CN1070027A - 冲击式钻机钻具工作状态判别方法和操作指导装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用微型计算机控制的冲击式钻机 操作指导装置，用于冲击式钻机的钻具在井下工作状 况及故障状态的自动检测、自动判断及自动指示、告 警。装置由微型计算机、脉冲式位移传感器，同步信 号发生器及控制盒组成，其检测与控制方法采用模糊 控制方法。该装置用脉冲式位移传感器及同步信号 发生器间接测量钻具钢绳张力大小及其变化规律，计 算机以此为根据判断钻具的工作状况及故障状态。 此装置用于冲击式钻机上，与人工判断相比，具有工 作准确、判断及时的优点，降低了故障率，提高了钻井 效率。

Description

本发明涉及一种用微型计算机控制的冲击式钻机操作指导装置，它用于冲击式钻机的钻具在井下工作状况及故障状态的自动检测、自动判断及自动指示、报警，以指导工人操作钻机。该装置具有脉冲式位移传感器和同步信号发生器，用来间接测量钻具钢绳张力的大小及其变化规律，用以判断钻具的工作状况及故障状态，钻具的工作状况用模糊控制的方法判断。

目前国内外的冲击式钻机都是依靠人工观察、手扶钢绳、耳听声音的方法判断钻具在井下的工作状况及故障状态，如：正常、绳紧、绳松三种工作状况及断绳、断脱钻杆、断脱钻头、卡钻等故障状态。人工判断不及时，不准确，甚至误判而导致发生事故，严重影响钻井效率，增加钻井成本;人工判断还要求操作工人经验丰富、精神高度集中，因此工人劳动强度大、新工人不能尽快上岗独立操作。

本发明的目的在于克服上述人工判断的缺陷，提供一种冲击式钻机操作指导装置，对钻具在井下的工作状况及故障状态进行自动检测、自动判断、自动指示与报警。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：脉冲式位移传感器安装在钻机游粱上缓冲弹簧之后，间接测量钻具钢绳张力，脉冲式位移传感器有一个动子，数个定子，钻机工作时，钢绳张力越大，传感器动子位移越大，越多的定子产生脉冲信号，定子脉冲信号的情况反映了钢绳张力的大小;同步信号发生器由一个动子、两个定子组成，钻具作上下往复运动时，在提钻具的瞬间，同步信号发生器的一个定子发出一个提同步脉冲信号，在放钻具的瞬间，同步信号发生器的另一个定子发出一个放同步脉冲信号。微型计算机根据脉冲式位移传感器的信号及其与同步信号的时间关系，用模糊控制的方法判断钻具的工作状况，并根据钢绳张力大小及工作状况自动判断钻具的故障状态。

本发明的解决方案，可进一步用以下附图进行说明。

图1是本发明的脉冲式位移传感器及同步信号发生器在冲击式钻机上的安装位置图。

图2是图1所示安装位置图中脉冲式位移传感器的结构原理图。

钢绳绞车11上绕着钢绳1，钢绳1通过导轮12、滑轮2、桅杆13、顶端导轮牵引井底的钻具，钻具包括活环19、钻杆20及钻头21。

脉冲式位移传感器安装在钻机游粱22上，同步信号发生器安装在钻机曲柄连杆机构的侧面及连杆15上。

脉冲式位移传感器的动子5固定在导杆4的一端，导杆4的另一端连接滑轮2，滑轮2与箱体10之间的导杆套有一个缓冲弹簧3，脉冲式位移传感器的定子6、7、8、9固定在箱体内部导杆的下侧;在钢绳1张力作用下，缓冲弹簧被压缩，使导杆产生位移，位移大小与钢绳张力成正比，传感器动子5随导杆同时位移，当它运动到某个定子正上方时，该定子将产生一个脉冲信号，各定子的位置及其所对应的钢绳张力大小可以予先确定，也可以按需要沿导杆轴向调整各定子的位置。为了适应不同型号或不同重量的钻具，定子数可以是两个或多干两个。

同步信号发生器由两个定子、一个动子组成，定子16、17固定在钻机曲柄连杆机构15、18的侧面，可沿曲柄转动形成的园弧方向连续调整这两个定子的位置，同步信号发生器的动子14固定在连杆15上;在钻机开始提钻具时，即钻机游粱处于最高位置时，同步信号发生器定子14恰好位于其定子16正前方，该定子产生一个脉冲信号，称为提同步信号，在钻机开始放钻具，即钻机游粱处于最低位置时，动子14恰好位于其定子17正前方，该定子产生一个脉冲信号，称为放同步信号。

钻机处于正常工作状况时，脉冲式位移传感器定子7产生的脉冲信号与同步信号发生器定子16产生的提同步信号之间有一个时间差T，T的正常范围[Ta，Tb];当给进量过大，即绳松时，时间差T比正常状态时大，即T＜Tb;当不及时给进，即绳紧时，时间差T比正常状态时小，即T＞Ta，可根据时间差T的大小来判断钻具的工作状态是正常、绳松或绳紧，并发出相应的正常，提绳或给进的操作指示，Ta的取值可在20ms到100ms，Tb取值Ta+30ms。提绳量或给进量的确定采用模糊控制方法，该方法中以时间T为检测量、控制量是提绳量或给进量。

用模糊控制方法，检测量的辞集可取为负大、负小、零、正小、正大，或者取得更细，控制量的辞集与检测类似，控制规律的经验表述为：

若钢绳偏紧，则给进，钢绳越紧给进量越大;

若钢绳偏松，则提绳，钢绳越松提绳量越大;

若钢绳松紧合适，则不给进，也不提绳。

定子6的作用与定子7相同，适应于钻具型号不同或钻具重量发生明显变化的情况，根据这种思想，还可以有若干个定子用来判断钻具的工作状况。

钻具处于故障状态时，脉冲式位移传感器产生的信号与正常工作状况下不同，可由此判断故障类型，判断方法如下：

在一个或几个冲击循环中，定子6不产生脉冲信号，说明钢绳张力很小，则是断绳或断脱大部分钻杆故障;定子7的作用与定子6相同，适应于钻具较重的情况。

在一个或几个冲击循环中，定子9产生脉冲信号，说明钢绳张力很大，则是卡钻故障;定子8的作用与定子9相同，适应于钻具较轻的情况。

在经过一段时间的冲击，例如连续冲击几十次，钻具始终处于正常工作状况，其间无提绳、无给进，则是断钻头或断脱小部分钻杆故障。

判断出故障类型后，本装置发出相应的声光显示与告警。

为了适应不同钻具型号或钻具重量明显变化以及井深变化的情况，本装置还采用了检测量补偿措施，当钻具型号或重量明显改变时，通过控制盒上的补偿调节机构对检测量进行粗调;当井深发生明显变化时，如从几米变到几十米，用补偿调节机构对检测量进行细调，粗调或细调的程度可以通过分析及实验确定。

本发明所涉及的装置安装在冲击式钻机上使用，具有如下优点：自动判断钻具在井下的工作状况，及时指示操作工人给进或提绳;自动检测判断钻具在井下的故障状态，及时准确;不再需要人工扶绳，故障率下降，钻井效率提高，成本下降;新工人可直接上岗独立操作，工人的劳动强度轻。

本装置在某油田使用数月，达到下述指标;对工作状况判断准确率达90%以上;对卡钻、断绳和大部分钻杆断脱故障判断准确率达100%;对钻头断脱或小部分钻杆断脱故障判断准确率达75%以上;不再需要人工扶绳，实现了自动检测、自动判断、指示与告警。

Claims (2)

1、一种用于判别冲击式钻机钻具工作状态的方法，其特征是脉冲式位移传感器定子(7)产生的脉冲信号与同步信号发生器定子(16)产生的提同步信号之间的时间差T用来判断钻机钢绳(1)绳松、绳紧或正常三种工作状况，时间差T在[Ta，Tb]范围取值时，为正常状况，T＜Ta时，为绳紧状况，T＞Tb时，为绳松状况，Ta取值可在20ms至100ms，Tb取值为Ta+30ms，时间差T又作为模糊控制的检测量，模糊控制的控制量是提绳量或给进量，脉冲式位移传感器定子(6)、(7)是否产生信号用来判断断绳和断脱钻杆故障，定子(6)、(7)没有信号产生时，则判断发生了断绳或断脱钻杆故障，定子(8)、(9)是否产生信号用来判断卡钻故障，定子(8)、(9)是有信号产生时，则判断发生了卡钻故障。

2、一种用于对冲击式钻机进行操作指导的装置，其特征是脉冲式传感器的动子（5）固定在导杆（4）的一端，导杆的另一端连接滑轮轮（2），滑轮与箱体（10）之间的导杆上套有一个缓冲弹簧（3），定子（6）、（7）、（8）、（9）固定在箱体内部导杆的下侧，可沿导杆轴向连续调整定子的位置;同步信号发生器的两个定子（16）、（17）固定在钻机曲柄连杆机构（15）、（18）的侧面，可沿曲柄转动形成的园弧方向连续调整这两个定子的位置，同步信号发生器的动子（14）固定在连杆（15）上。