本發(fā)明涉及鉆探裝備的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有鉆壓實時監(jiān)測功能的自平衡式鉆進起拔機構(gòu)。

背景技術(shù)：

鉆井施工過程中，鉆機主要有兩個工況：鉆進和起拔。

鉆進和起拔過程中，鉆機的鉆壓是最重要的鉆進工藝參數(shù)之一，在鉆進起拔過程中，鉆機的鉆壓對鉆井施工效果、鉆進效率和鉆井質(zhì)量影響很大，鉆進起拔過程中需要實時準確監(jiān)測鉆壓。目前全液壓式鉆機的鉆壓不是直接測量，而普遍采用通過測量雙作用給進液壓油缸兩個油口的壓力間接計算得到的，由于無法精確計算液壓系統(tǒng)的沿程壓力損失、阻尼力及摩擦力導致鉆壓的測量結(jié)果準確度受到限制。

鉆機的給進和起拔是通過2根給進油缸的伸縮帶動鋼絲繩提供的，由于油缸的額定流量比較大，液壓系統(tǒng)很難保證兩根油缸的行程完全同步，特別是受到裝配誤差的影響鋼絲繩的長度很難精確控制，這樣就會導致整個機構(gòu)和鋼絲繩的受力不平衡，使整個機構(gòu)的發(fā)生偏載、變形增大、壽命降低。

起拔力是鉆機最重要的性能指標之一，決定了鉆機處理復雜鉆進事故的能力，而起拔力的大小由起拔鋼絲繩承受的極限載荷F和鋼絲繩的根數(shù)n決定，即鉆機的起拔力＝n×F。要進一步增大鉆機的起拔力要么增大鋼絲繩的根數(shù)要么就是增大鋼絲繩的截面積，這樣就會導致鉆機的整體結(jié)構(gòu)復雜、成本增加，另外受到彈性變形和裝配誤差的影響每根鋼絲繩長度很難精確控制，鋼絲繩的根數(shù)越多，產(chǎn)生的累積誤差也越大，嚴重制約了鉆機能力的進一步提升。鉆機設計時應盡可能在不增加鋼絲繩根數(shù)的前提下，提高單根鋼絲繩所能提供的最大力。

為此，本發(fā)明的設計者有鑒于上述缺陷，通過潛心研究和設計，綜合長期多年從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗和成果，研究設計出一種具有鉆壓實時監(jiān)測功能的自平衡式鉆進起拔機構(gòu)，以克服上述缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有鉆壓實時監(jiān)測功能的自平衡式鉆進起拔機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，既提高起拔力，還能進行實時監(jiān)測，更具實用性和適用性。

為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種具有鉆壓實時監(jiān)測功能的自平衡式鉆進起拔機構(gòu)，包括一級固定機身、二級油缸給進機身和動力頭托板，其特征在于：

所述二級油油缸給進機身通過油缸可伸縮的設置于一級固定機身，所述二級油缸給進機身包含位于兩側(cè)中空方鋼中間的機身本體，機身本體上端通過橫梁連接于所述一級固定機身內(nèi)的油缸伸縮桿的自由端，所述動力頭托板位于一級固定機身的前側(cè)，并通過上自平衡機構(gòu)和下自平衡機構(gòu)分別繞二級油缸給進機身的上下兩端后連接至一級固定機身，以通過二級油缸給進機身的上下移動而實現(xiàn)動力頭托板的上下運動。

其中：所述上自平衡機構(gòu)包含第一鋼絲繩、第二鋼絲繩、上平衡支座和上定滑輪組，所述平衡支座為三角結(jié)構(gòu)，其下端通過上螺栓拉環(huán)連接于一級固定機身后側(cè)中部的定位部，兩者之間通過上測力銷軸進行鉸接，其上端兩個角部分別鉸接有自平衡滑輪，所述上定滑輪組安裝于二級油缸給進機身的橫梁，其包含兩組前后設置并分別從二級油缸給進機身向外伸出的滑輪組，每組滑輪組包含四個并排間隔設置的上滑輪，所述第一鋼絲繩和第二鋼絲繩分別的兩端分別繞過上述自平衡滑輪后，再繞過前后兩組滑輪組的兩個上滑輪，并向下延伸連接至動力頭托板的上端。

其中：所述下自平衡機構(gòu)包含第三鋼絲繩、第四鋼絲繩、下自平衡支座和下定滑輪組，所述下自平衡支座為三角結(jié)構(gòu)，其上端通過下螺栓拉環(huán)連接于一級固定機身后側(cè)中部的定位部，兩者之間通過下測力銷軸進行鉸接，其下端兩個角部分別連接于第三鋼絲繩、第四鋼絲繩的一端，所述下定滑輪組包含設置于二級油缸給進機身下端兩側(cè)的兩個下滑輪，所述第三鋼絲繩、第四鋼絲繩的另一端分別繞過下滑輪后與動力頭托板的下端連接。

其中：二級油缸給進機身通過導軌支撐于一級固定機身機架內(nèi)側(cè)的導向輪，所述導向輪成對設置于二級油缸給進機身兩側(cè)并可具有一對或多對，以引導其上下移動。

其中：還包含控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)通過傳感器電纜連接至上測力銷軸和下測力銷軸，包含信號采集模塊、實時監(jiān)測模塊、實時顯示模塊和實時控制模塊。

其中：所述信號采集模塊對上測力銷軸和下測力銷軸的測量信號進行采集，所述實時監(jiān)測模塊對采集模塊得到的采集信號進行監(jiān)測，監(jiān)測方法為：上測力銷軸實時測量鉆進過程中的起拔力F_起，下測力銷軸4實時測量鉆進過程中的給進力F_給，在鉆進前將鉆頭提離孔底時可實時進行鉆具的稱重：F_重＝F_起0-F_給0；F_起0和F_給0為初始信號，在鉆進過程中實時監(jiān)測鉆壓：F_鉆壓＝F_給+F_重-F_起，F(xiàn)_給和F_起為實時信號，從而實時顯示模塊將監(jiān)測信號進行實時反饋和顯示，以便于操作者進行觀察。

其中：所述實時控制模塊將通過預定鉆壓和預定起拔力與實時信號進行比對，同時根據(jù)比對結(jié)果控制油缸的液壓輸入和輸出，從而有效提高實時控制和安全性能。

通過上述結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明的具有鉆壓實時監(jiān)測功能的自平衡式鉆進起拔機構(gòu)具有如下效果：

1、鉆壓的實時監(jiān)測，采用測力銷軸直接測量鉆壓的方式避免了傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)壓力推算結(jié)果帶來的鉆壓失真問題；

2、能夠自動調(diào)節(jié)整體機構(gòu)的平衡，避免了由于鋼絲繩不同步導致的給進機身受力不平衡；

3、采用油缸-鋼絲繩與滑輪組合的形式提供了鉆井施工過程中所需要的鉆進力和起拔力，實現(xiàn)了相同鋼絲繩數(shù)量和截面條件下鉆機的起拔力提高到原來的2倍。

本發(fā)明的詳細內(nèi)容可通過后述的說明及所附圖而得到。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明的具有鉆壓實時監(jiān)測功能的自平衡式鉆進起拔機構(gòu)的主視圖；

圖2為本發(fā)明的后視圖；

圖3為本發(fā)明的左視圖；

圖4為油缸伸出狀態(tài)示意圖。

附圖標記：

1—上自平衡支座、2—下自平衡支座、3—上測力銷軸、4—下測力銷軸、5—上螺栓拉環(huán)、6—下螺栓拉環(huán)、7—自平衡滑輪組、8—第一鋼絲繩、9—第二鋼絲繩、10—第三鋼絲繩、11—鋼絲繩4、12—下定滑輪組、13—上定滑輪組、14—一級固定機身、15—二級油缸給進機身、16—動力頭托板、17-傳感器電纜。

具體實施方式

參見圖1至圖4，顯示了本發(fā)明的具有鉆壓實時監(jiān)測功能的自平衡式鉆進起拔機構(gòu)。

所述具有鉆壓實時監(jiān)測功能的自平衡式鉆進起拔機構(gòu)包括一級固定機身14、二級油缸給進機身15和動力頭托板16，所述一級固定機身14通過螺栓等固定方式安裝在鉆機車或鉆機架上，隨之固定不動，所述二級油油缸給進機身15通過油缸可伸縮的設置于一級固定機身14中，從而可通過油缸的伸縮帶動二級油缸給進機身15相對一級固定機身14向上和向下移動，所述動力頭托板16位于一級固定機身14的前側(cè)，并通過上自平衡機構(gòu)和下自平衡機構(gòu)分別繞二級油缸給進機身15的上下兩端后連接至一級固定機身14后側(cè)中部的定位部，以通過二級油缸給進機身15的上下移動而實現(xiàn)動力頭托板16的上下運動，在動力頭托板16上安裝帶動鉆桿鉆進的動力頭后，可實現(xiàn)起拔和給進的鉆進施工，從圖3到圖4的過程即為起拔過程，反過來從圖4到圖3即為鉆進過程。

可選的是，驅(qū)動二級油缸給進機身15的油缸安裝在一級固定機身14內(nèi)部，二級油缸給進機身15可通過導軌支撐于一級固定機身14機架內(nèi)側(cè)的導向輪，所述導向輪成對設置于二級油缸給進機身15兩側(cè)并可具有一對或多對，以引導其上下移動，隨著油缸的伸縮，二級油缸給進機身15相對于一級固定機身14上下運動。

其中，所述一級固定機身14包含位于兩側(cè)的中空方鋼，所述二級油缸給進機身15包含位于兩側(cè)中空方鋼中間的機身本體，機身本體上端通過橫梁連接于所述一級固定機身14內(nèi)的油缸伸縮桿的自由端。

其中，所述上自平衡機構(gòu)包含第一鋼絲繩8、第二鋼絲繩9、上平衡支座1和上定滑輪組13，所述平衡支座1為三角結(jié)構(gòu)，其下端通過上螺栓拉環(huán)5連接于一級固定機身14后側(cè)中部的定位部，兩者之間通過上測力銷軸3進行鉸接，其上端兩個角部分別鉸接有自平衡滑輪7，所述上定滑輪組13安裝于二級油缸給進機身15的橫梁，參見圖1和圖2，其包含兩組前后設置并分別從二級油缸給進機身15向外伸出的滑輪組，每組滑輪組包含四個并排間隔設置的上滑輪，所述第一鋼絲繩8和第二鋼絲繩9分別的兩端分別繞過上述自平衡滑輪7后，再繞過前后兩組滑輪組的兩個上滑輪，并向下延伸連接至動力頭托板16的上端。

其中，所述下自平衡機構(gòu)包含第三鋼絲繩10、第四鋼絲繩11、下自平衡支座2和下定滑輪組12，所述下自平衡支座2為三角結(jié)構(gòu)，其上端通過下螺栓拉環(huán)6連接于一級固定機身14后側(cè)中部的定位部，兩者之間通過下測力銷軸4進行鉸接，其下端兩個角部分別連接于第三鋼絲繩10、第四鋼絲繩11的一端，所述下定滑輪組12包含設置于二級油缸給進機身15下端兩側(cè)的兩個下滑輪，所述第三鋼絲繩10、第四鋼絲繩11的另一端分別繞過下滑輪后與動力頭托板16的下端連接。

鉆機起拔過程實現(xiàn)方式：當二級油缸給進機身15伸出時，上定滑輪組13和下定滑輪組12隨之向上運動，并通過第一鋼絲繩8、第二鋼絲繩9拉動動力頭托板16向上運動，動力頭托板16上連接的鉆桿、鉆頭和鉆具也隨之向上運動，實現(xiàn)鉆機的起拔過程，假設第一鋼絲繩8、第二鋼絲繩9單根可承受的最大拉力為F，通過油缸-鋼絲繩-滑輪組合后第一鋼絲繩8、第二鋼絲繩9單根可提供的最大起拔力為2F，實現(xiàn)了在不增加鋼絲繩根數(shù)和截面積的前提下，提高單根鋼絲繩所能提供的最大起拔力的目的；鉆機鉆進過程實現(xiàn)方式：當二級油缸給進機身15縮回時，上定滑輪組13和下定滑輪組12隨之向下運動，并通過第三鋼絲繩10、鋼絲繩411拉動動力頭托板16向下運動，動力頭托板16上連接的鉆桿、鉆頭和鉆具也隨之向下運動，實現(xiàn)鉆機的鉆進過程。如附圖所示，從圖3到圖4的過程為起拔過程，從圖4到圖3為鉆進過程。

由此，鉆機的起拔力通過與所述動力頭托板16相連的鋼絲繩提供，第一鋼絲繩8和第二鋼絲繩9在繞過自平衡滑輪組7分為2個分支后變?yōu)?根鋼絲繩通過上定滑輪組13與動力頭托板16連接，假設單根鋼絲繩可承受的最大力為F，采用所述的機構(gòu)后單根鋼絲繩可提供的起拔力為2F，因此所述的第一鋼絲繩8和第二鋼絲繩9可提供的最大起拔力為4F。

在起鉆過程中，上平衡支座1與上測力銷軸3組成的轉(zhuǎn)動副可自動調(diào)節(jié)左右自平衡滑輪組7的高度，進而有效防止由于鋼絲繩的長度和裝配誤差導致的第一鋼絲繩8、第二鋼絲繩9和機身的受力不均衡。同時上平衡支座1通過上測力銷軸3實時測量起拔力，上位機通過傳感器電纜17可實時讀取鉆進過程中的起拔力。同理在鉆進過程中，下平衡支座2可自動調(diào)節(jié)第三鋼絲繩10、鋼絲繩411的平衡，進而保證鉆壓的自動平衡，同時通過讀取下測力銷軸4的值實時獲得鉆機的給進力。在鉆進和起拔過程中通過上測力銷軸3和下測力銷軸4的測量值可實時監(jiān)測鉆機鉆進和起拔過程中的鉆壓。

進一步的，本發(fā)明中自平衡式鉆進起拔機構(gòu)還包含控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)通過傳感器電纜17連接至上測力銷軸3和下測力銷軸4，包含信號采集模塊、實時監(jiān)測模塊、實時顯示模塊和實時控制模塊，所述信號采集模塊對上測力銷軸3和下測力銷軸4的測量信號進行采集，所述實時監(jiān)測模塊對采集模塊得到的采集信號進行監(jiān)測，監(jiān)測方法為：上測力銷軸3實時測量鉆進過程中的起拔力F_起，并通過傳感器電纜17將測量結(jié)果進行傳輸，下測力銷軸4實時測量鉆進過程中的給進力F_給，并通過傳感器電纜17將測量結(jié)果進行傳輸。在鉆進前將鉆頭提離孔底時可實時進行鉆具的稱重：F_重＝F_起0-F_給0；F_起0和F_給0為初始信號，在鉆進過程中可實時監(jiān)測鉆壓：F_鉆壓＝F_給+F_重-F_起。F_給和F_起為實時信號，從而實時顯示模塊將監(jiān)測信號進行實時反饋和顯示，以便于操作者進行觀察，所述實時控制模塊將通過預定鉆壓和預定起拔力與實時信號進行比對，同時根據(jù)比對結(jié)果控制油缸的液壓輸入和輸出，從而有效提高實時控制和安全性能。

整個機構(gòu)安裝于鉆機車或固定于鉆機架上，可提供鉆井施工過程中鉆進和起拔所需的給進力和起拔力。由油缸-鋼絲繩組成的給進機構(gòu)帶動動力頭托板16上的動力頭上下運動，進而帶動與動力頭相連的鉆桿、鉆頭和其他鉆具向下運動實現(xiàn)鉆機鉆進，向上運動實現(xiàn)鉆機起拔。

鉆井施工過程中該機構(gòu)通過上測力銷軸3和下測力銷軸4可實時進行鉆具的稱重、實時監(jiān)測鉆壓；該機構(gòu)通過上自平衡支座1和下自平衡支座2可自動調(diào)節(jié)鋼絲繩的平衡、找正，降低鋼絲繩長度及裝配誤差對機構(gòu)平衡的影響；通過兩組滑輪的組合在不增加鋼絲繩根數(shù)和截面積的前提下，提高單根鋼絲繩最大起拔力為原來的2倍。

顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發(fā)明的公開內(nèi)容、應用或使用。雖然已經(jīng)在實施例中描述過并且在附圖中描述了實施例，但本發(fā)明不限制由附圖示例和在實施例中描述的作為目前認為的最佳模式以實施本發(fā)明的教導的特定例子，本發(fā)明的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權(quán)利要求的任何實施例。