液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)鉆進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

朱秀梅，鄭 文，常仁齊

（1.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；2.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

隨著地質(zhì)勘探、地?zé)岬荣Y源開采井鉆進(jìn)深度不斷增加以及鉆井工藝的多樣化，鉆采風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)逐漸上升，對(duì)鉆機(jī)的要求也越來越高，要實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的目標(biāo)[1],必須準(zhǔn)確地監(jiān)測鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)，并及時(shí)有效地對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。部分單位開發(fā)了礦用鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示與鉆井生產(chǎn)關(guān)系密切的鉆進(jìn)參數(shù)，通過控制器的邏輯計(jì)算進(jìn)行故障及風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警，減小鉆井事故發(fā)生的概率。

1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

監(jiān)控系統(tǒng)需要測量的參數(shù)包括常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)信息檢測、溫度、油位檢測，以及與鉆進(jìn)性能密切相關(guān)的提升力、進(jìn)給力、鉆壓、動(dòng)力頭扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆深、泥漿壓力、上/卸扣力等。常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)信息、溫度、油位檢測本文不再闡述。控制器選用專用可編程控制器，32位的Tricore高速處理器，及80MHz的時(shí)鐘頻率，可快速處理各種任務(wù)。控制器與顯示器通過CAN總線通訊，顯示器本身具有一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，但儲(chǔ)存信息量大時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象，為避免該情況，選擇專用的數(shù)據(jù)記錄儀存儲(chǔ)施工數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄儀可方便地設(shè)置存儲(chǔ)內(nèi)容及格式，并根據(jù)需要生成不同的參數(shù)曲線，更利于后期的數(shù)據(jù)分析及處理。

2 鉆進(jìn)參數(shù)檢測方法的實(shí)現(xiàn)

多數(shù)鉆進(jìn)參數(shù)可通過傳感器直接由公式計(jì)算得到，部分參數(shù)，如鉆深、鉆壓等需要通過多個(gè)傳感器配合并經(jīng)控制器進(jìn)行邏輯計(jì)算得到。

2.1 力、扭矩

泥漿壓力可通過壓力傳感器直接測量。因液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)一般采用油缸+鋼絲繩/鏈條的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，動(dòng)力頭采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，上/卸扣采用油缸，提升力、進(jìn)給力、動(dòng)力頭扭矩、上/卸扣力都可以通過壓力傳感器檢測壓力并計(jì)算實(shí)現(xiàn)。

力的計(jì)算公式如下：

式中：p為油缸大/小腔壓力，大腔壓力對(duì)應(yīng)提升力，小腔壓力對(duì)應(yīng)進(jìn)給力，A為油缸大/小腔截面積，D為油缸大/小腔直徑。

動(dòng)力頭扭矩計(jì)算公式如下：式中：p為馬達(dá)壓力，n為馬達(dá)個(gè)數(shù)，Vg為馬達(dá)排量，η為傳動(dòng)效率，i為傳動(dòng)系統(tǒng)減速比。

2.2 轉(zhuǎn)速

因鉆機(jī)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)速度不高，一般在300r/min以下，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速可通過在輸出端安裝齒型圓環(huán)配合接近開關(guān)進(jìn)行檢測，接近開關(guān)輸出信號(hào)進(jìn)入控制器的脈沖輸入口，將開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。

動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

式中：N為圓環(huán)一圈的齒數(shù)，n為△t時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)（齒數(shù)）。

可在顯示器中設(shè)置壓力報(bào)警值，對(duì)泥漿壓力過大、提升力過大、動(dòng)力頭扭矩過大等異常情況進(jìn)行報(bào)警。

2.3 鉆壓

鉆壓與進(jìn)給機(jī)構(gòu)力、孔壁摩擦阻力和沖洗介質(zhì)阻力、鉆具重量等因素關(guān)系密切，因變量因素較多，且不能直接測量，需通過計(jì)算方式獲得。

動(dòng)力頭鉆機(jī)常規(guī)鉆進(jìn)有兩種工況：加壓鉆進(jìn)與減壓鉆進(jìn)。加壓鉆進(jìn)時(shí)鉆壓是進(jìn)給力與鉆具懸重的總和，即：

式中：p2為進(jìn)給油缸小腔壓力，A2為小腔截面積，G為對(duì)應(yīng)的鉆具懸重。

減壓鉆進(jìn)時(shí)鉆壓是懸重與提升力的差值，即：

式中：p1為進(jìn)給油缸大腔壓力，A1為大腔截面積，G為對(duì)應(yīng)的鉆具懸重。

圖1 鉆深計(jì)算流程圖

2.4 鉆深

液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)采用油缸進(jìn)給，一般通過旋轉(zhuǎn)編碼器測量油缸行程，即動(dòng)力頭進(jìn)尺。本文采用CAN總線型多圈絕對(duì)值編碼器，因其每個(gè)位置絕對(duì)唯一，抗干擾性好，無需掉電記憶，無需找參考點(diǎn)，數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。首先對(duì)動(dòng)力頭的高度位置進(jìn)行標(biāo)定，動(dòng)力頭在鉆架最低點(diǎn)設(shè)定為零位，事先用卷尺在鉆架上精確測量出動(dòng)力頭上升1米的高度位置，緩慢使動(dòng)力頭上升至1米高處停止，此時(shí)根據(jù)編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)可計(jì)算出編碼器輸出1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的動(dòng)力頭位移量。上下鉆桿時(shí)需要進(jìn)行上/卸扣操作，可通過壓力傳感器檢測上/卸扣油缸壓力判斷是上鉆桿還是下鉆桿。上鉆桿后懸重相對(duì)之前加重，下鉆桿后懸重相對(duì)之前減輕。通過動(dòng)力頭高度h、上/卸扣油缸壓力與懸重的變化可計(jì)算出鉆頭在井下的位置H頭，鉆孔深度H始終對(duì)應(yīng)鉆頭位置H頭的最大值。

在顯示器中顯示鉆頭位置H頭和鉆深H就可以直觀的看到當(dāng)前的鉆孔深度以及鉆具位置，這對(duì)于經(jīng)常提下鉆的鉆孔施工來說意義重大，避免了現(xiàn)場司鉆原來需要手動(dòng)記錄提下鉆的情況以及由此帶來的記錄誤差。

3 結(jié)論

針對(duì)液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)施工特點(diǎn)，為提高鉆進(jìn)安全性，設(shè)計(jì)了鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)提升力、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆壓、鉆深、泥漿壓力等與鉆井施工密切相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)控，并進(jìn)行預(yù)警，幫助司鉆直觀地了解井底狀況，有效減少鉆孔事故的發(fā)生。