智能化安全高效钻进自动控制系统及控制方法技术方案

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F

【技术实现步骤摘要】
智能化安全高效钻进自动控制系统及控制方法
本专利技术属于钻探工程
，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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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。智能化安全高效钻进自动控制系统，所述的回转钻进参数检测模块包括钻进深度检测模块、回转速度检测模块、钻进速度检测模块；钻进深度检测模块通过自动检测记录钻进钻进深度L并传输到钻机控制模块；回转速度检测模块通过自动检测记录钻杆回转速度ω并传输到钻机控制模块；钻进速度检测模块通过自动检测记录钻机回转器夹持钻具钻进速度ν并传输到钻机控制模块。智能化安全高效钻进自动控制系统，所述的钻机控制模块为可视化操作平台，内置安全钻进自动控制应用程序，操作人员进入该程序操作界面进行选择对象、设置参数，在该程序中设置煤层坚固性系数f、煤体瓦斯压力P、煤层埋深H、钻孔设计深度Ls、钻孔倾角α、钻孔直径D、钻杆直径d、钻杆类型，安全钻进自动控制应用程序自动生成该钻孔施工的初始参照曲线，其中包括：钻进扭矩T0与深度L关系曲线、钻进推力F10与深度L关系曲线、退钻提拨力F20与深度L关系曲线、钻杆回转速度ω0与钻进深度L关系曲线、钻进速度ν0与钻进深度L关系曲线。智能化安全高效钻进自动控制系统，所述的钻机控制模块自动接收钻进过程中的扭矩T、推力F1、退钻提拔力F2、钻进深度L、钻杆回转速度ω和钻进速度ν，内置安全钻进自动控制应用程序自动生成钻进过程中的工况曲线，其中包括：钻进扭矩T1与深度L关系曲线、钻进推力F11与深度L关系曲线、退钻提拨力F21与深度L关系曲线、钻杆回转速度ω1与钻进深度L关系曲线、钻进速度ν1与钻进深度L关系曲线。智能化安全高效钻进自动控制系统的控制方法，采用如权利要求1所述的智能化安全高效钻进自动控制系统，包括以下步骤：（1）进入钻机控制模块可视化操作平台，基于权利要求4设置待施工钻孔的初始参数，系统自动生成该钻孔施工的初始参照曲线；（2）将钻杆安装在钻机上，连接好排渣动力系统，启动钻机施工钻孔，待安装在钻机上的首根钻杆没入岩层中后，在钻杆尾部加长钻杆，该工序循环进行；（3）启动钻机开始施工钻孔后，基于权利要求5系统自动生成该钻孔施工的钻进过程中的工况曲线，工况曲线在钻机控制模块可视化操作平台界面实时动态显示，该钻孔施工的工况曲线与初始参照曲线在同一界面、同一坐标系中对比显示；（4）施工过程中，与初始参照曲线相比较，同一钻孔深度位置，当工况曲线扭矩T、推力F1和提拔力F2大小发生超过10%以上的波动时，钻机控制模块将自动优化钻杆回转速度ω和钻进速度ν，以保障安全钻进；（5）待钻进到钻孔设计深度后停钻，退出钻杆；（6）、调整钻机位置，对另一个钻孔进行钻进作业；（7）、重复步骤（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）。智能化安全高效钻进自动控制系统的控制方法，步骤（4）钻机控制模块自动优化钻杆回转速度ω和钻进速度ν的具体方式为：钻进时，同一钻孔深度位置，与初始参照曲线相比较，当工况曲线扭矩T、推力F1大小出现0~10%波动时，钻机控制模块将自动保持钻杆回转速度ω不变，钻进速度ν不变；钻进时，同一钻孔深度位置，与初始参照曲线相比较，当工况曲线扭矩T、推力F1大小出现10%~20%波动时，钻机控制模块将自动保持钻杆回转速度ω不变，钻进速度ν降低幅度为0~10%；钻进时，同一钻孔深度位置，与初始参照曲线相比较，当工况曲线扭矩T、推力F1大小出现20%~40%波动时，钻机控制模块将自动增加钻杆回转速度ω幅度为5%~20%，钻进速度ν降低幅度为5~20%；钻进时，同一钻孔深度位置，与初始参照曲线相比较，当工况曲线扭矩T、推力F1大小出现40%~60%波动时，钻机控制模块将自动增加钻杆回转速度ω幅度为20%~40%，钻进速度ν降低幅度为15~40%；钻进时，同一钻孔深度位置，与初始参照曲线相比较，当工况曲线扭矩T、推力F1大小出现大于60%波动时，钻机控制模块将自动增加钻杆回转速度ω幅度大于40%，钻进速度ν降低幅度大于40%；退钻时，同一钻孔深度位置，与初始参照曲线相比较，当工况曲线提本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：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F

【技术特征摘要】
1.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，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的智能化安全高效钻进自动控制系统，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的智能化安全高效钻进自动控制系统，其特征在于：所述的回转钻进参数检测模块包括钻进深度检测模块、回转速度检测模块、钻进速度检测模块；钻进深度检测模块通过自动检测记录钻进深度L并传输到钻机控制模块；回转速度检测模块通过自动检测记录钻杆回转速度ω并传输到钻机控制模块；钻进速度检测模块通过自动检测记录钻机回转器夹持钻具钻进速度ν并传输到钻机控制模块。4.根据权利要求1所述的智能化安全高效钻进自动控制系统，其特征在于：所述的钻机控制模块为可视化操作平台，内置安全钻进自动控制应用程序，操作人员进入该程序操作界面进行选择对象、设置参数，在该程序中设置煤层坚固性系数f、煤体瓦斯压力P、煤层埋深H、钻孔设计深度Ls、钻孔倾角α、钻孔直径D、钻杆直径d、钻杆类型，安全钻进自动控制应用程序自动生成该钻孔施工的初始参照曲线，其中包括：钻进扭矩T0与深度L关系曲线、钻进推力F10与深度L关系曲线、退钻提拨力F20与深度L关系曲线、钻杆回转速度ω0与钻进深度L关系曲线、钻进速度ν0与钻进深度L关系曲线。5.根据权利要求1所述的智能化安全高效钻进自动控制系统，其特征在于：所述的钻机控制模块自动接收钻进过程中的扭矩T、推力F1、退钻提拔力F2、钻进深度L、钻杆回转速度ω和钻进速度ν，内置安全钻进自动控制应用程序自动生成钻进过程中的工况曲线，其中包括：钻进扭矩T1与深度L关系曲线、钻进推力F11与深度L关系曲线、退钻提拨力F21与深度L关系曲线、钻杆回转速度ω1与钻进深度L关系曲线、钻进速度ν1与钻进深度L关系曲线。6.智能化安全高效钻进自动控制系统的控制方法，采用如权利要求1所述的智能化安全高效钻进自动控制系统，其特征在于：包括以下步骤：（1）进入钻机控制模块可视化操作平台，基于权利要求4设置待施工钻孔的初始参数，系统自动生成该钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永龙，孙玉宁，周福宝，王振锋，刘春，王志明，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41