牙轮钻机工作参数获取方法研究现状

衣 瑛

（鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司，辽宁 鞍山 114051）

由于钻机钻探工作位于地下，具有一定的隐蔽性，不能及时观察工作状态和发现钻进过程中可能存在的问题，然而操作人员在地面上无法及时获取到钻机实际运行的情况以及钻机的各项工作参数，无法有效控制钻进的质量和钻进的速率，直接影响到钻探成本和钻探工作的效率。因此采用智能监测的手段，及时通过传感器获取各个工作参数，对提高钻机效率是必不可少的。

钻机传统的工作状态显示大多通过压力计、温度表等仪器仪表显示出来，指针化显示不直观且无法对工作状态进行保存记录,多有不便。随着现代技术的发展,传感器的精度不断提升并且价格较低，使用方便，因此钻机和传感器结合便可远程显示钻机工作状态，通过对钻机工作数据的分析便可对钻机进行钻探优化，对钻机的主要状态参数监测包括钻压、转速、扭矩、泵量、钻速等[8]，因此在钻机相应位置上安置对应传感器，并将检测到的数据通过电信号的形式传输到主机上进行处理，以便后续对钻机进行优化。

1 钻压参数

钻进过程中钻头在钻压作用下破碎地表进入地下，钻压的大小直接决定了钻头钻进地下的深度，在钻机所有工作参数中，钻压对钻速的影响是最直接、最显著的。钻压过大时将会对钻柱和钻头造成损坏，扭矩过大时甚至会造成烧钻等安全事故，因此对钻压参数的检测和控制就显得尤为重要。

乔晓华等人提到钻压力不是钻机对井底的正压力，其正压力等于钻压力与孔底倾角余弦的乘积[1]。而对于大直径钻机的钻压力乔晓华等人通过总结发现有以下几种常用的计算方法：第一种是根据刀刃单位面积上受到的钻压强来计算钻压，其中钻压强应该大于岩石强度；第二种是根据刀刃单位钻进面积上受到的压力来计算钻压；第三种是根据每把刀具上受到的压力来间接计算钻压力，在运用上述计算方法时还应该考虑到大直径钻机中心刀的楔入阻力等。

但是由于钻机钻杆柱在工作时受震动影响较大，很容易对传感器的精度造成影响，并且会使传感器的使用寿命减少，因此一般不在钻柱上直接安装压力传感器来检测钻压，而是结合钻机的特点，多采用间接测量或通过计算的方式来得出最终的钻压值。例如王珂在自控钻进试验台参数检测与控制技术实验研究[2]中通过油缸压力与钻杆重量之间的关系间接得出钻压，即在给进液压油缸的上腔和下腔分别安装压力传感器，油缸进出口的压力值通过传感器检测得到，结合相关面积压强公式即可计算出钻压值，其中油缸上下腔的有效截面积可以经过实际测量得出，在计算实际作用在钻头上的压力时还应该考虑到钻具于孔壁的摩擦力等因素，液压油腔内安装的压力传感器应该考虑到体积、灵敏度、稳定性等问题。

2 转速参数

钻机转速直接关系到钻进效率和功率消耗，不同的地质和钻进方法有着不同的转速要求，适宜的转速可以有效的控制钻探成本和钻探时间，在钻进过程中因地质结构存在差异，操作人员需要随时掌握和调整动力头的转速，从而实现对钻机设备的精准控制和优化，因而对钻机转速的实时准确监测是必不可少的，测量转速主要有两种常用的测量手段，一种是采用测速发电机直接和电机接触，另一种是不和电机直接接触的接近开关式测速。测速发电机可以直接输出电信号并且电信号的强弱与转速成正比例关系，其广泛应用于各种速度控制系统；而接近开关测量较方便，无需与待测物直接接触，只要运动部件处于检测距离内就可以进行数据检测，相对安全且价格较低。测速发电机相对于接近开关而言成本较高，安装困难而且需要预留一定的安装空间，且电机上的电压一般较高，存在一定的危险性，因此先择接近开关是比较合适的，现在国内外也普遍选择使用接近开关的方式测量转速。

例如张恒春在设计的智能化多功能实验台钻进参数检测与控制系统[3]中测量动力头的转速则采用了电感式接近开关，张恒春在使用接近开关测量转速时，先在待测轴上安装了M个金属感应点，将接近开关安装在一旁，当待测轴旋转时接近开关通过感应金属感应点即可输出相应脉冲，将脉冲数结合相应的计算公式就可得出待测轴转速。杜江等人[11]自行设计了一个自定齿数的同步转动齿轮，并将此齿轮安装在动力头主轴上，通过有源电磁感应式数字传感器实现了对动力头转速的检测。有源电磁感应式数字传感器与齿轮留有一定的安装间隙，传感器供电电压为常用的5～24V，较容易获得，该传感器输出信号可直接与数字计数器直接相连接，便于后续的数据计算和传输。吴海峰采用霍尔转速传感器来对钻机主轴转速进行检测进而检测钻机转速[13]，霍尔传感器是开关型传感器，吴海峰在使用霍尔传感器检测主轴转速时为提高检测的准确性，在钻机主轴上安置一个磁钢，钻机主轴旋转时磁钢就会跟着转动，霍尔传感器检测磁钢时就会产生脉冲信号，经过处理将脉冲信号转化成电信号并将信号输出到微处理器进行处理以实现对转速的检测。

3 扭矩参数

扭矩可以实时反映钻进工况，是需要重点检测的工作参数，可以通过检测瞬时扭矩的变化结合一定的经验来估测钻进过程中可能发生的事故，例如出现卡钻和钻头打滑等现象。常规扭矩检测通过安装在转盘驱动链条的扭矩传感器将扭矩转换成电信号来检测，但是液压型钻机没有链条传动装置，因此可以通过测量液压马达间接测量扭矩，扭矩计算公式为：

式中：Vg表示动力头马达排量；Δp表示动力头马达进出油口压力值；ηmh表示动力头总机械效率，取0.9～0.93；id表示动力头总减速比。

通过上式可知，只需要通过传感器测量动力头马达进出油口压力值就可以测出扭矩。

方俊通过对钻机构造研究分析发现全液压动力头钻机是通过动力头液压马达做功带动钻机回转器转动，总功率中除了摩擦损耗等，液压马达的功率就等于回转器的功率，因此通过研究钻机扭矩和钻机功率、钻机转速之间存在的关系，再通过检测钻机功率和钻机转速就可以间接计算出钻进过程中的扭矩[4]。朱秀梅[5]等人提到的动力头扭矩计算公式是通过计算马达压力、马达个数、马达排量、传动效率和传动系统减速比之间的关系最终得出动力头的扭矩。

纪珍从等人采用的是使用霍尔电流变送器来对扭矩进行检测，为了减少温漂对扭矩测量精度的影响[12]，他们在原有电路基础上增添了补偿电路对整体进行控制，从而确保测量精度。一般钻机设备都较大，其使用的电动机也需要较高的额定电流和额定电压，若采用接触性测量转速容易发生危险且相应设备价昂贵，采用霍尔电流变送器进行非接触测量，可以确保测量安全性，且其精度较高、价格低廉。测量结果经过霍尔电流变送器内部电路处理后，将输出一个处于0～5V的低电压，使其输出信号可以转换成为微处理器可处理的数字信号。

4 钻速参数

钻速是指单位时间内钻头的钻进速度，钻速是反映钻进效率的重要指标之一，对掌控孔内的工作状况和结合数据优化钻机起到十分重要的作用，因此对钻速的检测是很有必要的。钻井工程中，通常采用把线速度转换成角速度的方式来检测钻速，常用的检测传感器有测速发电机、磁电脉冲钻速传感器、光电式传感器等[3]。

沈璟璟等人通过测量动力头的位置来实现对钻头的钻进位移检测，其采用激光测距传感器来测量动力头的移动距离[6]，激光具有很好的直线性和导向性，可以实现无接触远距离测量，在测距方面有很广的应用。沈璟璟等人将激光测距仪安装在钻机动力头导轨的尾部，使激光发射与接收镜面正对着动力头，激光测距仪不断的发送接收激光信号，通过计算便可得出动力头移动距离，设每相邻2次测得的距离为S1、S2，钻进位移公式为：

可以根据钻进位移与时间的关系计算得出钻速，钻速公式为：

其中S为钻进位移；t为测距时间间隔，可以由软件计时获得。

吴海峰对钻速参数的获取采用了光栅编码器，光栅编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成[13]。测量时首先将光栅式位移传感器安装在同步带轮轴上，同步带将动力头移动的位移转换成光栅增量编码器测量的角位移，光栅增量编码器根据一定的关系将角位移换算成动力头的线位移，时间可以采用软件编程的方式获得，这样便可计算出动力头的钻进速度即钻速。

5 油路油温参数

纪珍从等人提出对油温进行检测，检测油温采用DS18B20传感器，其精度为±2℃，可以较精确的对油温进行检测[12]。DS18B20为集成型数字传感器，可以直接输出数字信号，避免了使用A/D转换器等模数电转换电路模块，大大简化了系统设计，提高了可靠性，同时由于DS18B20传感器价格低廉，因此可以在一定程度上降低系统成本。由于DS18B20传感器的封装采用的是塑料外壳，如果直接放进油箱和液压油接触，很容易造成传感器腐蚀失效，因此可以采用导热性良好的材料对其进行密封隔离，然后再放进油箱内保证DS18B20传感器的正常工作。后续可以对系统实时采集的油温信息进行保存，并设置一定的阈值范围，当超过阈值范围时发出警报以免因油温过高而造成危险。

6 泵量参数

泵量是指泵在运转时排除的钻井液流量，与钻孔的直径等有关，泵量过大或过小都有可能导致钻孔事故，因此需要对泵量进行实时监测，以确保泵量处于合理的范围。目前常用的测量流量的仪器包括：浮子流量计、电磁流量计等。

对流量的检测可以直接使用流量计来进行测量泵量，但其成本较高，也可以采用泵冲传感器检测泵冲次的方式来间接计算出泵量，泵冲传感器是接近开关式传感器，由于泵冲传感器对金属检测十分灵敏，因此可以采用在传动轴上加装金属感应头的方式来确保检测的准确性。当金属感应头旋转到泵冲传感器的检测范围之内时就产生一个脉冲信号，每一个脉冲信号表示一次冲程，而泵的活塞直径和冲程都是定值，因此可以通过这些参数计算出泥浆泵的泵量。

传感器采集的信号都是本安信号，可以对其进行传输编辑操作，将采集的信号通过隔离器等器件后传输到微处理器进行处理,对于钻机的倾角和方位角则可以选择采用加速度传感器和磁阻传感器进行检测，并且磁阻传感器具有高带宽、内含低通滤波器、低噪声放大器，稳定性高，传输性好[10]。

7 发展方向

数字化钻进技术已经取得了较大的发展，钻进过程中各项工作参数的监测和数学模型的建立以及可能会发生的工作状况都已经较为成熟，但在钻进精确方面、故障自诊断方面和智能钻进自动钻进方面还需要进一步的研究，需要更加精确的测量仪器，更加稳定的数据传输方式，更加完善的管理系统。

8 结语

目前，我国数字矿山对开采、运输、通风、供电、排水等已经基本实现了智能管理，可以实现远程监控、操作、调度等，但是对钻机钻孔施工还未进行有效监控管理，大多还处于使用仪器仪表等传统方式。使用高精度传感器对钻机各项工作参数的实时监测与传输，对各项参数进行细致分析与总结，以便后续的钻机优化，从而极大的提高钻机钻进效率，有利的推进了钻机向智能化方向的发展进程，提高钻进质量，减少工作成本。