CN102788568A - 石油钻机大钩高度测量系统及标定和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油钻机大钩高度测量系统，包括固定在钻井平台上的绞车、绞车传感器、安装在钻井架顶部的导绳轮和滑轮组、大钩和控制器，绞车上叠绕的钢丝绳经导绳轮和滑轮组与大钩连接，绞车传感器与控制器电连接，导绳轮上设有同轴心安装的齿轮，绞车传感器的转动轴上也相应地安装齿轮，绞车传感器的转动轴与导绳轮通过齿轮啮合联动，绞车传感器的壳体与导绳轮的固定架固定。还包括无线发射模块、无线接收模块和控制中心，绞车传感器经控制器与无线发射模块连接，无线接收模块与控制中心连接。本发明还公开了该系统的标定和测量方法。本发明具有精度高，布线简单，传输距离远，抗干扰能力强，标定简单准确。

Description

石油钻机大钩高度测量系统及标定和测量方法

技术领域

本发明涉及石油钻井设备，尤其涉及石油钻机大钩高度测量系统及标定和方法。

背景技术

如图1、图2所示，现代钻井技术是通过将钻头42固定在钻杆41上，通过大钩4悬挂钻杆41，利用其自重并结合电机驱动旋转，以实现石油钻机的钻井功能。在这一过程中，各种钻机现场工作状态的判断，井深及钻头42位置的计算，都不能缺少大钩4高度这一重要参数。井深和钻头42位置等参数在钻井工程中尤为重要，起到判断井底岩层、制定工作进度、了解井下复杂情况等重要作用，一旦计算或判断失误，轻则影响工作计划，造成钻具损伤，严重时可能发生井喷等重大安全事故，造成重大人员伤亡。

大钩4在钻井过程中通过上提和下放来及时调整钻杆41和钻头42的位置，而大钩4则是通过一根钢丝绳3悬挂的。钢丝绳3通过钻井架2顶端的安装在天车1内的导绳轮11和滑轮组12最后缠绕在处于钻台底部的绞车5上。绞车电机带动绞车滚筒转动以实现收放钢丝绳3，进而实现调节大钩4的高度。

在以往的测量方法中，通常是将绞车传感器6安装在位于钻台底层的绞车滚筒轴上，通过测量滚筒的转动圈数并结合滚筒直径等参数来计算当前的大钩4高度，绞车传感器6（也称编码器）主要由壳体、齿轮片、转动轴、两只位置传感器组成，齿轮片固定在转动轴上，两只位置传感器安装在可检测出齿轮位置相位相差90度的位置上，当位置传感器被齿轮片中的齿挡住和不挡住时，可以输出不同的电压信号，其中一只位置传感器在相位上先出现被认为顺时针方向转动的话，则另一只位置传感器在相位上先出现时为逆时钟方向转动，以此可以判断齿轮片正转和反转，转了几个齿数，现以12齿的齿轮片为例，每转一圈每个位置传感器输出12个脉冲，两个位置传感器输出24个脉冲，再经触发、鉴相、倍频后共输出48个旋转脉冲到计数器，如果绞车传感器顺时针旋转时计数器累加计数，则绞车传感器逆时针旋转时计数器累减计数，鉴相的目的是为计数器累加计数还是累减计数提供判断依据，计数器的计数值与绞车传感器的旋转角度有关，根据旋转角度输入绞车的直径可获得大钩4移动的长度。

现有技术中对大钩4的高度进行标定时，有如下几种方法：

第一种为两点标定法，即在大钩4距离钻井平台7实际高度为5米和34米的位置读取编码器的信号值，从而通过计算得出编码器在其他信号值时对应的大钩高度值。由于钢丝绳3在绞车滚筒上的缠绕叠层，造成滚筒转动一圈钢丝绳3的收放长度不是一个定值，假如从大钩4高度从5米变化到34米滚筒要转动290圈，即大钩4上升或下降29米滚筒要转动290圈，按照两点标定的计算，滚筒转动每一圈大钩4上升或下降的距离为0.1米。但是，由于钢丝绳3在滚筒上的缠绕叠层，致使当滚筒缠绕了不同层数的钢丝绳3时，滚筒每转动一圈绳子的收放长度不等，也就造成了大钩4高度的实际变化值不一定是0.1米，从而造成不可避免的误差。

第二种为10点标定法，即在大钩4对应10个不同的实际高度时读取对应的编码器值，计算原理与两点标定相同。虽然理论上较两点标定误差会减小，精度稍高，但由钢丝绳3叠层带来的误差并未完全消除，且在实际应用中此标定方法可操作性不高，由于这10点的大钩4实际高度的测量实施很困难，并且，一旦其中一点的测量数据有较大误差，大钩4高度的计算结果就会产生很大偏差。

第三种为4点标定法，其中第1点为大钩4在0米时读取的编码器值；第2点为标完0米后大钩4继续上升，滚筒缠绕绳子在之后第一次绳子换层的编码器值；第3点为大钩4悬挂一根钻杆41（约9.6米）时的编码器值；第四点为大钩4悬挂3根钻杆41（约29米）的编码器值。此标定方法理论上能精确计算到滚筒上由于钢丝绳3缠绕叠层而导致的每一层对应的实际绳子收放长度，但在实际情况下，由于钢丝绳3存在磨损以及在滚筒上的缠绕不规则等而造成计算出错误的绳子层数，从而导致计算出的绳子收放长度出现错误，进而影响到大钩4高度的计算值。并且同10点标定一样，标定要求精度较高，实施困难，且标定的点数越多，存在人为误差越大。

以上传统的3种测量方法，除本身的标定问题外，由于编码器安装时固定困难，造成在滚筒转动过程中的晃动，同样影响到大钩4高度的计算结果。在实际应用中，如果没有技术人员的实时监测，标定完成的大钩4高度值在较短时间内就会与实际高度值产生较大偏离，进而使钻井参数系统判断失误，严重时会造成钻井设备损坏，甚至造成重大事故。即便有技术人员及时纠正，但由于标定的复杂性，需要多人配合才能完成，有时因为一点的标定失误就需要所有点的反复重新标定，造成了人员和时间的极大浪费，占用过多的生产时间，影响钻井工程时效，是钻井现场影响工作进度的一个不容忽视的原因。并且，石油钻井现场环境特别复杂，传统的有线通讯布线实施特别困难，也很容易受到周围电磁场等因素的影响，从而造成测得编码器值也会产生很大偏差。

由于传统大钩4高度测量存在很大误差，以至于在实际应用中只能起到辅助监测功能，为了达到钻井计划所设计的井深精度，得到准确的数值，在第三种标定法中，需要现场技术人员在每使用一根钻杆之前都要对其进行人工测量和统计，从而带来极大的人员和时间的浪费，另外，，由于钻杆的加工工艺和技术条件限制，每根出厂的普通钻杆长度为9.2米-9.7米之间，不是固定值，也为测量带来麻烦。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提供了一种石油钻机大钩高度测量系统及该系统的标定和测量方法，本发明通过直接采集钢丝绳的长度的信号，获得大钩的准确位置信号，同时大大简化了标定方法。

本发明的技术方案是：

一种石油钻机大钩高度测量系统，包括固定在钻井平台上的绞车、绞车传感器、安装在钻井架顶部的导绳轮和滑轮组、大钩和控制器，绞车上叠绕的钢丝绳经导绳轮和滑轮组与大钩连接，绞车传感器与控制器电连接，所述导绳轮上设有同轴心安装的齿轮，所述绞车传感器的转动轴上也相应地安装齿轮，绞车传感器的转动轴与导绳轮通过齿轮啮合联动，绞车传感器的壳体与导绳轮的固定架固定。

所说的固定架可以是固定导绳轮且不随导绳轮转动的固定轴，也可以是固定所说固定轴的固定板。

为了减少拉电线的麻烦，同时也为了减少电器干扰，提供传输的可靠性，还包括无线发射模块、无线接收模块和控制中心，所述绞车传感器经控制器与无线发射模块连接，无线接收模块与控制中心连接。

需要说明的是，所说的控制器与控制中心都采取计算机芯片，都具备信号采集、处理、计算等控制功能，可以根据需要进行设置。

本发明还提供了与上述技术方案相适应石油钻机大钩高度测量系统的标定和测量方法，该标定和方法是按如下步骤：

（31）将控制器内记录绞车传感器旋转脉冲的计数器清零；

（32）开动绞车，大钩随绞车转动从钻井架顶部向下移动一段已知的距离D1，所述计数器记录有计数值C1，通过公式S=D1÷C1计算计数器每计一个脉冲数时大钩移动距离的常数；

（33）将该常数S输入到计算大钩移动距离的公式D=S×C并进行储存，标定完成，其中，D为大钩移动的距离，C为计数器记录的计数值；

（34）测量时，通过公式D=S×C计算大钩移动的距离。

所述计数器的计数方法按如下步骤：

（41）所述大钩从上往下移动时，每出现一个计数脉冲，计数器加一；

（42）所述大钩从下往上移动时，每出现一个计数脉冲，计数器减一。

本发明石油钻机大钩高度测量系统，具有精度高，布线简单，传输距离远，抗干扰能力强，标定方法简单准确，只需要一个人即可完成操作，节省人力，提高了工作效率。

附图说明

图1为现有技术的整体结构示意图。

图2为现有技术的部分结构示意图。

图3为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图3所示，一种石油钻机大钩高度测量系统，该系统中的天车、钻井架、钻井平台与图1中的现有技术相同，该系统还包括固定在钻井平台上的绞车5、安装在钻井架顶部天车内的导绳轮11和滑轮组12、大钩4以及控制器，绞车5上叠绕的钢丝绳3经导绳轮11和滑轮组12与大钩4连接，导绳轮11上设有同轴心安装的齿轮13，绞车传感器6的转动轴上也相应的安装齿轮14，绞车传感器6的转动轴与导绳轮11通过齿轮13和齿轮14啮合联动，绞车传感器6的壳体与导绳轮11的固定架固定。固定架可以是固定导绳轮11且不随导绳轮11转动的固定轴，也可以是固定该固定轴的固定板。

上述绞车5包括控制绞车转动的电机等控制部分。

上述绞车传感器6可以选用现有的任何一种型号的绞车传感器。

绞车传感器6可以经有线远距离传输与控制器连接，该控制器设置在钻井井场一定距离的专用仪器房如录井仪仪器房内，绞车传感器6也可以经近距离传输与控制器连接，控制器与无线发射模块连接，无线接收模块与控制中心连接，该控制中心可以设置在井场一定距离的专用仪器房如录井仪仪器房内也可以设置在远距离的控制中心。

结合上述测量系统介绍本发明的标定和测量方法，绞车传感器6中两个位置传感器信号送入控制器后，控制器内的计数器可以记录绞车传感器6产生的旋转脉冲，由于井场上大钩4有可能向上也有可能向下，如果大钩4从上往下移动时，每出现一个计数脉冲，计数器加一，则大钩4从下往上移动时，每出现一个计数脉冲，计数器减一，这部分的技术，现有技术中已有记载，本发明标定方法的主要区别是，先计算出计数器每计一个脉冲数时大钩4移动距离的常数，如大钩4从钻井架2顶部向下移动距离D1为5米，计数器记录的计数值C1为1000个脉冲数，则计数器每计一个脉冲数时大钩4移动距离的常数S=D1÷C1即S=5÷1000=0.005，将该常数S输入公式D=S×C后得到D=0.005C并进行储存，完成标定，测量时根据公式D=0.005C输入计数器记录的计数值C即可计算出大钩4移动的距离D。

本发明的标定方法无需输入绞车5的绕线直径、绞车传感器6的齿数，也无需输入导绳轮11、齿轮13和齿轮14的参数，因为这些参数均已包含在计数脉冲和大钩4移动距离在内了，因此简单、方便、准确。

需要特别指出的是，上述实施例的方式仅限于描述实施例，但本发明不止局限于上述方式，且本领域的技术人员据此可在不脱离本发明的范围内方便的进行修饰，因此本发明的范围应当包括本发明所揭示的原理和新特征的最大范围。

Claims (4)

1.一种石油钻机大钩高度测量系统，包括固定在钻井平台上的绞车、绞车传感器、安装在钻井架顶部的导绳轮和滑轮组、大钩和控制器，绞车上叠绕的钢丝绳经导绳轮和滑轮组与大钩连接，绞车传感器与控制器电连接，其特征是：所述导绳轮上设有同轴心安装的齿轮，所述绞车传感器的转动轴上也相应地安装齿轮，绞车传感器的转动轴与导绳轮通过齿轮啮合联动，绞车传感器的壳体与导绳轮的固定架固定。

2.如权利要求1所述的石油钻机大钩高度测量系统，其特征是：还包括无线发射模块、无线接收模块和控制中心，所述绞车传感器经控制器与无线发射模块连接，无线接收模块与控制中心连接。

3.如权利要求1或2所述的石油钻机大钩高度测量系统的标定和测量方法，其特征是按如下步骤：

（31）将控制器内记录绞车传感器旋转脉冲的计数器清零；

（32）开动绞车，大钩随绞车转动从钻井架顶部向下移动一段已知的距离D1，所述计数器记录有计数值C1，通过公式S=D1÷C1计算计数器每计一个脉冲数时大钩移动距离的常数；

（33）将该常数S输入到计算大钩移动距离的公式D=S×C并进行储存，标定完成，其中，D为大钩移动的距离，C为计数器记录的计数值；

（34）测量时，通过公式D=S×C计算大钩移动的距离。

4.如权利要求3所述的石油钻机大钩高度测量系统的标定和测量方法，其特征是，所述计数器的计数方法按如下步骤：

（41）所述大钩从上往下移动时，每出现一个计数脉冲，计数器加一；

（42）所述大钩从下往上移动时，每出现一个计数脉冲，计数器减一。

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