基于HCDF-6型钻机钻进参数实时监测系统的设计

高 杉,杜 江,赵 慷,周辉峰

(1.中国地质装备总公司,北京 100102;2.中国地质大学(北京),北京 100083)

1 数字化监测钻探的意义

随着现代计算机技术、自动化控制技术的迅速发展和广泛应用,探矿工程机械领域的技术人员逐步把现代检测技术应用到传统的钻探工程中。这一变革较之传统的机械钻进,不仅提高了钻进效率,也实现了工程技术人员对钻探过程多项参数的监测,从而能够及时识别并预报孔内异常工况,如是否为正常钻进,是否遇到断层、换层,以达到降低孔(井)内事故率,实现高效、低成本、优质、低耗钻探的目的。

2 系统的主要功能

2.1 设备需求

在我公司研制的 HCDF-6型钻机和 KZ3000型钻机中,我们首次运用钻机设备运行参数计算机实时监测系统。目前,我司生产的设备均要求该系统能够对钻机不同部分的液控压力、孔底钻头压力和钻具自重实现实时监测。

2.2 设备组成

我们设计了8路压力采集,系统由数据采集模块(DAW-3058R)、485/232串口变换模块(DAW-3210),嵌入式 LJD-eWin7000计算机等部分组成。并且将传统的机械仪表升级成为在显示器上能够计算智能识别,添加了报警显示的功能。集中显示油压、电瓶电压、油位、计时、钻压,并增加回转扭矩、泥浆泵量/泵压、钻机转速等关键参数的采集和显示,数据精度高,响应快。此外,为减少烧钻、卡钻等问题降低钻探效率,当油温过高、油压过低、水温过高、超速、泵压过高或扭矩超扭时,通过指示灯光与蜂鸣器起到报警的功能。并且监测系统设计尽可能操作简单,以方便一线工人更宜于掌握和使用。

3 重要参数及其控制

钻压、转速和泵压是主要的监控参数。

3.1 钻压

钻头在轴向载荷的作用下,施力于岩石。在一定的转速下,机械钻速和压力成正比,但是压力过大,将产生钻柱弯曲、钻头损坏等情况,甚至因扭矩过大,造成钻杆扭断、烧钻、或胎体脱落等孔内事故,或助长钻孔偏斜等等,对钻进极其不利。现场工作人员可以根据岩石的压入硬度或抗压强度等因素对钻压进行实时监控,维持需要的钻压。在程序编制中,通过压力传感器读取送钻油缸上、下腔压力,由公式(1)、(2)或(3)计算得出孔底压力。当需要调整孔底压力时,我们通过设置好的参数可以自动调节电液比例一体阀的开口大小,调整上、下腔压强来控制孔底压力,也可通过手柄操作手动调节阀口大小。

式中:pzy——钻压值,kN;

mzj——钻具自重,kg;

Fsfl——钻进过程的钻井液上浮力,kN;

Px——下腔压力值,kN;

C——系统背压值,kN;

3.2 转速

钻进不同硬度的岩层对钻头转速有不同的要求。在一定的条件下,金刚石钻头的转速越快,钻速也越高。但转速超过临界值时,又会出现胎体温度剧增的后果。因此希望在合理的转速下,达到切削具的磨损量最小,而钻头进尺最佳的效果。

我们采用的是在动力头主轴上的转盘上安装计数齿轮的做法,即通过在动力头上的霍尔传感器计算单位时间转过的齿数,从而计算转速。计算出的数值在显示器上用模拟图片显示,更加直观易读。

3.3 泵压

泥浆泵的作用是将冲洗液泵入孔底,不仅起到冷却、冲洗钻头、泥浆护壁、排渣等作用,并且通过对泵压变化的监控,也可以间接了解孔底的情况,如泵压的激增或突降,可能是出现了岩心堵塞、断钻杆、脱扣等情况,以便现场工作人员及时采取相应的技术措施。我们在泥浆泵出口处安装了传感器以测量液体压力,通过采集模块显示在ARM一体机上,方便施工人员的现场监测。

4 采集数据的读取

用户可根据情况,自行选择串口号、波特率、奇偶校验、数据位和停止位,我们用 ActiveX组建M SComm实现串行通信编程,相比类的做法,这种组件建立连接的方法语句更加简洁,不易出错。在设置好串口号等参数后,系统可实现自动读取数据的功能。

表1 主要参数模块参数选择

具体显示为:

5 结语

通过该系统在这两款机型上的应用,可以看到:应用智能化采集和监测系统的岩心钻机在钻探效率上更高,并且大大提高了自动化程度。而钻探设备的发展趋势必将向自动化、智能化方面发展,数字化、智能化、模块化、高可靠性和高稳定性的钻进参数检测系统的研究和发展势在必行。

[1] 刘广志.金刚石钻探手册[M].北京:地质出版社,1991.

[2] 鄢泰宁.岩土钻掘工程学[M].武汉:中国地质大学出版社,2001.

[3] 鄢泰宁,龚元明等.钻探微机智能监测系统的研制与应用[J].长江水利教育,1997(4).

[4] 张伟.关于我国地质岩心钻机发展方向的分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2008(8).