基于HCDF-6型鉆機鉆進參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

高 杉,杜 江,趙 慷,周輝峰

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

1 數(shù)字化監(jiān)測鉆探的意義

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,探礦工程機械領(lǐng)域的技術(shù)人員逐步把現(xiàn)代檢測技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的鉆探工程中。這一變革較之傳統(tǒng)的機械鉆進,不僅提高了鉆進效率,也實現(xiàn)了工程技術(shù)人員對鉆探過程多項參數(shù)的監(jiān)測,從而能夠及時識別并預(yù)報孔內(nèi)異常工況,如是否為正常鉆進,是否遇到斷層、換層,以達到降低孔(井)內(nèi)事故率,實現(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型鉆機和 KZ3000型鉆機中,我們首次運用鉆機設(shè)備運行參數(shù)計算機實時監(jiān)測系統(tǒng)。目前,我司生產(chǎn)的設(shè)備均要求該系統(tǒng)能夠?qū)︺@機不同部分的液控壓力、孔底鉆頭壓力和鉆具自重實現(xiàn)實時監(jiān)測。

2.2 設(shè)備組成

我們設(shè)計了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計算機等部分組成。并且將傳統(tǒng)的機械儀表升級成為在顯示器上能夠計算智能識別,添加了報警顯示的功能。集中顯示油壓、電瓶電壓、油位、計時、鉆壓,并增加回轉(zhuǎn)扭矩、泥漿泵量/泵壓、鉆機轉(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、卡鉆等問題降低鉆探效率,當油溫過高、油壓過低、水溫過高、超速、泵壓過高或扭矩超扭時,通過指示燈光與蜂鳴器起到報警的功能。并且監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計盡可能操作簡單,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,機械鉆速和壓力成正比,但是壓力過大,將產(chǎn)生鉆柱彎曲、鉆頭損壞等情況,甚至因扭矩過大,造成鉆桿扭斷、燒鉆、或胎體脫落等孔內(nèi)事故,或助長鉆孔偏斜等等,對鉆進極其不利?，F(xiàn)場工作人員可以根據(jù)巖石的壓入硬度或抗壓強度等因素對鉆壓進行實時監(jiān)控,維持需要的鉆壓。在程序編制中,通過壓力傳感器讀取送鉆油缸上、下腔壓力,由公式(1)、(2)或(3)計算得出孔底壓力。當需要調(diào)整孔底壓力時,我們通過設(shè)置好的參數(shù)可以自動調(diào)節(jié)電液比例一體閥的開口大小,調(diào)整上、下腔壓強來控制孔底壓力,也可通過手柄操作手動調(diào)節(jié)閥口大小。

式中:pzy——鉆壓值,kN;

mzj——鉆具自重,kg;

Fsfl——鉆進過程的鉆井液上浮力,kN;

Px——下腔壓力值,kN;

C——系統(tǒng)背壓值,kN;

3.2 轉(zhuǎn)速

鉆進不同硬度的巖層對鉆頭轉(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)速超過臨界值時,又會出現(xiàn)胎體溫度劇增的后果。因此希望在合理的轉(zhuǎn)速下,達到切削具的磨損量最小,而鉆頭進尺最佳的效果。

我們采用的是在動力頭主軸上的轉(zhuǎn)盤上安裝計數(shù)齒輪的做法,即通過在動力頭上的霍爾傳感器計算單位時間轉(zhuǎn)過的齒數(shù),從而計算轉(zhuǎn)速。計算出的數(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、泥漿護壁、排渣等作用,并且通過對泵壓變化的監(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)場工作人員及時采取相應(yīng)的技術(shù)措施。我們在泥漿泵出口處安裝了傳感器以測量液體壓力,通過采集模塊顯示在ARM一體機上,方便施工人員的現(xiàn)場監(jiān)測。

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、波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位和停止位,我們用 ActiveX組建M SComm實現(xiàn)串行通信編程,相比類的做法,這種組件建立連接的方法語句更加簡潔,不易出錯。在設(shè)置好串口號等參數(shù)后,系統(tǒng)可實現(xiàn)自動讀取數(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

通過該系統(tǒng)在這兩款機型上的應(yīng)用,可以看到:應(yīng)用智能化采集和監(jiān)測系統(tǒng)的巖心鉆機在鉆探效率上更高,并且大大提高了自動化程度。而鉆探設(shè)備的發(fā)展趨勢必將向自動化、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)定性的鉆進參數(shù)檢測系統(tǒng)的研究和發(fā)展勢在必行。

[1] 劉廣志.金剛石鉆探手冊[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:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2001.

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

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