專利名稱：石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)及標定和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油鉆井設(shè)備，尤其涉及石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)及標定和方法。
背景技術(shù)：
如圖I、圖2所示，現(xiàn)代鉆井技術(shù)是通過將鉆頭42固定在鉆桿41上，通過大鉤4懸掛鉆桿41，利用其自重并結(jié)合電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)石油鉆機的鉆井功能。在這ー過程中，各種鉆機現(xiàn)場工作狀態(tài)的判斷，井深及鉆頭42位置的計算，都不能缺少大鉤4高度這一重要參數(shù)。井深和鉆頭42位置等參數(shù)在鉆井工程中尤為重要，起到判斷井底巖層、制定工作進度、了解井下復雜情況等重要作用，一旦計算或判斷失誤，輕則影響工作計劃，造成鉆具損傷，嚴重時可能發(fā)生井噴等重大安全事故，造成重大人員傷亡。大鉤4在鉆井過程中通過上提和下放來及時調(diào)整鉆桿41和鉆頭42的位置，而大·鉤4則是通過ー根鋼絲繩3懸掛的。鋼絲繩3通過鉆井架2頂端的安裝在天車I內(nèi)的導繩輪11和滑輪組12最后纏繞在處于鉆臺底部的絞車5上。絞車電機帶動絞車滾筒轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)收放鋼絲繩3，進而實現(xiàn)調(diào)節(jié)大鉤4的高度。在以往的測量方法中，通常是將絞車傳感器6安裝在位于鉆臺底層的絞車滾筒軸上，通過測量滾筒的轉(zhuǎn)動圈數(shù)并結(jié)合滾筒直徑等參數(shù)來計算當前的大鉤4高度，絞車傳感器6 (也稱編碼器)主要由殼體、齒輪片、轉(zhuǎn)動軸、兩只位置傳感器組成，齒輪片固定在轉(zhuǎn)動軸上，兩只位置傳感器安裝在可檢測出齒輪位置相位相差90度的位置上，當位置傳感器被齒輪片中的齒擋住和不擋住時，可以輸出不同的電壓信號，其中一只位置傳感器在相位上先出現(xiàn)被認為順時針方向轉(zhuǎn)動的話，則另一只位置傳感器在相位上先出現(xiàn)時為逆時鐘方向轉(zhuǎn)動，以此可以判斷齒輪片正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)了幾個齒數(shù)，現(xiàn)以12齒的齒輪片為例，每轉(zhuǎn)ー圈每個位置傳感器輸出12個脈沖，兩個位置傳感器輸出24個脈沖，再經(jīng)觸發(fā)、鑒相、倍頻后共輸出48個旋轉(zhuǎn)脈沖到計數(shù)器，如果絞車傳感器順時針旋轉(zhuǎn)時計數(shù)器累加計數(shù)，則絞車傳感器逆時針旋轉(zhuǎn)時計數(shù)器累減計數(shù)，鑒相的目的是為計數(shù)器累加計數(shù)還是累減計數(shù)提供判斷依據(jù)，計數(shù)器的計數(shù)值與絞車傳感器的旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度輸入絞車的直徑可獲得大鉤4移動的長度?，F(xiàn)有技術(shù)中對大鉤4的高度進行標定時，有如下幾種方法第一種為兩點標定法，即在大鉤4距離鉆井平臺7實際高度為5米和34米的位置讀取編碼器的信號值，從而通過計算得出編碼器在其他信號值時對應的大鉤高度值。由于鋼絲繩3在絞車滾筒上的纏繞疊層，造成滾筒轉(zhuǎn)動ー圈鋼絲繩3的收放長度不是ー個定值，假如從大鉤4高度從5米變化到34米滾筒要轉(zhuǎn)動290圏，即大鉤4上升或下降29米滾筒要轉(zhuǎn)動290圏，按照兩點標定的計算，滾筒轉(zhuǎn)動每一圈大鉤4上升或下降的距離為0. I米。但是，由于鋼絲繩3在滾筒上的纏繞疊層，致使當滾筒纏繞了不同層數(shù)的鋼絲繩3時，滾筒每轉(zhuǎn)動一圈繩子的收放長度不等，也就造成了大鉤4高度的實際變化值不一定是0. I米，從而造成不可避免的誤差。第二種為10點標定法，即在大鉤4對應10個不同的實際高度時讀取對應的編碼器值，計算原理與兩點標定相同。雖然理論上較兩點標定誤差會減小，精度稍高，但由鋼絲繩3疊層帶來的誤差并未完全消除，且在實際應用中此標定方法可操作性不高，由于這10點的大鉤4實際高度的測量實施很困難，并且，一旦其中一點的測量數(shù)據(jù)有較大誤差，大鉤4高度的計算結(jié)果就會產(chǎn)生很大偏差。第三種為4點標定法，其中第I點為大鉤4在0米時讀取的編碼器值；第2點為標完0米后大鉤4繼續(xù)上升，滾筒纏繞繩子在之后第一次繩子換層的編碼器值；第3點為大鉤4懸掛ー根鉆桿41 (約9. 6米)時的編碼器值；第四點為大鉤4懸掛3根鉆桿41 (約29米)的編碼器值。此標定方法理論上能精確計算到滾筒上由于鋼絲繩3纏繞疊層而導致的每ー層對應的實際繩子收放長度，但在實際情況下，由于鋼絲繩3存在磨損以及在滾筒上的纏繞不規(guī)則等而造成計算出錯誤的繩子層數(shù)，從而導致計算出的繩子收放長度出現(xiàn)錯誤，進而影響到大鉤4高度的計算值。并且同10點標定一祥，標定要求精度較高，實施困難，且標定的點數(shù)越多，存在人為誤差越大。以上傳統(tǒng)的3種測量方法，除本身的標定問題外，由于編碼器安裝時固定困難，造·成在滾筒轉(zhuǎn)動過程中的晃動，同樣影響到大鉤4高度的計算結(jié)果。在實際應用中，如果沒有技術(shù)人員的實時監(jiān)測，標定完成的大鉤4高度值在較短時間內(nèi)就會與實際高度值產(chǎn)生較大偏離，進而使鉆井參數(shù)系統(tǒng)判斷失誤，嚴重時會造成鉆井設(shè)備損壞，甚至造成重大事故。即便有技術(shù)人員及時糾正，但由于標定的復雜性，需要多人配合才能完成，有時因為一點的標定失誤就需要所有點的反復重新標定，造成了人員和時間的極大浪費，占用過多的生產(chǎn)時間，影響鉆井工程時效，是鉆井現(xiàn)場影響工作進度的一個不容忽視的原因。并且，石油鉆井現(xiàn)場環(huán)境特別復雜，傳統(tǒng)的有線通訊布線實施特別困難，也很容易受到周圍電磁場等因素的影響，從而造成測得編碼器值也會產(chǎn)生很大偏差。由于傳統(tǒng)大鉤4高度測量存在很大誤差，以至于在實際應用中只能起到輔助監(jiān)測功能，為了達到鉆井計劃所設(shè)計的井深精度，得到準確的數(shù)值，在第三種標定法中，需要現(xiàn)場技術(shù)人員在每使用一根鉆桿之前都要對其進行人工測量和統(tǒng)計，從而帶來極大的人員和時間的浪費，另外，，由于鉆桿的加工エ藝和技術(shù)條件限制，每根出廠的普通鉆桿長度為9. 2米-9. 7米之間，不是固定值，也為測量帶來麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供了ー種石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)及該系統(tǒng)的標定和測量方法，本發(fā)明通過直接采集鋼絲繩的長度的信號，獲得大鉤的準確位置信號，同時大大簡化了標定方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是ー種石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)，包括固定在鉆井平臺上的絞車、絞車傳感器、安裝在鉆井架頂部的導繩輪和滑輪組、大鉤和控制器，絞車上疊繞的鋼絲繩經(jīng)導繩輪和滑輪組與大鉤連接，絞車傳感器與控制器電連接，所述導繩輪上設(shè)有同軸心安裝的齒輪，所述絞車傳感器的轉(zhuǎn)動軸上也相應地安裝齒輪，絞車傳感器的轉(zhuǎn)動軸與導繩輪通過齒輪嚙合聯(lián)動，絞車傳感器的殼體與導繩輪的固定架固定。所說的固定架可以是固定導繩輪且不隨導繩輪轉(zhuǎn)動的固定軸，也可以是固定所說固定軸的固定板。
為了減少拉電線的麻煩，同時也為了減少電器干擾，提供傳輸?shù)目煽啃?，還包括無線發(fā)射模塊、無線接收模塊和控制中心，所述絞車傳感器經(jīng)控制器與無線發(fā)射模塊連接，無線接收模塊與控制中心連接。需要說明的是，所說的控制器與控制中心都采取計算機芯片，都具備信號采集、處理、計算等控制功能，可以根據(jù)需要進行設(shè)置。本發(fā)明還提供了與上述技術(shù)方案相適應石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)的標定和測量方法，該標定和方法是按如下步驟(31)將控制器內(nèi)記錄絞車傳感器旋轉(zhuǎn)脈沖的計數(shù)器清零；(32)開動絞車，大鉤隨絞車轉(zhuǎn)動從鉆井架頂部向下移動一段已知的距離D1，所述計數(shù)器記錄有計數(shù)值Cl，通過公式S=D1 + C1計算計數(shù)器每計ー個脈沖數(shù)時大鉤移動距離的常數(shù)；
·
(33)將該常數(shù)S輸入到計算大鉤移動距離的公式D=SXC并進行儲存，標定完成，其中，D為大鉤移動的距離，C為計數(shù)器記錄的計數(shù)值；(34)測量時，通過公式D=SXC計算大鉤移動的距離。所述計數(shù)器的計數(shù)方法按如下步驟(41)所述大鉤從上往下移動時，每出現(xiàn)ー個計數(shù)脈沖，計數(shù)器加一；(42)所述大鉤從下往上移動時，每出現(xiàn)ー個計數(shù)脈沖，計數(shù)器減一。本發(fā)明石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)，具有精度高，布線簡單，傳輸距離遠，抗干擾能力強，標定方法簡單準確，只需要一個人即可完成操作，節(jié)省人力，提高了工作效率。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)的部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖3所示，ー種石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的天車、鉆井架、鉆井平臺與圖I中的現(xiàn)有技術(shù)相同，該系統(tǒng)還包括固定在鉆井平臺上的絞車5、安裝在鉆井架頂部天車內(nèi)的導繩輪11和滑輪組12、大鉤4以及控制器，絞車5上疊繞的鋼絲繩3經(jīng)導繩輪11和滑輪組12與大鉤4連接，導繩輪11上設(shè)有同軸心安裝的齒輪13，絞車傳感器6的轉(zhuǎn)動軸上也相應的安裝齒輪14，絞車傳感器6的轉(zhuǎn)動軸與導繩輪11通過齒輪13和齒輪14嚙合聯(lián)動，絞車傳感器6的殼體與導繩輪11的固定架固定。固定架可以是固定導繩輪11且不隨導繩輪11轉(zhuǎn)動的固定軸，也可以是固定該固定軸的固定板。上述絞車5包括控制絞車轉(zhuǎn)動的電機等控制部分。上述絞車傳感器6可以選用現(xiàn)有的任何ー種型號的絞車傳感器。絞車傳感器6可以經(jīng)有線遠距離傳輸與控制器連接，該控制器設(shè)置在鉆井井場ー定距離的專用儀器房如錄井儀儀器房內(nèi)，絞車傳感器6也可以經(jīng)近距離傳輸與控制器連接，控制器與無線發(fā)射模塊連接，無線接收模塊與控制中心連接，該控制中心可以設(shè)置在井場一定距離的專用儀器房如錄井儀儀器房內(nèi)也可以設(shè)置在遠距離的控制中心。
結(jié)合上述測量系統(tǒng)介紹本發(fā)明的標定和測量方法，絞車傳感器6中兩個位置傳感器信號送入控制器后，控制器內(nèi)的計數(shù)器可以記錄絞車傳感器6產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)脈沖，由于井場上大鉤4有可能向上也有可能向下，如果大鉤4從上往下移動時，每出現(xiàn)一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器加一，則大鉤4從下往上移動時，每出現(xiàn)ー個計數(shù)脈沖，計數(shù)器減一，這部分的技木，現(xiàn)有技術(shù)中已有記載，本發(fā)明標定方法的主要區(qū)別是，先計算出計數(shù)器每計ー個脈沖數(shù)時大鉤4移動距離的常數(shù)，如大鉤4從鉆井架2頂部向下移動距離Dl為5米，計數(shù)器記錄的計數(shù)值Cl為1000個脈沖數(shù)，則計數(shù)器每計ー個脈沖數(shù)時大鉤4移動距離的常數(shù)S=Dl^Cl即S=5 +1000=0. 005，將該常數(shù)S輸入公式D=SX C后得到D=O. 005C并進行儲存，完成標定，測量時根據(jù)公式D=O. 005C輸入計數(shù)器記錄的計數(shù)值C即可計算出大鉤4移動的距離D。本發(fā)明的標定方法無需輸入絞車5的繞線直徑、絞車傳感器6的齒數(shù)，也無需輸入導繩輪11、齒輪13和齒輪14的參數(shù)，因為這些參數(shù)均已包含在計數(shù)脈沖和大鉤4移動距離在內(nèi)了，因此簡單、方便、準確。需要特別指出的是，上述實施例的方式僅限于描述實施例，但本發(fā)明不止局限于上述方式，且本領(lǐng)域的技術(shù)人員據(jù)此可在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)方便的進行修飾，因此本·發(fā)明的范圍應當包括本發(fā)明所掲示的原理和新特征的最大范圍。
權(quán)利要求
1.ー種石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)，包括固定在鉆井平臺上的絞車、絞車傳感器、安裝在鉆井架頂部的導繩輪和滑輪組、大鉤和控制器，絞車上疊繞的鋼絲繩經(jīng)導繩輪和滑輪組與大鉤連接，絞車傳感器與控制器電連接，其特征是所述導繩輪上設(shè)有同軸心安裝的齒輪，所述絞車傳感器的轉(zhuǎn)動軸上也相應地安裝齒輪，絞車傳感器的轉(zhuǎn)動軸與導繩輪通過齒輪嚙合聯(lián)動，絞車傳感器的殼體與導繩輪的固定架固定。
2.如權(quán)利要求I所述的石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)，其特征是還包括無線發(fā)射模塊、無線接收模塊和控制中心，所述絞車傳感器經(jīng)控制器與無線發(fā)射模塊連接，無線接收模塊與控制中心連接。
3.如權(quán)利要求I或2所述的石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)的標定和測量方法，其特征是按如下步驟 (31)將控制器內(nèi)記錄絞車傳感器旋轉(zhuǎn)脈沖的計數(shù)器清零； (32)開動絞車，大鉤隨絞車轉(zhuǎn)動從鉆井架頂部向下移動一段已知的距離D1，所述計數(shù)器記錄有計數(shù)值Cl，通過公式S=D1 + C1計算計數(shù)器每計ー個脈沖數(shù)時大鉤移動距離的常數(shù)； (33)將該常數(shù)S輸入到計算大鉤移動距離的公式D=SXC并進行儲存，標定完成，其中，D為大鉤移動的距離，C為計數(shù)器記錄的計數(shù)值； (34)測量時，通過公式D=SXC計算大鉤移動的距離。
4.如權(quán)利要求3所述的石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)的標定和測量方法，其特征是，所述計數(shù)器的計數(shù)方法按如下步驟 (41)所述大鉤從上往下移動時，每出現(xiàn)ー個計數(shù)脈沖，計數(shù)器加一； (42 )所述大鉤從下往上移動時，每出現(xiàn)ー個計數(shù)脈沖，計數(shù)器減ー。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石油鉆機大鉤高度測量系統(tǒng)，包括固定在鉆井平臺上的絞車、絞車傳感器、安裝在鉆井架頂部的導繩輪和滑輪組、大鉤和控制器，絞車上疊繞的鋼絲繩經(jīng)導繩輪和滑輪組與大鉤連接，絞車傳感器與控制器電連接，導繩輪上設(shè)有同軸心安裝的齒輪，絞車傳感器的轉(zhuǎn)動軸上也相應地安裝齒輪，絞車傳感器的轉(zhuǎn)動軸與導繩輪通過齒輪嚙合聯(lián)動，絞車傳感器的殼體與導繩輪的固定架固定。還包括無線發(fā)射模塊、無線接收模塊和控制中心，絞車傳感器經(jīng)控制器與無線發(fā)射模塊連接，無線接收模塊與控制中心連接。本發(fā)明還公開了該系統(tǒng)的標定和測量方法。本發(fā)明具有精度高，布線簡單，傳輸距離遠，抗干擾能力強，標定簡單準確。
文檔編號G01B21/02GK102788568SQ20121026153
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
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