[发明专利]智能化安全高效钻进自动控制系统及控制方法

说明书

智能化安全高效钻进自动控制系统及控制方法，包括钻机驱动参数检测模块、回转钻进参数检测模块、钻机控制模块、钻机泵站、钻机回转器、钻具。该系统能够自动检测钻进过程中的扭矩T、推力F₁和提拔力F₂，以及钻进深度L、钻杆回转速度ω和钻进速度ν，并将这些检测的关键参数自动传递给钻机控制模块并优化钻杆回转速度和钻进速度，并将优化结果传递给钻机泵站驱动钻机回转器实施钻进。本发明实现了对孔内钻具受力情况进行实时检测，基于孔内钻具受力变化情况，该系统能够及时自动调整钻具的回转速度ω和钻进速度ν，从而保证了钻具在孔内的处于最佳工况状态，减少了卡钻、断钻、钻孔瓦斯燃烧等孔内事故，有利于实现安全高效钻进。

技术领域

本发明属于钻探工程技术领域，具体涉及一种智能化安全高效钻进自动控制系统及控制方法。

背景技术

煤层气(煤矿瓦斯)是赋存在煤层及煤系地层的烃类气体，是威胁煤矿安全生产、增加大气温室效应的有害气体，同时也是一种优质清洁能源。我国地面井预抽煤层瓦斯受地质条件、投资成本等因素限制，仅少数矿区适用，以井下瓦斯抽采为主地面井抽采为辅的上下联动抽采方式是我国瓦斯防治与利用的必然发展趋势。井下瓦斯抽采以钻孔施工技术最为关键，钻进深度和效率决定着瓦斯抽采的范围和进度，间接影响煤层的开采效率、安全生产及经济效益。目前，我国50％以上的煤矿赋存有松软高瓦斯煤层，松软高瓦斯煤层以Ⅲ类碎粒煤(煤坚固性系数f＝0.25～0.5)和Ⅳ类糜棱煤(f<0.3)为主。钻进过程中，受地应力、瓦斯压力及钻杆扰动等因素影响，孔壁变形量大，局部易失稳塌孔，钻孔堵塞后，如未能及时发现和疏通，钻杆旋转阻力剧增，将会形成卡钻、断钻、钻孔一氧化碳中毒及钻孔瓦斯燃烧等孔内事故。

当前，我国煤矿井下瓦斯抽采钻孔主要依靠常规液压钻机施工，常规液压钻机以人工操作为主，难以提前预判煤体深部发生钻孔严重收缩、塌孔、小型喷孔等动力现象，因此，难以应对孔内突发动力现象造成的卡钻、断钻等难题。河南很多矿区的煤层属于松软易塌孔煤层，如平煤八矿、义煤新安矿、焦煤古汉山矿等等，很多钻孔施工地段，一个工作日，一台钻机每天只能施工一个钻孔，且钻孔很难达到设计深度，施工效率极低，严重影响煤层瓦斯抽采的进度。针对现有技术难题，本发明提供一种智能化安全高效钻进自动控制系统及控制方法，实现了对孔内钻具受力情况进行实时检测，基于孔内钻具受力变化情况，该系统能够及时自动调整钻具的回转速度ω和钻进速度ν，从而保证了钻具在孔内的处于最佳工况状态，减少了卡钻、断钻、钻孔瓦斯燃烧等孔内事故，有利于保障钻进安全、提高钻进深度和钻进效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能化安全高效钻进自动控制系统及控制方法，解决常规液压钻机不能实时检测钻具受力情况、难以预判孔内动力现象、孔内事故频发、钻进效率低、钻孔深度浅、钻孔事故频发的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

智能化安全高效钻进自动控制系统，包括钻机驱动参数检测模块、回转钻进参数检测模块、钻机控制模块、钻机泵站、钻机回转器、钻具，所述的钻机驱动参数检测模块与钻机泵站连接，用于检测钻进过程中的扭矩T、推力F₁和提拔力F₂；回转钻进参数检测模块与钻机回转器连接，用于检测钻进深度L、钻杆回转速度ω和钻进速度ν；钻机控制模块根据钻机驱动参数检测模块、回转钻进参数检测模块检测的数据结果优化钻杆回转速度和钻进速度，并将优化结果传递给钻机泵站驱动钻机回转器实施钻进。

智能化安全高效钻进自动控制系统，所述的钻机驱动参数检测模块包括扭矩检测模块、推力检测模块、提拔力检测模块；扭矩检测模块通过自动检测钻机泵站驱动钻机回转器运转的油压数据并传输到钻机控制模块，钻机控制模块将该数据自动转化为扭矩T；推力检测模块通过自动检测钻机泵站驱动钻机向前推进的油压数据并传输到钻机控制模块，钻机控制模块将该数据自动转化为推力F₁；提拔力检测模块通过自动检测钻机泵站驱动钻机向外提拔钻杆的油压数据并传输到钻机控制模块，钻机控制模块将该数据自动转化为提拔力F₂。