全液压深孔钻机适用的钻探参数监测系统.pdf

第 4 1 卷 第 1期 2 0 1 3 年 2月 煤田地质与勘探 C QA LGE 1 I GY 删0R Vb1 ．4l NO． 1 Fe b ．2 O1 3 文章编号 1 0 0 1 - 1 9 8 6 2 0 1 3 0 1 ． 0 0 8 4 ． 0 5 全液压深孔钻机适用的钻探参数监测系统 方 俊 ， 鄢泰宁 ，卢春华 ， 张 杰 1 ．中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 7 1 0 0 7 7 ； 2 ．中国地质大学 武汉 工程学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 摘要针对全液压深孔钻机的特点，研制 了一种钻探参数监测系统 简称钻参仪 。该钻参仪采用模 块化设计，可 实现钻探参数 实时监测、存储 、回看、工况识别和数据远近程无线传输等功能。现 场试验表明，该钻参仪技术先进，性能稳定可靠，可满足施工需要，效果显著。 关键词全液压钻机；钻参仪；工况识别；无线传输 中图分类号P 6 3 4 文献标识码A DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 1 9 8 6 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 1 8 Dr i l l i n g par a me t e r m o n i t o r i ng s y s t e m s u i t a bl e t o f ul l y hy dr a u l i c dr i l l r i g F ANG J u n ， YAN T a i ni n g ， LU Ch u n h ua ，Z HA NG J i e 1 ． Xi a nR e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n aT e c h n o l o g y＆E n g i n e e r i n gGr o u p c 0 ， 7 1 0 0 7 7 ， C h i n a ； 2 ． F a c u l ty o f E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o fG e o s c i e n c e s ， W u h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a Ab s t r a c t As t h e g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n i n o l d mi n e s pe r i p h e r y i s d e v e l o p e d q u i c k l y， f u l l y h y d r a u l i c d r i l l r i g wi l l b e c o me t h e ma i n r i g f o r f u t u r e d e e p d r i l l i n g ．I n o r d e r t o r e a l i z e s c i e n t i fi c d r i l l i n g ， d i g i t a l d r i l l i n g ，a n d e n s u r e t h e d r i l l i n g wo r k s a f e t y ， d r i l l i n g p a r a me t e r mo n i t o r i n g s y s t e m ma t c h i n g t o f u l l y h y d r a ul i c d r i l l i s s t u d i e d ． Th e d r i l l i n g p a r a me t e r mo n i t o r i n g s y s t e m i s mo d u l e - d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h y d r a u l i c d r i l l ，a n d c a n n o t o n l y r e a l t i me l y mo n i t o r ， d i s p l a y a n d s t o r e d r i l l i n g p a r a me t e r s ， b u t a l s o h a v e s o me s i g n i fic a n t a d v a n t a g e s s u c h a s f o r e c a s t i n g h o l e a c c i d e n t a n d d a t a wi r e l e s s t r a n s mi s s i o n ．Th e d r i l l i n g p r a c t i c e s h o w t h a t t h e d r i l l i n g p a r a m e t e r mo n i t o r i n g s y s t e m h a s s t a b l e a n d r e l i a b l e p e r f o r ma n c e ，i t s t e c h n o l o g y i s a d v a n c e d a n d e f f e c t i s g o o d ，c a n s a t i s f y t h e n e e d o f d e e p d r i l l i n g ． Ke y wo r d s f u l l y h y dra u l i c d r i l l ； d r i l l i n g p a r a me t e r mo n i t o ri n g s y s t e m； f o r e c a s t i n g h o l e a c c i d e n t ； wi r e l e s s t r a n s mi s s i o n 全液压钻机具有钻进过程稳定 、 钻效高、 取心效 果好 、 搬迁方便等优点，已经在煤矿坑道钻探 、深部 岩心钻探 中发挥着重要作用 ， 将成为未来钻探施工的 主力钻机⋯。但当前 国内多数全液压钻机都没有配备 真正意义上的钻探参数监测系统[ 2 】 。为了实现科学钻 探 、 数字钻探 ， 必须研制与全液压钻机配套的钻探参 数监测系统 。 1 全液压深子 L 钻机对钻参仪 的新要求 深孔全液压钻机不 同于地矿系统以往使用 的立 轴式钻机或者石油系统使用的转盘式钻机， 它对钻参 仪 的研制也提出了更高要求 。 首先 ， 全液压钻机增加了泥浆固控循环系统 ，这 要求与全液压钻机配套的钻参仪必须具有泥浆系统 的监测功能 。 第二 ， 全液压钻机以液压作为传动力 ， 钻机和泥 浆泵的运行都是依靠液压泵驱动液压马达来带动 ， 其 驱动方式 、 起下钻方式 、 操作控制方式都与传统钻机 有很大区别。 全液压钻机采用模块化设计 、 集成度高， 且钻机上的安装空间较小 ， 这要求钻探参数的检测方 案 、传感器的选型和安装都需要全新考虑 。 第三，全液压钻机给进行程长 ，动力头移动距离 为 3 m，且可 以调整施工角度 ，进行斜孔钻探 ，这对 孔深、钻速和钻压检测提出了更高要求。 第四，由于 2 0 0 0 m深孔钻探的孔内工况非常复 杂 ，深孔钻探用钻参仪应能在钻进过程中准确识别工 况 ，并能满足钻探参数采集的实时性和准确性要求。 2 深孔钻参仪整体结构设计 为了满足现代化钻探施工的需要 ， 深孔钻参仪设 置了工况识别和数据无线传输等模块 ， 将钻参仪分为 收稿 日期2 0 1 1 1 2 2 8 收稿 日期国家高技术研究发展计算 8 6 3 计划 项 目 2 0 0 7 A A 0 6 0 7 0 1 作者简介 方 俊 1 9 8 5 一 ，男 ，湖北谷城人 ，硕士，从事钻探工艺及过程控制研究 第 1 期 方 俊等全液压深孔钻机适用的钻探参数监测系统 8 5 硬件系统、软件系统、工况识别系统和数据无线传输 系统等部分。 各部分并行进行研究 ， 然后再有机组合 ， 从而实现钻参仪的整个功能。 深孔钻参仪的整体结构和工作原理如图 1 所示。 图 1 钻参仪整体功能结构示意图 Fi g． 1 S t r uc t u r e o f s y s t e m 3深子 L 钻参仪各功能模块的设计 与实现 3 ． 1 硬件 系统 钻参仪硬件采用多参数分组集成模块化设计 ， 即 将钻机和泥浆系统分为两个模块分别进行数据采集。 各参数采集模块负责采集相应模块的钻探数据 ， 然后 就近将采集结果输入数据采集板接线盒中； 每个数据 外 电 采集板通过一根屏蔽双绞线将数据送至钻参仪 内的 数据通讯板 内； 数据通讯板再将数据整理 ， 按照通讯 协议发给钻参仪主机 ，由主机进行处理和显示 。 硬件 系统中传感器采用单片机集中供 电， 并将模拟信号与 数字信号分开进行处理 。硬件数据采集原理如 图 2 所 示 。 图 2 钻参仪硬件系统数据采集原理图 F i g ． 2 S c h e ma t i c d i a g r a m s h o wi n g p r i n c i p l e o f h a r d wa r e f o r d a t a a c q u i s i t i o n 8 6 煤 田地质与勘探 第 4 1 卷 3 ． 2 软件系统 钻参仪主机采用 Wi n d o ws X P操作系统作为整体 软件的工作平台。软件的开发语言为 V C ，保证软 件系统的兼容性和移植性 ，占用资源较少【 3 】 。 为了方便软件的编写和调试 ， 满足实际施工的需 要 ， 使软件的框架更清晰合理 ， 软件系统采用功能模 块化设计 。系统设置的功能模块有数据通讯 、 数据存 储管理 、 数据图形显示 、 工况识别及系统设置模块等 ， 详 见 图 3所示 。 软件系统采用分界面显示设计 ，在主界面的菜单 栏上面设置了“ 实时参数” 、“ 今 日钻进参数” 、“ 今 E t 参 数曲线” 、“ 历史 日钻进参数” 和“ 历史参数曲线” 5个选 项卡，用于显示当前实时钻探参数或历史钻探参数 ， 使得整个界面简单易行 ，方便操作和观察。 为了在数据采集期间能够随时看到钻进工况识别 结果 ，在上述 5 个选项卡界面上都添加了工况识别显 示界面，以显示当前孔内工况。 此外软件系统在菜单栏上设置 了无线传输相关 操作选项 ，用于与无线传输设备配套 ，以完成数据的 无线传输功能。软件数据流程如图 4所示。 图 3 软件功能框图 Fi g ． 3 St r u c t u r e of s oftwa r e s ys t e m 3 ． 3 工况识别功能 根据以往钻探经验 ，当孔内发生异常工况时，钻探 参数会发生变化，且往往不是一个参数发生变化，而是 多个参数发生变化 。 以往钻参仪大多数采用阀值法对 工况进行判断，该方法原理简单易操作，但无法体现钻 探过程的复杂性及钻探参数间的相互影响和联系。 在工况识别功能设计前，先根据钻进理论和专家 经验，结合分析大量文献和钻探事故数据资料 ，总结 归纳出发生钻头烧钻 、卡钻、断钻等典型异常工况相 对正常钻进工况的变化规律，得到孔内典型工况的逻 辑判断矩阵， 即为判断各孔内工况时钻探参数的组合。 在出现工况异常后 ，采用下述两个步骤对井内工况进