鉆探機組自動化控制的技術研究

吳 雄

（核工業二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

0 前言

隨著我國科學技術的進步，自動化控制技術已經在各行各業中具有廣泛的使用，在對資源進行勘察的過程中鉆探機組的自動化控制技術的問題是提高工作效率，進行安全勘測的重要因素。

1 鉆探機組現狀以及技術水平

1.1 國內鉆探設備及技術問題

鉆探設備技術水平參差不齊，有些單位的鉆探設備在國內比較先進，但在實際的工作當中并不能發揮其應有的自身的先進性能，這樣就造成了一定程度上的資產閑置。從國內購置的新設備來看，兩年的新設備投資也僅僅3500余萬元，由于利潤附加值的相對較低，資金更新技術落后的舊設備沒有得到支持。從國內現有的設備狀況以及資產總量來看，地勘主業的專業特征不是十分突出，目前鉆探設備現狀與自身應有的只能地位不相匹配，沒有相應的提升地看裝備資產總量尤其是先進的鉆探設備的資產量。從國內鉆探設備系統來看，一些單位的發展后勁不足，主業建設需要進一步的加強提高。定位也需要進一步明確，沒有對未來的鉆探設備發展提出一些新目標和新戰略。

1.2 國內鉆探設備的現狀

在我國，鉆探設備經歷了40多年的發展歷程，并且取得了令人矚目的巨大成就。早期，我國的鉆探設備完全是靠向國外購買、或者是仿型設計制造得來得，而今我國已成功的研制和設計出了多系列、多型號、多品種和較齊全的鉆探機組，例如：巖心鉆機有XY系列，TK系列和YL系列等；坑道鉆機有鉆石系列；水文水井鉆機有SP系列等，還有許多其他的特殊用途的鉆機，如螺旋鉆、水平鉆等。在我國鉆探設備都有其各自的特點和用途，完全可以經受住生產實踐對其進行的檢驗。從國民經濟各部門所需要的鉆機來看，我們是完全有能力有優勢有信心研制出和設計出任何種類的鉆機，因為我們已經有了一定的經驗和成熟的技術支持。但是，從國外的某些現代化鉆探設備技術可以看出，我國的鉆探設備雖然已經擺脫了以前考國外購買防型設計的途徑自行研發和設計出鉆機，與國外相比我們還是存在著不小的差距，在性能方面、結構設計和加工工藝方面，以及通用化、標準化和系列化方面都存在一些差距，這些問題的出現有待于我國繼續在鉆探設備上進行革新和改進。

2 鉆機組自動化技術應用結構設計

2.1 自動化鉆機總體結構設計

自動化鉆機總體結構要與鉆機設備融到一起設計，從鉆機總體考慮集成結構和設備，結構和設備的安裝、設備的動力和控制統一考慮。自動化鉆機應把常規鉆機的絞車、井架、天車、游車、頂驅、轉盤、大小鼠洞、各種操作鉗、鉆桿排放裝置、動力源及驅動、各個管匯閥門以及這些設備的控制、檢測、維護等等，整體一體化設計而言，一定要把鉆機提升系統、旋轉系統、固定部分三者結合在一塊來設計，使設備融合到結構中，打破常規鉆機設備和工具面貌，來實現鉆機設備和工具操作控制的自動化。

2.2 自動化鉆機設備驅動方式

自動化鉆機設備驅動方式有電驅動和液壓驅動，根據使用環境和驅動方式選擇使用哪種動力驅動，然后再選擇哪種動力傳遞方式。

2.3 自動化鉆機總體控制設計

自動化鉆機總體控制包括工作狀態和非工作狀態設計，自動化鉆機所有控制設計應集成設計，按照自動化鉆機安裝工藝和鉆井工藝，對鉆機所有控制點進行程序號化設計，使用可視和參數修改的計算機處理界面，使鉆機控制和操作方便容易，鉆機工作安全可靠。

2.4 自動化鉆機總體檢測設計

自動化鉆機總體檢測包括設備自身性能檢測、鉆機工作時各模塊連接參數檢測、整個鉆機工作環境氣體檢測、鉆機泥漿配比和容量損失檢測、井下鉆井及環境參數檢測等，檢測與控制同步，檢測與安全維護和預防同步。

3 鉆探機組自動化技術在實際勘測工程中的運用

3.1 鉆進壓力實現的技術方法

根據HXY-1500型鉆機液壓系統主泵是一個變量雙聯單泵，主閥組是一個中位閉心結構、帶有流量自動控制閥和壓力補償閥的多路閥，作業時可檢測出負載壓力，使泵的供油壓力始終高出負載壓力一個很小的壓差，操縱先導閥改變主閥閥口開度，泵能自動調節并輸出與負載速度要求相適應的流量，而與負載大小無關等特點，實現泵的輸出功率與負載需要的最佳匹配等特點。運用 “機——電——液”一體化控制技術，通過在鉆機第一路操縱閥安裝麥克MPM483電子壓力傳感器，檢測出適時壓力，通過西門子（CPU226）數字單片微機PLC的計算顯示出給定孔底鉆進壓力。其操作方式按照鉆機操作規程中的要求調節溢流閥旋鈕，把系統壓力調到鉆探工藝要求給定的值進行鉆進，壓力可通過鉆機機臺上A75GSTD液晶顯示器顯示出適時壓力值。這樣使鉆機操作起來更方便、舒適，需要加壓時就可以及時加壓，保證鉆探施工過程中鉆進參數的要求。在不同地層施工時都能知道鉆孔孔底給進壓力的變化，給予操作人員明確的指示，需要加壓時就可以及時加壓，保證鉆進施工的鉆進效率中紅虛線部分。

3.2 給進壓力實現的技術方法

根據鉆孔深度和地層要求，在鉆進過程中有減壓鉆進和加壓鉆進，通常當鉆具的重量超過鉆探工藝規程規定的壓力時，就需要進行減壓鉆進，反之為加壓鉆進。通常情況下操作人員都根據經驗操作，而通過運用PLC編程，把M=B-Q和Q-B=M寫入程序中（BKN：鉆具重量；QKN：鉆進壓力；M：給進壓力），按照鉆機和鉆探規程規定要求，把鉆機操縱手把搬到上升或下降位置，調節溢流閥手輪，進行加壓或減壓鉆進，此時通過模塊EM221數據采集，在A75GSTD液晶顯示器數字顯示出的壓力數據為給進壓力值。

3.3 鉆桿重量操作技術方法

通過HXY-1500型鉆機液壓系統與西門子壓力的負載敏感控制系統的結合，運用數字單片微機S7-226 MICRO PLC的主導控制技術，其中S7-226 MICRO PLC包括一個中央處理單元（CPU）、電源以及數字量I/O點，CPU負責執行程序和存儲數據，輸出、輸入是系統控制點：輸入部分從現場設備中電子傳感器采集信號輸出部分則控制鉆機操作閥液壓系統。按照鉆機操作規程要求，把鉆機操作手把放在稱重位置，進行鉆具稱重，此時的操作程序是：先把手把搬到上升位置，使鉆具離開孔底一段距離，手把立刻回到稱重位置上，同時，快速轉動給進速度閥手輪，使節流閥的出口關閉，通過PLC數字處理，適時顯示出數字式的鉆具重量,減少機械表復雜讀數的過程，操作起來更方便、舒適。

3.4 鉆機扭矩實現的技術方法

根據鉆探機組電流、電壓的技術要求，對電路中的交流電流、電壓進行實時測量時，需將其變換為0mA～20mA或4mA～20mA直流電流、電壓。在系統中采用WBI414S41電流隔離傳感器和WBU414S41電壓隔離傳感器采集電壓和電流信號，運用編程把鉆機變速箱、分動箱齒輪模數和公式M=UICOSФN1/p（式中，U——電壓 ；I——電 流 ；COSФ——電路功率因數；N1——鉆機電動機轉速；p——電動機極數）寫入PLC程序中 ，通過PLC運算處理后在液晶顯示器顯示出的數據值為鉆機回轉扭矩值。

鉆機控制系統首先通過模塊EM221采集系統電壓傳感器信號、鉆機電流傳感器信號、壓力反饋信號和操作閥控制手柄發來的指令，在PLC中編程控制數據，控制數據經過CPU處理，通過A75GSTD臺達液晶顯示器實現各項參數的數字顯示，為滿足鉆機的控制需要，本系統還設置給進壓力值的顯示。通過EM221模塊檢測系統電壓，鉆機電流，通過PLC編程計算出鉆機扭距并實時顯示。同時鉆機的正常工作還需要許多輔助系統，在本控制系統中包含有鉆進壓力測量控制系統、故障檢測系統和保護控制系統。

4 結束語

綜上所述，本文重點對鉆探機組自動化在我國的現狀以及結構設計的相關問題進行了詳細的探索，在這個基礎上，針對實際運用問題，進行了針對性的設計，目的是提高鉆探機組在實際工程中的運用。

［1］李硯藻.開展科學化自動化鉆探技術研究[J].國外地質勘探技術，2010.

［2］鄧利新.關于石油鉆井自動化技術的研究[J].中國電子商務，2013（12）.