一种井下钻机钻进参数监测装置及监测方法与流程

本发明涉及控制工程和地质工程研究领域。更具体地说，本发明涉及一种井下钻机钻进参数监测装置及监测方法。

背景技术：

近几年来，随着煤矿开采范围扩大和深度增加，高瓦斯矿井不断增多，煤矿安全生产事故不断发生，利用钻机进行钻孔瓦斯抽采是防治瓦斯灾害事故、实现瓦斯综合治理的根本措施。但是，目前在煤矿井下瓦斯抽采过程中，钻机参数监测工作仍然是依靠人工观察仪表、手工记录数据和人工经验判断来完成，并且记录的数据需要靠人工来分析。这一现状存在的弊端如下：第一、由于煤矿井下工作环境较差，岩层复杂多变，钻进过程中经常会遇到各类问题和故障，在钻机故障初期凭借人的经验很难察觉，不能够及时发现并解决问题，致使钻机停钻后，再去查找问题，拖延工程进度；第二、煤矿井下坑道钻机钻孔多是凭经验施工，在地质条件相同、设备工艺差别不大的情况下，不同班组的钻探技术指标存在一定差距，通过分析监测系统存储的数据，能够找出差异的存在原因，并将差异缩小；第三、安装于钻机上的仪表在煤矿井下恶劣的环境中耐用性能较差，经常由于低温和震动等因素而损坏，不能够很好地反映钻机工作参数；第四、仅凭借人为观察(如通过听机器声音、看各种显示仪表、触摸机器与管路的震动)来判断钻机是否正常运行，容易出现差错，钻机操作人员在短时间内既要观察、又要分析众多仪表信息，难度过大。因此，需要一种全自动的钻机钻进参数监测装置完成井下数据的监测。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种井下钻机钻进参数监测装置，具有实时自动监测井下钻机钻进参数的有益效果。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种井下钻机钻进参数监测装置，包括：

壳体；

外接传感器组件，其设置在所述壳体的外部；

数据采集组件，其设置在所述壳体内部，所述数据采集组件与所述外接传感器组件通过数据线连接，用于接收所述外接传感器组件感应的数据，所述数据采集组件包括单片机和数据采集卡；

控制面板，其设置在所述壳体上，所述控制面板显示所述数据采集组件接收的数据，所述控制面板包括显示屏和控制按钮；

井下供电组件，其包括电压转换模块和电池接口，所述电压转换模块设置在所述壳体的内部。

优选的是，还包括：存储模块，其用于存储所述数据采集组件接收的数据，所述存储模块与所述单片机连接。

优选的是，所述外接传感器组件包括四个压力传感器、一个流量传感器、一个霍尔传感器和传感器接线口，两个压力传感器分别置于钻机给进油缸两侧，用于检测钻机的给进入口压力和起拔入口压力，另外两个压力传感器置于回转马达两端，用于检测回转马达进出口压力，所述流量传感器与钻机回转马达连接，用于检测回转马达流量，所述霍尔传感器与钻机主轴连接，用于检测主轴转速，所述传感器接线口用于连接外接传感器组件将传感器数据传入所述数据采集卡中。

优选的是，所述壳体为隔爆型壳体。

优选的是，还包括：u盘，所述u盘插接在所述存储模块上。

还提供一种井下钻机钻进参数监测方法，包括以下步骤：

步骤一、将压力传感器分别装于钻机的回转马达进出口和钻机给进油缸两端，监测钻机的钻压，将流量传感器装于钻机回转马达内部，监测钻机回转马达流量，计算钻机动力头扭矩，将霍尔传感器装于钻机主轴处，监测钻机转速；

步骤二、电池接口插接电源，点击控制按钮开启监测装置，电压转换模块转换电压将不同的电压分别输送至外接传感器组件、数据采集组件、存储件进行工作；

步骤三、压力传感器、流量传感器、霍尔传感器监测的数据通过数据线与传感器接口连接，将监测的数据传至数据采集卡，再传至单片机进行处理，显示屏显示处理后的监测数据，通过观看显示屏显示监测的数据，判断井下钻机情况。

优选的是，与步骤三同时进行的还包括：将监测的数据传至存储模块进行存储。

本发明至少包括以下有益效果：该监测装置能够及时、准确的反映出钻机工作中钻压、扭矩和转速等参数的变化情况，并且能够存储监测的钻进参数值，为后续钻机工况回放或是钻机故障诊断提供一定数据基础。同时，井下钻机钻进参数监测装置能够实时检测钻机钻进时的钻压、扭矩和转速等参数，并实时显示到显示屏上，该监测装置的研究可以为煤矿井下钻探施工向数字化和智能化发展奠定基础。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明其中一个技术方案的井下钻机钻进参数监测装置结构示意图；

图2为本发明其中一个技术方案的井下钻机钻进参数监测方法示意图；

图3为本发明其中一个技术方案的空进时钻杆受力分析；

图4为本发明其中一个技术方案的实进时钻杆受力分析；

图5为本发明其中一个技术方案的扭矩测量方案框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供一种井下钻机钻进参数监测装置，包括：

壳体，用于保护数据采集组件和井下供电组件；

外接传感器组件，其设置在所述壳体的外部，设置在钻机上，用于感应钻进的运行参数，如钻压、流量和转速，钻压是钻进过程中最重要的规程参数之一，表示钻机钻进过程中加在钻头上的轴向载荷，全液压动力头钻机回转动力机理为液压泵驱动液压马达，再由液压马达驱动钻机动力头带动井下钻具旋转，根据回转动力机理，检测钻机扭矩，转速可直接由传感器测得；

数据采集组件，其设置在所述壳体内部，所述数据采集组件与所述外接传感器组件通过数据线连接，用于接收所述外接传感器组件感应的数据，所述数据采集组件包括单片机和数据采集卡，数据采集卡接收传感器传入的模拟量传感数据并转换为数字量数据传入单片机进行处理；

控制面板，其设置在所述壳体上，所述控制面板显示所述单片机处理的数据，所述控制面板包括显示屏和控制按钮，显示屏显示单片机处理的钻机钻进参数，控制按钮用于控制监测装置的开启和关闭；

井下供电组件，其包括电压转换模块和电池接口，所述电压转换模块设置在所述壳体的内部，电池接口用于连接井下矿灯电池，电压转换模块用于将矿灯电压转换成单片机和数据采集卡的供电电压，二者共同作用完成整个装置的供电，本实施例的监测装置最大工作电压为12v，控制器传感器工作的电压为12v，电压和电流较小不易发生危险，使用矿灯电池作为电源，常见矿灯电池为3.7v，通过电压转换模块将电压转换成12v供电数据采集卡使用，转换成3.3v供电单片机使用。

在另外一种技术方案中，还包括：存储模块，其用于存储所述数据采集组件接收的数据，所述存储模块与所述单片机连接，存储单片机处理的钻机钻进参数。

在另外一种技术方案中，所述外接传感器组件包括四个压力传感器、一个流量传感器、一个霍尔传感器和传感器接线口，两个压力传感器分别置于钻机给进油缸两侧，用于检测钻机的给进入口压力和起拔入口压力，井下钻机给进起拔由单杆双作用液压缸实现，动力头由活塞杆驱动，在油缸两端各添加一个压力传感器，测得油缸加压端和提升端油压值分别为p1、p2，另外两个压力传感器置于回转马达两端，用于检测回转马达进出口压力，流量传感器用于检测回转马达流量，霍尔传感器用于检测主轴转速，传感器接线口用于将传感器数据传入检测装置。

在另外一种技术方案中，所述壳体为隔爆型壳体，这种防爆壳体是把电气设备可能产生火花、电弧和危险温度的电气元件放人隔爆壳体内，使电气设备内部空间与周围的危险环境相对隔离。当内部电气元件引发爆炸时，隔爆壳体可以承受产生的爆炸压力而不损坏，同时壳体隔爆间隙可冷却火焰、降低火焰传播速度或终止加速.使火焰或危险的火焰生成物不能穿越隔爆间隙点燃外部爆炸性环境，从而达到防爆目的。同时防爆壳体上包含有存储件接口、电池接口、传感器接线口、显示屏和控制按钮。

在另外一种技术方案中，还包括：u盘，所述u盘插接在所述存储模块上，u盘接收存储模块的监测数据，方便携带出井外进行详细钻进参数分析。

一种井下钻机钻进参数监测方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤一、将压力传感器分别装于钻机的回转马达进出口和钻机给进油缸两端，监测钻机的钻压；

钻压是钻进过程中最重要的规程参数之一，表示钻进过程中加在钻机钻头上的轴向载荷，钻压对钻进效率、钻头磨损和和钻进轨迹等都有直接影响。井下钻机给进起拔由单杆双作用液压缸实现，动力头由活塞杆驱动，在油缸两端各添加一个压力传感器，测得油缸加压端和提升端油压值分别为p1、p2，根据油缸活塞的移动方向和油缸上下腔的有效截面积计算钻机悬重，悬重即为液压缸施加给钻机动力头的力，记为式(1)t＝(p1·a1-p2·a2)/1000，式(1)中a1为加压油缸内腔截面积，mm²；a2为提升油缸内腔截面积，mm²；p1为加压油缸油压值，mpa；p2为提升油缸油压值，mpa；t为悬重，kn。

钻具在钻进运动过程大部分处于匀速运动状态，若处于非匀速钻进时加速度的影响也很小，在此可忽略不计。钻杆与孔壁之间存在一个轴向的摩擦力，在钻头接近钻孔底部时轴向加速度忽略不计，此时受力分析如图3所示，f为孔壁和钻杆壁之间的摩擦力，依据受力分析即为式(2)：f＝t空+g*sinα；

钻头到达钻孔底部时，此时钻头和底部岩土接触，岩土受到钻压w钻压，此时钻杆受力平衡为图4所示，得式(3)f+w钻压＝t实+g*sinα

由以上式(2)和式(3)可知，钻头在实际钻进过程中对岩土的钻压：w钻压＝t实-t空，由此可以由式(1)计算出空进时的t空和实进时的t实进而计算出钻压w钻压；

将流量传感器装于钻机回转马达内部，监测钻机回转马达流量，计算钻机动力头扭矩；

全液压动力头钻机回转动力机理为液压泵驱动液压马达，再由液压马达驱动动力头带动井下钻具旋转，根据此回转动力机理，建立如图5所示的扭矩测量方法。

依据图5所示方案，需要测量回转马达进出口压力、回转马达流量、动力头转速4个参数计算动力头输出扭矩。根据能量守恒：压力差·流量·效率＝2π·转速·扭矩，即可推算出动力头输出扭矩：

将霍尔传感器装于钻机主轴处，用单片机监测钻机转速；

步骤二、电池接口插接电源，点击控制按钮开启监测装置，电压转换模块转换电压将不同的电压分别输送至外接传感器组件、数据采集组件、存储件进行工作；

步骤三、压力传感器、流量传感器、霍尔传感器监测的数据通过数据线与传感器接口连接，将监测的数据传至数据采集卡，再传至单片机进行处理，显示屏显示处理后的监测数据，通过观看显示屏显示监测的数据，判断井下钻机情况。

与步骤三同时进行的还包括：将监测的数据传至存储件进行存储。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例和实施例。