重钩自由下落最优制动时间点的控制方法

摘要

本发明涉及一种重钩自由下落最优制动时间点的控制方法，本方法是通过测定重钩的重力、体积，泥浆液密度，泥浆阻尼系数等参量，将测定的参数及钻进深度，输入到计算机中，同时将与控制重钩自由下落最优制动时间点相关的计算公式输入到计算机中，通过在计算机中编制控制重钩自由下落最优制动时间点的流程软件，由计算机软件快速计算，优化确定一个最优的制动时间点来保证重钩下落总时长最短。本发明适用于不同深度钻进，下放重钩效率高。

权利要求

1.一种重钩自由下落最优制动时间点的控制方法，其特征在于：按如下步骤操作：步骤1、测定重钩的重力、体积及泥浆液密度参量；

步骤2、在钻进现场测定泥浆阻尼系数，测定中使用的设备包括：绞车、张力传感器、固定轮系、钢丝绳、导向轮和重钩，所述的绞车通过钢丝绳顺序连接固定轮系、导向轮和重钩，固定轮系上安装有张力传感器；通过绞车输出两组重钩不同的下落速度，由张力传感器测出连接在重钩上的钢丝绳的张力，根据重钩所受的浮力、阻力、制动力和重力四力平衡，测得重钩在泥浆中所受阻力的阻尼系数，并记录数据；

步骤3、测定钻进深度，钻进深度使用标号法，对每一根下放的钻杆进行标号，通过当前下放钻杆的编号，计算钻进的深度；

步骤4、将上述步骤测量的参数输入到计算机中，同时将与控制重钩自由下落最优制动时间点相关的计算公式输入到计算机中，在计算机中编制重钩自由下落的控制流程，通过计算机流程软件快速计算确定重钩从自由下放到开始制动的最优时间点、制动力的值及下放总时长；所述的计算公式包括方程式⑦为方程式⑧为

方程式⑨为

式中：m为重钩质量，v为下落速度，v1为制动前的速度，v2为制动后的速度，g为重力加速度，t为下落时间，t1为重钩下放后开始制动的最优时间点，t2为重钩下落总时间，k为泥浆阻尼系数，F为浮力，T为制动力，H为钻进深度。

2.根据权利要求1所述的一种重钩自由下落最优制动时间点的控制方法，其特征在于：所述的在计算机中编制重钩自由下落的控制流程为：在程序中先预设重钩下落总时长t3为1000s；循环次数为n，设初值为n＝0；设制动时间点初值t1＝0s；

判断循环次数n是否小于程序中设定的最长循环次数，若否，则结束循环；

若是，则输出满足方程式⑦、⑧和⑨的计算的下落总时间t2；

判断计算的下落总时间t2数值是否大于循环次数n的数值，若否，则结束循环；

若是，则判断计算的下落总时间t2是否小于预设下落总时长t3，若否，则循环次数n加

1重新循环；

若是，则把计算的下落总时间t2赋给预设下落总时长t3，循环次数n的数值赋给最优制动时间点t1，然后循环次数n加1重新循环；最终显示最优制动时间点t1。

3.根据权利要求1所述的一种重钩自由下落最优制动时间点的控制方法，其特征在于：所述的计算机流程软件确定了开始制动的制动力的大小，在实际制动操作中应把计算机确定的制动力稍微调小，以确保重钩安全下落到井底。

说明书

重钩自由下落最优制动时间点的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种重钩自由下落最优制动时间点的控制方法，具体地说是一种通过测定重钩在钻杆和泥浆液中运动时所受阻力的阻尼系数，及针对不同钻进深度，确定重钩从自由下放到开始制动的时间点及下放总时长的控制方法。

背景技术

[0002] 金刚石绳索取芯钻进技术由于其钻进效率高、钻头寿命长、勘探周期短，被广泛应用在地质取芯找矿施工中，特别是深孔和复杂地层取芯钻探施工。

[0003] 传统捞取岩心钻具的操作，从开始下放重钩到绞车制动这段时间凭经验而定，钻进深度不同，制动时间也不同，这对工作人员要求很高；重钩在泥浆中运动时，其所受的阻力与泥浆阻尼系数有关；泥浆液的阻尼系数与泥浆的密度、粘度，重钩的形状等参数有关，目前泥浆的阻尼系数在绳索取芯中还没有权威描述，因此重钩下放速度控制起来也依靠经验；如果控制不好，下放速度过大会对岩心筒造成冲击而破坏岩心筒，速度太小不能和岩心筒有效连接，影响钻井效率。目前，国内也公开了一些对重钩自由下落速度的控制技术,如恒功率自动调速收放绞车、测井绞车电传动控制系统，自由下落式卷扬机的速度控制方法及实施该方法的装置，这些技术的不足之处是：借助安装相关的装置或控制部件达到控制重钩的下落速度。在速度的控制中如果用相关装置或控制部件则使整套装备的性价比比较低。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为解决现有技术的不足，而提供一种重钩自由下落最优制动时间点的控制方法，本方法不需要安装复杂的装置或控制部件，而是通过测定重钩在钻杆和泥浆液中运动时所受阻力的阻尼系数，及针对不同钻进深度，经过计算机编程，优化确定重钩自由下落最优制动时间点的控制方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种重钩自由下落最优制动时间点的控制方法，按如下步骤操作：

[0006] 步骤1、测定重钩的重力、体积及泥浆液密度参量；

[0007] 步骤2、在钻进现场测定泥浆阻尼系数，测定中使用的设备包括：绞车、张力传感器、固定轮系、钢丝绳、导向轮和重钩，所述的绞车通过钢丝绳顺序连接固定轮系、导向轮和重钩，固定轮系上安装有张力传感器；通过绞车输出两组重钩不同的下落速度，由张力传感器测出连接在重钩上的钢丝绳的张力，根据重钩所受的浮力、阻力、制动力和重力四力平衡，测得重钩在泥浆中所受阻力的阻尼系数，并记录数据；

[0008] 步骤3、测定钻进深度，钻进深度使用标号法，对每一根下放的钻杆进行标号，通过当前下放钻杆的编号，计算钻进的深度；

[0009] 步骤4、将上述步骤测量的参数输入到计算机中，同时将与控制重钩自由下落最优制动时间点相关的计算公式输入到计算机中，在计算机中编制重钩自由下落的控制流程，通过计算机流程软件快速计算确定重钩从自由下放到开始制动的最优时间点、制动力的值及下放总时长；所述的计算公式包括方程式⑦为

[0010] 方程式⑧为

[0011] 方程式⑨为

[0012] 式中：m为重钩质量，v为下落速度，v1为制动前的速度，v2为制动后的速度，g为重力加速度，t为下落时间，t1为重钩下放后开始制动的最优时间点，t2为重钩下落总时间，k为泥浆阻尼系数，F为浮力，T为制动力，H为钻进深度。

[0013] 所述的在计算机中编制重钩自由下落的控制流程为：

[0014] 在程序中先预设重钩下落总时长t3为1000s；循环次数为n，设初值为n＝0；设制动时间点初值t1＝0s；

[0015] 判断循环次数n是否小于程序中设定的最长循环次数，若否，则结束循环；

[0016] 若是，则输出满足方程式⑦、⑧和⑨的计算的下落总时间t2；

[0017] 判断计算的下落总时间t2数值是否大于循环次数n的数值，若否，则结束循环；

[0018] 若是，则判断计算的下落总时间t2是否小于预设下落总时长t3，若否，则循环次数n加1重新循环；

[0019] 若是，则把计算的下落总时间t2赋给预设下落总时长t3，循环次数n的数值赋给最优制动时间点t1，然后循环次数n加1重新循环；最终显示最优制动时间点t1。

[0020] 所述的计算机流程软件确定了开始制动的制动力的大小，在实际制动操作中应把计算机确定的制动力稍微调小，以确保重钩安全下落到井底。

[0021] 本发明的重钩自由下落最优制动时间点的控制方法与现有技术相比具有如下优点：

[0022] 1.本发明的方法中泥浆阻尼系数是由钻进现场测量得到的，不是通过泥浆阻尼系数公式计算出，故本发明的泥浆阻尼系数更具有实用价值。

[0023] 2.本发明的方法不同于一般钻进作业凭经验下放重钩，而是通过计算机流程软件快速计算确定出最优制动时间点，然后人为地控制下放重钩的过程。本发明的方法可用于不同深度钻进，实现安全下放重钩，可节约工时和减小重钩下放速度过大对孔底钻具造成冲击的影响。

[0024] 3.本发明的方法不同于现有技术中借助安装相关的装置或控制部件实现对重钩自由下落的控制，因此本发明的方法简单，投资少，效果明显。

附图说明

[0025] 图1为本发明重钩自由下落最优制动时间点的控制方法中测试泥浆阻尼系数原理图。

[0026] 图2为本发明中编制的重钩自由下落最优制动时间点的控制流程图。

[0027] 图3为本发明测试100米钻井下放重钩的速度、加速度随位移、时间变化的曲线图。

[0028] 图4为本发明测试1000米钻井下放重钩的速度、加速度随位移、时间变化的曲线图。

[0029] 上述图中：1-绞车；2-张力传感器；3-固定轮系；4-钢丝绳；5-导向轮；6-井壁；7-泥浆；8-重钩；t1-最优制动时间点；t2-下落总时间；n-循环次数；t3-最优总时长。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

[0031] 实施例1：提供一种重钩自由下落最优制动时间点的控制方法，按如下步骤操作：

[0032] 步骤1、为了确定重钩自由下落最优制动时间点，还需要先测定重钩的重力mg、体积V，泥浆液密度ρ参量。

[0033] 步骤2、在钻进现场测定泥浆阻尼系数，如图1所示，测定所用的设备包括：绞车1、张力传感器2、固定轮系3、钢丝绳4、导向轮5和重钩8。绞车1通过钢丝绳4顺序与固定轮系3、导向轮5和重钩8连接，固定轮系3上安装张力传感器2，井壁6内有泥浆7，重钩8在泥浆7中往井底下落。

[0034] 本发明中泥浆阻尼系数测定的原理是：重钩8在泥浆7中下落，最终速度是匀速的，这时重钩8受力平衡；实际上泥浆阻尼系数与很多因素有关，如泥浆的粘度、密度、重物的形状等等，这使得对泥浆阻尼系数直接测定比较困难。在本方法中不考虑泥浆阻尼系数与其他因素有关，但可以确定重钩8在泥浆中运动与其速度有以下关系；

[0035] f＝kvx ①

[0036] 公式①中f为重钩在泥浆运动中受到的阻力，k为泥浆阻尼系数，v为重钩下落速度，x为速度上的幂指数。

[0037] 重钩8在泥浆中下落作匀速运动时，重钩8所受的重力mg，阻力f，浮力F，制动力T，四个力平衡：

[0038] mg＝f+F+T ②

[0039] 其中F＝ρgV排,f＝kvx,ρ-泥浆液密度，g—重力加速度，V排为重钩排水的体积。

[0040] 通过给定重钩两种不同下落速度,就可分别测得对应钢丝绳的张力，就可以得到泥浆的阻尼系数。

[0041] 根据公式②则有：

[0042] 联立方程组求解可得：

[0043] ③

[0044] ④

[0045] 根据公式③和④计算出泥浆的阻尼系数。为了使测量得到的泥浆阻尼系数更可靠，通过多次测量求平均值，则有：

[0046] ⑤

[0047] 步骤3、测定钻进深度，在实际工程施工中，钻进深度使用标号法。对每一根下放的钻杆进行标号，只要读出当前要下放钻杆的编号，根据下面公式⑥即可获得钻进的深度。

[0048] H＝l×n-l′×(n-l) ⑥

[0049] 上式中：H为钻进深度(米)，l为单根钻杆长度(米)，n为当前下放钻杆标号，l′为钻杆旋合长度(米)。

[0050] 步骤4、将上述1～3步骤测量的参数输入到计算机中，同时将与控制重钩自由下落最优制动时间点相关的计算公式输入到计算机中，在计算机中编制重钩自由下落的控制流程，通过计算机流程软件快速计算确定重钩从自由下放到开始制动的最优时间点、制动力的值及下放总时长；由于重钩下落分为自由下落和制动两个阶段。在自由下落阶段，重钩在自身重力和泥浆阻力及浮力作用下，做加速度减小的加速运动，直至重钩匀速下落；制动阶段重钩在重力，泥浆阻力，浮力和制动力的作用下，做加速度减小的减速运动，直至重钩匀速下落。

[0051] 在自由下落阶段，根据牛顿第二定律有：

[0052]

[0053] 整理变形可得：

[0054] ⑦

[0055] 在制动阶段，根据牛顿第二定律有：

[0056]

[0057] 整理变形可得：

[0058] ⑧

[0059] 重钩在整个下落过程深度是已知的，v1是重钩在自由下落阶段的速度，v2是重钩在制动阶段的速度，从下放重钩到制动这段时间设为最优制动时间点t1，重钩下落到岩心筒底端的时间为下落总时间t2，则有以下这个关系：

[0060] ⑨

[0061] 由于重钩在下落阶段，有公式⑦、⑧和⑨三个方程的约束，所以经过计算机多次n加1循环计算，给出了一系列制动时间点t1值，就可以得到一系列下落总时间t2值，从这一系列下落总时间t2值中选择出最小的下落总时间t2值对应的制动时间点t1值，就是重钩自由下落过程中最优的制动时间点。

[0062] 本发明中的重钩自由下落最优制动时间点的控制流程，参见图2，先预设重钩下落总时长t3＝1000s，设初值循环次数n＝0，设初值最优制动时间点t1＝0s；判断循环次数n是否小于1000，若否，则结束循环，若是，则输出满足方程式⑦、⑧和⑨的计算的下落总时间t2；判断计算的下落总时间t2的数值是否大于循环次数n的数值，若否，则结束循环；若是，则判断计算的下落总时间t2是否小于预设下落总时长t3，若否，则循环次数n加1重新循环；若是，则把下落总时间t2赋给预设下落总时长t3，循环次数n的数值赋给最优制动时间点t1，然后循环次数n加1重新循环；所以经过计算机多次n加1循环计算，给出了一系列制动时间点t1值，就可以得到一系列计算的下落总时间t2值，从这一系列下落总时间t2值中选择出最小的下落总时间t2值对应的制动时间点t1值，就是重钩自由下落过程中最优的制动时间点。计算机显示最终最优制动时间点t1。

[0063] 本发明模拟钻进100米和钻进1000米情况下，编程程序显示重钩自由下落的速度和加速度随时间和位移变化的曲线如图3和4所示，计算机显示钻进100米，最优制动时间是16秒和钻进1000米最优制动时间是161秒。

[0064] 实际工作时，把步骤1～3测得的数据输入到程序中，计算机就会很快显示出重钩下放的最优制动时间点；然后下放重钩并计时，达到最优制动时间点时，通过绞车输出制动力，直至重钩平稳的下放到井底。确定放好重钩后，绞车反转，提升钻具。

[0065] 重钩下放到井底要有一定的速度限制，不可过大亦不可过小，为了安全起见，可根据计算机流程确定的最优制动力的值，在实际操作时把制动力的值稍微调小一点，以确保重钩安全下落到井底。

[0066] 本发明的方法不需要安装复杂的装置或控制部件，只需通过计算机流程软件快速计算确定出最优制动时间点。本方法可用于不同深度钻进，实现安全下放重钩，可节约工时和减小重钩下放速度过大对孔底钻具造成冲击影响。