一种定量钻进装置及方法

1.本发明涉及钻机钻进领域，尤其涉及一种定量钻进装置及方法。


背景技术：

2.钻孔过程监测技术(drilling process monitoring，dpm)是通过监测随钻参数反应岩石的原位信息，完善了传统钻探方法耗时费力的不足。钻孔过程监测技术在实际工程上的成功应用，充分肯定了基于数字钻进参数判层的可行性。数字钻探技术在工程地质勘察方面的全面推广与应用将大大节约地质勘查成本，提高地质勘查效率与适用性。
3.但是，发明人发现，钻孔过程监测技术只是对钻进参数进行监测，采集数据离散性大，难以进行定量分析。现有钻进判层只在钻机上安装监测装置，仅仅能对钻进参数进行监测。由于地层变化复杂，现有技术不能对钻进参数进行定量控制，因此只能观察钻进参数的变化，粗略的定性分析预测地层参数。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种定量钻进装置及方法，能够实现钻进压力、扭矩、转速的定量化，能够快速有效反应地层变化。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本发明的实施例提供了一种定量钻进装置，包括：
7.壳体，内部安装用于钻进过程消耗能量的功率计；
8.旋转运动机构，与传动杆的一端相连，传动杆垂直穿过移动件中心，在旋转运动机构的作用下传动杆能够相对移动件旋转；所述旋转运动机构安装有用于获取传动杆扭矩信息的动态扭矩传感器；
9.直线运动机构，安装于壳体内，所述移动件一侧安装有用于获取钻进时压力信息的动态压力传感器；直线运动机构通过移动件连接传动杆，在直线运动机构的作用下移动件能够带动传动杆沿壳体长度方向上移动。
10.作为进一步的实现方式，所述旋转运动机构包括第一电机、同步带机构，第一电机通过同步带机构与传动杆相连；所述动态扭矩传感器安装于第一电机与同步带机构之间。
11.作为进一步的实现方式，所述传动杆外侧套设有轴套，轴套与移动件固定连接，传动杆能够相对轴套旋转。
12.作为进一步的实现方式，所述直线运动机构包括第二电机、与第二电机连接的丝杠，所述丝杠与移动件螺纹连接；
13.所述壳体长度方向安装多个导向杆，在丝杠的作用下移动件能够沿导向杆移动。
14.作为进一步的实现方式，所述壳体内部具有用于移动件移动的滑槽。
15.作为进一步的实现方式，所述传动杆另一端安装冲击器。
16.第二方面，本发明的实施例还提供了一种定量钻进装置的地层评价方法，采用所述的定量钻进装置，包括：
17.启动装置，记录钻进速度及钻机功率变化；
18.钻进至目的深度后，停止钻进；导出钻进深度及对应速度、消耗能量值，经数据处理得到难钻进区与易钻进区随深度变化曲线；
19.通过地质建模软件计算生成三维地质可视化地层，以实现判层。
20.作为进一步的实现方式，当钻进速度与消耗能量值变化不大时，说明地层稳定；当钻进速度与消耗能量值出现突增或突降时，说明钻进地层发生变化。
21.作为进一步的实现方式，在硬质岩层勘察测试中，扭矩和转速限定在设定范围内。
22.第三方面，本发明的实施例还提供了一种定量钻进装置的控制方法，采用所述的定量钻进装置，将动态压力传感器、动态扭矩传感器测得的实际钻头压力、扭矩及电机转速值，与设定钻头压力、扭矩、转速比较，计算出差值；
23.根据差值计算出比例调节输出、积分调节输出和微分调节输出；将三个输出值加到一起反馈至电机，通过电机的速度控制钻头压力、扭矩及转速大小，从而实现对钻头压力、扭矩、转速的恒定输出。
24.上述本发明的实施例的有益效果如下：
25.(1)本发明的一个或多个实施方式通过设置动态扭矩传感器、动态压力传感器和功率计，能够实时检测钻进过程中的扭矩值、压力值和消耗的能量，并将检测信号反馈至电机，通过电机控制钻进装置的运动，从而实现定量钻进。
26.(2)本发明的一个或多个实施方式通过将钻探岩土体信息及坐标参数插入地质建模软件中，通过调用数据进行学习，计算生成三维地质可视化地层，即可实现判层。
27.(3)本发明的一个或多个实施方式通过通过自适应负反馈调节实现压力、扭矩、转速的恒定。
附图说明
28.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；
30.图2是本发明根据一个或多个实施方式的控制方法流程图；
31.其中，1、第一电机，2、丝杠，3、动态扭矩传感器，4、主同步轮，5、传动杆，6、同步带，7、动态压力传感器，8、轴端固定座，9、功率计，10、移动件，11、导向杆，12、壳体，13、从同步轮，14、第二电机，15、冲击器，16、滑槽。
具体实施方式
32.实施例一：
33.在钻机领域，通常根据钻进方向确定钻机的基本参考系，即前后，前后也确定了钻机的长度方向，前后方向即长度方向。
34.如图1所示，本实施例的定量钻进装置包括壳体12、传动杆5、旋转运动机构、直线运动机构，旋转运动机构与传动杆5相连，能够带动旋转传动杆5旋转；直线运动机构安装于壳体12内部，直线运动机构通过移动件10连接传动杆5，在直线运动机构作用下传动杆5、移动件10和旋转运动机构能够沿壳体12长度方向运动，以实现钻进。
35.进一步的，壳体12内部为空腔，其侧壁沿长度方向设有滑槽16；移动件10与滑槽16滑动连接。壳体12的形状可以根据实际工程需求设置。例如，壳体12的横截面设置为矩形。
36.进一步的，旋转运动机构设于壳体12顶部，在本实施例中，旋转运动机构包括第一电机1和同步带机构，第一电机1与同步带机构之间连接动态扭矩传感器3，通过动态扭矩传感器3测量传动杆5的扭矩大小。
37.所述同步带机构包括主同步轮4、同步带6和从同步轮13，第一电机1通过联轴器连接动态扭矩传感器3一端，动态扭矩传感器3另一端通过联轴器连接安装轴；所述主同步轮4固定于安装轴上。
38.从同步轮13通过同步带6与主同步轮4连接，且从同步轮13位于主同步轮4下方。所述从同步轮13连接传动杆5的一端。在第一电机1的作用下，经主同步轮4、同步带6和从同步轮13的传动作用，传动杆5旋转。
39.优选地，第一电机1采用伺服电机。
40.进一步的，安装轴通过轴承与移动件10连接，传动杆5从移动件10中心穿过。传动杆5的外侧设有与其同轴的轴套，轴套外侧与移动件10固定，轴套内侧通过轴承与传动杆5连接，以使传动杆5能够相对轴套旋转。
41.所述传动杆5的另一端安装冲击器15，通过冲击器15实现对岩体的钻进。所述移动件10远离从同步轮13的一侧连接轴端固定座8，轴端固定座8从壳体12端部伸出，用于在工程现场稳定所述钻进装置。
42.进一步的，直线运动机构包括第二电机14、丝杠2、导向杆11，导向杆11设置多个，导向杆11垂直穿过移动件10并沿壳体12内部长度方向设置；第二电机14与丝杠2连接，所述丝杠2与移动件10螺纹连接，在第二电机14的作用下移动件10沿导向杆11移动。
43.所述移动件10远离从同步轮13的一侧固定若干动态压力传感器7，当移动件10运动至与壳体12侧壁接触，能够检测到挤压力；由作用力与反作用力可知，移动件10挤压产生的压力值即为钻头(冲击器15)所受压力值，动态扭矩传感器3测试值即为钻头扭矩值。所述钻杆安装拉线编码器，以单位时间内拉线编码器拉长的长度即为钻进速度。
44.进一步的，壳体12内部安装有用于测定钻进装置所消耗能量的功率计9。
45.本实施例的钻进装置安装动态扭矩传感器3、动态压力传感器7、拉线编码器、功率计9，能够实现钻进压力、扭矩、转速的定量化，相比于传统钻机，能够快速有效的反应地层变化。
46.实施例二：
47.本实施例提供了一种定量钻进装置的地层评价方法，采用实施例一所述的定量钻进装置，包括：
48.(1)根据工程勘察需要，安装合适的冲击器15，安装完毕后，调试钻进装置调试。
49.(2)将所述定量钻进装置固定安装在需要进行地质勘察及判层地点。
50.(3)装置稳定后，打开钻进装置，设定恒定钻进压力
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转速或恒定钻进扭矩
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转速模式。考虑到保护钻进装置与冲击器15，在硬质岩层勘察测试中设定钻进压力不高于100kn/扭矩设定不高于10kn*m/转速不低于600r/min，在软质土层勘察测试中不做限制。
51.(4)启动钻进装置，开始钻进，同时记录钻头钻进速度及功率变化，当地层较为稳定时，由于钻进压力或扭矩恒定(即钻进动力恒定)钻进速度与钻机消耗能量值变化不大，
当钻进速度与钻机消耗能量值出现突增或突降现象时即表明钻进地层发生变化。
52.(5)钻进到目的深度后，停止钻进，导出记录钻进深度及对应速度、消耗能量值，根据压力值变化及能量消耗值进行数据处理，即可得到难钻进区(高强度区)与易钻进区(低强度区)随深度变化曲线。
53.(6)退出传动杆5，对冲击器15进行清洗，移动定量钻进装置，重复以上步骤。
54.(7)在需要地质勘察区域多次钻孔结束后，将钻内钻探岩土体信息插入paradigm skua
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gocad地质建模软件中，通过该软件调用数据进行学习，计算生成三维地质可视化地层，即可初步实现判层。
55.实施例三：
56.本实施例提供了一种定量钻进装置的控制方法，用于钻杆的定量控制，采用实施例一所述的定量钻进装置，通过自适应负反馈调节实现钻头压力、扭矩、转速的恒定。
57.通过将动态压力传感器、动态扭矩传感器测得的实际钻头压力、扭矩及伺服电机转速值，与设定钻头压力、扭矩、转速比较，算出差值；根据差值计算出比例调节输出、积分调节输出和微分调节输出。将上述三个输出值加到一起反馈给进给伺服电机，通过伺服电机的速度来控制钻头压力、扭矩、转速的大小，从而实现对钻头压力、扭矩、转速的恒定输出。
58.具体的，如图2所示，包括以下步骤：
59.(1)首先进行比例调节输出，将钻头压力、扭矩偏差值乘以比例系数得到输出值，输出与输入偏差成正比；当钻头压力出现偏差，就能及时产生与之成比例的调节作用，使钻头压力、扭矩朝着偏差减小的方向变化，及时做出调节。
60.(2)将比例度放在比计算值略大的数值上，逐步引入积分和微分作用。
61.(3)积分调节输出，将钻头压力差值进行积分计算在乘以积分时间的倒数，得到积分调节输出，是积分时间常数，它表示积分速度的大小，越大，积分速度越慢，积分作用越弱。
62.只要钻头压力偏差不为零就会产生对应的控制量并依此影响被控量。增大会减小积分作用，即减慢消除静差的过程，减小超调，提高钻头压力、扭矩稳定性。
63.(4)微分调节输出，将钻头压力差值进行微分计算再乘以微分时间得到微分输出值，微分分量对钻头压力偏差的任何变化都会产生控制作用，以调整系统输出，阻止钻头压力偏差变化。
64.钻头压力偏差变化越快，则产生的阻止作用越大。微分调节作用的特点是：加入微分调节将有助于减小超调量，克服震荡，使系统趋于稳定。加快系统的动作速度，减小调整的时间，从而改善了系统的动态性能。
65.(5)最后进行参数整定将比例度降至计算值上，观察钻头压力大小，适当调整，直到钻头实际压力值与设定钻头压力的差值大小在允许的范围之内。
66.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。