高 杉,杜 江,趙 慷,周輝峰

(1.中國(guó)地質(zhì)裝備總公司,北京 100102;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083)

1 數(shù)字化監(jiān)測(cè)鉆探的意義

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,探礦工程機(jī)械領(lǐng)域的技術(shù)人員逐步把現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的鉆探工程中。這一變革較之傳統(tǒng)的機(jī)械鉆進(jìn),不僅提高了鉆進(jìn)效率,也實(shí)現(xiàn)了工程技術(shù)人員對(duì)鉆探過(guò)程多項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測(cè),從而能夠及時(shí)識(shí)別并預(yù)報(bào)孔內(nèi)異常工況,如是否為正常鉆進(jìn),是否遇到斷層、換層,以達(dá)到降低孔(井)內(nèi)事故率,實(shí)現(xiàn)高效、低成本、優(yōu)質(zhì)、低耗鉆探的目的。

2 系統(tǒng)的主要功能

2.1 設(shè)備需求

在我公司研制的 HCDF-6型鉆機(jī)和 KZ3000型鉆機(jī)中,我們首次運(yùn)用鉆機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前,我司生產(chǎn)的設(shè)備均要求該系統(tǒng)能夠?qū)︺@機(jī)不同部分的液控壓力、孔底鉆頭壓力和鉆具自重實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 設(shè)備組成

我們?cè)O(shè)計(jì)了8路壓力采集,系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊(DAW-3058R)、485/232串口變換模塊(DAW-3210),嵌入式 LJD-eWin7000計(jì)算機(jī)等部分組成。并且將傳統(tǒng)的機(jī)械儀表升級(jí)成為在顯示器上能夠計(jì)算智能識(shí)別,添加了報(bào)警顯示的功能。集中顯示油壓、電瓶電壓、油位、計(jì)時(shí)、鉆壓,并增加回轉(zhuǎn)扭矩、泥漿泵量/泵壓、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)的采集和顯示,數(shù)據(jù)精度高,響應(yīng)快。此外,為減少燒鉆、卡鉆等問(wèn)題降低鉆探效率,當(dāng)油溫過(guò)高、油壓過(guò)低、水溫過(guò)高、超速、泵壓過(guò)高或扭矩超扭時(shí),通過(guò)指示燈光與蜂鳴器起到報(bào)警的功能。并且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡可能操作簡(jiǎn)單,以方便一線工人更宜于掌握和使用。

3 重要參數(shù)及其控制

鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵壓是主要的監(jiān)控參數(shù)。

3.1 鉆壓

鉆頭在軸向載荷的作用下,施力于巖石。在一定的轉(zhuǎn)速下,機(jī)械鉆速和壓力成正比,但是壓力過(guò)大,將產(chǎn)生鉆柱彎曲、鉆頭損壞等情況,甚至因扭矩過(guò)大,造成鉆桿扭斷、燒鉆、或胎體脫落等孔內(nèi)事故,或助長(zhǎng)鉆孔偏斜等等,對(duì)鉆進(jìn)極其不利?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員可以根據(jù)巖石的壓入硬度或抗壓強(qiáng)度等因素對(duì)鉆壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,維持需要的鉆壓。在程序編制中,通過(guò)壓力傳感器讀取送鉆油缸上、下腔壓力,由公式(1)、(2)或(3)計(jì)算得出孔底壓力。當(dāng)需要調(diào)整孔底壓力時(shí),我們通過(guò)設(shè)置好的參數(shù)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)電液比例一體閥的開(kāi)口大小,調(diào)整上、下腔壓強(qiáng)來(lái)控制孔底壓力,也可通過(guò)手柄操作手動(dòng)調(diào)節(jié)閥口大小。

式中:pzy——鉆壓值,kN;

mzj——鉆具自重,kg;

Fsfl——鉆進(jìn)過(guò)程的鉆井液上浮力,kN;

Px——下腔壓力值,kN;

C——系統(tǒng)背壓值,kN;

3.2 轉(zhuǎn)速

鉆進(jìn)不同硬度的巖層對(duì)鉆頭轉(zhuǎn)速有不同的要求。在一定的條件下,金剛石鉆頭的轉(zhuǎn)速越快,鉆速也越高。但轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界值時(shí),又會(huì)出現(xiàn)胎體溫度劇增的后果。因此希望在合理的轉(zhuǎn)速下,達(dá)到切削具的磨損量最小,而鉆頭進(jìn)尺最佳的效果。

我們采用的是在動(dòng)力頭主軸上的轉(zhuǎn)盤(pán)上安裝計(jì)數(shù)齒輪的做法,即通過(guò)在動(dòng)力頭上的霍爾傳感器計(jì)算單位時(shí)間轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù),從而計(jì)算轉(zhuǎn)速。計(jì)算出的數(shù)值在顯示器上用模擬圖片顯示,更加直觀易讀。

3.3 泵壓

泥漿泵的作用是將沖洗液泵入孔底,不僅起到冷卻、沖洗鉆頭、泥漿護(hù)壁、排渣等作用,并且通過(guò)對(duì)泵壓變化的監(jiān)控,也可以間接了解孔底的情況,如泵壓的激增或突降,可能是出現(xiàn)了巖心堵塞、斷鉆桿、脫扣等情況,以便現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)采取相應(yīng)的技術(shù)措施。我們?cè)谀酀{泵出口處安裝了傳感器以測(cè)量液體壓力,通過(guò)采集模塊顯示在ARM一體機(jī)上,方便施工人員的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

4 采集數(shù)據(jù)的讀取

用戶可根據(jù)情況,自行選擇串口號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位,我們用 ActiveX組建M SComm實(shí)現(xiàn)串行通信編程,相比類(lèi)的做法,這種組件建立連接的方法語(yǔ)句更加簡(jiǎn)潔,不易出錯(cuò)。在設(shè)置好串口號(hào)等參數(shù)后,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)的功能。

表1 主要參數(shù)模塊參數(shù)選擇

具體顯示為:

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該系統(tǒng)在這兩款機(jī)型上的應(yīng)用,可以看到:應(yīng)用智能化采集和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的巖心鉆機(jī)在鉆探效率上更高,并且大大提高了自動(dòng)化程度。而鉆探設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)必將向自動(dòng)化、智能化方面發(fā)展,數(shù)字化、智能化、模塊化、高可靠性和高穩(wěn)定性的鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的研究和發(fā)展勢(shì)在必行。

[1] 劉廣志.金剛石鉆探手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

[2] 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2001.

[3] 鄢泰寧,龔元明等.鉆探微機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].長(zhǎng)江水利教育,1997(4).

[4] 張偉.關(guān)于我國(guó)地質(zhì)巖心鉆機(jī)發(fā)展方向的分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008(8).