优点，实际应用效果也表明光纤应用在顶驱现场总线通信时能很好的替代网线，现阶段顶驱厂家的现场总线基本采用光纤作为通信载体。

9、3)光纤质地脆、机械强度差的缺点随着顶驱服役环境越来越恶劣而变得越来越突出，例如在寒冷环境下，光纤变得硬而脆，当顶驱本体强烈震动或检修时插拔不当，极易造成光纤接头断裂。光纤的接续需要专用的工具、设备和技术，用户一般很难在现场自行进行修复，必须更换整根通讯电缆，需要投入很大的人力、物力。

10、顶驱通讯系统面临的另一个问题是：随着液压吊卡的状态信号、背钳的锁紧信号、吊环倾斜角度等一系列状态信号需要回传到主控制器以实现与钻机联动、状态监测等功能。这些传感器与现有顶驱上安装的各种传感器的区别在于：

11、1)现有顶驱的传感器和电子执行元件都是安装在顶驱本体的固定零件上，当顶驱工作时，传感器或电子执行元件与本体箱之间保持相对静止，因此传感器的线路不随顶驱的工作状态发生改变，可直接接入本体箱；

12、2)液压吊卡开合传感器、背钳锁紧传感器和吊环倾斜角度传感器在顶驱工作时，一般需要随着回转头旋转，即传感器和电子执行元件与本体箱之间的距离随着顶驱工作状态而发生变化的，如果直接将这些传感器的线路接入本体箱，回转头旋转角度过大时将扯断线路。

13、目前国内少有相关专利、论文和研究针对顶驱的通讯系统做详细的阐述及提供改进的措施。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种顶驱通讯系统和方法。

2、本发明的一种顶驱通讯系统的技术方案如下：

3、包括第一信号耦合装置、第二信号耦合装置，以及设有第一数据接收发送端和第二数据接收发送端的信号转换装置，且所述第一数据接收发送端和所述第二数据接收发送端相互机械分离，所述信号转换装置用于连接在顶驱与所述顶驱的分布式子站之间的通信线缆上，所述第一信号耦合装置的一端连接所述顶驱的主控制器，所述第一信号耦合装置的另一端连接在所述电控房内的电源与用于直接向所述分布式子站供电的直流电源之间的输电电缆上，所述第二信号耦合装置的两端分别连接所述输电电缆和所述分布式子站；

4、所述第一信号耦合装置接收所述主控制器下发的控制指令所对应的控制信号，并将所述控制信号耦合进所述输电电缆上，发送至所述第二信号耦合装置；

5、所述第二信号耦合装置接收所述控制信号，并将所述控制信号依次通过所述分布式子站、所述信号转换装置发送至所述顶驱，以使所述顶驱根据所述控制信号得到所述控制指令并执行。

6、本发明的一种顶驱通讯系统的有益效果如下：

7、一方面，通过设置具有相互机械分离的第一数据接收发送端和第二数据接收发送端的信号转换装置，实现了在顶驱回转头回转过程中，信号传输不中断的功能，避免了顶驱回转头旋转角度过大导致线路扯断的情况，另一方面，通过现有的输电电缆进行数据通讯，不需要重新布置电缆以及信号线，能够远距离传输，且不易损坏，成本低。

8、在上述方案的基础上，本发明的一种顶驱通讯系统还可以做如下改进。

9、进一步，所述第二信号耦合装置接收所述分布式子站发送的现场测量信号，并将所述现场测量信号耦合进所述电控房内的电源与用于直接向所述顶驱供电的直流电源之间的输电电缆上，并发送至所述第一信号耦合装置，其中，所述顶驱生成现场测量数据所对应的现场测量信号，并通过所述信号转换装置发送至所述分布式子站；

10、所述第一信号耦合装置接收并将所述现场测量信号发送至主控制器，以使所述主控制器根据所述现场测量信号，得到所述现场测量数据。

11、进一步，所述信号转换装置为两个无线通信装置，或者所述信号转换装置为电滑环，其中，分别连接所述电滑环的固定结构与旋转结构的导线为所述电滑环的第一数据接收发送端和第二数据接收发送端。

12、进一步，所述第一信号耦合装置的一端通过第一现场总线连接所述顶驱的主控制器。

13、进一步，所述第二信号耦合装置的一端通过第二现场总线连接所述分布式子站。

14、本发明的一种顶驱通讯方法的技术方案如下：

15、第一信号耦合装置接收主控制器下发的控制指令所对应的控制信号，并将所述控制信号耦合进所述输电电缆上，发送至第二信号耦合装置；

16、所述第二信号耦合装置接收所述控制信号，并将所述控制信号依次通过分布式子站、信号转换装置发送至所述顶驱，以使所述顶驱根据所述控制信号得到所述控制指令并执行；

17、其中，所述信号转换装置包括相互机械分离的第一数据接收发送端和第二数据接收发送端，所述信号转换装置连接在所述顶驱与所述顶驱的分布式子站之间的通信线缆上，所述第一信号耦合装置的一端连接所述顶驱的主控制器，所述第一信号耦合装置的另一端连接在所述电控房内的电源与用于直接向所述分布式子站供电的直流电源之间的输电电缆上，所述第二信号耦合装置的两端分别连接所述输电电缆和所述分布式子站。

18、本发明的一种顶驱通讯方法的有益效果如下：

19、一方面，通过设置具有相互机械分离的第一数据接收发送端和第二数据接收发送端的信号转换装置，实现了在顶驱回转头回转过程中，信号传输不中断的功能，避免了顶驱回转头旋转角度过大导致线路扯断的情况，另一方面，通过现有的输电电缆进行数据通讯，不需要重新布置电缆以及信号线，能够远距离传输，且不易损坏，成本低。

20、在上述方案的基础上，本发明的一种顶驱通讯方法还可以做如下改进。

21、进一步，还包括：

22、所述第二信号耦合装置接收所述分布式子站发送的现场测量信号，并将所述现场测量信号耦合进所述电控房内的电源与用于直接向所述顶驱供电的直流电源之间的输电电缆上，并发送至所述第一信号耦合装置，其中，所述顶驱生成现场测量数据所对应的现场测量信号，并通过所述信号转换装置发送至所述分布式子站；

23、所述第一信号耦合装置接收并将所述现场测量信号发送至主控制器，以使所述主控制器根据所述现场测量信号，得到所述现场测量数据。

24、进一步，所述信号转换装置为两个无线通信装置，或者所述信号转换装置为电滑环，其中，所述电滑环的固定结构与旋转结构为所述电滑环的第一数据接收发送端和第二数据接收发送端。

25、进一步，所述第一信号耦合装置的一端通过第一现场总线连接所述顶驱的主控制器。

26、进一步，所述第二信号耦合装置的一端通过第二现场总线连接所述分布式子站。