[发明专利]石油钻机大钩高度测量系统及标定和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井设备，尤其涉及石油钻机大钩高度测量系统及标定和方法。

背景技术

如图1、图2所示，现代钻井技术是通过将钻头42固定在钻杆41上，通过大钩4悬挂钻杆41，利用其自重并结合电机驱动旋转，以实现石油钻机的钻井功能。在这一过程中，各种钻机现场工作状态的判断，井深及钻头42位置的计算，都不能缺少大钩4高度这一重要参数。井深和钻头42位置等参数在钻井工程中尤为重要，起到判断井底岩层、制定工作进度、了解井下复杂情况等重要作用，一旦计算或判断失误，轻则影响工作计划，造成钻具损伤，严重时可能发生井喷等重大安全事故，造成重大人员伤亡。

大钩4在钻井过程中通过上提和下放来及时调整钻杆41和钻头42的位置，而大钩4则是通过一根钢丝绳3悬挂的。钢丝绳3通过钻井架2顶端的安装在天车1内的导绳轮11和滑轮组12最后缠绕在处于钻台底部的绞车5上。绞车电机带动绞车滚筒转动以实现收放钢丝绳3，进而实现调节大钩4的高度。

在以往的测量方法中，通常是将绞车传感器6安装在位于钻台底层的绞车滚筒轴上，通过测量滚筒的转动圈数并结合滚筒直径等参数来计算当前的大钩4高度，绞车传感器6（也称编码器）主要由壳体、齿轮片、转动轴、两只位置传感器组成，齿轮片固定在转动轴上，两只位置传感器安装在可检测出齿轮位置相位相差90度的位置上，当位置传感器被齿轮片中的齿挡住和不挡住时，可以输出不同的电压信号，其中一只位置传感器在相位上先出现被认为顺时针方向转动的话，则另一只位置传感器在相位上先出现时为逆时钟方向转动，以此可以判断齿轮片正转和反转，转了几个齿数，现以12齿的齿轮片为例，每转一圈每个位置传感器输出12个脉冲，两个位置传感器输出24个脉冲，再经触发、鉴相、倍频后共输出48个旋转脉冲到计数器，如果绞车传感器顺时针旋转时计数器累加计数，则绞车传感器逆时针旋转时计数器累减计数，鉴相的目的是为计数器累加计数还是累减计数提供判断依据，计数器的计数值与绞车传感器的旋转角度有关，根据旋转角度输入绞车的直径可获得大钩4移动的长度。

现有技术中对大钩4的高度进行标定时，有如下几种方法：

第一种为两点标定法，即在大钩4距离钻井平台7实际高度为5米和34米的位置读取编码器的信号值，从而通过计算得出编码器在其他信号值时对应的大钩高度值。由于钢丝绳3在绞车滚筒上的缠绕叠层，造成滚筒转动一圈钢丝绳3的收放长度不是一个定值，假如从大钩4高度从5米变化到34米滚筒要转动290圈，即大钩4上升或下降29米滚筒要转动290圈，按照两点标定的计算，滚筒转动每一圈大钩4上升或下降的距离为0.1米。但是，由于钢丝绳3在滚筒上的缠绕叠层，致使当滚筒缠绕了不同层数的钢丝绳3时，滚筒每转动一圈绳子的收放长度不等，也就造成了大钩4高度的实际变化值不一定是0.1米，从而造成不可避免的误差。

第二种为10点标定法，即在大钩4对应10个不同的实际高度时读取对应的编码器值，计算原理与两点标定相同。虽然理论上较两点标定误差会减小，精度稍高，但由钢丝绳3叠层带来的误差并未完全消除，且在实际应用中此标定方法可操作性不高，由于这10点的大钩4实际高度的测量实施很困难，并且，一旦其中一点的测量数据有较大误差，大钩4高度的计算结果就会产生很大偏差。

第三种为4点标定法，其中第1点为大钩4在0米时读取的编码器值；第2点为标完0米后大钩4继续上升，滚筒缠绕绳子在之后第一次绳子换层的编码器值；第3点为大钩4悬挂一根钻杆41（约9.6米）时的编码器值；第四点为大钩4悬挂3根钻杆41（约29米）的编码器值。此标定方法理论上能精确计算到滚筒上由于钢丝绳3缠绕叠层而导致的每一层对应的实际绳子收放长度，但在实际情况下，由于钢丝绳3存在磨损以及在滚筒上的缠绕不规则等而造成计算出错误的绳子层数，从而导致计算出的绳子收放长度出现错误，进而影响到大钩4高度的计算值。并且同10点标定一样，标定要求精度较高，实施困难，且标定的点数越多，存在人为误差越大。