三层钻杆结构的反井钻机的扭矩和钻压监测方法

技术领域

本发明涉及反井钻机技术领域，特别涉及一种三层钻杆结构的反井钻机的扭矩和钻压监测方法。

背景技术

钻机主要是通过钻杆传递扭矩进行钻进作业，输出扭矩的大小直接衡量着钻机的性能，同时作业中的扭矩变化也反映着动力源液压系统或电控系统的运行状态。在判断钻机设备健康状态时，不仅需要设备运行的各状态数据，还需要对应时序下的负载信息，而扭矩是直接反映负载的参数。此外，钻机在工作过程中是靠刀盘旋转实现破碎岩石的目的，钻机的推力大小衡量刀盘正向作用在岩石上的力，与破岩效果息息相关。在钻进过程中，操作人员通过推力大小来调整进给速度，进而保障钻机高效运行。而钻进过程中的推力大小和钻压是相等的，即钻压也是钻机的主要性能参数之一。因此，在钻井过程中对钻机的扭矩和钻压进行监测对研究破岩参数具有重要意义。

目前确定钻机的扭矩时，通常通过液压马达的进口和出口的压力差、马达每转排量等参数计算得到扭矩，然而由于受减速器齿轮传递效率、马达效率等影响，计算误差较大，无法满足研究破岩参数的实际需求。而目前在确定钻机的钻压时，通常通过油缸进出口压力差和油缸活塞有效面积计算得到钻进过程中的推力，然而由于存在备压、液压元件效率等问题，使用计算法得到的钻压数据也不够准确，无法满足研究破岩参数的实际需求。因此，目前对反井钻机的扭矩和钻压进行监测的方案中，所得到的监测结果的准确性较低。而且，钻机在工作时，钻头、钻杆均为旋转部件，常用的钻机无法进行传感器或应变片的安装和布线，从而无法对钻机的扭矩和钻压实现准确地实时监测。

发明内容

有鉴于此，针对以上不足，有必要提出一种三层钻杆结构的反井钻机的扭矩和钻压监测方法，以对钻井的扭矩和钻压进行准确地实时监测。

本发明实施例提供了一种三层钻杆结构的反井钻机的扭矩和钻压监测方法，该三层钻杆结构的反井钻机包括：内层钻杆、中层钻杆、外层钻杆和动力头主轴，所述中层钻杆的上端与上端法兰连接，所述内层钻杆套接在动力头主轴及中层钻杆内部，所述外层钻杆套装在中层钻杆外部，且外层钻杆的内表面与中层钻杆的外表面之间留有间距，以使外层钻杆的内表面和中层钻杆的外表面之间形成环形腔体；所述扭矩和钻压监测方法包括：

步骤1：在所述中层钻杆位于所述环形腔体内的外表面上分别设置用于对钻杆扭矩进行监测的扭矩应变片，以及用于对钻压进行监测的钻压应变片；

步骤2：在远程控制系统中设置无线接收装置；

步骤3：在所述上端法兰外表面处安装无线应变节点，并实现与所述无线接收装置的无线通讯；

步骤4：将所述扭矩应变片的扭矩应变片线缆与所述钻压应变片的钻压应变片线缆分别按照桥式电路的连接方式接入所述无线应变节点，以将扭矩应变片监测到的扭矩应变数据和钻压应变片监测到的钻压应变数据实时发送至所述无线接收装置；

步骤5：所述远程控制系统根据所述无线接收装置接收到的扭矩应变数据确定扭矩值，以及根据钻压应变数据确定钻压值。

优选的，在所述环形腔体中位于所述中层钻杆的外表面上开设有布线槽，所述扭矩应变片线缆和所述钻压应变片线缆布设于该布线槽中。

优选的，所述步骤1中，所述扭矩应变片包括第一应变片和第二应变片，该第一应变片和第二应变片分别以与中层钻杆的轴向成45°和135°的角度贴装于所述中层钻杆的中部位置。

优选的，所述步骤5中根据扭矩应变数据确定扭矩值时，利用计算式一计算扭矩应变数据所对应的扭矩值：

其中，T用于表征扭矩应变数据所对应的扭矩值，W

优选的，在利用计算式一计算扭矩应变数据所对应的扭矩值之前，进一步包括：

对所述扭矩应变数据进行误差补偿，得到误差补偿后的扭矩应变数据；

将所述误差补偿后的扭矩应变数据作为计算所述扭矩值的扭矩应变数据。

优选的，所述对所述扭矩应变数据进行误差补偿得到误差补偿后的扭矩应变数据，包括：

在Solid Edge仿真分析模块中创建用于分析所述中层钻杆的应力状态的三维模型；

在0-T

控制动力头依次输出所述N个扭矩测试值，并通过所述扭矩应变片分别得到对应每个扭矩测试值的实测应变测试值；

根据所述仿真应变测试值和所述实测应变测试值，确定所述误差补偿后的扭矩应变数据。

优选的，所述根据所述仿真应变测试值和所述实测应变测试值确定所述误差补偿后的扭矩应变数据时，利用如下计算式二计算所述误差补偿后的扭矩应变数据：

其中，Δε用于表征误差量，ε

优选的，所述步骤1中，所述钻压应变片包括第三应变片和第四应变片，第三应变片贴装于所述中层钻杆的下部位置，且与中层钻杆的轴向平行，第四应变片以不受力的方式设置于所述无线接收装置中。

优选的，所述步骤5中根据钻压应变数据确定钻压值时，利用计算式三计算钻压应变数据所对应的钻压值：

F＝ε

其中，F用于表征钻压应变数据所对应的钻压值，ε

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的三层钻杆结构的反井钻机的扭矩和钻压监测方法中，是在位于环形腔体的中层钻杆外表面上分别贴装扭矩应变片和钻压应变片，以通过应变片对扭矩和钻压进行监测的，对于扭矩的监测来说，通过应变片的监测方式不会受到减速器齿轮传递效率和马达效率等的影响，从而能够提高扭矩监测的准确性；而对于钻压来说，通过应变片的监测方式不会受到备压和液压元件效率等问题的影响，从而能够提高钻压监测的准确性。而且，本方案中的应变片是贴装于环形腔体的中层钻杆外表面上，其不会由于钻头和钻杆的旋转而使得应变片无法安装和布线。因此，通过本方案可以实现对钻机的扭矩和钻压的实时精准监测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种三层钻杆结构的反井钻机的示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明实施例提供的一种三层钻杆结构的反井钻机的扭矩和钻压监测方法的流程图；

图中：内层钻杆1、中层钻杆2、外层钻杆3、动力头主轴4、上端法兰5连接、环形腔体6、扭矩应变片7、第一应变片71、第二应变片72、钻压应变片8、无线接收装置9、无线应变节点10、远程控制系统11、布线槽12、扭矩应变片线缆13、钻压应变片线缆14。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

参见图1至图3，本发明实施例提供的三层钻杆结构的反井钻机的扭矩和钻压监测方法中，该三层钻杆结构的反井钻机包括：内层钻杆1、中层钻杆2、外层钻杆3和动力头主轴4，中层钻杆2的上端与上端法兰5连接，内层钻杆1套接在动力头主轴4及中层钻杆2内部，外层钻杆3套装在中层钻杆2外部，且外层钻杆3的内表面与中层钻杆2的外表面之间留有间距，以使外层钻杆3的内表面和中层钻杆2的外表面之间形成环形腔体6；在环形腔体6中位于中层钻杆2的外表面上开设有布线槽12，扭矩应变片线缆13和钻压应变片线缆14布设于该布线槽12中。由此可见，在三层的钻杆结构的钻机中，内层钻杆1及内层钻杆1与中层钻杆2间的空腔为洗井液提供进、回液通道，外层钻杆3起钻进导向功能，中层钻杆2和外层钻杆3之间留有环形腔体6，而中层钻杆2起传递扭矩和钻压的作用，因此该环形腔体6中不仅可以为应变片安装和布线提供空间，为实现钻杆扭矩和钻压监测提供了安装条件，也为旋转部件的性能监测提供了可行性依据和借鉴。而且由于紧靠着中层钻杆2的的外表面，从而应变片得到的监测数据也能够更加准确。

此外，扭矩应变片线缆13和钻压应变片线缆14是布设在环形腔体6的布线槽12中的，如此外层钻杆3在进行拆卸维护时不会对应变片线缆造成损坏。而且将应变线缆固定在布线槽12中，线缆更加稳定牢固，不会因惯性随着钻机的转动而甩动，造成监测信号的不稳定，进而也可以提高扭矩和钻压监测的准确性。

具体的，扭矩和钻压的监测方法可以包括如下步骤：

步骤1：在中层钻杆2位于环形腔体6内的外表面上分别设置用于对钻杆扭矩进行监测的扭矩应变片7，以及用于对钻压进行监测的钻压应变片8；

步骤2：在远程控制系统11中设置无线接收装置9；

步骤3：在上端法兰5外表面处安装无线应变节点10，并实现与无线接收装置9的无线通讯；

步骤4：将扭矩应变片7的扭矩应变片线缆13与钻压应变片8的钻压应变片线缆14分别按照桥式电路的连接方式接入无线应变节点10，以将扭矩应变片7监测到的扭矩应变数据和钻压应变片8监测到的钻压应变数据实时发送至无线接收装置9；

步骤5：远程控制系统11根据无线接收装置9接收到的扭矩应变数据确定扭矩值，以及根据钻压应变数据确定钻压值。

本实施例中，考虑在环形腔体6内的中层钻杆2表面上分别设置用于对扭矩进行监测的扭矩应变片7和用于对钻压进行监测的钻压应变片8，并在上端法兰5的外表面上安装与远程控制系统11无线连接的无线应变节点10，如此扭矩应变片7和钻压应变片8采集到的数据能够实时传输至远程控制系统11，进而可以实现对钻机的扭矩和钻压进行实时监测。而且，通过应变片的监测方式不会受到减速器齿轮传递效率、马达效率、备压和液压元件效率等问题的影响，从而能够提高扭矩和钻压监测的准确性。

在一种实施例中，步骤1中，扭矩应变片7包括第一应变片71和第二应变片72，该第一应变片71和第二应变片72分别以与中层钻杆2的轴向成45°和135°的角度贴装于中层钻杆2的中部位置。

由于扭矩监测的是垂直轴线方向的切应力，因此会产生沿轴向的力，基于此本方案考虑利用第一应变片71和第二应变片72分别以与中层钻杆2的轴向成45°和135°角度的方式贴装在中层钻杆2上，如此以半桥电路的方式可以将沿轴向方向的力给抵消，从而实现对横向的切应力进行监测，即实现对扭矩的监测。

此外，应变片是贴装在中层钻杆2的中部位置的，虽然中层钻杆2的任意位置所受到的扭矩是一样的，但中部位置只是一个空腔，而且距离两端的连接部件较远，因此在贴装应变片时更加方便，也不会受到连接部件的影响。

具体的，远程控制系统11在根据扭矩应变片7采集到的扭矩应变数据确定扭矩值时，具体可以通过如下计算式一确定：

其中，T用于表征扭矩应变数据所对应的扭矩值，W

本实施例中，扭矩应变片7实时采集到的扭矩应变数据通过无线通讯的方式实时传输至远程控制系统11，进而远程控制系统11可以依据计算式一准确地计算得到当前扭矩应变数据所对应的扭矩值。

需要指出的是，W

在实际应用场景中，扭矩应变片7的初始状态以及粘贴材料等都会使应变片监测的数据产生误差。基于此，考虑在利用计算式一计算扭矩应变数据所对应的扭矩值之前，进一步考虑对扭矩应变数据进行误差补偿得到误差补偿后的扭矩应变数据，然后将误差补偿后的扭矩应变数据作为计算扭矩值的扭矩应变数据。进行误差补偿时，可以根据应变片的初始状态、粘贴材料等，依据人工经验来确定误差量，进而实现对扭矩应变数据的误差补偿。在另一种实施方式中，对扭矩应变数据进行误差补偿得到误差补偿后的扭矩应变数据时，还可以通过如下方式实现：

在Solid Edge仿真分析模块中创建用于分析中层钻杆2的应力状态的三维模型；

在0-T

控制动力头依次输出N个扭矩测试值，并通过扭矩应变片7分别得到对应每个扭矩测试值的实测应变测试值；

根据仿真应变测试值和实测应变测试值，确定误差补偿后的扭矩应变数据。

进一步，根据仿真应变测试值和实测应变测试值确定误差补偿后的扭矩应变数据时，可以利用如下计算式二计算误差补偿后的扭矩应变数据：

其中，Δε用于表征误差量，ε

本实施例中，考虑利用软件进行模拟仿真，进而通过对比模拟仿真的仿真值与直接测量的实测值之间的误差实现对扭矩应变数据的误差补偿，以达到提高扭矩监测的准确性的目的。

Solid Edge模拟仿真软件可以建立三维模型，以及进行受力状态仿真及分析。基于此，本方案考虑在在Solid Edge分析模块中建立对应的三维模型，根据设计输入扭矩T

例如，在0-T

然后通过控制动力头马达进出口压力差△P，进而控制动力头输出扭矩(即钻杆输入扭矩)达到T1和T2时，应变片实际测量的应变值为ε

在一种实施例中，钻压应变片8可以包括第三应变片和第四应变片，第三应变片贴装于中层钻杆2的下部位置，且与中层钻杆2的轴向平行，第四应变片以不受力的方式设置于无线接收装置9中。

本实施例中，考虑第四应变片以不受力的方式设置在无线接收装置9中，如此可以通过第四应变片对由温度、湿度等因素对应变片造成的误差进行抵消，进而可以得到更加准确的钻压监测结果。

此外，第三应变片是贴装在中层钻杆2的下部位置的，而中层钻杆2的下部位置是靠近负载的，将第三应变片贴装在该位置能够使应变片具有更好的灵敏度，从而能够更加准确地监测到钻杆所受推力，即能够准确地得到钻压值。

进一步，步骤5在根据钻压应变数据确定钻压值时，可以利用如下计算式三计算钻压应变数据所对应的钻压值：

F＝ε

其中，F用于表征钻压应变数据所对应的钻压值，ε

由于钻杆在钻进过程中所受推力是一样的，通过贴装在钻杆下部端面处与轴向平行方向的应变片，根据计算式三计算出该处的轴向力，根据受力规律可以映射出整个钻杆的轴向力，实现实时检测钻杆的推力大小。

需要指出的是，钻杆所受推力与钻压相等，即对钻杆所受推力进行监测即为对钻压进行监测。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。