CN1035865A

CN1035865A - 防止“单吊环起钻”自动控制装置

Info

Publication number: CN1035865A
Application number: CN 88101917
Authority: CN
Inventors: 吴洪波
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-03-17
Filing date: 1988-03-17
Publication date: 1989-09-27
Also published as: CN1014812B

Abstract

防止“单吊环起钻”自动控制装置，可用于钻井钻机上，如地矿。盐业特别是油气井的钻控。在起下钻中常因为操作失误，而在刚上提时发生所谓的“单吊环”事故，其后果严重者将造成井废人亡。本装置可有效地消除“单吊环”及“危险吊环”两种事故隐患。因采用了逻辑电路红外线新技术，刹车装置与原钻机上的“防碰天车”共用。有工作可靠、结构简单、易于实施之特点。

Description

本发明装置可用于钻井用的钻机上，例如地矿、盐业特别是石油部门的油气井钻探作业中。

起下钻是钻井工作中一种经常性的、工作时间长的、劳动强度大的联合作业，由于司钻或井口工人的操作失误，就会在刚刚起钻上提时发生所谓的“单吊环起钻”事故。据有关资料统计：该类事故在实际工作中发生的机率是较大的，其经济损失轻者数千元，重者将导致井废人亡-损失上百万元的恶果发生。目前的防止对策只是人为地不断提高工作责任心和操作技术水平，但这毕竟会有所失的。

然而，本发明的目的是要提供一种自控装置，它能够有效地防止挂“单吊环”（以及挂“危险吊环”）起钻事故的发生。

本发明的目的是这样实现的：原钻机的压缩气源经由驱动电磁阀与刹车执行机构（即防碰天车装置）相连接，当一旦发生了挂“单吊环”（以及挂“危险吊环”）而起钻时，装在大钩上的调制红外线发射机（25）就立刻发出信号来，与此同时，装在司钻操作箱上的接收机收到信号，并经处理后使驱动电磁阀开启，压缩空气进入刹车执行机构中（起作用），达到自动控制的目的。

本发明装置由于采用了“与非门”逻辑电路，调制红外线遥（传）控的先进技术和利用了原来钻机上所具有的“防碰天车”刹车执行机构，故其工作可靠，结构也较为简单，便于实施。

本发明装置的具体结构由以下的原理分析及其附图给出。

一、控制原理分析：

从图1的原理方框中可以知道：本自动控制装置由：a、单（危）吊环检测与非门判断和调制红外线遥控发射机（25）;b、调制红外线遥控接收机及驱动执行部分;c、原来钻机所具有的“防碰天车”装置执行气路等三大部分组成。将它们分别安装在吊环（15）大钩、司钻操作箱上，而执行部分就不需另行设置了。

1.单（危）吊环检测与非门的三态分析：

经实际观察分析：在起钻时两只吊环共有三种工作状态：

a、正常吊环起钻，当司钻给气上提时，两只吊环（15）都挂入了吊卡的耳梁内，且均就位于耳梁的凹部。

b、挂单吊环起钻，很明显这就是指只有一只吊环（15）被挂入了吊卡的耳梁内而进行的起钻。

c、挂危险吊环起钻，两只吊环（15）虽然都已经挂入了吊卡的耳梁内，但在给气上提到一定吨位之后（一般指的是，提升力≤大钩行程弹簧的吨位），其吊环（15）的一只甚至是两只仍不能够自行滑向耳梁的凹部-即不就位，这就定义为挂危险吊环起钻，因为它在继续上提的过程中，有大的可能会发生脱环事故。

在电气原理图2中，R1、K3、K4和K2四者相串联就构成了三极管BG1的偏置回路，同时它们也就是所谓“与非门”的输入端子。其中K1是偏置（限流）电阻;K3（K7）（29）是由吊环“间隙器”（30）所控制的“常开”微动开关，它在仅有吊环的自重W时呈断开状态;K4（K8）（29）与K3（K7）（29）相同;K2就是所谓的“吊环限距开关”（31），它具体反映在图2中的a和b两点。[当其在两只吊环（15）的水平距（指某一定尺寸的吊卡时）S值正常时，K2呈接通-指机械式的（或者是RD3≤10KΩ-指直流红外线式的）;反之，当S值过大时，K2就呈断开（或者是RD3→∞）]。

另由图8可以看出：当吊环（15）在仅有自重W时，它将被“间隙器”（30）悬挂起来，使之与大钩的耳环之间形成一个可以调节的间隙-δ，这时的检测用双联微动开关K3（K7）（29）及其K4（K8）（29）均呈“常开”状态。但在起钻刚开始时，δ最大，随着大钩的上提，某一只吊环（15）对悬挂它的那只“间隙器”（30）的向下作用力T将逐渐增大，因之δ变小;当δ小到一定值时，检测开关K3（K7）（29）及K4（K8）（29）就被触动而接通。

2.三态检测的“与非门”逻辑判断电原理：

a、正常起钻时，由前面的分析可知，此状态下的三极管BG1的偏置（与非输入）回路中K3、K4和K2均能接通（或者是K2的RD3≤10KΩ）;因此，BG1管将饱和导通，其c-e极间阻抗很小，这样它就把三极管BG2的基极电流（由R2所提供的）旁路掉了，即是Ib2≈0。故复合管BG2、BG3呈截止状态。（如图2所示）

然而，此时的电源EB的正端经由K7〃K8而到达BG3的C极，但因BG3的截止之故，VAB＝0V，也就是说，“与非门”（由BG1、BG2和BG3等元件组成的）没有正电平输出，红外线调制发射机（25）得不到电源，不工作。

b、挂单吊环起钻时：这时不论是K3（K7）或者是K4（K8）中的哪一只开关相对应的吊环（15）未被挂入吊卡的耳梁内，由图2可知，BG1的Ib₁＝0，故其截止，c-e极间呈开路状态。这时候因为有R2向BG2提供偏流Ib₂，BG2和BG3将饱和导通。

所以电源EB的正端经由K7或者是K8，再通过BG3的c-e而输入出正电平VAB≈3V。红外线调制发射机（25）就通电等K6的触发！

K6（23）实际上是一个由大钩行程的X/4所控制的“常闭”按钮开关（X一般取值为1～2）。在刚起钻上提时，大钩内的弹簧逐渐压缩，然而在外面看起来则是大钩行程的被拉开。当其拉开到≥预先调定值（即指X/4行程）时，K6（23）按钮因失去外力的压迫作用而复位-即转变为原来的“常闭”状态。K6（23）的闭合就触发发射机（25）发出一个：红外线调制信号来。

c、挂危险吊环起钻时：此时的K3（K7）和K4（K8）均能接通，但因S值过大于正常值，故K2（31）将为不通（或是其RD3→∞）致使Ib₁≈0;BG2、BG3就呈导通。即发射机（25）通电等待K6的触发，其工作原理同前面b所述，不再重复。

“与非门”逻辑判断真值表见图7。

值得说明的是，每只吊环（15）的重量W取为150kg算;把δ调节在18mm左右，而且把“间隙器”（30）的弹簧（其性能制成T≥W+F（F＝50Kg）时，δ→0;又因为大钩的全行程为200mm，相应的最大弹力取为8000Kg，按X＝1来作试验计算：

得：触发开关K6（23）是由200×1/4＝50mm（相应弹力为-2000Kg）行程距离来触动控制的，而后还将有200-50＝150mm（或6000Kg弹力）的剩余行程。

也就是说：在上提时当每一只吊环（15）所受的负荷大于F（即50Kg）值时，δ变小且→0，同时K3（K7）（29）、K4（K8）（29）也就分别起作用了。但是K6（23）却要等到两只吊环（15）的总负荷达到2000Kg（即行程被拉开到50mm）时才被触动，如果这时的吊环是属于不正常工作状态（指挂的单吊环或危环），那么就要发射出调制红外线信号来。

与此同时，a、大钩仍在继续上行;b、接收机收到遥控信号驱动电磁阀及“防碰”气路元件正在执行紧急停（刹）车动作。

把K6（23）预定在较大吨位（如2000Kg）才起作用：

a、是避免刚刚上提时大钩的摆动产生发射机（25）的误触发;b、大钩的所剩余150mm行程（或6000Kg弹力）若要将之也拉开完，是需要有一段时间ta来完成的;c、自K6（23）动作并发射出信号起到把车停（刹）住同样要需要一个时间过程tb。

结论：综上所述，当发生不正常吊环起钻时，a、吊环负荷≥100Kg时，发射机（25）的电源自动接通;b、当大钩负荷增加至≥2000Kg时，K6（23）动作发射出调制红外线遥控信号-停（刹）车装置立刻动作，并由ta的延时缓冲作用-装置能够在大钩只有较小的负荷（甚至在大钩的行程弹簧还未被全部拉开之前）时把车停（刹）住。

2.红外线调制信号发射机（25）电原理：

如图2所示，由集成块CD4011和外围元件组成了38～40KHZ的方形波振荡器，从其第11脚输出方波并直接去激励三极管BG4。因此，红外线发射管就输出方波所调制的信号波。其中的电位器W是微调振荡频率用的，六只红外线发射管 D₄～D₉并联接入BG₄管的集电极回路中。但是D₆～D₉以互成60°的夹角被安装于大钩的周围，以保证接收机能够在大钩发生回转时，正常地接收信号波。图3是M1∶1的印刷电路板。

3.调制红外线接收机（25）原理：

a、接收机（25）：

如图5所示，当红外线感光二极管D1（PH302）接收到发射机（25）射出的调制信号以后，直接输入μPC1373H集成块的第7脚经过放大和L、C3的调谐后，第1脚输出负脉冲（低电平）信号。（注：在平时没有收到调制红外线信号的情况下，第1脚的电平值约为：6.3V左右。而当接收到信号时，第1脚就突变为约0.56V左右的低电平-即负脉冲信号）。

b、驱动执行部分：

由μPC1373H的第1脚所输出的负跳脉冲信号能够通过二极管D2加到驱动三极管BG的基极，使其饱和导通。这样可控硅ScR的控制极G就因得了一个触发正电平而导通，并维持自锁，它使执行电磁阀开启-把停（刹）车执行气送入图1

换向阀2-刹车气缸（进气）

中的换向阀1→三通-

常开继气器-高低速离合器和踏板油门（放气）

这就实现了挂不正常吊环起钻的自动停（刹）车控制。

另外，在ScR导通后红色的指示灯ZD1发光指示;D4二极管反向接在电磁阀两端，起保护ScR的作用;K1是带有绿色指示灯ZD2的停（刹）车解除用“常闭”按钮开关，它和电磁阀等被装在司钻操作箱上。

4.EC电源原理：

图5中EC是一只12V/140hA的铅酸蓄电池（如6-Q-140），由它负责向接收机及驱动执行电路供电。另外用汽车用的“感应子发电机”（如JWF-13型）及其附件组成了向电源EC充电的“充电机”，由于该种发电机是属于无刷形式的，故不产生电火花。因此可以将它安装在距离井口较近的自动压风机处，这样只要总离合器一合它就被触动发电。

5.吊环限距开关K2（31）（直流红外线式）电原理：

a、如图2所示，它由电源EA/1.5V，钮子开关K1和红外线发光二极管D2（20）（如SP413/φ5）组成-直流红外线的发光部分。D1是一只红颜色的发光二极管作为K1开关与否的照明指示灯。图4是其电路印刷板。（注：在平时不起钻时应将K1关断，而欲起钻时应将K1合上）

与D2（20）光偶合的是D3（22）（SP431/φ3）直流红外线接收二极管。它们一同装在“限距器”M端（21）的K2（31）总成内，由卡箍卡在一只吊环（15）上的h处。而D3（22）管脚则用导线沿其吊环向上引到安装在大钩上的“检测与非门及发射机”（25）电路板上的a和b两点（见图8和图2）。

b、“限距器”K2（31）原理（结构）分析：

如图14和图8所示，K2（31）的挡光滑尺是用“2M钢卷尺”做的，在约65cm刻度处开一条约为30×3的窄长缝，将其穿入“检测头”（21）的中间滑尺缝道，在“检测头”（21）的滑尺缝道两侧面有“同轴的两个小孔”，分别装入φ5-SP413的D2（20）和φ3-SP413的D3（22）。这样由D2（20）射向D3（22）的红外线光就要受到中间缝道内的“滑尺”的遮挡与否控制了。经实测：当“滑尺”窄长缝“对准”D2（20）、D3（22）时-D3（22）受D2（20）照射，这时的RD3较小，约9.8KΩ;反之当“滑尺”的窄长缝离开D2（20）、D3（22）时，D2（20）射出的红外线光被“滑尺”所挡住，这时RD3→∞，就相当于是K2的断开。

c、“限距量”的调节：

在图8和图14中，“滑尺”的涡卷弹簧装在有检测头等的M端（21）;而在N端（17）有一个类似收卷或放回“滑尺”的“限距量”调节手轮（16）。手轮（16）平时靠其定位压簧使手轮由“锥体轴”（33）与“锥体座”（35）、（38）的配合面摩擦力而定住位。当用力下压手轮（16）后同时也就可以转动它并进行调节了。

现以某一定的吊卡为例说明调定方法：

（a）、将两只吊环（15）挂入吊卡的耳梁内，其中一只就位于耳梁的凹部，而另一只却有意地挂在离耳梁的凹部O有一个距离S的P处，见图15-a。这个S值就是所谓的“限距量”。（注：这里推荐的S值为10～40mm，原则上是，吊卡越大S也越大;反之，S取较小值）。

（b）、在确定好S值之后，合上K1（装在M端），此时装在“检测头”（21）刻度线观察窗口内的用作K1工作指示兼为-刻度线照明的二极管D1将被点亮。这样在下压手轮（16）并转动的同时，观察窗口内的“滑尺”刻度线与“检测头”（21）刻度线二者对齐后，松开下压的手轮（16），调节完毕。

S值反映到红外线限距开关K2（31）的“滑尺”（就是图15-b）上则为S′，当K2在吊环上的安装位置h确定后，S/S′＝C。因此滑尺的左右移动就起到开关的作用了。

二、安装调试等事项：

1.元件选择：

K1：为微型另加橡胶密封的钮子开关。

K2：为直流红外线式的开关。当然也可以采用具有一段可以调节的OP即S′-机械式开关。

K3（K7）和K4（K8）（29）：为双联“常开”且另加橡胶密封的微动开关，如JWL2-22。也可以采用由“间隙器”（30）带动永磁体而进行控制的-双联“常开”干簧管。

K6（23）：是一“常闭”按钮LA18-22Y另加橡胶密封，同时增加一段小压簧于其端部用以增大按钮的“工作行程”，使之能满足K6预先调定到50mm的大钩行程。同样地也可以采用“干簧管”开关代之。

R：全部为功率1/4～1/2W金属膜电阻。

L：用收音机中周磁芯，φ0.07～0.08漆包线绕292～302匝。

电源EC的“充电机”：原理图中已注明，但也可以采用（～220V、≥500VA）的硅整流充电机，（注：充电机仅作参考用）。

电磁阀：开启能力≥12MPa，通径≥18mm（如：DF型）。

所有的电器元件均应加橡胶层（甚至金属外壳）以密封固定，隔离所产生的电火花及水、泥浆的侵污。

2.安装调试：

将图3的电路板和电源EB（R20电池三组）等装于塑料壳内，然后再把它装入壁厚9～10mm的方形钢制保护盒子里（注：此盒用电焊或M5螺钉数枚固定在大钩上），其盒盖用M3螺钉且有密封用橡胶垫子。

而K2开关（31）的D3（22）两管脚用导线引入盒里，电路板的“输出”则用导线引出接到发射管（六只D4～D9）的“发射头”（41～44）里。

接收机等元件装于一塑料盒里，再密封固定在司钻操作箱内，但指示灯ZD1、ZD2和刹车解除按钮安在面板上，另外接收二极管D1（PH302-也可以二只并联）被安装在“接收头”（41～44）中-此头固定在操作箱外面的顶部，并面对大钩的“发射头”。所以D1用双芯屏蔽线引入操作箱内的塑料盒里。

最后用示波或扫频仪器测试CD4011的11脚，并调节W（微调电位器）。使f在38～40KHZ。再调L磁芯，使其L.C3谐振在f附近。

这样就可进行“起钻的-单危环”试验了;[K2（31）、K3（K7）（29）、K4（K8）（29）、K6（23）]等的调试已在原理部分交待清楚了。

Claims

1、防止“单吊环起钻”自动控制装置可用于钻井作业钻机上，它主要由安装在大钩上的红外线信号发射机(25)，安装在司钻箱上的红外线信号接收机、驱动电磁阀和原钻机的“防碰天车”装置组成，其特征是：二只吊环上分别装有一个检测“单吊环”的“间隙器”(30)和一只检测“危险吊环”的“限距器”(31)，一只发射机触发(大钩行程)开关K6(23)，与主电路板产生调制红外线信号，而采用遥控(传)方式的接收机，驱动电磁阀与刹车执行机构--即“防碰天车”装置相连接。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征是压缩气源经驱动电磁阀与刹车执行机构（即防碰天车装置）相连接，一旦发生“单（危）吊环起钻”，电磁阀开启立即实现紧急刹车。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征是“间隙器”（30）能把空吊环挂起来且形成一个可以调节的间隙δ，并由之来触动开关K3（K7）或者K4（K8）（29）完成“单吊环与否”的检测。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征是“限距器”（31）进行两吊环水平间距的正常与否即“危险吊环”的检测。

5、根据权利要求1、3、4所述的装置，其特征是由主电路板由一个所谓的“电子与非门”电路进行“单（危）吊环”与否的逻辑判断。

6、根据权利要求1、5所述的装置，其特征是发射机触发（大钩行程）开关K6（23），能够避免在刚刚起钻上提时大钩的摆动因素而产生的误动信号。

7、根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的装置，其特征是采用调制红外线遥控（传）方式，使之具有很好的抗干扰性能，可作防止挂“单吊环”和“危险吊环”两种保护。