一种基于全液压动力头钻机的钻进参数检测方法.pdf

第 3 9卷 第 3期 2 0 1 1 年 6月 煤 田地质 与勘探 C 0A LGB0 l已 G Y E粗 0R Ⅱ0 N Vb1 ． 3 9NO． 3 J un． 201 1 文章编号1 0 0 1 - 1 9 8 6 2 0 1 1 0 3 ． 0 0 7 7 - 0 4 一 种基于全液压动力头钻机的钻进参数检测方法 邵春 ，张杰 ， 鄢泰 宁 1 ．中国地质大学资源学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ； 2 ．中煤科工集团西安研究院， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 ； 3 ．中国地质大学工程学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 摘要 针对与深孔钻机相配套的钻进参数检测仪 钻参仪1 滞后发展的问题， 提出一种适合全液压动 力头钻机的全面钻进参数检测方法，并对钻具悬重、钻压、功率、扭矩、孔深、机械钻速、流量 等主要钻进参数 的检测机理进行 了阐述。利用此方法，开发 出了一套全液压动力头钻机 高精度钻 参仪 系统，野外应用表明，提 出的检测方法切实可行 。 关键词钻参仪 ；检测；钻进参数；全液压动 力头钻机 中图分类号P 6 3 4 ． 5 文献标识码A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 1 9 8 6 ． 2 0 1 1 ． O 1 ． 0 1 7 A dr i l l i ng pa r a me t e r d e t e c t i o n me t h od ba s e d o n hy dr a ul i c t o p- dr i vi ng r i g S HAO Ch u n ， Z HANG J i e z ， Y AN T a i n i n g 1 ． F a c u l tyo f E a r t h R e s o u r c e s ， C h i n aU n i v e r s i tyo f G e o s c i e n c es， W u h a n4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ； 2 ． Xi a nRese a rchI n s t i t u t e ， Ch inaCo a l T e c h n o l o g ya n dEn g i n e e r i n gGr o u p Co r p， Xi a n71 0 0 7 7 ， Ch i n a ； 3 ． E n g i n e e r i n g F a c u l ty， C h i n a U n i v e r s i tyo fG e o s c i e n c es， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a Abs t r a c t Ai mi n g a t t h e d e l a y e d d e v e l o p me n t o f d r i l l i n g p a r a me t e r d e t e c t o r f o r l o n g r a n g e d r i l l i n g r i g s ，t h e p a p e r pu t f o r wa r d a d r i l l i n g p a r a me t e r d e t e c t i o n me t h o d s u i t a b l e t o d r i l l i n g b y h y d r a u l i c t o p dri v i n g r i g ， d e s c r i b e d t h e d e - t e c t i o n me c h a n i s m o f t h e ma i n d r i l l i n g p a r a me t e r s s u c h a s t o o l we i g h t ，we i g h o n b i t ，p o we r , t o r q u e ，h o l e d e p t h ， pe n e t r a t i n g r a t e a n d flo w． Ba s e d o n t h e me t h o d ， a s e t o f d r i l l i n g p a r a me t e r d e t e c t i o n s y s t e m for h y dra u l i c t o p dri v i n g r i g h a s b e e n d e v e l o p e d ． Th e r e s u l t s o f fie l d a p p l i c a t i o n s h o we d t h a t t h e p r o p o s e d d e t e c t i o n me t h o d i s f e a s i b l e ． Ke y wo r d s dri l l i n g p a r a me t e r d e t e c t o r ； d e t e c t i o n ； d r i l l i n g p a r a me t e r s ； h y dra u l i c t o p - d r i v i n g r i g 在地矿 岩心钻进 、坑道钻进 中 ，采用 的钻机 大多数为全液压动力头钻机[ 卜 引 。目前这些钻机配 备 的钻进参数 检测仪 简称 钻参仪 基本 上是机械 式仪表 ， 只能检测少量几个钻进参数 钻压 、 泵压 、 排量 、转速等 ，而对钻速等重要参数未能检测 ， 且不具备数 据存储 回放功能 。一 口钻孔 的钻进质 量及钻探 费用 ，不仅取决于钻孔环境 、钻孔工艺 及所钻岩层 条件 ，而且取决于基于钻进参数 的技 术决策 。钻 参仪不仅对钻探施工具有指导作用 ， 而且对获取地质信息 同样具有重要作用[ 4 - 7 ] 。随着 深部地质钻 探任务的工作量迅速增长 ，针对钻参 仪 的软件化 、参数全面化 、智能化及其检测方法 研究提上 日程 。 一 些研究 单位 已经研制 出相应的数字化钻参 仪 ，如中国地质大学的早期 C U G． 1 型 、山东煤 田地 质局的 Z C Y - 1型、中国地质科学院探矿工艺研究所 的 x 一 3型等，能检测 出工程需要的钻进参数 ，但 由 于种种原因，未能在野外推广使用。钻参仪要能在 野外推广使用 ，除了达到工程需要 的检测项 目及检 测精度 ，还要具有 良好的性价比、长期运行稳定性 及实用性。 钻参仪采用的钻进参数检测方法好与否 ， 直接关系其各项性能指标能否达到野外需求 。针对 全液压动力头钻机钻参仪 ，文献 [ 8 】 对一部分钻进参 数检测 的原理做 了初步探讨 ，但文 中检测的扭矩是 液压马达扭矩 ，而非动力头输 出扭矩 ，二者在数值 上相差甚远 。基于此 ，在满足精度前提条件下 ，本 文依托于常规经典传感器 性价 比高 ，稳定性强 ，实 用性强 ， 提 出一套适合野外应用的全液压动力头钻 机 的钻进参数检测方法 ，并对主要钻进参数 的检测 机理进行分析。 l 主要钻进参数检测机理 1 ． 1 悬重和钻压 的检测方法 钻压是钻进过程最重要的规程参数之一 ，表示 钻进过程中加在钻头上的轴向载荷。 它对钻进效率、 钻头磨损以及钻孔轨迹等都有直接影响。 收稿 日期2 0 1 0 ． 1 0 0 8 基金项 目国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 项 目 2 0 0 7 AA 0 6 0 7 0 1 作者简介 邵春 1 9 7 2 一 ，男 ，河南郑州人，博士 ，地质工程专业 ，从事检测技术研究 7 8 煤 田地质与勘探 第 3 9卷 检测方法 在加压油缸 、提升油缸进油 口处 各安装一个压力传感器 ，测得加压油缸 、提升油 缸 内腔的油压值分别为 P 、P 2 。根据油缸活塞的 移动方 向及油缸上下腔 的有效截面积 ，便可计算 钻 具 悬 重 T p z x A z - p l A1 ／ 1 0 0 0 ， 式中 1 为加压油缸内腔截面积 ，mm2 ；A 2 为提升 油缸 内腔截面积 ， m m ； P l 为加压油缸油压值 ， MP a ； ／ ／ P 2 为提升油缸油压值 ，MP a ；T为悬重 ，k N。 钻具在孔 中作上下移动时 ，与孔壁之 间存在 着一个沿着上 下方 向的摩擦力 。为 了消除摩擦力 对钻压值计算 的影 响 ，在上述基础之上 ，采用称 重 的方法 求实际钻压 。称重方法具体操作 当钻 具下放接近孑 L 底 时 ，钻具悬重记为 称 重 ，正常加 压钻进过程 中， 钻具悬重记为 ， 二者相减即为实 际钻 压 钻 压 W 钻 压 称 重一 ， 式 中 钻 为钻压 ，k N。 由于操作人员 的水平对钻具悬重 称 值有一 定影响 ，为 了准确测量 ，钻参仪在某 单位时间内 采集记录几组至几十组钻具称重值 ，求其平均值 后 予 以记 忆 L l ⋯ 。 1 ． 2 功率和扭矩 的检测方法 正常钻进过程 中，钻具高速回转 ，很难采取直 接方法去捕获瞬时扭矩 ，只能根据全液压动力头 回 转动力机理 ， 采取间接检测方法 。全液压动力头 回 转动力机理 液压泵驱动液压马达 ，再由液压马达 驱动动力头带动孔下钻具旋转 。根据此机理 ， 建立 扭矩检测方法 图 1 a ．测出液压泵的转速 ，并根 据液压泵转速及每转排量计算 出其输出排量 ， 该排 量也为液压马达的输出排量。 转速检测传感器采用 霍尔开关 。b ． 检测出液压马达进 出口压力 ，并根据 压力差及其输 出排量求输 出功率 ， 该功率为动力头 的输出功率。c ． 用霍尔开关实时检测动力头 回转器 转速 ， 根据 回转器转速及输 出功率 ，求出动力头输 出扭 矩 。 图 1 扭矩测量方法示意图 F i g ．1 Sc h e m a t i c d i a g r a m o f t o r q ue me a s u r e m e nt 根据前面建立扭矩检测方法，建立扭矩计算模型。 回转钻进过程，钻具承受的扭矩与功率、转速 关系见式 1 ，孔 E l 钻具扭矩为动力头输 出扭矩。 T 6 0 w ， f 1 1 2 7 r n 式 中 W为动力头输出功率 ，k W；T为回转器扭矩 ， k N m；n为回转器转速，r ／ mi n 。 液压马达输出功率与排量 、压降的关系如下 w Ap Q， 2 式中 Ap为液压马达的进出口压力差 ，MP a ；Q为 液压马达的排量 ，L ／ s 。 液压马达的排量等于与之连接 的液压泵 的排 量 ，可通过液压泵转速及其每转排量求得 Q n i l r l ／ 6 0 ， 3 式中 卵 为液压泵流量系数 ； 。 为液压泵转速 ， r ／ mi n ； ， 为液压泵每转排量 ，L ／ r 。 液压马达的压降可通过检测液压马达的进出口 压力求得 Ap p P ， 4 式中 P 为液压马达进 口压力 ，MP a ； P 为液压马 达 出 口压 力 ，MP a 。 由式 1 、式 2 、式 3 、式 4 得 ； f 5 1 2 7 r n 由式 2 、式 3 、式 4 得 W P n l l r l ／ 6 0 。 6 式 5 即为扭矩计算模型 ；式 6 为功率计算模型。根 据式 5 1 ，只要测出液压马达进出口压力 、液压泵转 速 、动力头 回转器转速 ， 就可求出动力头输出扭矩 ， 其 中刀 、， 是 已知。 1 ． 3 机械钻速和孔深的检测方法 钻进过程中，机械钻速 、孔深的检测主要基于 钻具的微小线位移的累加计算。具体方法采用同 步带传动方式将动力头的线位移转化为角位移 ，根 据带轮轴上光栅增量编码器测得的角位移换算 出动 力头的线位移 ，同时通过系统软硬件记录相应的时 间 ，便可算 出动力头的位移速度 ，即机械钻速 。对 位移量累加求出钻进进尺，同样方法求出孔深 。光 栅增量编码器和同步带的安装示意图如图 2所示 。 根据同步带轮的直径大小及编码器的光栅数 ， 可得 出单位光栅的位移量计算公式如下 ， ’ - T ， 。 7 N 其中Ⅳ为编码器的光栅数 ；， ． 为同步带半径 ，m； ， 为单位光栅同步带位移量 ，mm。 第 3期 邵 春等一种基于全液压动力头钻机 的钻进参数检测方法 7 9 上 下 移 动 移传感器 图 2 增量编码器和同步带安装示意图 Fi g． 2 I n s t a l l a t i on d i a g r a m of t he i n c r e me nt a l e n co d e r a n d t i mi ng be l t 选择的同步带轮外半径为 1 2 0 ． 5 8 mm，增量编 码器的光栅数为 5 0 0 0 。根据这些参数 ，由式 7 计 算 出单位光栅同步带位移量为 0 ． 1 5 1 4 4 8 mm，此值 即为动力头线位移的检测精度。 1 ． 3 ． 1 机 械钻 速 的求取 获 取公 式为 Ah AN ． A t。 △f 其中 v 为机械钻速 ，m／ h ；△ Ⅳ为编码器在△ f 时间内 转过的光栅数；三为单位光栅同步带位移量 ，mm。 如果钻进是均匀连续过程 ，v将不受△ f的大小 影响。实际钻进过程 中，从微小时间段 内考察 ，钻 头进尺是不连续 的，时快时慢 。因此在求机械钻速 时，选择时间段△ f 是一个关键因素 ，选择过小 ，失 去了机械钻速的瞬时性 ；选择过大 ，机械钻速不连 续 ，呈现跳变性 ，钻速曲线毛刺严重。根据现场工 程需求 ， △ 棚更 值一般在 3 0 S 左右。图 3 是山东乳山金 青顶矿区 Z K 4 3 ． 1 钻孔钻进过程中， 取 3 0 S 与 3 S 的钻速曲线图 采 自C U G ． 2的数据采集与处理系统 。 图上可视数据曲线孔段为 1 7 6 6 ． 4 8 m至 1 7 6 7 ． 2 7 m， 此段为正常取心钻进 。 从 图上可以看出 ，当△ f 采用 3 s 时，钻速的瞬时强，但绘制后的曲线毛刺严重 ， 不利于工程直观分析 。 △ f 采用 3 0 S的钻速曲线更符 合工程需求 。 钻速 ． ．钻 速 ／ m h 。 。， ． 。 。。 。 6扭 ． 。 0 l 3 0 0 2 6 o 0 ／ 6 功 j l 2 2 3 5 4 | { 。 - 2 2 鼍 ， 荤 。 | 1 - | { { ． 2 3 i ￡ t j ． j 垂 } 肇 2 3 舌 霉 } 豪 ； j 雪 E 1 2 4 重 ； r ＼． ． 钻 速 ／．m h ～． ． 0 ．0 ＼ 0 8 l 6 ．， 2 ． 4 3 ． 2 4 ＼ ．扭矩 ‘ m ． ． 0 1 3 O 2 6 0 0 3 9 0 0 5 2 0 0 6 5 q ．＼ 动力头位置，m． ． 1 } ＼ 4 3 6 4 8 6 ‘ 2 羽 。 、 l t ； l { 2 3 i 多 t f } } } { 2 项 } 毒 ； } } 12 4 l } { f 』 L 图 3 △ f 取 3 0 S与 3 S的钻速曲线图 Fi g． 3 Two pe ne t r a t i on r a t e c ur v e s ，o ne At e q ua l s t o 3 0 S ， t he o t he r At e qu a l s t o 3 S 1 ． 3 ． 2孔 深 的获取 孔深的获取公式为 h h o AN ‘， 。 其中 h为孑 L 深 ，m；h 。 为基准孔深 ，m。 由于钻探施工过程中， 存在起下钻及钻具倒换 ， 此时需要对孔深进行修正 ，即每次起下钻或钻具倒 换后 ，当钻具下到孔底时，重行输入基准孔深 h o 。 1 ． 4 入 口流量检测 大多数全液压动力头钻机配套泵是柱塞泵 ，因 此人 口流量可通过获取柱塞泵的柱塞杆往复次数换 算而得。具体方法 首先 ，利用霍尔开关测出泵的 冲次 Ⅳ c ，即柱塞杆在工作中每分钟往复次数 ，然后 乘上每冲次泵的泥浆理论流量 q ， Q ‘ q r 7 7 。 8 其中 Q 为人 口流量，L ／ mi n ；Ⅳ c 为冲次，l ／ mi n ；q 为泵每冲次的理论流量，L ／ 1 ；7 7 为泵的容积效率。 1 ． 5 其他钻进参数的检测 其他钻进参数及辅助参数有泵压 、转速、泥浆 罐液面高度、出 口泥浆流量及 出口泥浆温度等。泵 压直接采用压力传感器检测 ；转速主要是通过安装 在动力头处 的霍尔开关随着钻具旋转产生的时间脉 冲计算而得 ；液面高度主要是通过超声波测距仪检 测泥浆液面高度 的变化获得 ；出 口流量采用干簧管 检测 ，而温度检测采用用热电偶温度传感器 。由于 8 0 煤 田地质与勘探 第 3 9卷 这些参数 ，可 以直接通过传感器采集而得 ，故不在 此赘述。 2 现场应用 基于上述原理 ， 开发 出来了一套 YD X． 5全液压 动力钻机高精度钻参仪系统 C UG 2 。系统检测精度 见 表1 。该 系统 曾服役 于 山东乳 山金青 顶矿 区 Z K4 3 1 钻孔。该孑 L 设计孔深为 2 0 0 0 m，全孔绳索 取心钻进 ；钻机型号为 YD X一 5 。从 2 0 0 9年 1 1 月底 在现场正式投入运行 ，一直运行至 2 0 1 0年 3月底 。 在现场连续 3 个月昼夜运行期间， 系统无异常发生 ， 显示 出良好的稳定性 ，检测精度满足现场需求。应 用结果表明此检测方法适合全液压动力头钻机的钻 进参数检测。 表 1 钻进参数测试范围及精度指标 Ta bl e 1 M e as ur i n g r ang e and pr e c i s i on i n de x of dr i l l i ng pa r a m e t e r s 3 结 论 a ．基于常规传感器 ， 提出了一套适合全液压动 力头钻机钻进参数 钻具悬重 、钻压 、功率 、扭矩 、 孑 L 深、机械钻速 、流量等 的检测方法 ，并对主要钻 进参数检测方法的机理进行了阐述 。 b ．基 于本 文检 测方 法 ，开发 了一 套基 于 YD X． 5全液压动力头钻机的高精度钻参仪系统。该 系统在野外试用结果表 明，本检测方法具有较强的 实用性 。 参考文献 姚亚峰 ，王贺剑 ，凡 东 ，等． Z DY1 2 0 0 L 型履带式全液压坑 道钻机 的研制 f J 】 ． 煤 田地质 与勘探 ，2 0 1 0，3 8 1 7 6 8 0 ． 殷新胜 ，姚宁平 ，陈跟 马 ，等． Z DY6 0 0 0 L型履 带式 全液压坑 道钻机液压 系统设计 [ J ] ． 煤 田地质与勘探 ， 2 0 0 7 ， 3 5 3 7 7 8 0 ． 田宏 亮．瓦 斯抽采履 带式坑道钻 机的研制 与应用 【 J ] ．煤 田地 质与勘 ，2 0 0 8 ，3 6 5 7 7 8 0 ． 唐德才． 钻参仪在反馈地质信息方面的重要作用[ J ] ．中国煤 田地质 ，1 9 9 6 ，8 4 7 6 7 8 ． 张丰春 ． Z C Y - 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