邵 春, 盧春華, 鄢泰寧

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,武漢 430071;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,武漢 430071)

一種基于地礦鉆機的智能化鉆參儀

邵 春1, 盧春華2, 鄢泰寧2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,武漢 430071;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,武漢 430071)

鑒于地礦鉆參儀滯后于深孔鉆探的發(fā)展,開發(fā)出了一套適用于地礦鉆機的智能化鉆參儀。本智能化鉆參儀由四個子系統(tǒng)構(gòu)成,即硬件數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、軟件數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)共享子系統(tǒng)及工況識別子系統(tǒng)。本文分別介紹了四個子系統(tǒng)的主要功能,重點對各個子系統(tǒng)實現(xiàn)原理進行了闡述。系統(tǒng)目前已投入野外現(xiàn)場試用,應(yīng)用表明,該智能化鉆參儀能滿足地礦深孔鉆探數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)的需求。本文將為后來學(xué)者深入研究智能化鉆參儀提供參考價值。

智能化鉆參儀 數(shù)據(jù)采集 工況識別 數(shù)據(jù)共享

Shao Chun,Lu Chun-hua,Yan Ta i-n ing.An intelligent drill ing parameters collection apparatus based on m ineral drilling rig[J].Geology and Exploration,2010,46(5):0972-0976.

0 前言

鉆進參數(shù)檢測對鉆進參數(shù)優(yōu)化、鉆機設(shè)計、鉆進工藝研究具有重要作用(補家武等,2003;趙大軍等,2006)。隨著深部地質(zhì)鉆探任務(wù)的工作量迅速增長,針對鉆參儀的智能化研究提上日程。鉆孔質(zhì)量及鉆井費用,不僅取決于鉆孔工藝、鉆井環(huán)境、鉆進條件及所鉆巖層復(fù)雜性,而且取決于基于信息化的鉆進參數(shù)優(yōu)化、施工管理及事故預(yù)防,而要做好這些,需要配套智能化鉆參儀。智能化鉆參儀不僅要具有對鉆進參數(shù)自動采集與管理功能,而且要具有鉆進信息網(wǎng)絡(luò)化功能,為后方鉆探專家提供會診平臺,此外要具有工況識別功能,為現(xiàn)場鉆探工程師制定合理的鉆進規(guī)程參數(shù)提供參考依據(jù)。

國產(chǎn)的鉆參儀中,上海的“神開”鉆參儀在油氣鉆井領(lǐng)域普及率較高,但它主要服務(wù)于石油鉆機,且智能化程度低,例如沒有工況識別功能。在地礦巖心鉆探領(lǐng)域中,由于種種原因,對于研究適合地礦鉆探的智能化鉆參儀的單位較少?；诖?根據(jù)當(dāng)今現(xiàn)有的信息技術(shù)及地礦鉆探設(shè)備條件,開發(fā)出了一套智能化鉆參儀,并完成了室內(nèi)調(diào)試及野外試用。

1 系統(tǒng)功能及實現(xiàn)原理

一個智能化鉆參儀系統(tǒng)不僅能實時采集和顯示孔深、鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、鉆速、泵量、泵壓、出口泥漿溫度、出口泥漿流量及泥漿池液面高度等鉆進工程參數(shù),而且要能識別出典型工況:燒鉆、卡鉆、斷鉆具、鉆具刺穿、埋鉆、孔漏和孔溢等,此外要將這些信息進行網(wǎng)絡(luò)共享。根據(jù)這些需求,將本系統(tǒng)分為四大子系統(tǒng):①硬件數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng);②軟件數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)自動化存儲與管理,數(shù)據(jù)圖形化顯示等;③信息網(wǎng)絡(luò)共享子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)將采集的鉆進參數(shù)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。④工況識別子系統(tǒng)。

1.1 硬件數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

硬件數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要功能:采集各個傳感器傳來的模擬信號,并將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號?，F(xiàn)場主要傳感器有十五個,鉆機模塊有9個,泥漿模塊傳感器有6個。這些傳感器可分為兩類,一類是電流信號傳感器,如壓力傳感器、溫度傳感器等;另一類是頻率信號傳感器,如測轉(zhuǎn)速的霍爾開關(guān)和測位移的編碼器。硬件數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)原理見圖1。在具體設(shè)計電路時,要充分考慮現(xiàn)場施工工況。例如井深、鉆速及進尺的測量都由編碼器獲取的微位移量累加完成,由于鉆進過程中鉆具往往有微小縱振,給編碼器帶來了虛位移,這些虛信號要在電路中濾除。

圖1 硬件數(shù)據(jù)采集原理圖Fig.1 Schematic d iagram show ing principle of hardware data acquisition

1.2 軟件數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

軟件開發(fā)工具選用VC++6.0,VC++在圖形開發(fā)上比其它軟件功能要強大,開發(fā)出來的圖形速度快且穩(wěn)定,很多地礦采集軟件由此工具開發(fā)(寇光杰等,2004;肖林京等,2007;劉量生等,2007;王裕林等2010)。本軟件主要有如下幾大子模塊構(gòu)成:

(1)數(shù)據(jù)通訊子模塊。

主要有三個功能:①軟件系統(tǒng)與硬件數(shù)據(jù)采集板之間實時通訊,采用COM口通訊;②實現(xiàn)軟件系統(tǒng)無線與發(fā)射模塊及接收模塊之間通訊,二者之間的通訊采用USB;③實現(xiàn)用戶與后方服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。

(2)系統(tǒng)設(shè)置子模塊。

實現(xiàn)鉆進參數(shù)各自曲線的顏色、線寬、坐標(biāo)范圍設(shè)置,及報表顏色、界面顏色、報警值、其它設(shè)置等。

(3)數(shù)據(jù)圖形顯示子模塊。

分為實時模塊與歷史模快。實時模塊,實時顯示當(dāng)天鉆進參數(shù)及曲線,數(shù)據(jù)以電子表格形式顯示;歷史模塊,對以往鉆進參數(shù)曲線進行回放,圖2是對2009年1月29日鉆進參數(shù)數(shù)據(jù)曲線回放。鉆進參數(shù)曲線可滾動瀏覽,也可任意分段保存,保存圖片格式為jpeg或bmp。

(4)數(shù)據(jù)自動化存儲與管理子模塊

圖2 鉆進數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)圖形界面Fig.2 Graphical user interface of the drill ing data acquisition and processing system

現(xiàn)場每一秒鐘采集一組數(shù)據(jù),一天下來就有86400條數(shù)據(jù);每一組數(shù)據(jù)有幾十字段,一天數(shù)據(jù)的容量達30多兆。一口勘深井,施工周期短則幾個月,長則幾年。一口井累積下的數(shù)據(jù)少則幾百兆,多則幾十個G。如果將這些數(shù)據(jù)全部存儲在一個數(shù)據(jù)庫里面,象ACCESS這些小型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無法滿足其容量要求,只能采用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行存儲。而大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)需要專業(yè)計算機人員管理維護,此外很難實現(xiàn)將某一天數(shù)據(jù)快速查詢到并調(diào)入內(nèi)存形成曲線圖,因此只能將數(shù)據(jù)分塊存儲。過多的數(shù)據(jù)文件分塊易出現(xiàn)管理混亂,為了解決此問題,數(shù)據(jù)文件存儲方式采用“按鉆進日期分級管理”(見圖3),具體方法是:把每一天的數(shù)據(jù)存放在一個二進制數(shù)據(jù)文件里面,以當(dāng)天的日期為文件名。每當(dāng)系統(tǒng)運行到00∶00(零點)時,首先將內(nèi)存中的前一天鉆進數(shù)據(jù)卸掉,然后根據(jù)當(dāng)前新的鉆井日期自動建立新的數(shù)據(jù)文件及文件目錄。這種數(shù)據(jù)文件存儲管理方式,不僅易于管理,而且可以大大加速數(shù)據(jù)裝載速度及查詢速度。

圖3 鉆進數(shù)據(jù)文件分級存儲管理示意圖Fig.3 Sketch showing hierarchical storage management of drilling data files

1.3 工況識別子系統(tǒng)

鉆探施工中,有時孔下工況復(fù)雜,造成事故發(fā)生,增加施工成本(朱永寧等,2007;楊德壽等,2007;孫平賀等,2010;)。為了預(yù)防事故發(fā)生及降低事故危害程度,本系統(tǒng)提供了工況識別功能。該子系統(tǒng)不僅能診斷鉆具刺穿、斷鉆具、卡鉆、燒鉆、鉆頭非正常磨損等井下事故,還可以預(yù)測巖心堵塞情況,并具有對預(yù)測結(jié)果及時報警功能。

工況識別主要采用經(jīng)驗閥值識別與小波分析相結(jié)合的方法。經(jīng)驗閥值識別法是一種傳統(tǒng)的識別方法,適合于簡單的事故預(yù)測,但對于復(fù)雜地層產(chǎn)生的復(fù)雜事故預(yù)測就無能為力。而小波分析方法是一種新的多分辨分析方法,可同時進行時域和頻域分析,具有時頻局部化和多分辨特性,特別適合處理非穩(wěn)定信號(張志禹等,2007;楊宇山等,2007;陳濤等等, 2008)。事故預(yù)測機理是首先利用小波對事故各參數(shù)進行連續(xù)分析,當(dāng)被監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)突然跳動或發(fā)生特殊變化時,采樣信號就會發(fā)生突變。由小波分析特性可知突變點處小波系數(shù)不為零,利用這一特性,可快速找到異常事故的突發(fā)點。隨后對此段時間內(nèi)的各個參數(shù)數(shù)據(jù)濾波整形,觀察此處的各個參數(shù)變化量,再結(jié)合經(jīng)驗閥值識別法,給井下工況進行定性。

工況識別實現(xiàn)方法是用VC開發(fā)的程序做前臺(見圖2),用matalib的小波分析庫做后臺。前臺將采集的鉆進參數(shù)交給后臺處理分析,后臺分析完后將處理的結(jié)果交給前臺顯示。

1.4 信息網(wǎng)絡(luò)共享子系統(tǒng)

野外鉆探施工地點有些位于偏遠(yuǎn)地區(qū)或深山區(qū),沒有網(wǎng)線、甚者沒有無線網(wǎng)絡(luò)信號,很難通過無線上網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸出去,因此信號傳輸問題是野外施工數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享的一個最主要問題。為了解決此問題,本系統(tǒng)采取了遠(yuǎn)距離無線傳輸與近距離無線傳輸相結(jié)合的方法(見圖4)。遠(yuǎn)距離無線傳輸方式一般是通過CDMA(C網(wǎng))或GPRS(G網(wǎng))傳輸(楊泉等,2005;唐曉宇等,2007;郭楊等,2007;齊海兵等,2007;馮俊青等,2009;譚鑒榮等,2009;王翥等, 2010)。本系統(tǒng)是借助GPRS網(wǎng)完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,其數(shù)據(jù)傳輸機理:將數(shù)據(jù)進行壓縮,然后以短信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)射到后方的服務(wù)器,各地專家通過網(wǎng)路系統(tǒng)訪問這臺服務(wù)器,去了解現(xiàn)場的鉆進信息;系統(tǒng)也可接受遠(yuǎn)處短信請求,將當(dāng)前的鉆進參數(shù)發(fā)送到對方的手機上,每請求一次發(fā)一組鉆進參數(shù)。另外一種是短距離傳輸方式,主要為現(xiàn)場服務(wù),其實現(xiàn)機理,在市場上購買無線發(fā)射模塊上進行二次開發(fā),其發(fā)射頻率為344MHz,是公共頻率。前者發(fā)射信息要根據(jù)流量收費(每節(jié)點50元/月),可發(fā)射到GPRS覆蓋到的任何一個角落,距離遠(yuǎn),節(jié)點越多、費用越高,不適合多節(jié)點大量數(shù)據(jù)傳輸。后者信息是免費的,可以進行任意發(fā)送,不受節(jié)點的限制,但其傳輸距離短,一般在方圓三公里范圍以內(nèi)。

圖4 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Chart of shared data network

圖5 本鉆參儀在山東乳山金青頂?shù)V區(qū)ZK43-1鉆孔現(xiàn)場應(yīng)用Fig.5 Application of the drilling parameters collection instrument on ZK43-1 drilling site of the Jingqingding m ine in Rushan,Shandong

在實際鉆進過程中,針對二者各自特點加以運用:①當(dāng)GPRS(網(wǎng))信號不通時,通過“近距離無線傳輸”將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇囊粋€據(jù)點,再通過GPRS (G網(wǎng))以長距離傳輸?shù)胶蠓街笓]部。②“短距無線離傳輸”以多節(jié)點方式將鉆進參數(shù)實時發(fā)送到位于附近多個接收機上,現(xiàn)場每一個工程只要配置一個接受機,不用到施工現(xiàn)場,在附近就可掌握鉆進動態(tài)。此外每一個接收機能與電腦相連,將數(shù)據(jù)傳給上位機軟件進行處理顯示。

2 應(yīng)用情況

上述系統(tǒng)及子系統(tǒng)已經(jīng)研制成功,實現(xiàn)了鉆進參數(shù)數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)自動存儲與管理、典型工況識別、數(shù)據(jù)短程無線傳輸與遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)裙δ?。各個子系統(tǒng)在室內(nèi)都做了嚴(yán)格測試。該系統(tǒng)曾服役于山東乳山金青頂?shù)V區(qū)ZK43-1鉆孔(設(shè)計孔深為2000米,全孔繩索取心鉆進;鉆機型號為YDX-5)。從2009年11月底在現(xiàn)場正式投入運行(見圖5),一直運行至2010年3月底。從它在現(xiàn)場幾個月的連續(xù)晝夜運行而沒有出現(xiàn)任何問題來看,說明了它具有良好的穩(wěn)定性,數(shù)據(jù)管理的科學(xué)性。

3 結(jié)論

(1)依托當(dāng)前地礦深孔鉆探的需求及當(dāng)前信息科技的發(fā)展,開發(fā)出一套智能化鉆參儀。本智能化鉆參儀由硬件數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、軟件數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)共享子系統(tǒng)、工況識別子系統(tǒng)四大子系統(tǒng)構(gòu)成。

(2)本文對所開發(fā)的智能化系統(tǒng)的四大子系統(tǒng)分別做了介紹,重點對各個子系統(tǒng)的實現(xiàn)機理做了闡述。

(3)本系統(tǒng)已完成室內(nèi)試驗測試,并經(jīng)過野外初步應(yīng)用,功能達到設(shè)計要求,說明本系統(tǒng)的實現(xiàn)方法是可行的。

(4)本系統(tǒng)可直接應(yīng)用于全液壓動力頭鉆機上,如用于其它類型地礦鉆機,主要部分(軟件數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)共享子系與工況識別子系統(tǒng))不做改動,對硬件數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)做相應(yīng)的修改即可。

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An IntelligentDrilling Parameter Collection Apparatus Based on M ineralDrilling Rig

SHAO Chun1, LU Chun-hua2, YAN Tai-ning2
(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences,W uhan 430074; 2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,W uhan 430074)

In view ofmineral drillingparameter apparatus lagging the developmentof deep-hole drilling,we have developed a drillingparameter apparatus suitable formineral drilling rigs.This apparatus consists of four intelligent drilling subsystems,namely,hardware subsystem for collecting data, software subsystem forprocessing data,network subsystem for sharing drilling information and drilling status identification subsystem.Thispaper describes the main functionsof the four subsystems,and focuseson the implementation principlesof the four subsystems.The device has been put into field application.The application result shows that the intelligent device can meet the requirementof drillingmining data acquisition and remote sharing needsof drilling deep holes.This paper has reference value for the further study of the intelligent drilling parameter apparatus in the future.

intelligent drilling parameter collection apparatus,data acquisition,identification of drilling status,sharing data

book=9,ebook=612

P634.5

A

0495-5331(2010)05-0972-05

2010-04-10;

2010-08-12;[責(zé)任編輯]郝情情。

課題來源于“十一五”重點項目(863):2000m地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備(編號:2007AA060701)。

邵 春(1972年-),男,講師、博士,2006年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),研究方向:超聲波在地質(zhì)中的應(yīng)用,E-mail: shaochun_74@163.com。