CN106194151B - 具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构 - Google Patents
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Abstract
一种具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构，包括一级固定机身、二级油缸给进机身和动力头托板，所述二级油油缸给进机身通过油缸可伸缩的设置于一级固定机身，所述二级油缸给进机身包含位于两侧中空方钢中间的机身本体，机身本体上端通过横梁连接于所述一级固定机身内的油缸伸缩杆的自由端，所述动力头托板位于一级固定机身的前侧，并通过上自平衡机构和下自平衡机构分别绕二级油缸给进机身的上下两端后连接至一级固定机身，以通过二级油缸给进机身的上下移动而实现动力头托板的上下运动；由此本发明结构简单，操作方便，既提高起拔力，还能进行实时监测，更具实用性和适用性。
Description
技术领域
本发明涉及钻探装备的技术领域，尤其涉及一种具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构。
背景技术
钻井施工过程中，钻机主要有两个工况：钻进和起拔。
钻进和起拔过程中，钻机的钻压是最重要的钻进工艺参数之一，在钻进起拔过程中，钻机的钻压对钻井施工效果、钻进效率和钻井质量影响很大，钻进起拔过程中需要实时准确监测钻压。目前全液压式钻机的钻压不是直接测量，而普遍采用通过测量双作用给进液压油缸两个油口的压力间接计算得到的，由于无法精确计算液压系统的沿程压力损失、阻尼力及摩擦力导致钻压的测量结果准确度受到限制。
钻机的给进和起拔是通过2根给进油缸的伸缩带动钢丝绳提供的，由于油缸的额定流量比较大，液压系统很难保证两根油缸的行程完全同步，特别是受到装配误差的影响钢丝绳的长度很难精确控制，这样就会导致整个机构和钢丝绳的受力不平衡，使整个机构的发生偏载、变形增大、寿命降低。
起拔力是钻机最重要的性能指标之一，决定了钻机处理复杂钻进事故的能力，而起拔力的大小由起拔钢丝绳承受的极限载荷F和钢丝绳的根数n决定，即钻机的起拔力＝n×F。要进一步增大钻机的起拔力要么增大钢丝绳的根数要么就是增大钢丝绳的截面积，这样就会导致钻机的整体结构复杂、成本增加，另外受到弹性变形和装配误差的影响每根钢丝绳长度很难精确控制，钢丝绳的根数越多，产生的累积误差也越大，严重制约了钻机能力的进一步提升。钻机设计时应尽可能在不增加钢丝绳根数的前提下，提高单根钢丝绳所能提供的最大力。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构，其结构简单，操作方便，既提高起拔力，还能进行实时监测，更具实用性和适用性。
为解决上述问题，本发明公开了一种具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构，包括一级固定机身、二级油缸给进机身和动力头托板，其特征在于：
所述二级油缸给进机身通过油缸可伸缩的设置于一级固定机身，所述二级油缸给进机身包含位于两侧中空方钢中间的机身本体，机身本体上端通过横梁连接于所述一级固定机身内的油缸伸缩杆的自由端，所述动力头托板位于一级固定机身的前侧，并通过上自平衡机构和下自平衡机构分别绕二级油缸给进机身的上下两端后连接至一级固定机身，以通过二级油缸给进机身的上下移动而实现动力头托板的上下运动。
其中：所述上自平衡机构包含第一钢丝绳、第二钢丝绳、上自平衡支座和上定滑轮组，所述上自平衡支座为三角结构，其下端通过上螺栓拉环连接于一级固定机身后侧中部的定位部，两者之间通过上测力销轴进行铰接，其上端两个角部分别铰接有自平衡滑轮，所述上定滑轮组安装于二级油缸给进机身的横梁，其包含两组前后设置并分别从二级油缸给进机身向外伸出的滑轮组，每组滑轮组包含四个并排间隔设置的上滑轮，所述第一钢丝绳和第二钢丝绳分别的两端分别绕过上述自平衡滑轮后，再绕过前后两组滑轮组的两个上滑轮，并向下延伸连接至动力头托板的上端。
其中：所述下自平衡机构包含第三钢丝绳、第四钢丝绳、下自平衡支座和下定滑轮组，所述下自平衡支座为三角结构，其上端通过下螺栓拉环连接于一级固定机身后侧中部的定位部，两者之间通过下测力销轴进行铰接，其下端两个角部分别连接于第三钢丝绳、第四钢丝绳的一端，所述下定滑轮组包含设置于二级油缸给进机身下端两侧的两个下滑轮，所述第三钢丝绳、第四钢丝绳的另一端分别绕过下滑轮后与动力头托板的下端连接。
其中：二级油缸给进机身通过导轨支撑于一级固定机身机架内侧的导向轮，所述导向轮成对设置于二级油缸给进机身两侧并可具有一对或多对，以引导其上下移动。
其中：还包含控制系统，所述控制系统通过传感器电缆连接至上测力销轴和下测力销轴，包含信号采集模块、实时监测模块、实时显示模块和实时控制模块。
其中：所述信号采集模块对上测力销轴和下测力销轴的测量信号进行采集，所述实时监测模块对采集模块得到的采集信号进行监测，监测方法为：上测力销轴实时测量钻进过程中的起拔力F起，下测力销轴4实时测量钻进过程中的给进力F给，在钻进前将钻头提离孔底时可实时进行钻具的称重：F重＝F起0-F给0；F起0和F给0为初始信号，在钻进过程中实时监测钻压：F钻压＝F给+F重-F起，F给和F起为实时信号，从而实时显示模块将监测信号进行实时反馈和显示，以便于操作者进行观察。
其中：所述实时控制模块将通过预定钻压和预定起拔力与实时信号进行比对，同时根据比对结果控制油缸的液压输入和输出，从而有效提高实时控制和安全性能。
通过上述结构可知，本发明的具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构具有如下效果：
1、钻压的实时监测，采用测力销轴直接测量钻压的方式避免了传统的液压系统压力推算结果带来的钻压失真问题；
2、能够自动调节整体机构的平衡，避免了由于钢丝绳不同步导致的给进机身受力不平衡；
3、采用油缸-钢丝绳与滑轮组合的形式提供了钻井施工过程中所需要的钻进力和起拔力，实现了相同钢丝绳数量和截面条件下钻机的起拔力提高到原来的2倍。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构的主视图；
图2为本发明的后视图；
图3为本发明的左视图；
图4为油缸伸出状态示意图。
附图标记：
1—上自平衡支座、2—下自平衡支座、3—上测力销轴、4—下测力销轴、5—上螺栓拉环、6—下螺栓拉环、7—自平衡滑轮组、8—第一钢丝绳、9—第二钢丝绳、10—第三钢丝绳、11—第四钢丝绳、12—下定滑轮组、13—上定滑轮组、14—一级固定机身、15—二级油缸给进机身、16—动力头托板、17-传感器电缆。
具体实施方式
参见图1至图4，显示了本发明的具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构。
所述具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构包括一级固定机身14、二级油缸给进机身15和动力头托板16，所述一级固定机身14通过螺栓等固定方式安装在钻机车或钻机架上，随之固定不动，所述二级油缸给进机身15通过油缸可伸缩的设置于一级固定机身14中，从而可通过油缸的伸缩带动二级油缸给进机身15相对一级固定机身14向上和向下移动，所述动力头托板16位于一级固定机身 14的前侧，并通过上自平衡机构和下自平衡机构分别绕二级油缸给进机身15的上下两端后连接至一级固定机身14后侧中部的定位部，以通过二级油缸给进机身15的上下移动而实现动力头托板16的上下运动，在动力头托板16上安装带动钻杆钻进的动力头后，可实现起拔和给进的钻进施工，从图3到图4的过程即为起拔过程，反过来从图4到图3即为钻进过程。
可选的是，驱动二级油缸给进机身15的油缸安装在一级固定机身14内部，二级油缸给进机身15可通过导轨支撑于一级固定机身 14机架内侧的导向轮，所述导向轮成对设置于二级油缸给进机身15 两侧并可具有一对或多对，以引导其上下移动，随着油缸的伸缩，二级油缸给进机身15相对于一级固定机身14上下运动。
其中，所述一级固定机身14包含位于两侧的中空方钢，所述二级油缸给进机身15包含位于两侧中空方钢中间的机身本体，机身本体上端通过横梁连接于所述一级固定机身14内的油缸伸缩杆的自由端。
其中，所述上自平衡机构包含第一钢丝绳8、第二钢丝绳9、上自平衡支座1和上定滑轮组13，所述上自平衡支座1为三角结构，其下端通过上螺栓拉环5连接于一级固定机身14后侧中部的定位部，两者之间通过上测力销轴3进行铰接，其上端两个角部分别铰接有自平衡滑轮7，所述上定滑轮组13安装于二级油缸给进机身15的横梁，参见图1和图2，其包含两组前后设置并分别从二级油缸给进机身15 向外伸出的滑轮组，每组滑轮组包含四个并排间隔设置的上滑轮，所述第一钢丝绳8和第二钢丝绳9分别的两端分别绕过上述自平衡滑轮7后，再绕过前后两组滑轮组的两个上滑轮，并向下延伸连接至动力头托板16的上端。
其中，所述下自平衡机构包含第三钢丝绳10、第四钢丝绳11、下自平衡支座2和下定滑轮组12，所述下自平衡支座2为三角结构，其上端通过下螺栓拉环6连接于一级固定机身14后侧中部的定位部，两者之间通过下测力销轴4进行铰接，其下端两个角部分别连接于第三钢丝绳10、第四钢丝绳11的一端，所述下定滑轮组12包含设置于二级油缸给进机身15下端两侧的两个下滑轮，所述第三钢丝绳10、第四钢丝绳11的另一端分别绕过下滑轮后与动力头托板16的下端连接。
钻机起拔过程实现方式：当二级油缸给进机身15伸出时，上定滑轮组13和下定滑轮组12随之向上运动，并通过第一钢丝绳8、第二钢丝绳9拉动动力头托板16向上运动，动力头托板16上连接的钻杆、钻头和钻具也随之向上运动，实现钻机的起拔过程，假设第一钢丝绳8、第二钢丝绳9单根可承受的最大拉力为F，通过油缸-钢丝绳 -滑轮组合后第一钢丝绳8、第二钢丝绳9单根可提供的最大起拔力为 2F，实现了在不增加钢丝绳根数和截面积的前提下，提高单根钢丝绳所能提供的最大起拔力的目的；钻机钻进过程实现方式：当二级油缸给进机身15缩回时，上定滑轮组13和下定滑轮组12随之向下运动，并通过第三钢丝绳10、钢丝绳411拉动动力头托板16向下运动，动力头托板16上连接的钻杆、钻头和钻具也随之向下运动，实现钻机的钻进过程。如附图所示，从图3到图4的过程为起拔过程，从图4 到图3为钻进过程。
由此，钻机的起拔力通过与所述动力头托板16相连的钢丝绳提供，第一钢丝绳8和第二钢丝绳9在绕过自平衡滑轮组7分为2个分支后变为4根钢丝绳通过上定滑轮组13与动力头托板16连接，假设单根钢丝绳可承受的最大力为F，采用所述的机构后单根钢丝绳可提供的起拔力为2F，因此所述的第一钢丝绳8和第二钢丝绳9可提供的最大起拔力为4F。
在起钻过程中，上自平衡支座1与上测力销轴3组成的转动副可自动调节左右自平衡滑轮组7的高度，进而有效防止由于钢丝绳的长度和装配误差导致的第一钢丝绳8、第二钢丝绳9和机身的受力不均衡。同时上自平衡支座1通过上测力销轴3实时测量起拔力，上位机通过传感器电缆17可实时读取钻进过程中的起拔力。同理在钻进过程中，下自平衡支座2可自动调节第三钢丝绳10、钢丝绳411的平衡，进而保证钻压的自动平衡，同时通过读取下测力销轴4的值实时获得钻机的给进力。在钻进和起拔过程中通过上测力销轴3和下测力销轴4的测量值可实时监测钻机钻进和起拔过程中的钻压。
进一步的，本发明中自平衡式钻进起拔机构还包含控制系统，所述控制系统通过传感器电缆17连接至上测力销轴3和下测力销轴4，包含信号采集模块、实时监测模块、实时显示模块和实时控制模块，所述信号采集模块对上测力销轴3和下测力销轴4的测量信号进行采集，所述实时监测模块对采集模块得到的采集信号进行监测，监测方法为：上测力销轴3实时测量钻进过程中的起拔力F起，并通过传感器电缆17将测量结果进行传输，下测力销轴4实时测量钻进过程中的给进力F给，并通过传感器电缆17将测量结果进行传输。在钻进前将钻头提离孔底时可实时进行钻具的称重：F重＝F起0-F给0；F起0和F 给0为初始信号，在钻进过程中可实时监测钻压：F钻压＝F给+F重-F起。F 给和F起为实时信号，从而实时显示模块将监测信号进行实时反馈和显示，以便于操作者进行观察，所述实时控制模块将通过预定钻压和预定起拔力与实时信号进行比对，同时根据比对结果控制油缸的液压输入和输出，从而有效提高实时控制和安全性能。
整个机构安装于钻机车或固定于钻机架上，可提供钻井施工过程中钻进和起拔所需的给进力和起拔力。由油缸-钢丝绳组成的给进机构带动动力头托板16上的动力头上下运动，进而带动与动力头相连的钻杆、钻头和其他钻具向下运动实现钻机钻进，向上运动实现钻机起拔。
钻井施工过程中该机构通过上测力销轴3和下测力销轴4可实时进行钻具的称重、实时监测钻压；该机构通过上自平衡支座1和下自平衡支座2可自动调节钢丝绳的平衡、找正，降低钢丝绳长度及装配误差对机构平衡的影响；通过两组滑轮的组合在不增加钢丝绳根数和截面积的前提下，提高单根钢丝绳最大起拔力为原来的2倍。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (6)
1.一种具有钻压实时监测功能的自平衡式钻进起拔机构，包括一级固定机身、二级油缸给进机身和动力头托板，其特征在于：
所述二级油缸给进机身通过油缸可伸缩的设置于一级固定机身，所述二级油缸给进机身包含位于两侧中空方钢中间的机身本体，机身本体上端通过横梁连接于所述一级固定机身内的油缸伸缩杆的自由端，所述动力头托板位于一级固定机身的前侧，并通过上自平衡机构和下自平衡机构分别绕二级油缸给进机身的上下两端后连接至一级固定机身，以通过二级油缸给进机身的上下移动而实现动力头托板的上下运动；
所述上自平衡机构包含第一钢丝绳、第二钢丝绳、上自平衡支座和上定滑轮组，所述上自平衡支座为三角结构，其下端通过上螺栓拉环连接于一级固定机身后侧中部的定位部，两者之间通过上测力销轴进行铰接，其上端两个角部分别铰接有自平衡滑轮，所述上定滑轮组安装于二级油缸给进机身的横梁，其包含两组前后设置并分别从二级油缸给进机身向外伸出的滑轮组，每组滑轮组包含四个并排间隔设置的上滑轮，所述第一钢丝绳和第二钢丝绳分别的两端分别绕过上述自平衡滑轮后，再绕过前后两组滑轮组的两个上滑轮，并向下延伸连接至动力头托板的上端。
2.如权利要求1所述的自平衡式钻进起拔机构，其特征在于：所述下自平衡机构包含第三钢丝绳、第四钢丝绳、下自平衡支座和下定滑轮组，所述下自平衡支座为三角结构，其上端通过下螺栓拉环连接于一级固定机身后侧中部的定位部，两者之间通过下测力销轴进行铰接，其下端两个角部分别连接于第三钢丝绳、第四钢丝绳的一端，所述下定滑轮组包含设置于二级油缸给进机身下端两侧的两个下滑轮，所述第三钢丝绳、第四钢丝绳的另一端分别绕过下滑轮后与动力头托板的下端连接。
3.如权利要求1或2所述的自平衡式钻进起拔机构，其特征在于：二级油缸给进机身通过导轨支撑于一级固定机身机架内侧的导向轮，所述导向轮成对设置于二级油缸给进机身两侧并可具有一对或多对，以引导其上下移动。
4.如权利要求1或2所述的自平衡式钻进起拔机构，其特征在于：还包含控制系统，所述控制系统通过传感器电缆连接至上测力销轴和下测力销轴，包含信号采集模块、实时监测模块、实时显示模块和实时控制模块。
5.如权利要求4所述的自平衡式钻进起拔机构，其特征在于：所述信号采集模块对上测力销轴和下测力销轴的测量信号进行采集，所述实时监测模块对采集模块得到的采集信号进行监测，监测方法为：上测力销轴实时测量钻进过程中的起拔力F起，下测力销轴4实时测量钻进过程中的给进力F给，在钻进前将钻头提离孔底时可实时进行钻具的称重：F重＝F起0-F给0；F起0和F给0为初始信号，在钻进过程中实时监测钻压：F钻压＝F给+F重-F起，F给和F起为实时信号，从而实时显示模块将监测信号进行实时反馈和显示，以便于操作者进行观察。
6.如权利要求5所述的自平衡式钻进起拔机构，其特征在于：所述实时控制模块将通过预定钻压和预定起拔力与实时信号进行比对，同时根据比对结果控制油缸的液压输入和输出，从而有效提高实时控制和安全性能。
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