CN204040896U - 一种钻机恒负载控制装置 - Google Patents

Abstract

一种钻机恒负载控制装置，它包括钻机系统、液压回路和控制液压回路的负载控制装置，所述液压回路包括油箱、液压泵和油缸，油缸通过卡盘装置驱动套管及套管底部的钻头刀齿。油缸的无杆腔和有杆腔分别通过无杆腔管路和有杆腔管路与油箱连接，所述负载控制装置包括控制器、电比例阀、压力传感器和电比例减压阀。压力传感器将液压信号传送至控制器，控制器输出的控制信号通过电比例阀和电比例减压阀控制油缸内活塞的运动。所述装置根据钻头切削刀齿的极限承载力来控制钻进压入力，使其在极限承载力以内运转，延长切削刀齿的使用寿命，减少钻探事故的发生。

Description

一种钻机恒负载控制装置

技术领域

本实用新型涉及钻探机械工程领域，特别是一种钻机的负载控制装置。

背景技术

钻机钻井施工过程中，随着钻进孔深度的增加，钻具（一般包括钻杆、套管等）自重不断增加，这些重量最终传导至钻头的切削刀齿上，然而切削刀齿所能承受的负载是有限的，在同等条件下，切削刀齿的寿命与其所受载荷负相关。

在钻机钻进过程中，钻具回转的同时进行压入，钻机的回转扭矩和压入力通过钻具传递到钻头上，一般情况下压入力越大，钻具的回转阻力越大，需要钻机提供越大的回转扭矩来破碎岩石。然而钻头的压入力和回转扭矩不是越大越好，在保证钻头有效破碎和钻掘孔底岩石的前提下，必须要考虑适当延长钻头刀齿的使用寿命和钻机的使用寿命，才能保证单一钻孔中钻进过程的连续性和可靠性，因此需要将钻头的压入力和回转扭矩控制在一定范围内。

由于钻孔不断加深，无法将增加的钻具自重纳入钻进压力及回转扭矩值的设定中，即无法准确地维持钻头刀齿处的压入力或回转扭矩值在允许的范围内，特别是在钻进深度较大深井钻进或钻进直径较大的大直径套管钻进时，随着钻孔的加深，钻杆或套管重量显著增加，当施加于钻头的钻具重量和钻机压入力的总和超过钻头切削刀齿的极限承载力时，造成钻头刀齿因超负荷而产生破坏或早期磨损失效的情况，钻头无法有效切削岩石钻进不进尺，只能强制提钻换钻头，而在深井或大直径套管钻进的施工中提钻或再次下钻具容易造成塌孔或埋钻具的事故，所造成的损失是巨大的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种钻机恒负载控制装置，能根据钻头切削刀齿的极限承载力来控制钻进压入力，使其在极限承载力以内运转，延长切削刀齿的使用寿命，减少钻探事故的发生。

本实用新型的技术问题是以下述技术方案实现的：

一种钻机恒负载控制装置，它包括钻机系统、液压回路和控制液压回路的负载控制装置，所述钻机系统包括钻头刀齿、套管和卡盘装置，所述液压回路包括油箱、液压泵和油缸，油缸通过卡盘装置驱动套管及套管底部的钻头刀齿；油缸的无杆腔和有杆腔分别通过无杆腔管路和有杆腔管路与油箱连接，所述负载控制装置包括控制器、电比例阀、设置在无杆腔管路上的第一压力传感器和第一电比例减压阀、设置在有杆腔管路上的第二压力传感器和第二电比例减压阀；所述第一压力传感器和第二压力传感器将液压信号传送至控制器，控制器输出的控制信号通过电比例阀和电比例减压阀控制油缸内活塞的运动。  

上述钻机恒负载控制装置，增设第三压力传感器、回转马达和回转油路，第三压力传感器与控制器连接。

上述钻机恒负载控制装置，所述油缸为压拔油缸。

本实用新型根据钻头刀齿的极限承载力来设定钻机系统的运转负载，并且能够按照所设定负载准确控制钻进压入力和回转扭矩，随着钻孔深入钻具设备的重量增加，使钻头刀齿所承受的荷载在其极限承载的范围内，从而延长刀齿的使用寿命，减少换钻头时事故的发生。同时钻头刀齿在设定的恒负载下稳定运转，带动钻机旋转的发动机系统功率利用率最高，进尺速度最快。

附图说明

图1是本实用新型压入力控制装置的结构示意图；

图2是本实用新型扭矩控制装置的结构示意图。

图中各标号清单为：1、钻头刀齿，2、套管，3、卡盘装置，4、液压杆，5、有杆腔，6、无杆腔，7、第一压力传感器，8、第二压力传感器，9、控制器，10、第一电比例减压阀，11、第二电比例减压阀，12、电比例阀，13、油箱， 14、溢流阀，15、液压泵，16、第三压力传感器，17、回转马达。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，一种钻机恒负载控制装置包括钻机系统、液压回路和控制液压回路的负载控制装置。其中钻机系统包括钻头刀齿1、套管2和卡盘装置3。钻头刀齿1安装于套管2的底部，是镶嵌切削合金的可拆装的刀齿，易于快速将套管2切削进入岩石或钻进土层。套管2是由钢板卷制的圆筒，采用多节套管连接成长套管。卡盘装置3主要由均匀分布于套管外壁圆周上的多个卡瓦组成，多个卡瓦采用液压驱动的竖向楔块可同步夹紧套管2，此时卡瓦将钻机回转扭矩和竖向压拔力传递给套管2，使套管2底部的钻头刀齿1进行掘进操作。所述液压回路包括油缸、液压泵15、溢流阀14和油箱13。油缸为压拔油缸，其内部设置活塞和液压杆4，活塞将油缸分成两个腔室，有液压杆的腔室为有杆腔5，有杆腔5与有杆腔管路连接。没有液压杆的腔室为无杆腔6，无杆腔6与无杆腔管路连接。液压泵15可以将油箱13中的高压油分别通过有杆腔管路和无杆腔管路压入油缸的有杆腔5和无杆腔6。

负载控制装置包括压入力控制装置和扭矩控制装置，其中压入力控制装置包括压力传感器、电比例阀12、第一电比例减压阀10、第二电比例减压阀11和控制器9。所述压力传感器为第一压力传感器7和第二压力传感器8，其中第一压力传感器7和第一电比例减压阀10设置在无杆腔管路上，第二压力传感器8和第二电比例减压阀11设置在有杆腔管路上。液压泵15连接至电比例阀12的P油口，液压泵15的一侧设置溢流阀14旁路。电比例阀12的A、B油口分别与有杆腔5和无杆腔6连接。两个压力传感器将采集到的液压信号传送给控制器9，控制器9根据液压信号输出电信号控制电比例阀12和第一电比例减压阀10、第二电比例减压阀11的动作。电比例阀12用以控制无杆腔6和有杆腔5的油量，第一电比例减压阀10和第二电比例减压阀11分别控制无杆腔6和有杆腔5的腔内压力。

电比例阀12是通过电流信号比例控制的流量控制阀，通过pwm电流信号按比例调节通过该阀A、B两个油口的流量；电比例减压阀是通过电流信号比例控制的一种压力控制阀，通过pwm电流信号按比例调节该阀出口的压力。所述控制器9为可编程控制器（PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。其通过输出pwm电流信号控制电比例阀12的开口大小及出油方向。

如图2所示，所述扭矩控制装置是在压入力控制装置的基础上增设第三压力传感器16、回转马达17和回转油路，第三压力传感器16连接至控制器9。回转油路包括回转油箱、回转液压泵和连接至回转马达17的油路，回转马达17通过齿轮传动和夹紧套管的卡盘装置3回转驱动套管2。第三压力传感器16采集回转马达17一侧压力信号，并传回控制器。

以下对本实用新型的工作过程做进一步说明：

大直径套管钻进施工过程中，钻机系统进行套管压入操作时，液压泵13将液压油输送进压拔油缸的有杆腔5，油缸的缸体下行带动卡盘装置和套管2下压，使前端的钻头刀齿1掘进。

套管2下部钻头刀齿1的压入力（也称刀齿负荷）为F，油缸有杆腔的推力为f（也是卡盘装置作用于套管的下压力），无杆腔的推力为R，根据加压油缸的力平衡关系，有如下关系式一： 

F=套管质量Wc+卡盘装置质量Wd+有杆腔推力f－无杆腔推力R        

由上式可知，即使有杆腔推力f和无杆腔推力R均为0，套管钻头的压入力F也为套管质量Wc与卡盘装置质量Wd的和。随着施工深度的加深，套管质量Wc持续增加，钻头刀齿的压入力F也就越大。为了保证刀齿负荷F不超过刀齿极限承载力F_max，预先根据刀齿的极限承载力设定一个小于刀齿极限承载力的压入力设定值F’。（刀齿极限承载力为试验中对切削刀齿进行轴向加载，当试验载荷逐渐提高到使刀齿的合金发生断裂或破碎时，此时的载荷即为刀齿的极限承载力）。

液压系统将按照预先设定的压入力F’进行压入操作，第一电比例减压阀10关闭、第二电比例阀11打开的状态下，无杆腔6的回油路被封闭，有杆腔油路与油箱13连通。此时有杆腔油压P2为0，有杆腔推力f为0，通过第一压力传感器7读取油缸无杆腔的油压P1，并根据无杆腔的油压面积A（活塞面积）计算油缸无杆腔的油压推力R（R=P1·A，下同），即R值为已知。 

此时无杆腔一侧封闭，油缸的有杆腔5和无杆腔6压力平衡，油缸固定，压入力F=0（此状态也称套管称重状态），根据油缸的力平衡关系，由关系式一得出关系式二：

无杆腔推力R=套管质量Wc+卡盘装置质量Wd            

控制器9由关系式二计算出当前状态下的钻具自重W（W=Wc+Wd），并比较压入力设定值F’与W大小关系；

若F’>W，则说明预设压入力大于当前钻具自重，应执行加压钻进，控制器9输出电信号打开电比例阀12给油缸有杆腔5供油，并输出电信号i（t）控制电比例减压阀10缓慢减小无杆腔6的油压力P1’，同时实时动态采集油缸无杆腔油压P1’和有杆腔油压P2’，并分别根据相应油腔面积计算压力R’和f’，直到满足F’=W+f’-R’，则保持此时电流值i进行钻进，即钻进过程中保持压入力值为F’。

若F’<W，则说明当前钻具自重已大于预设压力，应执行减压钻进，控制器9输出电信号使电比例阀12给油缸无杆腔6供油，并输出电信号i（t）控制电比例减压阀11缓慢减小油缸有杆腔5的压力P2’，同时实时动态采集压拔油缸的无杆腔油压P1’和有杆腔油压P2’，并分别根据相应油腔面积计算压力R’和f’，直到满足F’=W+f’-R’，则保持此时电流值i进行钻进，即钻进过程中保持压入力值为F’。

因此，无论当前钻具自重W值为多少，都可以按预设压入力F’进行钻进。工程实际中，可根据实际刀齿极限载荷合理调整预设压入力F’。

根据压入力控制装置可以实现任意压入力（与增加的钻具自重无关）的控制，又知钻机系统空转（压入力F’=0）时，套管所受的回转扭矩S最小；压入力增大时，套管所受到的阻力（回转扭矩）越大，因此回转扭矩S与压入力F 呈正比，即S∝F。

扭矩控制装置中，在回转油路侧安装有第三压力传感器16和回转马达17，第三压力传感器的数据反映出套管所受回转扭矩的大小。预设任一回转扭矩值S’（该值须大于空转扭矩值），根据上述压入力的控制原理，通过控制器9自动调整输出的电信号来改变压入力F’的值，直到第三压力传感器16返回的回转扭矩值S与预设回转扭矩值S’相等，实现恒扭矩控制。

Claims (3)

1.一种钻机恒负载控制装置，它包括钻机系统、液压回路和控制液压回路的负载控制装置，所述钻机系统包括钻头刀齿（1）、套管（2）和卡盘装置（3），所述液压回路包括油箱（13）、液压泵（15）和油缸，油缸通过卡盘装置（3）驱动套管（2）及套管（2）底部的钻头刀齿（1）；油缸的无杆腔（6）和有杆腔（5）分别通过无杆腔管路和有杆腔管路与油箱（13）连接，其特征在于，所述负载控制装置包括控制器（9）、电比例阀（12）、设置在无杆腔管路上的第一压力传感器（7）和第一电比例减压阀（10）、设置在有杆腔管路上的第二压力传感器（8）和第二电比例减压阀（11）；所述第一压力传感器（7）和第二压力传感器（8）将液压信号传送至控制器（9），控制器（9）输出的控制信号通过电比例阀（12）和两个电比例减压阀控制油缸内活塞的运动。

2.根据权利要求1所述的钻机恒负载控制装置，其特征在于，增设第三压力传感器（16）、回转马达（17）和回转油路，第三压力传感器（16）与控制器（9）连接。

3.根据权利要求2所述的钻机恒负载控制装置，其特征在于，所述油缸为压拔油缸。