CN114323376A - 一种钻井钢丝绳做功量的监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钻井钢丝绳做功量的监测系统及监测方法，该监测系统包括防爆主机(1)、绞车编码器(6)和悬重传感器(8)，防爆主机具有数据显示模块、按键操控模块和数据存储与调取模块，绞车编码器安装于绞车滚筒(5)低速端的导气接口上，并通过信号电缆(2)与防爆主机的大钩高度接口相连，悬重传感器安装于死绳固定器(7)液压信号输出端的三通上，并通过信号电缆与防爆主机的大钩负荷接口相连。本发明提供的监测系统及监测方法解决了大绳定量判废时缺乏客观数据且耗时繁琐的问题，能够提供更加科学有效的定量判废依据，保证钢丝绳安全、高效地应用。
Description
技术领域
本发明涉及钢丝绳定量判废技术领域，特别是涉及一种钻井钢丝绳做功量的监测系统及监测方法。
背景技术
钻井钢丝绳(大绳)作为钻机起升系统的一个重要构件，配合钻机绞车实现整体起放井架，起下钻具、下套管以及钻进过程中控制钻压等施工作业，能否确保其处于良好的运行状态，直接关系到生命财产的安全，决定着钻井效益及成本。
钢丝绳在钻井工程的各个工艺过程中使用频繁，受交变应力、载荷等因素影响容易发生疲劳和磨损，然而，进行切割作业过早会造成大绳的浪费，过晚则存在安全隐患。在目前的钢丝绳定量判废方式中，钻井工程师主要通过查看大绳外观和测量大绳直径，再结合经验公式来粗略计算钢丝绳的做功量，这种方式受工作条件和人为因素等影响较大，导致大绳断裂事故时有发生，对员工生命和设备安全形成严重威胁，因此，如何提供一种更加有效的钢丝绳定量判废方式，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种钻井钢丝绳做功量的监测系统及监测方法，该监测系统及监测方法能够解决大绳定量判废时缺乏客观数据且耗时繁琐的问题，提供更加科学有效的定量判废依据，保证钢丝绳安全、高效地应用。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种钻井钢丝绳做功量的监测方法，包括：
获取绞车滚筒低速端的导气接口上的绞车编码器测量的实时脉冲值P，根据预制数据表和所述实时脉冲值P查得对应该脉冲值的实时绳层，根据所述预制数据表和所述实时绳层查得大钩高度脉冲数曲线对应该绳层的斜率kn和截距bn，通过计算式H＝P·kn+bn计算得出实时大钩高度H；
获取死绳固定器液压信号输出端的三通上的悬重传感器测量的实时大钩负荷G；
通过计算式W＝∑(μ×G×ΔH)计算得出钻井钢丝绳的累计做功量W以实现监测，式中，ΔH为相邻两次计算的所述实时大钩高度H的变化量，μ为千牛米与吨千米间的单位转换系数；
所述预制数据表中的数据包括第n层大绳缠绕1圈的周长Ln、第n层对应的游车总位移量Sn、第n层的开始脉冲值Pn、第n层的开始脉冲对应的大钩高度Hn，以及第n层对应的所述斜率kn和所述截距bn，各数据的计算式分别为：
式中，D为绞车滚筒的直径，d为大绳直径，B为绞车滚筒的筒身长度、N为大绳股数，Pe为大绳放空脉冲数，Pr为每圈脉冲数，C为起始层，q为起始圈。
可选地，在上述监测方法中，还包括将所述累计做功量W实时显示在监控屏幕上。
可选地，在上述监测方法中，还包括将所述累计做功量W以通用的井场信息传输标准格式无线传输至第三方共享设备。
可选地，在上述监测方法中，还包括当所述累计做功量W达到设定的报警阈值时，发出声光报警信号。
一种钻井钢丝绳做功量的监测系统，包括：
绞车编码器，所述绞车编码器安装于绞车滚筒低速端的导气接口上；
悬重传感器，所述悬重传感器安装于死绳固定器液压信号输出端的三通上；
防爆主机，所述防爆主机具有数据显示模块、按键操控模块和数据存储与调取模块，所述绞车编码器通过信号电缆与所述防爆主机的大钩高度接口相连，所述悬重传感器通过信号电缆与所述防爆主机的大钩负荷接口相连。
可选地，在上述监测系统中，所述防爆主机具有无线传输模块。
可选地，在上述监测系统中，所述防爆主机具有声光报警模块。
根据上述技术方案可知，本发明提供的钻井钢丝绳做功量的监测系统中，绞车滚筒低速端的导气接口上安装有绞车编码器，死绳固定器液压信号输出端的三通上安装有悬重传感器，绞车编码器和悬重传感器分别通过信号电缆与防爆主机连接。当钢丝绳通过大钩牵引钻具上下移动时，绞车编码器采集到绞车滚筒旋转角度和方向的脉冲信号，经过电子电路处理得到相应的数字信号，最后由防爆主机运算处理得到实时大钩高度，进而获得大钩高度在监测时间段内的变化量，再结合悬重传感器采集到的大钩负荷，根据做功的物理公式计算出钢丝绳在此监测时间段中的做功量，并累计到该监测时间段前的总做功量中，完成对累计做功量监测。与传统的采用人工查看和测量的监测方式相比，本发明提供的监测系统及监测方法解决了大绳定量判废时缺乏客观数据且耗时繁琐的问题，能够提供更加科学有效的定量判废依据，保证钢丝绳安全、高效地应用。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种钻井钢丝绳做功量的监测系统的示意图；
图2是图1中防爆主机1的示意图。
图1中标记为：1-防爆主机，2-信号电缆，3-天车滑轮组，4-钢丝绳，5-绞车滚筒，6-绞车编码器，7-死绳固定器，8-悬重传感器，9-游车滑轮组，10-大钩，11-钻具。
图2中标记为：101-数据显示模块，102-按键操控模块，103-声光报警模块，104-无线传输模块，105-工作电源接口，106-大钩负荷接口，107-大钩高度接口，108-数据存储与调取模块。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种钻井钢丝绳做功量的监测系统的示意图，图2是图1中防爆主机1的示意图。钻机包括天车滑轮组3、钢丝绳4、绞车滚筒5、死绳固定器7、游车滑轮组9、大钩10和钻具11。本发明实施例提供的钻井钢丝绳做功量的监测系统包括防爆主机1、绞车编码器6和悬重传感器8，其中，防爆主机1具有数据显示模块101、按键操控模块102和数据存储与调取模块108，绞车编码器6安装于绞车滚筒5低速端的导气接口上，悬重传感器8安装于死绳固定器7液压信号输出端的三通上，而且，绞车编码器6通过信号电缆2与防爆主机1的大钩高度接口107相连，悬重传感器8通过信号电缆2与防爆主机1的大钩负荷接口106相连。
本实施例中，防爆主机1是长方体形功能一体机，外壳采用不锈钢隔爆材料，液晶显示屏内嵌于防爆机壳，内有单片机集成模块实施数据的采集、转换、处理和传输。从功能上来说，绞车编码器6用于测量大钩高度H，进而获得其在时间段t(预设时间间隔)内的变化量ΔH，悬重传感器8用于测量大钩负荷G，防爆主机1利用设定好的程序计算钢丝绳4的累计做功量。
防爆主机1所利用的程序中包括预先根据钻机参数制得的数据表，称为预制数据表，预制数据表中的数据包括第n层大绳缠绕1圈的周长Ln、第n层对应的游车总位移量Sn、第n层的开始脉冲值Pn、第n层的开始脉冲对应的大钩高度Hn，以及大钩高度脉冲数曲线对应第n层的斜率kn和截距bn，各数据的计算式分别为：
式中，D为绞车滚筒5的直径，d为大绳直径，B为绞车滚筒5的筒身长度、N为大绳股数，Pe为大绳放空脉冲数，Pr为每圈脉冲数，C为起始层，q为起始圈。
以某钻机为例，滚筒直径为770mm，滚筒筒身长度为1320mm，大绳直径为38mm，大绳股数为12，大绳放空脉冲数为9000，每圈脉冲数为48，起始层数为2，起始圈数为15，根据这些参数及上述计算式，防爆主机1内置软件会自动生成相应的预制数据表，如下表所示。
防爆主机1安装于钻台合适位置，并由工作电源接口105接入电源，当钢丝绳4通过大钩10牵引钻具11上下移动时，绞车编码器6采集到绞车滚筒5旋转角度和方向的脉冲信号，经过电子电路处理得到相应的数字信号，即实时脉冲值P。防爆主机1一方面通过信号电缆2获取绞车编码器6测量的实时脉冲值P，另一方面通过信号电缆2获取悬重传感器8测量的实时大钩负荷G。结合上面的预制数据表，对本发明提供的钻井钢丝绳做功量的监测方法介绍如下：
首先，根据预制数据表和实时脉冲值P查得对应该脉冲值的实时绳层。
如图1所示，假设钢丝绳4通过大钩10牵引钻具11向上移动过程中，时间段t为2秒，实时脉冲值P由12315增加到12340。由上面预制数据表中的Pn列可以查得，12315和12340对应的实时绳层都是第3层。
然后，根据预制数据表和实时绳层查得大钩高度脉冲数曲线对应该绳层的斜率kn和截距bn。
由上面预制数据表中的层数3行可以查得，斜率kn为0.005125，截距bn为-58.564。
再然后，通过计算式H＝P·kn+bn计算得出实时大钩高度H，进而得出时间段t内实时大钩高度H的变化量ΔH。
通过计算可知，本实施例中，时间段t内实时大钩高度H值由4.550m增加到了4.678m，即此过程ΔH值为0.128m。
最后，通过计算式W＝∑(μ×G×ΔH)计算得出钻井钢丝绳的累计做功量W以实现监测，式中，μ为千牛米与吨千米间的单位转换系数。
足够短时间内大钩负荷G值可视为恒定值，本实施例假设时间段t内大钩负荷G为1100kN，根据公式即可计算出此过程钢丝绳4的做功量值为0.141t·km，将其累计到时间段t之前的总做功量中，获得钢丝绳4的累计做功量W。
为了使工作人员更便捷地了解钢丝绳4的累计做功量W，可以将累计做功量W实时显示在监控屏幕上。例如，本实施例中，防爆主机1具有内嵌式的数据显示模块101，利用数据显示模块101实时显示累计做功量W。
另外，为了加强对钢丝绳4的监测，还可以将累计做功量W以通用的井场信息传输标准格式无线传输至第三方共享设备。例如，本实施例中，防爆主机1具有无线传输模块104，利用无线传输模块104可以将数据传输至第三方共享设备。
为了能够提醒钻井工程师及时对大绳进行滑切作业，监测方法中还可以包括当累计做功量W达到设定的报警阈值时，发出声光报警信号。例如，本实施例中，声光报警模块103通过螺纹内嵌于防爆主机1壳体上，当累计做功量W达到设定的报警阈值时，声光报警模块103启动，发出声光报警信号，警示钻井工程师及时滑切大绳。
另外，滑切作业完毕后防爆主机1的系统自动生成大绳滑切记录数据，并保存于数据存储与调取模块108内以备查询和调取，同时，重新进行监测系统初始化，累计做功量W自动归零，进入下一轮的监测及报警流程。针对不同的钻机，通过按键操控模块102对防爆主机1的系统时间、钻机参数、报警阈值等进行设置和调校。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种钻井钢丝绳做功量的监测方法，其特征在于，包括：
获取绞车滚筒低速端的导气接口上的绞车编码器测量的实时脉冲值P，根据预制数据表和所述实时脉冲值P查得对应该脉冲值的实时绳层，根据所述预制数据表和所述实时绳层查得大钩高度脉冲数曲线对应该绳层的斜率kn和截距bn，通过计算式H＝P·kn+bn计算得出实时大钩高度H；
获取死绳固定器液压信号输出端的三通上的悬重传感器测量的实时大钩负荷G；
通过计算式W＝∑(μ×G×ΔH)计算得出钻井钢丝绳的累计做功量W以实现监测，式中，ΔH为相邻两次计算的所述实时大钩高度H的变化量，μ为千牛米与吨千米间的单位转换系数；
所述预制数据表中的数据包括第n层大绳缠绕1圈的周长Ln、第n层对应的游车总位移量Sn、第n层的开始脉冲值Pn、第n层的开始脉冲对应的大钩高度Hn，以及第n层对应的所述斜率kn和所述截距bn，各数据的计算式分别为：
式中，D为绞车滚筒的直径，d为大绳直径，B为绞车滚筒的筒身长度、N为大绳股数，Pe为大绳放空脉冲数，Pr为每圈脉冲数，C为起始层，q为起始圈。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，还包括将所述累计做功量W实时显示在监控屏幕上。
3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，还包括将所述累计做功量W以通用的井场信息传输标准格式无线传输至第三方共享设备。
4.根据权利要求2或3所述的监测方法，其特征在于，还包括当所述累计做功量W达到设定的报警阈值时，发出声光报警信号。
5.一种钻井钢丝绳做功量的监测系统，其特征在于，包括：
绞车编码器，所述绞车编码器安装于绞车滚筒低速端的导气接口上；
悬重传感器，所述悬重传感器安装于死绳固定器液压信号输出端的三通上；
防爆主机，所述防爆主机具有数据显示模块、按键操控模块和数据存储与调取模块，所述绞车编码器通过信号电缆与所述防爆主机的大钩高度接口相连，所述悬重传感器通过信号电缆与所述防爆主机的大钩负荷接口相连。
6.根据权利要求5所述的监测系统，其特征在于，所述防爆主机具有无线传输模块。
7.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述防爆主机具有声光报警模块。
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