何磊,馬福江,沈懷浦,臧臣坤

(中國地質(zhì)裝備總公司,北京100102)

1 引言

金剛石取心鉆進技術(shù)和全液壓巖心鉆機是當(dāng)前固體礦床勘探的主導(dǎo)技術(shù)及裝備,在實際鉆探過程中,鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量為三個基本工藝參數(shù),其中,給進鉆壓為核心要素,保護金剛石鉆頭、有效地碎巖取心,獲得最佳的機械鉆速,都取決于是否能夠得到穩(wěn)定的鉆壓控制。

近年來,取心鉆探口徑、深度、地層復(fù)雜程度越來越大,對于全液壓鉆機的整體性能,尤其對于孔底鉆壓調(diào)控的要求越來越高。本文通過對全液壓巖心鉆機給進機構(gòu)及其控制方式的分析,以探求在取心鉆進過程中如何獲得高效、安全、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的鉆壓。

一般條件下,鉆機給進系統(tǒng)應(yīng)滿足下列要求:

(1)可無級調(diào)節(jié)鉆壓,獲取穩(wěn)定的孔底鉆壓;

(2)可以無級地均勻調(diào)節(jié)給進速度;

(3)具有與動力頭調(diào)速相對獨立的控制系統(tǒng);

(4)具有盡量長的給進行程,縮短輔助時間;

(5)具有足夠大的起拔能力,孔內(nèi)異常時,能迅速并強力起拔鉆具;

(6)具有敏感的監(jiān)控系統(tǒng),能準(zhǔn)確迅速地反映孔內(nèi)情況。

2 液壓給進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在鉆進過程中對孔底鉆壓的控制比較復(fù)雜,鉆頭吃入深度、巖石破碎區(qū)和鉆頭壓力成正比,但壓力過大,將會產(chǎn)生鉆柱彎曲、鉆頭損壞,甚至因扭矩過大,造成脫扣、扭斷、燒鉆或胎體脫落等孔內(nèi)事故,或造成鉆孔偏斜等等。

一般情況下,為保證金剛石有效地破碎巖石,必須使金剛石接觸面上的單位壓力大于巖石的抗壓強度,單位壓力值小于金剛石的抗壓強度。例如,S75口徑的鉆頭軸向力根據(jù)不同巖層硬度應(yīng)控制在15000N范圍內(nèi),對于一個1000m乃至2000m深的鉆孔來說,即使是不考慮轉(zhuǎn)速、泵量和其他因素的影響,要控制十幾噸的鉆具最終在鉆頭上壓力要達到500N的量級精度都是很難實現(xiàn)的。鉆機的給進形式有很多種,但只有油缸給進才能達到準(zhǔn)確靈敏控制鉆壓的目的,所以目前金剛石巖心鉆機的給進絕大多數(shù)都采用的是液壓油缸給進的形式,下面介紹其中兩種結(jié)構(gòu)。

2.1 油缸直推給進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鉆深能力在1500m(鉆桿直徑71mm)的中深孔全液壓動力頭式巖心鉆機的給進機構(gòu)通常采用液壓油缸直推的形式。圖1所示,給進油缸安裝在桅桿內(nèi),活塞桿鉸接固定在桅桿底部,油缸筒與動力頭托板固定,帶動托板及動力頭沿桅桿滑軌上下滑動,從而實現(xiàn)卡盤和鉆具的給進和提升。

給進油缸行程3300mm,取心鉆具和鉆桿長度為3000mm,可以實現(xiàn)一個回次不倒桿連續(xù)取心鉆進,節(jié)省了輔助時間,大大提高了取心鉆進的平穩(wěn)性,避免重復(fù)倒桿帶來的孔內(nèi)事故,提高了巖心采取率。

2.2 油缸—鏈條給進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 油缸直推給進機構(gòu)

如圖2所示,當(dāng)液壓油缸無桿腔進油時,油缸推力通過定滑輪1、動滑輪5及鏈條4傳遞給動力頭及鏈條托板3,實現(xiàn)鉆具提升及減小鉆頭壓力的功能;同理,當(dāng)油缸有桿腔進油時,油缸拉力通過下定滑輪8、動滑輪6及鏈條7傳遞給動力頭3,實現(xiàn)鉆具下放及加壓。

圖2 油缸-鏈條給進機構(gòu)

由于金剛石鉆進工藝的要求,僅在淺孔時才使用加壓鉆進,鉆機大多數(shù)時間都在減壓鉆進,即要求無桿腔進油,給進機構(gòu)要托住孔內(nèi)所有鉆具和動力頭的重量,孔越深要求的提升力越大,所以油缸大腔提升減壓、小腔給進加壓的結(jié)構(gòu)最為合理。

在相同給進行程的情況下,油缸-鏈條組合的給進形式與油缸直推的形式相比,可以減少油缸一半的行程,有效減小給進機構(gòu)的整體尺寸;而要實現(xiàn)相同提升 (加壓)力,油缸則要增大一倍的力量。這種機構(gòu)中動力頭的位移和速度相應(yīng)為液壓油缸活塞的位移和速度的兩倍,故被稱為倍速機構(gòu)。

由中國地質(zhì)裝備總公司技術(shù)中心和安徽省地質(zhì)313隊聯(lián)合開發(fā)的 HCDF-6型全液壓巖心鉆機,給進機構(gòu)采用倍速機構(gòu)的方案。該鉆機既具備滿足加接單根和給進的桅桿,又具備起下鉆需要的24m鉆塔。這種既結(jié)合了長給進行程無需倒桿、給進平穩(wěn)的全液壓動力頭式巖心鉆機的優(yōu)點,又結(jié)合了高鉆塔起下鉆立根長的優(yōu)點,大大縮短了鉆進的輔助時間,節(jié)約了鉆探成本,為深部找礦探索了一種新的方式。該鉆機已于2009年5月～2010年6月在安徽霍邱周集鐵礦深部找礦項目中完成了生產(chǎn)試驗,終孔深度2706.68m,創(chuàng)我國小口徑繩索取心鉆探最深記錄。

3 給進機構(gòu)液壓系統(tǒng)原理及控制分析

在鉆進不同硬度地層時,給進系統(tǒng)能夠保持孔底穩(wěn)定的軸向壓力,使機械鉆速在正常的范圍內(nèi)自動變化,是實現(xiàn)最優(yōu)化鉆進的前提。由于在使用常規(guī)金剛石鉆具進行深孔取心鉆進時,絕大多數(shù)取心孔段都處于減壓鉆進的工作狀態(tài),本文主要分析減壓鉆進時對孔底鉆壓的控制。

3.1 給進液壓系統(tǒng)比較與分析

如圖3所示,該給進系統(tǒng)是通過定量泵1為給進油缸6供油,溢流閥7調(diào)節(jié)油缸壓力并起溢流作用。手動換向閥2在左位時,油缸小腔進油,給進處于加壓工況,若換向閥2換向至右位,油缸大腔進油,小腔回油,給進處于減壓工況,通過節(jié)流調(diào)速閥3可以控制給進速度。這種通過調(diào)整閥開口面積來控制油缸速度的方式,其實質(zhì)是通過節(jié)流作用改變回路的背壓大小,影響了孔底鉆壓來達到調(diào)節(jié)給進速度的目的。所以在鉆進過程中達到最佳機械鉆速時,節(jié)流調(diào)速閥是不要頻繁調(diào)節(jié)的,只是在孔底巖層硬度有很大變化時,機械鉆速超出正常范圍時,才需要調(diào)節(jié)調(diào)速閥使鉆進速度達到穩(wěn)定狀態(tài)。

在稱重和減壓鉆進時,稱重鉆壓表顯示上腔壓力 p1,給進過程中,調(diào)節(jié)溢流閥7可控制油缸上腔壓力 p1,從而控制孔底鉆壓。此時認(rèn)為油缸下腔壓力 p2為零,但在實際鉆進過程中,由于背壓的存在,下腔壓力 p2也是存在的,而且,隨著巖層硬度的變化,油缸大、小腔的壓力也是在不斷變化的。顯然,在稱重及減壓鉆進過程中都忽略了油缸下腔的壓力,所顯示的孔底鉆壓是不準(zhǔn)確的。

圖3 定量泵-旁路溢流閥調(diào)壓系統(tǒng)

這種給進系統(tǒng)在立軸鉆機上普遍采用,采用稱重鉆壓表來顯示鉆具重量和鉆壓,操作方便、成本低廉。但在鉆進過程中,由于進尺速度很慢,只有很少一部分流量提供給液壓油缸,絕大多數(shù)流量都在高壓狀態(tài)下通過溢流閥流回油箱,造成功率損失、系統(tǒng)發(fā)熱、系統(tǒng)效率降低,減小液壓元件的使用壽命。

圖4所示的恒壓變量泵-先導(dǎo)減壓閥調(diào)壓系統(tǒng),與圖3所示系統(tǒng)不同之處在于,采用恒壓變量泵1,通過先導(dǎo)減壓閥2調(diào)節(jié)油缸壓力,油缸上下腔的壓力都由壓力傳感器實時采集,將壓力信號轉(zhuǎn)變成電信號輸送到控制器,通過運算設(shè)定為“稱重”值,司鉆可通過鉆參儀直觀看見孔底鉆壓等鉆探參數(shù)。這種鉆參顯示使得液力驅(qū)動和電子技術(shù)的調(diào)控相結(jié)合,隨著變頻控制、計算機技術(shù)及各種傳感器技術(shù)的發(fā)展和完善,在巖心鉆機上實現(xiàn)高效、節(jié)能、操作方便的微機自控最優(yōu)化鉆進是完全可以實現(xiàn)的。

圖4 恒壓變量泵-先導(dǎo)減壓閥調(diào)壓系統(tǒng)

新型的全液壓巖心鉆機一般都采用這種恒壓變量泵調(diào)壓系統(tǒng)。在鉆進過程中,給進壓力的大小由減壓閥出口壓力控制,而恒壓泵能根據(jù)負(fù)載變化提供與之變化相適應(yīng)的流量,并保持泵的出口壓力恒定。當(dāng)鉆進負(fù)載變大,鉆進速度變慢,所需流量減小時,泵的出口壓力增大,使得恒壓控制閥閥芯克服閥內(nèi)彈簧力向右運動,壓力油與控制變量機構(gòu)油缸右腔連通,推動活塞向左運動,泵排量減小,出口壓力降低到設(shè)定壓力;當(dāng)鉆進負(fù)載變小,系統(tǒng)所需流量增大時,泵出口壓力降低,恒壓控制閥的閥芯在彈簧力作用下向左運動,控制油缸右腔與油箱連通,活塞右移,泵排量增大,出口壓力升高至設(shè)定壓力。因此,與定量泵-溢流閥調(diào)壓系統(tǒng)比較,該系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載變化自動的調(diào)節(jié)給進流量,維持鉆壓穩(wěn)定,滿足給進機構(gòu)持續(xù)穩(wěn)定的性能要求,避免了溢流損失,提高了系統(tǒng)的效率。

3.2 鉆壓的控制方法

減壓鉆進工況時,力的平衡條件為:

式中:P——鉆壓,N;

q——每米鉆柱的重力,N/m;

L——鉆柱長度,m;

k——考慮摩擦力、泥漿浮力等擾動系數(shù);

p1,p2——油缸上、下腔的壓力,Pa;

F——液壓缸活塞的面積,m2;

f——活塞桿的面積,m2。

影響鉆壓的因素包括:孔壁摩擦力、鉆具浮力、泵量、油缸上、下腔的壓力。在孔內(nèi)鉆具情況相同,鉆柱轉(zhuǎn)速相同,泥漿比重、泵量 (泵壓)相同而且油缸給進速度相同的情況下,我們認(rèn)為孔壁摩擦及浮力等擾動因素對鉆壓的影響是一樣的,如果在以上條件相同的情況下稱重,所獲得稱重值設(shè)為G,則孔底鉆壓公式可簡化為:

正確的稱重方法:將鉆具提離孔底,模擬到正常鉆進時的狀況,這個時候“稱重”是最準(zhǔn)確的。稱重值 G=p1F-p2(F-f)。設(shè)定稱重值后,當(dāng)鉆頭接觸孔底,調(diào)整壓力控制閥,傳感器采集油缸壓力,控制器通過計算并將鉆壓值顯示在鉆參儀上,地層情況基本穩(wěn)定情況下,油缸上下腔壓力在不斷變化,從而鉆壓也在小范圍內(nèi)波動,通過數(shù)據(jù)模糊處理,在鉆參儀上仍可顯示為一個穩(wěn)定的鉆壓值。

當(dāng)孔底鉆壓 P相對恒定時,機械鉆速決定于巖石的可鉆性。當(dāng)巖石硬度變軟,鉆速會瞬時增加,大于油缸給進速度,由于給進速度不平衡使鉆具懸吊而降低了瞬時孔底鉆壓。當(dāng)鉆壓恢復(fù)到初始值時,鉆進速度在新的水平上達到平衡。反之,巖石硬度變硬,鉆速會瞬時減小,小于給進速度,孔底鉆壓瞬時增大。當(dāng)鉆壓恢復(fù)到 P時,鉆進速度較以前降低的水平達到平衡。

圖5 某型號深孔巖心鉆機鉆參儀顯示界面

4 總結(jié)

能最大限度精確、方便地控制孔底鉆壓,實現(xiàn)“恒壓”鉆進,在孔底巖石硬度有很大變化,機械鉆速不在理想范圍時,又能及時調(diào)整鉆進速度和孔底鉆壓,是對巖心鉆機給進系統(tǒng)的要求。采用恒壓變量泵—先導(dǎo)減壓閥給進控制系統(tǒng),油缸給進的結(jié)構(gòu)形式,經(jīng)過生產(chǎn)檢驗,是一種節(jié)能、穩(wěn)定的給進方式。經(jīng)過正確的稱重,鉆參儀直觀的參數(shù)顯示,有利于準(zhǔn)確控制鉆壓。

在深孔鉆進時,采用油缸倍速給進機構(gòu)給進、高塔起下鉆具的分體布置形式,實現(xiàn)了給進行程不變的情況下,即簡化給進機構(gòu)、縮短油缸尺寸,又能減小起下鉆輔助時間的目的,是深孔鉆機很好的給進形式。

深孔和超深孔鉆機給進系統(tǒng)設(shè)計時,也可以參考石油鉆機盤剎給進送鉆的形式,即甩掉笨重的給進油缸又可以增加給進行程,用卷揚給進 (送鉆)可以大大簡化鉆機的結(jié)構(gòu)。雖然在石油鉆機的盤剎自動送鉆技術(shù)已很成熟,但由于石油鉆機和地質(zhì)巖心鉆機的鉆探工藝不同,石油鉆機盤剎的尺寸和制動能力比地質(zhì)巖心鉆機都大,照搬是不現(xiàn)實的,而且盤剎控制系統(tǒng)復(fù)雜價格昂貴,在現(xiàn)在的巖心鉆探設(shè)備上推廣有難度。但是只要吸收盤剎給進的技術(shù),開發(fā)適合地質(zhì)鉆探設(shè)備要求的盤剎給進送鉆系統(tǒng),降低成本,這種給進形式還是有很大優(yōu)勢的。

微機控制自動鉆進是今后巖心鉆機的發(fā)展方向,隨著社會的進步,減小鉆探工人勞動強度,增加操控舒適性,減小安全事故成為地質(zhì)鉆探的必然要求。計算機技術(shù)、新型液壓技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展,也為改變現(xiàn)在我國地質(zhì)鉆探業(yè)粗放型的現(xiàn)狀提供有利的技術(shù)保障?，F(xiàn)在國內(nèi)已有中深孔鉆機配備了鉆參顯示系統(tǒng),并使用電比例控制的液壓系統(tǒng),使控制更加方便準(zhǔn)確。一些企業(yè)的技術(shù)人員和科研院校正在開發(fā)、試驗微機控制的自動鉆進系統(tǒng),可以進一步減輕工人勞動輕度,實現(xiàn)最優(yōu)化的鉆進。希望智能自動鉆進控制技術(shù)能早日成熟穩(wěn)定,推向市場。

[1] 李世忠.巖心鉆機改進的一些設(shè)想 [J].探礦工程,2000(5):11-13.

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