顶驱、顶驱吊环倾角测量装置及方法

技术领域

本发明涉及顶驱吊环倾角测量技术领域，具体涉及一种顶驱、顶驱吊环倾角测量装置及方法。

背景技术

顶驱是现代钻井作业中的重要设备，当需要添加钻杆或卸去钻杆时，顶驱需要顶驱吊环与其他设备进行钻杆交接。传统的方式是人工操作顶驱吊环，通过肉眼观察顶驱吊环与其他设备间的相对位置，再尝试调整顶驱吊环与其他设备间的相对位置，一步步完成钻杆交接，这样造成工作效率极低，由于需要专人作业，增大了人工成本，而且该作业工况对于作业人员安全也是不利的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种顶驱、顶驱吊环倾角测量装置及方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：根据本发明的第一方面，提供一种顶驱吊环倾角测量装置，所述顶驱包括顶驱本体以及可相对所述顶驱本体转动的顶驱吊环，所述顶驱吊环倾角测量装置包括测距传感器和标定构件，所述测距传感器用于设置在所述顶驱本体和所述顶驱吊环中的其中一者上，所述标定构件用于设置在所述顶驱本体和所述顶驱吊环中的另一者上，当所述测距传感器和所述标定构件中的其中一者随所述顶驱吊环转动时，所述测距传感器与所述标定构件之间的距离呈现连续变化。

可选地，所述标定构件包括待测量部，所述测距传感器的探测头与所述标定构件的待测量部相对应，当所述测距传感器和所述标定构件中的其中一者随所述吊环转动时，所述测距传感器与所述待测量部之间的距离逐渐增大或者逐渐减小。

可选地，所述待测量部呈弧形结构。

可选地，当所述测距传感器安装在所述顶驱吊环上且该标定构件安装在所述顶驱吊环的转动轴线上时，所述标定构件构造为非圆状。

可选地，所述待测量部呈直线型结构。

可选地，当所述测距传感器安装在所述顶驱吊环上，所述待测量部与所述顶驱吊环的转动轴线不相交。

可选地，所述标定构件一体成型在所述顶驱本体和所述顶驱吊环的其中一者上。

可选地，所述顶驱吊环倾角测量装置还包括与所述测距传感器连接的控制器，所述控制器用于将接收到的电信号转换成距离值。

根据本公开的第二方面，提供一种顶驱，包括上述的顶驱吊环倾角测量装置。

根据本公开的第三方面，提供一种顶驱吊环倾角测量方法，所述测量方法应用于上述的顶驱吊环倾角测量装置，所述测量方法包括：

定义该顶驱吊环处于竖直状态时为第一位置，定义该顶驱吊环处于倾斜状态时为第二位置，驱动所述顶驱吊环相对所述顶驱本体转动；

当所述顶驱吊环由所述第一位置向第二位置转动时，分别记录所述测距传感器在所述第一位置和所述第二位置所测量的数值，并根据所述第一位置处的数值和所述第二位置的数值处进行换算，从而获得所述顶驱吊环的倾角。

本发明至少具有以下有益效果：当顶驱吊环相对顶驱本体转动时，测距传感器与标定构件之间的距离会呈现出连续变化，根据测距传感器和标定构件之间的距离可以得到顶驱吊环的倾斜角度，即，准确地测量出顶驱吊环的倾斜角度，这样有利于提高作业效率，降低使用成本，无需工作人员手动对顶驱吊环进行操作，可以避免发生安全事故，同时，可以实现顶驱作业的自动化程度。

附图说明

图1为本发明示例性实施例提供的顶驱的结构示意图；

图2为图1的第一种视角的结构示意图；

图3为图1的第二种视角的结构示意图；

图中，100-顶驱本体；110-标定构件；111-待测量部；120-测距传感器；130-顶驱吊环；140-安装轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

参照图1，在实际应用场景中，顶驱包括顶驱本体100以及顶驱吊环130，顶驱吊环130可以通过吊卡夹持钻杆，以完成接立柱、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作，在动力机构（例如液缸）的作用下，顶驱吊环130可相对顶驱本体100转动，从而完成钻杆姿态的调整。

参照图1-图3，根据本发明的第一方面，提供一种顶驱吊环倾角测量装置，顶驱包括顶驱本体100以及可相对顶驱本体100转动的顶驱吊环130，顶驱吊环倾角测量装置包括测距传感器120和标定构件110，测距传感器120用于设置在顶驱本体100和顶驱吊环130中的其中一者上，标定构件110用于设置在顶驱本体100和顶驱吊环130中的另一者上，也就是说，测距传感器120和标定构件110可以有两种布置方式，第一种：测距传感器120安装在顶驱本体100上，而标定构件110安装在顶驱吊环130上，第二种：测距传感器120安装在顶驱吊环130上，而标定构件110安装在顶驱本体100上，当测距传感器120和标定构件110中的其中一者随顶驱吊环130转动时，测距传感器120与标定构件110之间的距离呈现连续变化。

在此之前，可以预先计算出顶驱吊环130倾斜角度与测距传感器120和标定构件110之间距离的对应关系，例如，顶驱吊环130倾斜角度为1°时，测距传感器120和标定构件110之间的距离为1cm；顶驱吊环130倾斜角度为5°时，测距传感器120和标定构件110之间的距离为1.2cm；顶驱吊环130倾斜角度为20°时，测距传感器120和标定构件110之间的距离为1.5cm，即顶驱吊环130每个位置的倾斜角度对应唯一的距离值。基于此，当顶驱吊环130相对顶驱本体100转动时，测距传感器120与标定构件110之间的距离会呈现出连续变化，根据测距传感器120和标定构件110之间的距离可以得到顶驱吊环130的倾斜角度，即，准确地测量出顶驱吊环130的倾斜角度，这样有利于提高作业效率，降低使用成本，无需工作人员手动对顶驱吊环130进行操作，可以避免发生安全事故，同时，可以提升顶驱作业的自动化程度。

作为一种优选，测距传感器120可以设置在顶驱本体100上，将标定构件110设置在顶驱吊环130上，这样可以使得测距传感器120不随顶驱吊环130转动，避免机械损伤，有利于延长测距传感器120的使用寿命。

参照图2和图3，标定构件110包括待测量部111，测距传感器120的探测头与标定构件110的待测量部111相对应，即，当测距传感器120或者标定构件110中的其中一者随顶驱吊环130转动时，探测头能够始终探测到标定构件110，当测距传感器120和标定构件110中的其中一者随吊环转动时，测距传感器120与待测量部111之间的距离逐渐增大或者减小，换言之，当顶驱吊环130的倾斜角度逐渐增大时，测距传感器120与待测量部111之间的距离可以逐渐增大，也可以逐渐减小，当顶驱吊环130的倾斜角度逐渐减小时，测距传感器120与待测量部111之间的距离可以逐渐增大，也可以逐渐减小，通过使测距传感器120和待测量部111之间的距离逐渐增大或者逐渐减小，可以获取到与距离值对应的唯一倾斜角度值，具体而言，顶驱吊环130向上转动时，测距传感器120与待测量部111之间的距离逐渐增大或者逐渐减小，顶驱吊环130向下转动时，测距传感器120与待测量部111之间的距离逐渐增大或者逐渐减小，顶驱吊环130具有至少两个作业位置，第一作业位置是顶驱吊环130处于竖直状态，第二作业位置是顶驱吊环130相对顶驱本体100转动且达到预定的高度，这里的向上转动，即指顶驱吊环130由第一作业位置向第二作业位置转动，向下转动，即指顶驱吊环130由第二作业位置向第一作业位置转动。可以理解，在顶驱吊环130向上转动过程中，若测距传感器120和标定构件110之间的距离先增大再减小，或者先减小再增大，同理，在顶驱吊环130向下转动过程中，若测距传感器120和标定构件110之间的距离先增大再减小，或者先减小再增大，这样可能存在两个相同的距离值，就会导致无法准确计算两个相同的距离值所对应的倾斜角度，从而导致顶驱吊环130在添加钻杆或者卸去钻杆时，作业位置不准确，影响作业精度。

其中，测距传感器120和标定构件110之间的距离呈现出连续变化，与待测量部111的形状是息息相关的。也就是说，待测量部111的形状可以构造为任意合适的形状。

参照图1，作为本发明一种可选的实施例，顶驱可以包括顶驱本体100、顶驱吊环130和安装轴140，其中，安装轴140穿设于顶驱本体100，安装轴140与顶驱本体100也可以为一体成型结构，即，安装轴140可以为顶驱本体100的一部分，顶驱吊环130的一端套设在安装轴140上并可相对安装轴140向上或者向下转动，当然，顶驱本体100和顶驱吊环130不仅限于此种结构，还可以有其他的变换结构。

作为一种选择，待测量部111可以呈弧形结构，由于待测量部111为标定构件110的一部分，即，标定构件110至少一部分是呈弧形的，例如，待测量部111可以是呈圆形的板状结构，需要说明的是，当待测量部111呈圆形时，待测量部111应当与安装轴（即，顶驱吊环130的转动轴线）不同轴，即，安装轴的轴线与标定构件110的轴线不共线，这种情况下，当顶驱吊环130转动时，测距传感器120与标定构件110之间距离才会呈现会连续增大或者连续减小。当测距传感器120安装在顶驱吊环130上且该标定构件110安装在顶驱吊环130的转动轴线上时，标定构件110构造为非圆状，例如，标定构件110可以为凸轮，若采用凸轮的变径部分作为待测量部111，凸轮的安装轴线则可以与安装轴的轴线共线。另外，标定构件110也可以为椭圆状结构，椭圆状结构的中心可以安装在安装轴的轴线方向，当顶驱吊环130转动时，测距传感器120与标定构件110之间的距离也可以呈现出逐渐增大或者逐渐减小的趋势。

作为另一种选择，待测量部111可以呈直线型结构，例如，待测量部111可以为倾斜布置在顶驱本体100上的长方体结构，长方体结构的一长边即构成直线型结构，且当测距传感器120安装在顶驱吊环130上，标定构件110安装在安装轴上时，待测量部111与顶驱吊环130的转动轴线不相交。

上述两种形状的待测量部111，均可准确地体现测距传感器120与标定构件110之间的距离变化，即，距离逐渐增大或者逐渐减小，另外，上述两种形状的待测量部111结构简单，制造方便。

测距传感器120与顶驱吊环130或者顶驱本体100之间可以通过卡接、螺接或者焊接等形式相连，同理，标定构件110与顶驱吊环130或者顶驱本体100之间可以通过卡接、螺接、粘接或者焊接等形式相连。

需要说明的是，标定构件110也可以与顶驱本体100或者安装轴为一体成型结构。

本发明可选的实施例中，测距传感器120为电感式位移传感器、超声波测距传感器120、激光传感器、红外测距传感器120、位移传感器中的至少一者。当测距传感器120为电感式位移传感器时，标定构件110应当为金属结构，以使电感式位移传感器能够感知标定构件110，另外，电感式位移传感器还能够在恶劣环境下使用，例如，电感式位移传感器不受风沙、雨雪等影响。

顶驱吊环倾角测量装置还包括与测距传感器120连接的控制器（图中未示出），控制器可以采用任意合适的型号，例如控制器可以采用欧姆龙C200HX-CPU44-E。控制器用于将接收到的电信号转换成距离值，控制器可以为PLC。控制器与测距传感器120之间可以通过无线连接，无线连接相比有线连接，可以降低因机构运动对导线的干涉。

根据本发明的第二方面，提供一种顶驱，该顶驱包括顶驱本体100、顶驱吊环130以及上述的顶驱吊环倾角测量装置，顶驱吊环130可转动地与顶驱本体100连接，顶驱吊环倾角测量装置包括测距传感器120和标定构件110。其中，顶驱吊环倾角测量装置与顶驱本体100和顶驱吊环130具有至少如下两种连接方式。

第一种，测距传感器120安装在顶驱本体100上，标定构件110安装在顶驱吊环130上。

第二种，测距传感器120安装在顶驱吊环130上，标定构件110安装在顶驱本体100上。

根据本发明的第三方面，提供一种顶驱吊环130倾角测量方法，该测量方法应用于上述的顶驱吊环倾角测量装置，测量方法包括：

定义该顶驱吊环130处于竖直状态时为第一位置，定义该顶驱吊环130处于倾斜状态时为第二位置，驱动顶驱吊环130相对顶驱本体100转动；

当顶驱吊环130由第一位置向第二位置转动时，分别记录测距传感器120在第一位置和第二位置所测量的数值，并根据第一位置处的数值和第二位置的数值处进行换算，从而获得顶驱吊环130的倾角。

这里的第一位置即上述的第一作业位置，第二位置即上述的第二作业位置，根据前文可知，当顶驱吊环130由第一位置向第二位置转动时，第一位置处的数值相比第二位置处的数值逐渐增大或者逐渐减小，当顶驱吊环130由第二位置向第一位置转动时，第二位置处的数值相比第一位置处的数值逐渐增大或者逐渐减小，同理，再根据预先设置的距离大小（测距传感器120与标定构件110之间的距离）与顶驱吊环130倾斜角度的对应关系，可以确定顶驱吊环130在第一位置和第二位置之间任意位置处的倾斜角度，这样可以确保顶驱吊环130与其他设备之间的位置准确，实现钻杆的快速安装或者拆卸。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。