钻机液压逻辑控制系统及方法

权利要求书： 1.一种钻机液压逻辑控制系统，其特征在于，包括：具有大排量主泵(101)以及小排量副泵(102)的泵站(1)；

用于控制起拔油缸(9)起拔速度的快慢速起拔逻辑回路(2)；

用于控制起拔油缸(9)锁紧与浮动转换的动力头锁紧逻辑回路(4)其中，所述快慢速起拔逻辑回路(2)包括快速给进多路阀(201)、慢速给进多路阀(202)、梭阀、液控换向阀(204)；所述快速给进多路阀(201)的A、B口连接梭阀的A、B口，梭阀的C口连接液控换向阀(204)的液控口X；慢速给进多路阀(202)的A、B口连接液控换向阀(204)的A’、B’口；快速给进多路阀(201)A、B口分别与慢速给进多路阀(202)A、B口连接，然后与起拔油缸(9)A、B口连接；

其中，所动力头锁紧逻辑回路(4)进一步包括：梭阀、液控单向阀(404、405)；其中梭阀获取起拔油缸(9)及回转马达(6)状态，当高压油流入起拔油缸(9)或回转马达(6)时，高压油控制液控单向阀(404、405)打开；当起拔油缸(9)或回转马达(6)不工作时，液控单向阀(404、405)锁紧油缸。

2.根据权利要求1所述的一种钻机液压逻辑控制系统，其特征在于，还包括：用于控制钻机部件工作状态转换的常开式卡盘常闭式夹持器逻辑回路(3)；所述常开式卡盘常闭式夹持器逻辑回路(3)进一步包括：起下钻逻辑控制回路(301)、回转逻辑控制回路(302)；

其中起下钻逻辑控制回路(301)通过梭阀获取快速给进多路阀(201)状态，当快速给进多路阀(201)工作时，控制液控换向阀(204)截止慢速给进多路阀(202)，当快速给进多路阀(201)不工作时，慢速给进多路阀(202)至起拔油缸(9)回路联通；

其中回转逻辑控制回路(302)通过梭阀获取动力头状态，动力头转动时，高压油通过梭阀控制常开式卡盘控制液控阀(302b)及常闭式夹持器控制液控阀(302d)控制换向，从而控制常开式卡盘(7)及常闭式夹持器(8)的开合。

3.根据权利要求1所述的一种钻机液压逻辑控制系统，其特征在于，还包括：用于实现压力调节的压力控制回路(5)；所述压力控制回路(5)油源取自小排量副泵(102)，其中，所述压力控制回路(5)包括两个手动减压阀,其中一个手动减压阀控制慢速给进压力，另一个手动减压阀控制常开式卡盘(7)夹紧力。

4.根据权利要求1所述的一种钻机液压逻辑控制系统的控制方法，其特征在于，包括：当快速给进多路阀(201)动作时，压力油通过梭阀控制液控换向阀(204)工作于上位，慢速给进多路阀(202)A、B口截止；快速给进多路阀(201)控制起拔油缸(9)实现快速给进起拔；

快速给进多路阀(201)位于中位时，液控换向阀(204)工作于下位，操作慢速给进多路阀(202)A、B口截止连通，慢速给进多路阀(202)控制起拔油缸(9)实现慢速给进起拔。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，包括：起下钻功能转换多路阀(301a)上位为下钻逻辑，快速给进多路阀(201)或慢速给进多路阀(202)操作至给进位时，常开式卡盘(7)自动夹紧，常闭式夹持器(8)自动松开；快速给进多路阀(201)或慢速给进多路阀(202)操作至给起拔位时，常开式卡盘(7)松开，常闭式夹持器(8)夹紧；

起下钻功能转换多路阀(301a)下位为起钻逻辑，快速给进多路阀(201)或慢速给进多路阀(202)操作至给进位时，常开式卡盘(7)自动松开，常闭式夹持器(8)自动夹紧；快速给进多路阀(201)或慢速给进多路阀(202)操作至给起拔位时，常开式卡盘(7)夹紧，常闭式夹持器(8)松开。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，包括：回转逻辑控制回路(302)中，所述梭阀获取回转马达(6)状态，逻辑控制常开式卡盘(7)及常闭式夹持器(8)，回转马达(6)正转常开式卡盘(7)夹紧、常闭式夹持器(8)松开钻进；回转马达(6)正转常开式卡盘(7)夹紧、截止阀(302c)截止，常闭式夹持器(8)夹紧紧扣；回转马达(6)反转常开式卡盘夹紧、常闭式夹持器(8)夹紧卸扣。

7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，动力头锁紧逻辑回路(4)中，所述梭阀获取回转马达(6)状态，所述梭阀(402)获起拔油缸(9)状态，通过梭阀组成逻辑控制网络，控制液控单向阀(404、405)的开启闭合，当回转马达(6)转动或快速给进多路阀(201)或慢速给进多路阀(202)操作时，液控单向阀(404、405)打开，否则液控单向阀(404、405)锁紧起拔油缸(9)，节流阀(403)实现减压钻进。

说明书： 一种钻机液压逻辑控制系统及方法技术领域[0001] 本发明涉及一种逻辑控制系统及方法，属于钻机技术领域，具体是涉及一种钻机液压逻辑控制系统及方法。

背景技术[0002] 操作钻机过程中，主要涉及回转马达、起拔油缸等主要执行机构与常开式卡盘、常闭式夹持器等辅助机构动作之间的相互配合。在不同的钻探工序，各执行机构与辅助机构

的工作顺序及工作状态不同，钻机操纵人员需要根据不同工序，控制各执行机构及辅助机

构动作，以完成钻探任务。钻机执行机构及辅助机构一般采用液压控制，由于钻机各执行机

构及辅助机构单独控制或部分采用联动控制，钻机操纵人员需在熟悉钻机个执行机构功能

及不同工序对应执行机构工作状态的前提下，同时操纵多个液压阀完成钻机操作。在倒杆

过程中，若司钻人员操纵不熟练，将直接影响倒杆效率。若误操作，将掉钻、损坏钻具等事

故，而且由于需要频繁转换各执行机构之间的配合关系，工人劳动强度大，效率低。

[0003] 目前，有些钻机采用部分联动控制，通过主执行机构工作油路与辅助机构工作油路连接，通过执行机构工作压力油控制辅助机构动作，此方法虽然能部分实现执行机构与

辅助机构的联动，但由于辅助机构工作油源来自执行机构，其工作压力与执行机构负载相

关，由于执行机构负载变化较大，为保证辅助机构有足够工作能力，需要将常开式卡盘及常

闭式夹持器尺寸增大，以保证低负载时工作，同时由于辅助机构控制油来自执行机构，属于

单泵多回路系统，常导致辅助机构动作不协调。一般解决方法是在执行机构油路中增加背

压阀，根执行机构负载及流量，调节背压大小。此方法造成液压系统压力损失较大。较大的

压力损失导致液压油温升高较快，造成系统过热，需要为钻机配套较高效的液压散热系统。

同时需要司钻人员频繁调节背压阀，以满足辅助回路压力需要，且在部分工况下，由于辅助

压力无法调节至系统需要，影响了钻机效能的发挥。另一种解决方案是将电子技术应用于

钻机控制，实现执行机构与辅助机构逻辑控制，此方案虽能实现自动化控制，但由于电控技

术对司钻人员综合素质要求较高，且受制于钻机成本及后续维护费用。由于现有钻机多采

用全液压控制，因此电子技术的应用和推广有一定的局限性。

发明内容[0004] 本发明主要是解决现有技术所存在的钻机操纵复杂、容易误操纵、系统压力及流量损失较大、效率等技术问题，提供了一种钻机液压逻辑控制系统及方法。该系统及方法在

钻机液压系统中加入逻辑控制回路，根据钻机不同工况，自动选择起拔油缸、回转马达、常

开式卡盘、常闭式夹持器之间的配合关系，逻辑控制回路自动控制各机构动作，可避免误操

作造成的钻井事故，钻机操作简单、劳动强度低。

[0005] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：[0006] 一种钻机液压逻辑控制系统，包括：[0007] 具有大排量主泵以及小排量副泵的泵站；[0008] 用于控制起拔油缸起拔速度的快慢速起拔逻辑回路；[0009] 其中，所述快慢速起拔逻辑回路包括快速给进多路阀、慢速给进多路阀、梭阀、液控换向阀；所述快速给进多路阀的A、B口连接梭阀的A、B口，梭阀的C口连接液控换向阀的液

控口X；慢速给进多路阀的A、B口连接液控换向阀的A’、B’口；快速给进多路阀A、B口分别与

慢速给进多路阀A、B口连接，然后与起拔油缸A、B口连接。

[0010] 优选的，上述的一种钻机液压逻辑控制系统，还包括：用于控制钻机部件工作状态转换的常开式卡盘常闭式夹持器逻辑回路；所述常开式卡盘常闭式夹持器逻辑回路进一步

包括：起下钻逻辑控制回路、回转逻辑控制回路；

[0011] 其中起下钻逻辑控制回路通过梭阀获取快速给进多路阀状态，当快速给进多路阀工作时，控制液控换向阀截止慢速给进多路阀，当快速给进多路阀不工作时，慢速给进多路

阀至起拔油缸回路联通；

[0012] 其中回转逻辑控制回路通过梭阀(302a)获取动力头状态，动力头转动时，高压油通过梭阀(302a)控制常开式卡盘控制液控阀(302b)及常闭式夹持器控制液控阀控制换向，

从而控制常开式卡盘及常闭式夹持器的开合。

[0013] 优选的，上述的一种钻机液压逻辑控制系统，还包括：[0014] 控制起拔油缸锁紧与浮动转换的动力头锁紧逻辑回路；所动力头锁紧逻辑回路进一步包括：

[0015] 梭阀(401、402)、液控单向阀(404、405)；[0016] 其中梭阀获取起拔油缸及回转马达状态，当高压油流入起拔油缸或回转马达时，高压油控制液控单向阀打开；当起拔油缸或回转马达不工作时，液控单向阀锁紧油缸。

[0017] 优选的，上述的一种钻机液压逻辑控制系统，还包括：用于实现压力调节的压力控制回路；所述压力控制回路油源取自小排量副泵，包括两个手动减压阀,其中一个手动减压

阀控制慢速给进压力，另一个手动减压阀控制常开式卡盘夹紧力。

[0018] 上述的一种钻机液压逻辑控制系统的控制方法，包括：当快速给进多路阀动作时，压力油通过梭阀控制液控换向阀工作于上位，慢速给进多路阀A、B口截止。快速给进多路阀

控制起拔油缸实现快速给进起拔；快速给进多路阀位于中位时，液控换向阀工作于下位，操

作慢速给进多路阀A、B口截止连通，慢速给进多路阀控制起拔油缸实现慢速给进起拔。

[0019] 优选的，上述的一种钻机液压逻辑控制系统的控制方法，包括：[0020] 起下钻功能转换多路阀上位为下钻逻辑，快速给进多路阀或慢速给进多路阀操作至给进位时，常开式卡盘自动夹紧，常闭式夹持器自动松开；快速给进多路阀或慢速给进多

路阀操作至给起拔位时，常开式卡盘松开，常闭式夹持器夹紧。

[0021] 起下钻功能转换多路阀下位为起钻逻辑，快速给进多路阀或慢速给进多路阀操作至给进位时，常开式卡盘自动松开，常闭式夹持器自动夹紧。快速给进多路阀或慢速给进多

路阀操作至给起拔位时，常开式卡盘夹紧，常闭式夹持器松开。

[0022] 优选的，上述的一种钻机液压逻辑控制系统的控制方法，包括：回转逻辑控制回路中，所述梭阀获取回转马达状态，逻辑控制常开式卡盘及常闭式夹持器，回转马达正转常开

式卡盘夹紧、常闭式夹持器松开钻进；回转马达正转常开式卡盘夹紧、截止阀截止，常闭式

夹持器夹紧紧扣；回转马达反转常开式卡盘夹紧、常闭式夹持器夹紧卸扣。

[0023] 优选的，上述的一种钻机液压逻辑控制系统的控制方法，包括：动力头锁紧逻辑回路中，所述梭阀获取回转马达状态，所述梭阀获起拔油缸状态，通过梭阀组成逻辑控制网

络，控制液压单向阀的开启闭合，当回转马达转动或快速给进多路阀或慢速给进多路阀操

作时，液控单向阀打开，否则液控单向阀锁紧起拔油缸，所述节流阀实现减压钻进。

[0024] 因此，本发明具有如下优点：液压控制方法钻机回转马达、常开式卡盘、常闭式夹持器及起拔油缸之间液压逻辑控制，动力头及马达动作时，常开式卡盘常闭式夹持器通过

逻辑控制网络自动配合辅助动作，钻机操作简单，工人劳动前度低，且由于辅助动作自动配

合主执行机构动作，提高了钻机操作效率。采用液压控制方法实现执行机构与辅助机构之

间动作逻辑控制，降低了对钻机操作人员数量程度的要求。同时不需要复杂的电控系统，系

统使用及维护成本降低，对司钻人员的综合素质要求较低。同时逻辑控制回路不需要过大

的系统背压及流量，降低了液压系统能量损失，减少了液压系统发热。

附图说明[0025] 图1是钻机液压逻辑控制系统；[0026] 图2是本发明快慢速起拔逻辑回路液压原理图；[0027] 图3是本发明常开式卡盘常闭式夹持器逻辑回路液压原理图；[0028] 图4是本发明动力头锁紧逻辑回路液压系统原理图；[0029] 图5是本发明压力控制回路原理图。具体实施方式[0030] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。[0031] 实施例：[0032] 参见图1，图1是本发明实例的液压原理图包括泵站1、快慢速给进起拔逻辑回路2、常开式卡盘常闭式夹持器逻辑回路3、动力头锁紧逻辑回路4、压力控制回路5、回转马达6、

常开式卡盘7、常闭式夹持器8和起拔油缸9组成。

[0033] 泵站1优选为双泵，主泵101选择大排量泵，实现动力头快速回转及快速给进起拔，副泵102优选为恒压变量泵选择小排量泵，辅助回路压力保持恒定不变，实现慢速给进起拔

及为辅助回路供油。快慢速起拔逻辑回路2实现给进快速起拔及慢速给进起拔转换；常开式

卡盘常闭式夹持器逻辑回路3针对钻机结构动作控制回转马达6、常开式卡盘7、常闭式夹持

器8及起拔油缸9工作状态转换；动力头锁紧逻辑回路4控制起拔油缸9在不同工况下的锁紧

与浮动转换；压力控制回路5实现钻机常开式卡盘7、常闭式夹持器8、起拔油缸9的压力调

节。

[0034] 参见图2，图2为快慢速起拔逻辑回路2，包括快速给进多路阀201、慢速给进多路阀202、梭阀203、液控换向阀204。快速给进多路阀201中位优选为“0”型，慢速给进多路阀202

中位优选为“Y”型。快速给进多路阀201A、B口与梭阀203的A、B口连接，梭阀203的C口与液控

换向阀204液控口X连接。慢速给进多路阀202A、B口与液控换向阀204A’、B’口连接。

[0035] 当快速给进多路阀201动作时，压力油通过梭阀203控制液控换向阀204工作于上位，慢速给进多路阀202A、B口截止。快速给进多路阀201控制起拔油缸9实现快速给进起拔；

快速给进多路阀201位于中位时，液控换向阀204工作于下位，操作慢速给进多路阀202A、B

口与起拔油缸9A、B口连通，由于快速给进多路阀201中位为“O”型，中位截止，此时慢速给进

多路阀202控制起拔油缸9，慢速给进多路阀202为小排量泵供油，可实现慢速给进起拔。

[0036] 通过设置快慢速给进起拔逻辑回路2，操作人员单独操作快速给进多路阀201、慢速给进多路阀202，液压系统自动实现功能转换，简化了钻机操作。

[0037] 参见图3，图3常开式卡盘常闭式夹持器逻辑回路液压原理图包括起下钻逻辑控制回路301、回转逻辑控制回路302。

[0038] 所述起下钻逻辑回路301包括起下钻功能转换多路阀301a、液控多路阀301b、单向阀301c、液控单向阀301d组成。

[0039] 起下钻功能转换多路阀301a、的A、B口与起拔油缸A、B口连接，A’、B’与液控多路阀a、b口连接，所述起下钻功能转换多路阀301a、实现起钻或下钻功能的转换，通过获取钻机

起拔油缸9A、B口压力，通过液控多路阀301b、单向阀301c、液控单向阀301d自动控制常开式

卡盘7及常闭式夹持器8的工作状态。

[0040] 所述常开式卡盘7及常闭式夹持器8工作油取自副泵102，其压力由压力控制回路5控制。

[0041] 起下钻功能转换多路阀301a上位为下钻逻辑，快速给进多路阀201或慢速给进多路阀202操作至给进位时，液控多路阀301b的先导口a为高压，液控多路阀301b工作于上位，

高压油通过液控多路阀301b、单向阀301c为常开式卡盘7供油，常开式卡盘7自动夹紧，高压

油通过常闭式夹持器控制液控阀302d截止阀302c为常闭式夹持器8供油，常闭式夹持器8自

动松开。快速给进多路阀201或慢速给进多路阀202操作至起拔位时，液控多路阀301b的先

导口b为高压，液控多路阀301b工作于下位，高压油流经液控多路阀301b打开液控单向阀

301d,常开式卡盘7控制油回油箱，常闭式夹持器8截止阀302c、常闭式夹持器控制液控阀

302d与油箱连接，常闭式夹持器8自动夹紧。起下钻功能转换多路阀301a下位为起钻逻辑，

其原理与下钻逻辑相反，快速给进多路阀201或慢速给进多路阀202操作至给进位时，常开

式卡盘7自动松开，常闭式夹持器8自动夹紧。快速给进多路阀201或慢速给进多路阀202操

作至给起拔位时，常开式卡盘7夹紧，常闭式夹持器8松开。

[0042] 回转逻辑控制回路302包括梭阀302a、常开式卡盘控制液控阀302b、截止阀302c、常闭式夹持器控制液控阀302d。

[0043] 所述梭阀302a获取回转马达6状态，马达6转动，梭阀302a获取马达6高压油，控制常开式卡盘控制液控阀302b工作于上位，高压油通过常开式卡盘控制液控阀302控制常开

式盘7夹紧；梭阀302a获取马达6高压油控制常闭式夹持器控制液控阀302d工作于下位，高

压油流经常闭式夹持器控制液控阀302d，截止阀302c控制常闭式夹持器8打开。通过逻辑控

制常开式卡盘7及常闭式夹持器8，回转马达6正转常开式卡盘7夹紧、常闭式夹持器8松开钻

进。回转马达6转动前将截止阀302c截止，此时常开式卡盘7夹紧、由于截止阀302c截止，常

闭式夹持器8扔处于夹紧状态，回转马达6正转紧扣，回转马达6反转时常开式卡盘夹紧、常

闭式夹持器8夹紧卸扣。

[0044] 常开式卡盘常闭式夹持器逻辑回路3可实现常开式卡盘7及常闭式夹持器8逻辑控制，起下钻过程中或正常钻进过程中，钻机操作人员只需要操作回转马达6或起拔油缸9动

作，由于常开式卡盘7及常闭式夹持器8工作油源取自副泵，因此不需要在给进起拔回路背

压，常开式卡盘及常闭式夹持器夹紧可靠。

[0045] 参见图4，图4为动力头锁紧逻辑回路4液压系统原理图，包括梭阀401、402、节流阀403液控单向阀404、405。

[0046] 所述梭阀401B口与梭阀302aC口连接，梭阀401A口与梭阀402C口连接，梭阀402A、B口分别与单向阀404、405A口连接，梭阀401C口与液控单向阀404、405C口连接，液控单向阀

404、405B口与起拔油缸9A、B口连接。

[0047] 所述梭阀302a获取回转马达6状态，所述梭阀402获起拔油缸9状态，通过梭阀302a、401、402组成逻辑控制网络，控制液压单向阀404、405的开启闭合，当回转马达6转动

或快速给进多路阀201或慢速给进多路阀202操作时，液控单向阀404、405打开，否则液控单

向阀404、405锁紧起拔油缸9。所述节流阀403实现减压钻进。

[0048] 动力头锁紧逻辑回路4通过梭阀网络及液控单向阀组成起拔油缸开启及锁紧逻辑控制，当钻机主执行机构不动作时，锁紧起拔油缸，可避免给进系统在自重作用下滑移，造

成人员或设备损伤。同时当拧卸钻具时，起拔油缸9自动处于浮动状态，简化了钻机操作，同

时有助于拧卸钻具过程中丝扣的保护。

[0049] 在实际应用中，只需要控制主执行机构动作，通过逻辑控制实现辅助机构的动作。钻机操作人员劳动强度低，钻机效率高。钻机辅助机构工作压力取自高压油源，逻辑控制回

路只需要较小的执行机构工作压力便可实现辅助机构的可靠动作，不需要较大的系统背

压，系统压力损失小，效率高。

[0050] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替

代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。