CN113432768A - 一种铁钻工及扭矩测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁钻工及扭矩测控方法，铁钻工包括：主体和处理装置。主体包括：曲柄、冲扣液压缸和夹紧液压缸，冲扣液压缸连接在曲柄的一端，曲柄上设置有两个夹杆，两个夹杆之间连接有连接杆，夹紧液压缸的两端分别连接在两个夹杆的一端，夹杆在另一端设置有钳牙座。冲扣液压缸上设置有冲扣位移传感器和冲扣压力传感器，冲扣位移传感器和冲扣压力传感器分别采集获得位移数据和压力数据后，发送给处理装置，处理装置根据位移数据和压力数据确定扭矩。本发明的铁钻工及扭矩测控方法能够较精确测试出冲扣钳在冲、卸扣时施加到管柱上的扭矩值，安装方便，操作简单，并且适用于多种型式和规格铁钻工冲扣钳。

Description

一种铁钻工及扭矩测控方法

技术领域

本发明涉及石油钻采设备技术领域，特别涉及一种铁钻工及扭矩测控方法。

背景技术

铁钻工作为石油钻采过程中的冲、卸扣装置，其自动化的操作方式极大地提高了工作效率，减轻了劳动强度。铁钻工在冲、卸扣时对管柱施加的扭矩需要精确控制，扭矩太大会损坏管柱，扭矩太小会导致冲扣不紧、卸不动扣，影响钻井效率。

目前铁钻工的扭矩测量是通过力和力臂的乘积获得。其中的力依靠液压缸的负载压力、有效面积计算，或者依靠液压缸活塞杆前端的力传感器测量而来；而力臂则通过模型的几何结构计算所得。但是液压缸的活塞杆在行进过程中，对管柱施加的扭矩力臂在发生变化，上述两种方法均无法精确测量出对管柱施加的扭矩。因此，迫切需要一种精确测量铁钻工施加扭矩的测控方法，以更加准确地控制扭矩输出，提高钻井效率，减少损失。

发明内容

本发明实施例提供了一种铁钻工及扭矩测控方法，用以解决现有技术中无法精确测控铁钻工对管柱施加扭矩的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种铁钻工，包括：主体和处理装置；

主体包括：曲柄、冲扣液压缸和夹紧液压缸，冲扣液压缸转动连接在曲柄的一端，曲柄上设置有两个夹杆，两个夹杆之间转动连接有连接杆，夹紧液压缸的两端分别转动连接在两个夹杆的一端，两个夹杆在另一端均设置有钳牙座；

冲扣液压缸上设置有冲扣位移传感器，冲扣液压缸和曲柄的连接处设置有冲扣压力传感器，冲扣位移传感器和冲扣压力传感器均与处理装置电连接；

冲扣位移传感器和冲扣压力传感器分别采集获得位移数据和压力数据后，发送给处理装置，处理装置根据位移数据和压力数据确定扭矩。

在一种可能的实现方式中，冲扣液压缸也与处理装置电连接，在确定扭矩后，处理装置根据确定的扭矩对冲扣液压缸进行控制。

在一种可能的实现方式中，处理装置可以包括：信号采集单元、信号调理单元、模数转换单元和信号分析单元；信号采集单元，用于获取冲扣位移传感器和冲扣压力传感器采集的电信号；信号调理单元，用于对电信号进行放大和滤波处理；模数转换单元，用于对放大和滤波处理后的电信号进行模数转换，获得相应的数字信号；信号分析单元，用于根据数字信号以及预先设定的模型数据确定扭矩。

在一种可能的实现方式中，还可以包括：显示装置，显示装置与处理装置电连接；显示装置用于显示处理装置确定的扭矩。

在一种可能的实现方式中，夹紧液压缸上设置有夹紧位移传感器，夹紧液压缸和一个夹杆的连接处设置有夹紧压力传感器，夹紧位移传感器和夹紧压力传感器均与处理装置电连接。

在一种可能的实现方式中，曲柄的边缘设置有挡板，夹杆、连接杆、夹紧液压缸和钳牙座均设置在曲柄和挡板围成的空间中。

另一方面，本发明实施例提供了一种铁钻工的扭矩测控方法，包括：

采集冲扣液压缸的位移数据；

采集冲扣液压缸的压力数据；

根据位移数据和压力数据确定扭矩。

在一种可能的实现方式中，还可以包括：根据扭矩对冲扣液压缸进行控制。

在一种可能的实现方式中，根据扭矩对冲扣液压缸进行控制，包括：将确定的扭矩和预先设定的扭矩进行比较，如果确定的扭矩小于设定的扭矩，则控制冲扣液压缸继续伸长；根据冲扣液压缸的位移数据确定曲柄的转动角度，将曲柄的转动角度与设定角度进行比较，如果曲柄的转动角度未达到设定角度，则控制冲扣液压缸继续伸长。

在一种可能的实现方式中，还可以包括：对扭矩进行显示。

本发明中的一种铁钻工及扭矩测控方法，具有以下优点：

1、该发明的铁钻工空间大、兼容性好，既可用于伸缩式铁钻工的扭矩测量，又可用于轨道式铁钻工各钳体的扭矩测量。

2、可以根据钻井现场要求，进步不同尺寸管柱的冲、卸扣扭矩测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种铁钻工的组成示意图；

图2为本发明实施例提供的铁钻工的主体的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的铁钻工的工作过程示意图；

图4为本发明实施例提供的铁钻工的扭矩计算示意图；

图5为本发明实施例提供的铁钻工的扭矩测控方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种铁钻工的组成示意图，图2为本发明实施例提供的铁钻工的主体的结构示意图。本发明提供了一种铁钻工，包括：主体和处理装置；

主体包括：曲柄100、冲扣液压缸110和夹紧液压缸122，冲扣液压缸110转动连接在曲柄100的一端，曲柄100上设置有两个夹杆120，两个夹杆120之间转动连接有连接杆121，夹紧液压缸122的两端分别转动连接在两个夹杆120的一端，两个夹杆120在另一端均设置有钳牙座123；

冲扣液压缸110上设置有冲扣位移传感器1101，冲扣液压缸110和曲柄100的连接处设置有冲扣压力传感器1100，冲扣位移传感器1101和冲扣压力传感器1100均与处理装置电连接；

冲扣位移传感器1101和冲扣压力传感器1100分别采集获得位移数据和压力数据后，发送给处理装置，处理装置根据位移数据和压力数据确定扭矩。

示例性地，在曲柄100下方还设置有背钳，背钳可以固定设置在伸缩臂上，而冲扣液压缸110远离曲柄100的一端则可以与固定件连接，例如连接在背钳或者伸缩臂上。背钳夹住下管柱后，夹紧液压缸122伸长，使两个钳牙座123相向移动，最终夹住上管柱。接着冲扣液压缸110伸长，使钳牙座123带动上管柱转动，如图3所示，由于下管柱在背钳的夹持下固定不动，因此上管柱和下管柱发生相对转动，进而完成冲扣或卸扣操作。

在本发明的实施例中，连接杆121与夹杆120的连接点位于夹杆120上靠近中点的位置，二者之间通过销轴实现转动连接，该销轴可以固定或者转动设置在曲柄100上，以将夹杆120和连接杆121连接在曲柄100上。连接杆121的数量为两个，两个连接杆121分别位于夹杆120的上下两侧，且两个连接杆121之间通过连接板连接在一起。

如图4所示，本发明实施例中处理装置确定扭矩的过程如下：

O表示管柱的轴线位置，A和B分别表示冲扣或卸扣过程中的起点和终点，F表示冲扣压力传感器1100采集到的压力数据，x表示冲扣位移传感器1101采集到的位移数据。在冲扣液压缸110的驱动下，曲柄100绕圆周运动，运动半径即为冲扣液压缸110和曲柄100的连接点与管柱的轴线之间的距离，即运动半径r＝OA。通过位移数据x以及运动半径r可确定曲柄100的转动角度θ＝arcsin(x/r)，而压力数据F在终点B位置处的切向分量为F’＝Fcosθ。根据结构尺寸确定压力数据F的作用力臂l＝r，因此最终的扭矩即为：T＝F’l。

在一种可能的实施例中，冲扣液压缸110也与处理装置电连接，在确定扭矩后，处理装置根据确定的扭矩对冲扣液压缸110进行控制。

示例性地，冲扣液压缸110与液压泵通过管道连接，而液压泵与处理装置电连接。在处理装置的控制下，液压泵将冲扣液压缸110中的液压油泵入或者抽出，以使冲扣液压缸110的长度增大或者缩小。在确定扭矩后，处理装置将确定的扭矩和预先设定的扭矩进行比较，如果确定的扭矩小于设定的扭矩，则处理装置控制冲扣液压缸110继续伸长，以增大作用在管柱上的扭矩。上述设定的扭矩由操作人员提前输入至处理装置，且根据需要冲扣或卸扣的管柱的具体情况设定。同时，处理装置还根据曲柄100的转动角度对冲扣液压缸110进行控制，如果曲柄100的转动角度未达到设定角度，则处理装置控制冲扣液压缸110继续伸长，如果曲柄100的转动角度已经达到了设定角度，则处理装置控制冲扣液压缸110停止伸长。

在一种可能的实施例中，处理装置包括：信号采集单元、信号调理单元、模数转换单元和信号分析单元；信号采集单元，用于获取冲扣位移传感器1101和冲扣压力传感器1100采集的电信号；信号调理单元，用于对电信号进行放大和滤波处理；模数转换单元，用于对放大和滤波处理后的电信号进行模数转换，获得相应的数字信号；信号分析单元，用于根据数字信号以及预先设定的模型数据确定扭矩。

示例性地，信号调理单元除了对电信号进行放大和滤波处理外，还可以进行稳压和电流电压信号转换等处理。

在一种可能的实施例中，还包括：显示装置，显示装置与处理装置电连接；显示装置用于显示处理装置确定的扭矩。

示例性地，在处理装置的控制下，显示装置能够提供友好的人机交互界面，方便操作人员查看信息以及输入数据。除显示扭矩外，显示装置还可以显示上述位移数据、压力数据等各种采集的中间、最终数据。

在一种可能的实施例中，夹紧液压缸122上设置有夹紧位移传感器1220，夹紧液压缸122和一个夹杆120的连接处设置有夹紧压力传感器1221，夹紧位移传感器1220和夹紧压力传感器1221均与处理装置电连接。

示例性地，夹紧位移传感器1220和夹紧压力传感器1221分别用于采集夹紧液压缸的位移数据和施加在管柱上的压力数据，这些数据经过处理装置的信号调理和模数转换等处理后，可以显示在显示装置上。同时，处理装置可以根据夹紧压力传感器1221采集的压力数据对夹紧液压缸122进行控制，例如，当夹紧压力未达到设定值时，处理装置可以控制夹紧液压缸122继续伸长，以增大夹紧压力。而只有当夹紧压力达到一定值时，表明夹紧液压缸122确实已经将管柱夹紧，此后再开始控制冲扣液压缸110伸长，以对上管柱进行冲扣或卸扣操作。而且，处理装置还根据夹紧位移传感器1220采集得到的位移数据确定被夹紧的管柱的直径，该直径数据也可以显示在显示装置上。

在一种可能的实施例中，曲柄100的边缘设置有挡板101，夹杆120、连接杆121、夹紧液压缸122和钳牙座123均设置在曲柄100和挡板101围成的空间中。

示例性地，曲柄100在多个相邻的边缘上均可以设置挡板101，挡板101与曲柄100的表面垂直，形成了挡板101和曲柄100之间的内凹空间，上述结构组件即位于该内凹空间中。通过挡板101可以将曲柄100上的活动组件与外界隔开，保证操作人员的人身安全。

本发明还提供了上述铁钻工的扭矩测控方法，如图5所示，该方法包括：

S500、采集冲扣液压缸的位移数据；

S501、采集冲扣液压缸的压力数据；

S502、根据位移数据和压力数据确定扭矩。

在一种可能的实施例中，还包括：S503、根据扭矩对冲扣液压缸进行控制。

在一种可能的实施例中，还包括：S504、对扭矩进行显示。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种铁钻工，其特征在于，包括：主体和处理装置；

所述主体包括：曲柄(100)、冲扣液压缸(110)和夹紧液压缸(122)，所述冲扣液压缸(110)转动连接在所述曲柄(100)的一端，所述曲柄(100)上设置有两个夹杆(120)，两个所述夹杆(120)之间转动连接有连接杆(121)，所述夹紧液压缸(122)的两端分别转动连接在两个所述夹杆(120)的一端，两个所述夹杆(120)在另一端均设置有钳牙座(123)；

所述冲扣液压缸(110)上设置有冲扣位移传感器(1101)，所述冲扣液压缸(110)和所述曲柄(100)的连接处设置有冲扣压力传感器(1100)，所述冲扣位移传感器(1101)和冲扣压力传感器(1100)均与所述处理装置电连接；

所述冲扣位移传感器(1101)和冲扣压力传感器(1100)分别采集获得位移数据和压力数据后，发送给所述处理装置，所述处理装置根据所述位移数据和压力数据确定扭矩。

2.根据权利要求1所述的一种铁钻工，其特征在于，所述冲扣液压缸(110)也与所述处理装置电连接，在确定扭矩后，所述处理装置根据确定的扭矩对所述冲扣液压缸(110)进行控制。

3.根据权利要求1所述的一种铁钻工，其特征在于，所述处理装置包括：信号采集单元、信号调理单元、模数转换单元和信号分析单元；

所述信号采集单元，用于获取所述冲扣位移传感器(1101)和冲扣压力传感器(1100)采集的电信号；

所述信号调理单元，用于对所述电信号进行放大和滤波处理；

所述模数转换单元，用于对放大和滤波处理后的电信号进行模数转换，获得相应的数字信号；

所述信号分析单元，用于根据所述数字信号以及预先设定的模型数据确定所述扭矩。

4.根据权利要求1所述的一种铁钻工，其特征在于，还包括：显示装置，所述显示装置与所述处理装置电连接；

所述显示装置用于显示所述处理装置确定的扭矩。

5.根据权利要求1所述的一种铁钻工，其特征在于，所述夹紧液压缸(122)上设置有夹紧位移传感器(1220)，所述夹紧液压缸(122)和一个所述夹杆(120)的连接处设置有夹紧压力传感器(1221)，所述夹紧位移传感器(1220)和夹紧压力传感器(1221)均与所述处理装置电连接。

6.根据权利要求1所述的一种铁钻工，其特征在于，所述曲柄(100)的边缘设置有挡板(101)，所述夹杆(120)、连接杆(121)、夹紧液压缸(122)和钳牙座(123)均设置在所述曲柄(100)和所述挡板(101)围成的空间中。

7.应用于权利要求1-6任一项所述的一种铁钻工的扭矩测控方法，其特征在于，包括：

采集冲扣液压缸的位移数据；

采集所述冲扣液压缸的压力数据；

根据所述位移数据和压力数据确定扭矩。

8.根据权利要求7所述的一种铁钻工的扭矩测控方法，其特征在于，还包括：

根据所述扭矩对冲扣液压缸进行智能控制。

9.根据权利要求8所述的一种铁钻工的扭矩测控方法，其特征在于，所述根据所述扭矩对冲扣液压缸进行控制，包括：

将确定的所述扭矩和预先设定的扭矩进行比较，如果确定的所述扭矩小于设定的扭矩，则控制所述冲扣液压缸继续伸长；

根据所述冲扣液压缸的位移数据确定曲柄的转动角度，将所述曲柄的转动角度与设定角度进行比较，如果所述曲柄的转动角度未达到设定角度，则控制所述冲扣液压缸继续伸长。

10.根据权利要求7所述的一种铁钻工的扭矩测控方法，其特征在于，还包括：

对所述扭矩进行显示。

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