CN102383776B - 一种钻机的钻杆带杆监测方法、控制器及系统和钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻机的钻杆带杆监测方法，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头(2)和对所述动力头加压的加压装置(1)，钻杆从外向内分别为第1节至第N节，其中i＝2，3，…，N，其中，该带杆监测方法包括：检测确定被提升的钻杆为第i节钻杆，并检测此时所述加压装置(1)的实际拉力为f_i；对比所述实际拉力f_i和预先设定的该第i节钻杆的所述额定拉力F_i，当所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i，确定第i节钻杆发生带杆。另外，本发明还提供了能实现上述监测方法的控制器、监测系统以及具有该监测系统的钻机。上述技术方案对加压装置的实际拉力的监测所受到的外界干扰更小，测量结果更加准确。

Description

一种钻机的钻杆带杆监测方法、控制器及系统和钻机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种钻机的钻杆带杆监测方法、控制器、监测系统以及具有该监测系统的钻机。

背景技术

目前，旋挖钻机的应用日益广泛。旋挖钻机通常采用伸缩式钻杆，在该伸缩式钻杆的提钻作业中，伸缩钻杆将按照由内到外的顺序逐节提升。但是，由于很多难以控制的原因会导致钻杆出现非正常顺序提升收缩的现象，只要任意外节钻杆先于其内节钻杆收缩，就证明其与内节杆之间发生了卡滞或接合，这就是所谓的“带杆”。

在这种“带杆”状态下，当钻杆被提到一定高度后，如果“带杆”的状态由于钻杆旋转或者机器振动等原因而解除，发生卡滞或接合的钻杆会自由下落，从而对钻机的动力头造成冲击，可能会对动力头系统的损坏的严重后果。“带杆”故障是造成钻机部件损坏和施工事故的主要原因之一。

为了减小钻杆在“带杆”状态解除后对动力头造成的损坏，现有技术通常在动力头上安装缓冲弹簧、阻尼器或橡胶缓冲垫，从而尽可能减少钻杆“带杆”状态解除时产生的冲击力和破坏后果。另外，目前也有一些对“带杆”状态的监测方法和监测装置，但是在利用这些监测方法进行监测时，影响监测结果的因素很多，因此精确度都不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻机的钻杆带杆监测方法，该方法能够通过简单的手段来及时发现钻杆的带杆故障。

为了实现上述目的，本发明提供一种钻机的钻杆带杆监测方法，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头和对所述动力头加压的加压装置，钻杆从外向内分别为第1节至第N节，其中i＝2，3，…，N，其中，该带杆监测方法包括：

检测确定被提升的钻杆为第i节钻杆，并检测此时所述加压装置的实际拉力为f_i；

对比所述实际拉力f_i和预先设定的该第i节钻杆的所述额定拉力F_i，当所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i，确定第i节钻杆发生带杆。

另外，本发明还提供一种钻机的钻杆带杆监测控制器，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头和对所述动力头加压的加压装置，钻杆从外向内分别为第1节至第N节，其中i＝2，3，…，N，所述控制器包括依次连接的输入模块、处理模块和输出模块，其中：

所述输入模块用于采集所述钻杆的位置信号和所述加压装置的实际拉力f_i，并将所述钻杆的位置信号和所述实际拉力f_i传送到处理模块；

所述处理模块用于根据接收到的所述钻杆的位置信号判断被提升的钻杆为第i节、通过被提升的所述钻杆为第i节确定相应的额定拉力为F_i、对比所述实际拉力f_i与所述额定拉力F_i、并将对比结果传送到输出模块；

所述输出模块用于在对比结果为所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i的情况下，输出指示第i节钻杆发生带杆的信号。

另外，本发明还提供一种钻机的钻杆带杆监测系统，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头和对所述动力头加压的加压装置，钻杆从外向内分别为第1节至第N节，其中i＝2，3，…，N，所述加压装置用于对所述动力头加压，其中，所述带杆监测系统包括检测装置、控制器和显示装置，所述检测装置包括用于测量所述加压装置的实际拉力的第一传感器和用于检测所述钻杆的位置的第二传感器，所述控制器为根据本发明所提供的控制器，所述第一传感器和第二传感器与所述控制器的输入模块连接，所述显示装置根据所述控制器输出信号进行显示。

另外，本发明还提供一种钻机，其中，所述钻机具有本发明的带杆监测系统。

通过上述技术方案，本发明对为动力头加压的加压装置的拉力进行测量，并结合对被提升的钻杆为第i节的判断确定加压装置的额定拉力，当所述实际拉力小于所述额定拉力时认为第i节钻杆发生带杆。上述技术方案对加压装置的实际拉力的监测所受到的外界干扰更小，测量结果更加准确。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的旋挖钻机的优选实施方式示意图；

图2是根据本发明的钻杆末端示意图。

附图标记说明

1加压装置                      2动力头

3第一传感器                    4主卷扬

5导向环                        6内键

7提绳器                        8托盘

9钻斗

D钻杆末端所处地下的深度

H动力头距地面的高度

T第1节钻杆的长度

E钻杆末端的伸出长度

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了便于理解本发明的技术方案，首先介绍钻机在提升钻杆时的各部分的工作情况。

在钻杆工作时，钻机的加压装置1用于为钻杆提供压力。当提升钻杆时，最外层钻杆通过随动架落在动力头2上，其重量由动力头承受。动力头与加压装置1连接，因此动力头所承受的重量传递给加压装置1承受。除了最外节钻杆外，每节钻杆顶部都有导向环5；除最内节钻杆外，每节钻杆底部内表面具有内键6；最内节钻杆顶部有提绳器7，该提绳器7连接着主卷扬4的钢丝绳，最内节钻杆底部具有托盘8，并且最内节钻杆底端连接有钻斗9。当第i节钻杆从第i-1节钻杆中并未完全伸出时，该第i节钻杆的底端必然落在托盘8上，因此其重量通过托盘8以及最内节钻杆传递给主卷扬4承受；当第i节钻杆完全伸出时，该第i节钻杆的底端已经脱离托盘8，因此其顶端的导向环5必然落在上一节钻杆的内键6上，因此其重量通过上一节钻杆逐节传递，最后由动力头2传递给加压装置1承受。因此，第i节钻杆是否完全伸出决定了其重量由主卷扬4承受还是由加压装置1承受。其中，钻斗以及钻斗9内装载的土质的重量则始终通过最内节钻杆传递给主卷扬4承受。

本发明提供一种钻机的钻杆带杆监测方法，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头2和对所述动力头加压的加压装置1，钻杆从外向内分别为第1节至第N节，其中i＝2，3，…，N，该带杆监测方法包括：

检测确定被提升的钻杆为第i节钻杆，并检测此时所述加压装置1的实际拉力为f_i；

对比所述实际拉力f_i和预先设定的该第i节钻杆的所述额定拉力F_i，当所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i，确定第i节钻杆发生带杆。

由于在工作过程中，钻机为了避免钻机的钻杆发生带杆现象时继续工作所导致的危险，本发明提供一种对钻杆的带杆现象进行监测的方法，该方法首先要确定当前被提升的钻杆为哪一节钻杆，以及测量加压装置1的实际拉力f_i，再将所述实际拉力f_i和所述额定拉力F_i对比，当所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i时即可判断第i节钻杆发生带杆。

由此可见，本发明对为动力头加压的加压装置1的拉力进行测量，在钻杆提升的过程中，该加压装置1的拉力基本等于未收回的钻杆和动力头的重量的和。对于现有技术中通常使用的另一种测量主卷扬4拉力的方式，由于主卷扬4承受的是收缩状态的钻杆的重量，以及最内节钻杆底端所连接的钻斗9的重量，因此在测量时，如果钻斗内具有泥土等就会造成误差，并且由于工作地点的不同，钻斗内泥土的密度和体积都有着很大的区别，所以即使将泥土的因素考虑进来也很难避免误差。本发明采用的对加压装置1的实际拉力的监测的方法所受到的外界干扰更小，测量结果更加准确。

优选地，对比确定F_q＜f_i＜F_q+1，当q＝1，…，i-2，第q节至第i-1节钻杆被带杆，当q＝i-1，第i-1节钻杆被带杆。

在主卷扬提升第i节钻杆时，第i节钻杆及其内的各钻杆的重量都由主卷扬4承受，而本发明中的额定拉力指加压装置1的拉力值，从上文的介绍中可知，主卷扬4承受的钻杆重量越大，加压装置1承受的拉力就越小，因此提升每节钻杆的额定拉力必定是随着当前被提升的钻杆从内向外逐渐减小的。因此，当第i-1节钻杆被带杆(即指第i-1节钻杆与其外节钻杆i之间发生了带杆现象)时，第i-1节钻杆的重量也由主卷扬4承受，所以加压装置1的实际拉力也就要小于额定拉力，由此可以根据实际拉力f_i的值的范围进一步确定哪节或者哪些节的钻杆被带杆。

优选地，以第1节钻杆为基准杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i，其中L₁＝0，所述额定拉力F_i为第i节钻杆在其最大伸长量L_i内正常提升时所述加压装1的拉力的值。

更优选的，设所述第i节钻杆的重力为G_i，第1节钻杆的重力为G₁，所述动力头2的重力为G₀，所述F_i＝G₀+…+G_i-1。

本发明利用加压装置1在第i节钻杆提升的过程中承担所有完全伸出的钻杆和动力头2的重量，因此需要预先测定额定拉力F_i作为比较的基准。由于加压装置1所承受的拉力主要包括各节钻杆的重量，因此用加压装置1所承载所有完全伸出的钻杆的重量和动力头2的重量的和来表示该额定拉力F_i的大小。

优选地，第i节所述钻杆的所述额定拉力F_i通过预先进行的提升第i节钻杆时拉力的实验测得。

本发明中的所述额定拉力F_i可以通过多种方式获得和确定，以上根据额定拉力F_i的定义给出了从理论上确定该额定拉力F_i的方式，但是额定拉力F_i并不仅限于通过上述方式确定，还可以通过例如预先进行实验的方式获得。钻机依次提升每一节钻杆，并且在不发生带杆的情况下分别测量提升每节钻杆的拉力，以此作为提升该节钻杆的额定拉力。通过上述实验测量出的额定拉力值可能会与上述通过各节钻杆的重力计算的额定拉力的值略有不同，这是因为在实验的过程中可能会由于摩擦力或者钻头等其他钻杆或钻机的部件等的影响，或者由于钻机工作过程中其他影响因素的干扰。因此，在预设上述额定拉力F_i时，可以综合考虑上述因素，将以上例举的两种额定拉力F_i的确定方法结合在一起，确定合理的额定拉力F_i的值。

优选地，所述钻机包括主卷扬4的钢丝绳，检测当前主卷扬钢丝绳的收缩长度S，如果L₁+…+L_i-1＜S＜L₁+…+L_i，则被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

在本发明中，为了确定加压装置1的额定拉力，首先要确定被提升的钻杆是哪一节，这样才能通过上述方式计算额定拉力的值。这里提供了一种确定被提升钻杆为第i节的优选实施方式，由于最内层钻杆通过主卷扬4的钢丝绳向上牵引，因此主卷扬4的钢丝绳收缩的长度就是钻杆提升的高度。

由于第i节钻杆的最大伸长量为L_i，最外节的第1节钻杆由于不能伸缩所以L₁＝0，这样，第i节钻杆的最大伸缩范围就是L_i，而在当前的第i节钻杆发生伸缩时，整个钻杆的长度范围应该是介于L₁+…+L_i-1和L₁+…+L_i之间，因此当检测到的主卷扬钢丝绳的收缩长度S在这个范围内时，被提升的钻杆为第i节。

优选地，测量钻杆末端所处地下的深度D，所述动力头2距地面的高度H，所述第1节钻杆的长度T，则所述钻杆末端的伸出长度为E＝D+H-T，如果L₁+…+L_i-1＜E＜L₁+…+L_i，则被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

前面的优选实施方式中的方法是通过主卷扬钢丝绳的运动来判断被提升的钻杆为第i节，但是由于动力头也会发生上下移动，因此本发明的另一种优选实施方式提供了一种判断方式，该方式将动力头2的位置考虑进来，判断结果更加准确。

上述计算方式是测量钻杆末端和动力头之间的距离，再去掉第1节钻杆的长度，即最外层钻杆的长度，就可以得到钻杆从第1节钻杆中伸出的长度。在当前的第i节钻杆发生伸缩时，整个钻杆的长度范围应该是介于L₁+…+L_i-1和L₁+…+L_i之间，当判断L₁+…+L_i-1＜E＜L₁+…+L_i时则被提升的钻杆为第i节所述钻杆。

以上描述了本发明例举的两种判断被提升的钻杆为第i节的方式。其中，第一种根据主卷扬钢丝绳的收缩长度来直接判断的方法比较简单，但是由于动力头2也能够上下移动而存在误差，准确度较低，但是仅需要测量主卷扬钢丝绳收缩长度这一个物理量；第二种方法将动力头2的位置考虑进来，但是至少需要测量动力头2距地面的高度和钻杆的末端的深度，测量方法较为复杂，但提高了准确性。

优选地，所述加压装置1为加压油缸或者加压卷扬。

目前市面上为动力头2提供动力的主要有加压油缸和加压卷扬这两种形式。加压油缸可以直接向动力头提供压力和拉力，加压卷扬则是通过两根钢丝绳从上下两个方向与动力头连接，通过正转或反转来向动力头提供向上或向下的拉力。这两种形式的加压装置1都可以用于本发明中。

另外，本发明还提供一种钻机的钻杆带杆监测控制器，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头2和对所述动力头2加压的加压装置1，钻杆从外向内分别为第1节至第N节，其中i＝2，3，…，N，所述控制器包括依次连接的输入模块、处理模块和输出模块，其中：

所述输入模块用于采集所述钻杆的位置信号和所述加压装置1的实际拉力f_i，并将所述钻杆的位置信号和所述实际拉力f_i传送到处理模块；

所述处理模块用于根据接收到的所述钻杆的位置信号判断被提升的所述钻杆为第i节、通过被提升的所述钻杆为第i节确定相应的额定拉力为F_i、对比所述实际拉力f_i与所述额定拉力F_i、并将对比结果传送到输出模块；

所述输出模块用于在对比结果为所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i的情况下，输出指示第i节钻杆发生带杆的信号。

由于在工作过程中，钻机为了避免钻机的钻杆发生带杆现象时继续工作所导致的危险，本发明提供一种用于监测钻机钻杆带杆的控制器，该控制器的输入模块接收和被提升的钻杆的位置有关的信号和加压装置1的实际拉力信号首先要确定当前被提升的钻杆为哪一节钻杆，以及测量加压装置1的实际拉力f_i，再将所述实际拉力f_i和所述额定拉力F_i对比，当所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i时即可判断第i节钻杆发生带杆。

由此可见，本发明的控制器采用对为动力头加压的加压装置1的拉力进行监测的方案。在钻杆提升的过程中，该加压装置1的拉力基本等于未收回的钻杆和动力头2的重量的和。对于现有技术中通常使用监测主卷扬4的拉力的控制器，由于主卷扬承受的是收缩状态的钻杆的重量，以及最内节钻杆底端所连接的钻斗9的重量，因此在测量时，如果钻斗9内具有泥土等就会造成误差，并且由于工作地点的不同，钻斗9内泥土的密度和体积都有着很大的区别，所以即使将泥土的因素考虑进来也很难避免误差。本发明的控制器对加压装置1的实际拉力的监测所受到的外界干扰更小，测量结果更加准确。

优选地，所述处理模块还用于确定F_q＜f_i＜F_q+1时q的值，所述输出模块还用于当q＝1，…，i-2的情况下输出指示第q节至第i-1节钻杆被带杆的信号，当q＝i-1的情况下输出指示第i-1节钻杆被带杆的信号。

在主卷扬提升第i节钻杆时，第i节钻杆及其内的各钻杆的重量都由主卷扬14承受，而本发明中的额定拉力指加压装置11的拉力值，从上文的介绍中可知，主卷扬14承受的钻杆重量越大，加压装置11承受的拉力就越小，因此提升每节钻杆的额定拉力必定是随着当前被提升的钻杆从内向外逐渐减小的。因此，当第i-1节钻杆被带杆(即指第i-1节钻杆与其外节钻杆i之间发生了带杆现象)时，第i-1节钻杆的重量也由主卷扬14承受，所以加压装置11的实际拉力也就要小于额定拉力，由此可以根据实际拉力f_i的值的范围进一步确定哪节或者哪些节的钻杆被带杆。

优选地，以第1节钻杆为基准杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i，其中L₁＝0，所述额定拉力F_i为第i节钻杆在其最大伸长量L_i内正常提升时所述加压装置1的拉力的值。

更优选的，设第i节钻杆的重力为G_i，第1节钻杆的重力为G₁，所述动力头2的重力为G₀，所述F_i＝G₀+…+G_i-1。

本发明的处理模块需要设置额定拉力F_i作为比较的基准。由于加压装置1所承受的拉力主要包括各节钻杆的重量，因此用加压装置1所承载所有完全伸出的钻杆的重量和动力头2的重量的和来表示该额定拉力F_i的大小。根据本发明优选实施方式中的计算方法，可以很方便地为处理模块预设额定拉力F_i。

优选地，所述第i节所述钻杆的所述额定拉力F_i通过预先进行的提升第i节所述钻杆时拉力的实验测得。

本发明中的所述额定拉力F_i可以通过多种方式获得和确定，以上根据额定拉力F_i的定义给出了从理论上确定该额定拉力F_i的方式，但是额定拉力F_i并不仅限于通过上述方式确定，还可以通过例如预先进行实验的方式获得。钻机依次提升每一节钻杆，并且在不发生带杆的情况下分别测量提升每节钻杆的拉力，以此作为提升该节钻杆的额定拉力。通过上述实验测量出的额定拉力值可能会与上述通过各节钻杆的重力计算的额定拉力的值略有不同，这是因为在实验的过程中可能会由于摩擦力或者钻头等其他钻杆或钻机的部件等的影响，或者由于钻机工作过程中其他影响因素的干扰。因此，在预设上述额定拉力F_i时，可以综合考虑上述因素，将以上例举的两种额定拉力F_i的确定方法结合在一起，确定合理的额定拉力F_i的值。

优选地，所述钻机包括主卷扬4的钢丝绳，所述输入模块接收所述主卷扬4的钢丝绳的收缩长度S的信号，所述处理模块判断当L₁+…+L_i-1＜S＜L₁+…+L_i时被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

在本发明中，处理模块为了确定加压装置1的额定拉力，首先要确定被提升的钻杆是哪一节，因此需要有关被提升的钻杆的位置的信号。由于最内层钻杆通过主卷扬4的钢丝绳向上牵引，因此主卷扬4的钢丝绳收缩的长度就是钻杆提升的高度，输入模块接收该信号以便处理模块进行判断。

由于第i节钻杆的最大伸长量为L_i，最外节的第1节钻杆由于不能伸缩所以L₁＝0，这样，第i节钻杆的最大伸缩范围就是L_i，而在当前的第i节钻杆发生伸缩时，整个钻杆的长度范围应该是介于L₁+…+L_i-1和L₁+…+L_i之间，因此当处理模块判断输入模块检测到的主卷扬4的钢丝绳的收缩长度S在这个范围内时，被提升的钻杆为第i节。

优选地，所述输入模块接收钻杆末端所处地下的深度D的信号，所述动力头距地面的高度H的信号，第1节钻杆的长度T的信号，所述处理模块计算所述钻杆末端的伸出长度为E＝D+H-T，并判断当L₁+…+L_i-1＜E＜L₁+…+L_i时被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

前面的优选实施方式中，控制器的输入模块接收主卷扬4的钢丝绳的收缩长度信号，但是由于动力头2也会发生上下移动，因此处理模块仅根据主卷扬4的钢丝绳的收缩长度来进行判断很容易产生误差。本发明的另一种优选实施方式的控制器，输入模块接收动力头2的距地面的高度和钻杆末端所处地下的深度的信号，再去掉第1节钻杆的长度，即最外层钻杆的长度，就可以得到钻杆从第1节钻杆中伸出的长度。在当前的第i节钻杆发生伸缩时，整个钻杆的长度范围应该是介于L₁+…+L_i-1和L₁+…+L_i之间，当L₁+…+L_i-1＜E＜L₁+…+L_i时则处理模块判断被提升的钻杆为第i节所述钻杆。

以上描述了本发明例举的处理模块的两种判断被提升的钻杆为第i节的方式。其中，第一种根据主卷扬钢丝绳的收缩长度来直接判断的方法比较简单，但是由于动力头2也能够上下移动而存在误差，准确度较低，但是仅需要测量主卷扬钢丝绳收缩长度这一个物理量；第二种方法将动力头2的位置考虑进来，但是至少需要测量动力头2距地面的高度和钻杆的末端的深度，测量方法较为复杂，但提高了准确性。

另外，本发明还提供了一种钻机的钻杆带杆监测系统，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头2和对所述动力头2加压的加压装置1，钻杆从外向内分别为第1节至第N节，其中i＝2，3，…，N，所述加压装置1用于对所述动力头2加压，其中，所述带杆监测系统包括检测装置、控制器和显示装置，所述检测装置包括用于测量所述加压装置1的实际拉力的第一传感器3和用于检测所述钻杆的位置的第二传感器，所述控制器为根据本发明所提供的上述控制器，所述第一传感器3和第二传感器与所述控制器的输入模块连接，所述显示装置根据所述控制器输出信号进行显示。

由于在工作过程中，钻机为了避免钻机的钻杆发生带杆现象时继续工作所导致的危险，本发明提供一种用于监测钻机钻杆带杆的带杆监测系统，该带杆监测系统包括检测装置、控制器和报警装置，该控制器用于输出指示第i节钻杆发生带杆的信号，该报警装置根据所述控制器输出的指示第i节钻杆发生带杆的信号进行报警，所述检测装置包括用于测量所述加压装置1的实际拉力的第一传感器3和用于检测所述钻杆的位置的第二传感器。其中，该控制器所述输入模块将来自所述第一传感器3的所述加压装置1的实际拉力的值和来自所述第二传感器的所述钻杆的位置的值传送到所述处理模块，该处理模块首先要根据传感器的测量值确定当前被提升的钻杆为哪一节钻杆，以及测量加压装置1的实际拉力f_i，再将所述实际拉力f_i和所述额定拉力F_i对比，当所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i时即可判断第i节钻杆发生带杆。

由此可见，本发明的带杆监测系统采用对为动力头加压的加压装置1的拉力进行监测的方案。在钻杆提升的过程中，该加压装置1的拉力基本等于未收回的钻杆和动力头2的重量的和。对于现有技术中通常使用监测主卷扬4的拉力的控制器，由于主卷扬承受的是收缩状态的钻杆的重量，以及最内节钻杆底端所连接的钻斗9的重量，因此在测量时，如果钻斗9内具有泥土等就会造成误差，并且由于工作地点的不同，钻斗9内泥土的密度和体积都有着很大的区别，所以即使将泥土的因素考虑进来也很难避免误差。本发明的带杆监测系统对加压装置1的实际拉力的监测所受到的外界干扰更小，测量结果更加准确。

优选地，所述处理模块还用于确定F_q＜f_i＜F_q+1时q的值，所述输出模块还用于当q＝1，…，i-2的情况下输出指示第q节至第i-1节钻杆被带杆的信号，当q＝i-1的情况下输出指示第i-1节钻杆被带杆的信号。

在主卷扬提升第i节钻杆时，第i节钻杆及其内的各钻杆的重量都由主卷扬14承受，而本发明中的额定拉力指加压装置11的拉力值，从上文的介绍中可知，主卷扬14承受的钻杆重量越大，加压装置11承受的拉力就越小，因此提升每节钻杆的额定拉力必定是随着当前被提升的钻杆从内向外逐渐减小的。因此，当第i-1节钻杆被带杆(即指第i-1节钻杆与其外节钻杆i之间发生了带杆现象)时，第i-1节钻杆的重量也由主卷扬14承受，所以加压装置11的实际拉力也就要小于额定拉力，由此可以根据实际拉力f_i的值的范围进一步确定哪节或者哪些节的钻杆被带杆。

优选地，以第1节钻杆为基准杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i，其中L₁＝0，所述额定拉力F_i为所述第i节钻杆在其最大伸长量L_i内正常提升时所述加压装置1的拉力的值。

更优选地，设第i节钻杆的重力为G_i，第1节钻杆的重力为G₁，所述动力头2的重力为G₀，所述F_i＝G₀+…+G_i-1，i＝2，3，…，N。

本发明的的带杆监测系统需要设置额定拉力F_i作为控制器的比较模块比较的基准。由于加压装置1所承受的拉力主要包括各节钻杆的重量，因此用加压装置1所承载所有完全伸出的钻杆的重量和动力头2的重量的和来表示该额定拉力F_i的大小。根据本发明优选实施方式中的计算方法，可以很方便地为处理模块预设额定拉力F_i。

优选地，第i节所述钻杆的所述额定拉力F_i通过预先进行的提升第i节钻杆时拉力的实验测得。

本发明中的所述额定拉力F_i可以通过多种方式获得和确定，以上根据额定拉力F_i的定义给出了从理论上确定该额定拉力F_i的方式，但是额定拉力F_i并不仅限于通过上述方式确定，还可以通过例如预先进行实验的方式获得。钻机依次提升每一节钻杆，并且在不发生带杆的情况下分别测量提升每节钻杆的拉力，以此作为提升该节钻杆的额定拉力。通过上述实验测量出的额定拉力值可能会与上述通过各节钻杆的重力计算的额定拉力的值略有不同，这是因为在实验的过程中可能会由于摩擦力或者钻头等其他钻杆或钻机的部件等的影响，或者由于钻机工作过程中其他影响因素的干扰。因此，在预设上述额定拉力F_i时，可以综合考虑上述因素，将以上例举的两种额定拉力F_i的确定方法结合在一起，确定合理的额定拉力F_i的值。

优选地，所述钻机包括主卷扬4的钢丝绳，所述第二传感器包括深度传感器，该深度传感器测量所述主卷扬4的钢丝绳的收缩长度S，如果L₁+…+L_i-1＜S＜L₁+…+L_i，则被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

在本发明的带杆监测系统中，控制器的处理模块为了确定加压装置1的额定拉力，首先要确定被提升的钻杆是哪一节，因此需要被提升的钻杆的位置的信号。由于最内层钻杆通过主卷扬4的钢丝绳向上牵引，因此主卷扬4的钢丝绳收缩的长度就是钻杆提升的高度，第二传感器可以对此主卷扬4的钢丝绳的收缩长度进行检测，从而传送到控制器的处理模块中进行计算和处理。

通常，在本优选实施方式中，作为第二传感器的深度传感器通常安装在主卷扬轴上。但是上述深度传感器的安装位置并不限制于本实施方式中的优选情况，任何适当的位置都可以安装该深度传感器。

由于第i节钻杆的最大伸长量为L_i，最外节的第1节钻杆由于不能伸缩所以L₁＝0，这样，第i节钻杆的最大伸缩范围就是L_i，而在当前的第i节钻杆发生伸缩时，整个钻杆的长度范围应该是介于L₁+…+L_i-1和L₁+…+L_i之间，因此当处理模块判断输入模块检测到的主卷扬4的钢丝绳的收缩长度S在这个范围内时，被提升的钻杆为第i节。

优选地，所述第二传感器包括深度传感器和距离传感器，所述深度传感器测量钻杆末端所处地下的深度值D，所述距离传感器测量所述动力头距地面的高度H，已知或手工测量第1节钻杆的长度T，则所述钻杆末端的伸出长度为E＝D+H-T，如果L₁+…+L_i-1＜E＜L₁+…+L_i，则被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

前面的带杆监测系统的优选实施方式中，采用检测主卷扬4的钢丝绳的收缩长度信号的方案，但是由于动力头2也会发生上下移动，因此控制器处理模块仅根据主卷扬4的钢丝绳的收缩长度来进行判断很容易产生误差。本发明的另一种优选实施方式的带杆监测系统，利用第二传感器对动力头2的距地面的高度和钻杆末端所处地下的深度的信号进行检测，再在将上述检测到的值求和后减去第1节钻杆的长度(即最外层钻杆的长度)，就可以得到钻杆从第1节钻杆中伸出的长度。在当前的第i节钻杆发生伸缩时，整个钻杆的长度范围应该是介于L₁+…+L_i-1和L₁+…+L_i之间，当L₁+…+L_i-1＜E＜L₁+…+L_i时则处理模块判断被提升的钻杆为第i节所述钻杆。

以上描述了本发明例举的处理模块的两种判断被提升的钻杆为第i节的方式。其中，第一种根据主卷扬钢丝绳的收缩长度来直接判断的方法比较简单，但是由于动力头2也能够上下移动而存在误差，准确度较低，但是仅需要测量主卷扬钢丝绳收缩长度这一个物理量；第二种方法将动力头2的位置考虑进来，但是至少需要测量动力头2距地面的高度和钻杆的末端的深度，测量方法较为复杂，但提高了准确性。

通常，该深度传感器通常安装在主卷扬轴上，该距离传感器通常安装在钻机的桅杆上。但是本发明并不对上述深度传感器和距离传感器的安装位置进行限制，任何适合的安装位置都可以应用到本发明中。

优选地，所述加压装置1为加压油缸或者加压卷扬。目前市面上为动力头2提供动力的主要有加压油缸和加压卷扬这两种形式。加压油缸可以直接向动力头提供压力和拉力，加压卷扬则是通过两根钢丝绳从上下两个方向与动力头连接，通过正转或反转来向动力头提供向上或向下的拉力。这两种形式的加压装置1都可以用于本发明中。

优选地，所述第一传感器3为压力传感器。该第一传感器3用于检测加压装置1所提供的拉力。以加压装置1采用加压油缸为例，为了对加压油缸的压力进行测量，该第一传感器3通常安装在下腔油路上。而对于加压装置1为加压卷扬的实施方式来说，该第一传感器3可以安装在任意适当的位置，本发明对该第一传感器3的安装位置不做限制。

优选地，所述显示装置包括显示器、声报警器和光报警器中的一种或多种。为了使操纵人员得知本发明的带杆监测系统的监测结果，本发明的报警装置可以采用显示器来详细显示第i节钻杆发生带杆的测量结果，也可以采用简单的蜂鸣器等声报警器或指示灯等光报警器等来指示当前的钻杆发生了带杆故障。报警装置可以根据实际应用的需要而具体选择。

优选地，所述钻杆为摩擦式钻杆、机锁式钻杆或组合式钻杆。本发明的带杆监测系统优选地可以应用于上述多个种类的钻杆。

另外，本发明还提供一种钻机，其中，所述钻机具有本发明上述的带杆监测系统。该钻机通过本发明的上述带杆监测系统，可以实时地对钻杆的带杆故障进行监测，从而能够及时发现并避免钻杆发生损坏等更加严重的故障。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (17)

1.一种钻机的钻杆带杆监测方法，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头（2）和对所述动力头加压的加压装置（1），钻杆从外向内分别为第1节至第N节，其特征在于，该带杆监测方法包括：

检测确定被提升的钻杆为第i节钻杆，其中i=2,3,…,N，并检测此时所述加压装置（1）的实际拉力为f_i；

对比所述实际拉力f_i和预先设定的该第i节钻杆的额定拉力F_i，当所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i，确定第i节钻杆发生带杆。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，对比确定F_q<f_i<F_q+1，当q=1,…,i-2，第q节至第i-1节钻杆被带杆，当q=i-1，第i-1节钻杆被带杆。

3.根据权利要求1所述的带杆监测方法，其特征在于，以第1节钻杆为基准杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i，其中L₁=0，所述额定拉力F_i为第i节钻杆在其最大伸长量L_i内正常提升时所述加压装置（1）的拉力的值。

4.根据权利要求3所述的带杆监测方法，其特征在于，设第i节钻杆的重力为G_i，第1节钻杆的重力为G₁，所述动力头（2）的重力为G₀，所述F_i=G₀+…+G_i-1。

5.根据权利要求1所述的带杆监测方法，其特征在于，第i节钻杆的所述额定拉力F_i通过预先进行的提升第i节所述钻杆时拉力的实验测得。

6.根据权利要求1所述的带杆监测方法，其特征在于，所述钻机包括主卷扬（4）的钢丝绳，检测当前主卷扬钢丝绳的收缩长度S，如果L₁+…+L_i-1<S<L₁+…+L_i，则被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

7.根据权利要求1所述的带杆监测方法，其特征在于，测量钻杆末端所处地下的深度D，所述动力头（2）距地面的高度H，第1节钻杆的长度T，则所述钻杆末端的伸出长度为E=D+H-T，如果L₁+…+L_i-1<E<L₁+…+L_i，则被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

8.根据权利要求1所述的带杆监测方法，其特征在于，所述加压装置（1）为加压油缸或者加压卷扬。

9.一种钻机的钻杆带杆监测控制器，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头（2）和对所述动力头（2）加压的加压装置（1），钻杆从外向内分别为第1节至第N节，所述控制器包括依次连接的输入模块、处理模块和输出模块，其特征在于：

所述输入模块用于采集所述钻杆的位置信号和所述加压装置（1）的实际拉力f_i，其中i=2,3,…,N，并将所述钻杆的位置信号和所述实际拉力f_i传送到处理模块；

所述处理模块用于根据接收到的所述钻杆的位置信号判断被提升的钻杆为第i节、通过被提升的钻杆为第i节确定相应的额定拉力为F_i、对比所述实际拉力f_i与所述额定拉力F_i、并将对比结果传送到输出模块；

所述输出模块用于在对比结果为所述实际拉力f_i小于所述额定拉力F_i的情况下，输出指示第i节钻杆发生带杆的信号。

10.根据权利要求9所述的带杆监测控制器，其特征在于，所述处理模块还用于确定F_q<f_i<F_q+1时q的值，所述输出模块还用于当q=1,…,i-2的情况下输出指示第q节至第i-1节钻杆被带杆的信号，当q=i-1的情况下输出指示第i-1节钻杆被带杆的信号。

11.根据权利要求9所述的带杆监测控制器，其特征在于，以第1节钻杆为基准杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i，其中L₁=0，所述额定拉力F_i为第i节钻杆在其最大伸长量L_i内正常提升时所述加压装置（1）的拉力的值。

12.根据权利要求11所述的带杆监测控制器，其特征在于，设第i节钻杆的重力为G_i，第1节钻杆的重力为G₁，所述动力头（2）的重力为G₀，所述F_i=G₀+…+G_i-1。

13.根据权利要求9所述的带杆监测控制器，其特征在于，第i节所述钻杆的所述额定拉力F_i通过预先进行的提升第i节钻杆时拉力的实验测得。

14.根据权利要求9所述的带杆监测控制器，其特征在于，所述钻机包括主卷扬（4）的钢丝绳，所述输入模块接收所述主卷扬（4）的钢丝绳的收缩长度S的信号，所述处理模块判断当L₁+…+L_i-1<S<L₁+…+L_i时被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

15.根据权利要求9所述的带杆监测控制器，其特征在于，所述输入模块接收钻杆末端所处地下的深度D的信号，所述动力头距地面的高度H的信号，第1节钻杆的长度T的信号，所述处理模块计算所述钻杆末端的伸出长度为E=D+H-T，并判断当L₁+…+L_i-1<E<L₁+…+L_i时被提升的钻杆为第i节钻杆，第i节钻杆的最大伸长量为L_i。

16.一种钻机的钻杆带杆监测系统，所述钻机包括多节钻杆、对所述钻杆加压的动力头（2）和对所述动力头（2）加压的加压装置（1），钻杆从外向内分别为第1节至第N节，其中i=2,3,…,N，所述加压装置（1）用于对所述动力头（2）加压，其特征在于，所述带杆监测系统包括检测装置、控制器和显示装置，所述检测装置包括用于测量所述加压装置（1）的实际拉力的第一传感器（3）和用于检测所述钻杆的位置的第二传感器，所述控制器为根据上述权利要求9-15中任意一项所述的控制器，所述第一传感器（3）和第二传感器与所述控制器的输入模块连接，所述显示装置根据所述控制器输出信号进行显示。

17.一种钻机，其特征在于，所述钻机具有上述权利要求16所述的带杆监测系统。

Images