劉 蓓，胡遠彪

(1.中國地質大學〈北京〉，北京 100083;2.武警黃金第五支隊，陜西 西安 710100)

在進行地質鉆探施工時，位于地下的鉆頭具有不可見性，影響鉆頭工作性能的不確定性因素眾多。因此，地質鉆探面臨的主要任務是如何優(yōu)化鉆進參數、降低鉆探成本、提高鉆探效率[1]。要解決這些問題，就必須從碎巖工具、碎巖機理和鉆進工藝等方面入手。為適應現代化科學鉆探及教學實際所需，給鉆頭設計、碎巖效率及鉆進規(guī)程與地層的適應性研究等提供科研平臺，中國地質大學(北京)地質超深鉆探國家專業(yè)實驗室研發(fā)了MDES2000型微鉆進實驗裝置。

MDES2000型微鉆實驗裝置是測定(評價)金剛石鉆頭性能、巖石可鉆性及鉆頭與鉆進地層適應性的專用實驗裝置。在室內設定的測試條件下，使用微型鉆頭對巖樣進行智能化鉆進，采用現代精密測試技術(硬件和軟件)進行全程跟蹤測量、記錄鉆進狀態(tài)的相關試驗數據與技術參數，同時應用數理統(tǒng)計方法對獲取的實驗數據進行處理，評價金剛石鉆頭與巖石的適應性及鉆進效果。

1 實驗裝置結構組成

MDES2000型微鉆實驗裝置主要由3部分組成，即鉆進實驗臺、主機控制操作平臺和數據采集處理系統(tǒng)。在鉆進過程中，該實驗裝置具有動態(tài)數據監(jiān)測、采集、處理和存儲功能，并且可通過手動或程序控制完成鉆進工作[2]。

1.1 鉆進實驗臺

鉆進實驗臺如圖1所示，鉆進實驗臺是各機構行為功能的具體實現部分，執(zhí)行主機操作控制臺發(fā)出的指令，完成鉆孔定位、給壓、鉆進及轉速控制等一系列工作。鉆進試驗臺通過安裝的測試傳感器，同步測量鉆壓、轉速、鉆速及扭矩等數據，并把實時數據信號反饋給主機控制操作平臺。

鉆進實驗臺主要機構組成包括:動力頭(三相同步變頻電機、動力傳動機構、鉆進主軸機構、同步帶及鉆具等)、提升給進機構(伺服電機、升降機、上平臺)、平臺移動機構(齒輪減速電機Ⅰ、齒輪減速電機Ⅱ、鏈輪鏈條機構)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)(冷卻泵、泥漿池、水龍頭)、數據測量傳感元件(拉壓傳感器、反扭矩傳感器、伺服電機、變頻器)。

圖1 鉆進實驗臺

動力頭可實現巖石鉆進功能，提供鉆頭需要的轉速和扭矩。采用變頻器控制電機的轉速，可實現無極調速。利用梯形齒皮帶輪傳輸動力，可保證鉆進時所需的更大的扭矩，并確保鉆進主軸與電機轉速同步變化。

提升給進機構可實現動力頭在鉆進時給進、增壓、提升鉆具等功能。采用伺服電機和SWL型升降機控制動作，由于伺服電機位移控制精確，還可實現鉆進速度的測量反饋工作。采用轉速比16∶1的升降機可提供足夠的鉆進壓力。

平臺移動機構可實現動力頭在水平面內的四方向運動。在鉆進開始(完畢)時，可完成定位或移動孔位工作，前后移動功能采用減速電機和鏈輪鏈條機構實現，左右移動功能采用減速電機和絲杠傳動機構實現。在左右移動機構上安裝有鉆具扶正機構，鉆進狀態(tài)下可控制鉆具震動偏斜，確保鉆頭垂直穩(wěn)定鉆入巖樣。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)可實現鉆進狀態(tài)時冷卻鉆頭和攜帶巖粉的功能。實驗臺底箱被分為巖樣箱和泥漿池兩個部分，泥漿通過冷卻泵進入鉆桿內，流經鉆頭攜帶巖粉進入巖樣箱，經過沉淀之后的泥漿流入泥漿池，從而形成一個完整循環(huán)過程。

數據測量傳感元件用于測量和采集鉆進時的鉆壓、反扭矩、轉速和鉆速，包括拉壓傳感器、反扭矩傳感器、伺服電機系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)，通過電子測量和采集元件把數據信號傳輸給PC系統(tǒng)。

1.2 主機操作控制臺

主機操作控制臺主要由一臺工業(yè)平板PC機與一系列的功能開關組成(見圖2)。操作臺通過PC機的可視化界面監(jiān)控、顯示鉆進實驗臺實時的運轉狀態(tài)，可通過手動或系統(tǒng)程序向鉆進實驗臺發(fā)出需要完成的動作指令。采用控制手柄可實現動力頭在水平面內4個方向的(前、后、左、右)運動，上升/下降開關可控制動力頭的提下鉆、給進、加壓等豎直方向的動作，速度控制開關(轉速控制旋鈕和給進速度控制旋鈕)可控制動力頭回轉速度和給進速度(分別采用變頻系統(tǒng)和伺服電機系統(tǒng)實現無級調速)，其他控制開關還可以完成恒壓或恒速鉆進及水泵啟停等操作功能。

圖2 主機操作控制臺

1.3 數據采集處理系統(tǒng)

數據采集處理系統(tǒng)界面如圖3(a)所示，基于LabVIEW8.0開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建用戶操作界面，包括數據采集、處理、顯示和存儲等后臺程序。在進行鉆進實驗時，數據采集系統(tǒng)主要功能是利用安裝在鉆進實驗臺上的傳感器采集數據，通過已編程的函數功能對數據進行程式化轉換處理，最后以表盤方式實時顯示鉆進過程中的轉速、鉆速、鉆壓、扭矩等參數，并在底部的圖形區(qū)域以不同顏色分別繪制扭矩－時間曲線T=f(t)、鉆速－時間曲線V=f(t)和鉆壓－時間曲線P=f(t)。經過數據采集處理系統(tǒng)處理后的數據文件可保存或導出至需要的位置(見圖3b)。數據采集處理系統(tǒng)采用工業(yè)觸摸平板PC，手指觸摸方式操作控制系統(tǒng)界面，使用上方便靈活。

圖3 數據采集系統(tǒng)

數據采集處理系統(tǒng)操作步驟。

(1)數據采集。開機后自動進入“微型鉆進實驗系統(tǒng)”，首先點擊右上角的“啟動采集”按鈕即可實時顯示鉆進過程中的各項參數，同時自動記錄下歷史數據。這時在“啟動采集”按鈕下方顯示“數據采集中……”的指示燈，信號采集頻率為10 Hz。

(2)導出歷史數據。在歷史記錄曲線框區(qū)域中的任意位置內長按，彈出右鍵菜單，如圖3(a)所示，然后選擇“導出”→“導出數據至Excel”，會彈出Excel表格，如圖3(b)所示，并記錄有鉆進過程中的各項歷史數據，點擊Excel軟件中的“另存為”按鈕即可將采集的歷史數據保存至本機任意位置，還可通過“USB”接口(見圖2)復制至外部存儲設備，備后期數據統(tǒng)計分析。

(3)退出系統(tǒng)。點擊“啟動采集”按鈕，以停止數據采集工作，然后點擊“退出系統(tǒng)”按鈕即可退出數據采集處理系統(tǒng)。

2 智能控制原理

MDES2000型微型鉆進實驗系統(tǒng)運行基于windows XP操作環(huán)境[3]，采用中文菜單用戶界面，系統(tǒng)操作與按鈕操作相結合，其工作控制原理如圖4所示?；竟ぷ骺刂圃頌?鉆進執(zhí)行—反饋實際運轉狀態(tài)—調整鉆進參數—控制鉆進狀態(tài)。

圖4 MDES2000型微鉆實驗裝置工作原理

進行鉆進實驗時，傳感器(元器件)采集鉆壓、扭矩、鉆速及轉速等參數，通過不同功能的信號采集模塊及系統(tǒng)元器件(伺服系統(tǒng)可測出鉆速，變頻器可直接測出扭矩和轉速[4])把數據信號傳輸給PC，鉆壓、扭矩、鉆速及轉速數據經微型鉆進試驗系統(tǒng)程式化處理后顯示在用戶可視界面，操作人員通過顯示界面可看到鉆壓、扭矩、鉆速及轉速實時變化狀態(tài)[5]，若PC機通過有線或無線連接至Internet，可遠程監(jiān)控鉆進實驗裝置的運轉狀態(tài)，同時下載和保存數據[6，7]。操作人員根據實驗技術要求，通過主機操作控制臺調整微鉆實驗臺的運轉工作狀態(tài)。如圖5所示，通過控制伺服系統(tǒng)的模擬量信號來實現鉆速和鉆壓改變;通過變頻器控制動力頭回轉電機的電壓和頻率從而控制回轉轉速和輸出扭矩;通過設置在鉆進試驗臺上的限位信號開關還可控制動力頭上、下行程范圍，以保護設備安全。

圖5 主機操作控制臺功能實現原理

3 技術參數及應用

3.1 基本參數

MDES2000型微鉆實驗裝置基本功能包括動力的啟動和停止、鉆具的升降、沖洗液壓力和流量控制等，可完全實現人工與智能化程控，其主要技術參數指標見表1?？紤]到微鉆實驗裝置的應用領域和測量精度的要求，為方便維護和維修，降低經濟成本，盡量降低各機構的復雜程度，因此只安裝了必備的數據參數測試元器件，滿足用戶所需實驗參數即可。

3.2 實驗與應用

表1 MDES2000主要技術參數

目前，MDES2000型微鉆實驗裝置已經調試完畢，經過測試其精度完全滿足基本試驗工作需要。圖6是在微鉆實驗裝置上采用新研制的某型號金剛石復合片鉆頭鉆進素混凝土塊時的鉆進參數變化曲線，由于素混凝土強度較低且氣泡狀孔隙多，在鉆頭鉆進破碎過程中，鉆壓成增大和減小2個階段循環(huán)波動變化，可看到扭矩變化與鉆壓變化趨勢相一致，鉆進速度比較穩(wěn)定，保持在5 m/h左右，說明實驗裝置實驗結果符合實際鉆進情況，工作性能穩(wěn)定。

圖6 鉆進參數實時變化曲線

微鉆實驗裝置可為現場實際鉆探工作提供充分的實驗鉆進參數和效果評價，優(yōu)化鉆進規(guī)程參數[8]。根據實際鉆探的需要，可采用相應規(guī)格的鉆頭(不僅僅局限于金剛石鉆頭)，同時確定模擬地層的巖樣，利用微鉆實驗裝置進行室內模擬鉆進試驗。通過對鉆壓、回轉速度、扭矩及泵量等參數進行組合試驗，對比不同參數組合情況下鉆進時的鉆速變化，可以優(yōu)選出鉆進效率最高時對應的鉆進規(guī)程參數指標。通過歷史存儲參數表還可查出影響鉆進效率的主要因素，為下一步實驗提供改進方案。

微鉆實驗裝置可用于測巖石的研磨性和可鉆性，并對巖石研磨性和可鉆性進行分級[9]。測量單位進尺消耗鉆頭量或單位碎巖體積所消耗的鉆頭量，鉆頭消耗量與單位進尺或單位碎巖體積的比值即為巖石的相對研磨性指標?；谖@實驗臺，采用微型專用鉆頭鉆進現場取回的巖心，并采集鉆進速度等參數指標[10]。從而可對比不同巖石的研磨性和可鉆性。

微鉆實驗裝置還可用于研究金剛石鉆頭的使用壽命，可選擇不同鉆進規(guī)程參數，研究單位時間或單位回次鉆頭的磨耗量，在保證鉆速要求的同時選擇鉆頭使用壽命長的規(guī)程參數，以提高經濟效益。另外，還可用于新型鉆頭的碎巖能力及碎巖機理的研究，檢測類似剎車片等摩擦材料質量，測量摩擦材料磨耗比等。

4 結語

MDES2000型微鉆實驗裝置全部系統(tǒng)(硬件和軟件)均由中國地質大學(北京)地質超深鉆探國家專業(yè)實驗室自主設計研發(fā)，并在室內做了一些試驗進行檢測，其鉆進、監(jiān)測、數據采集、數據處理和人工/智能控制性能均能滿足以上實驗測試的要求，技術指標達到了設計初期預想的效果。該實驗裝置將用于教學、科研和對外服務工作，為研究鉆頭壽命、巖石研磨性、可鉆性、優(yōu)化金剛石鉆進規(guī)程及碎巖機理等工作提供了很好的實驗平臺。

[1] 周文青.微鉆試驗臺的可靠性研究[D].湖北武漢:武漢理工大學，2011.

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[9] 屠厚澤，孔健.K －20 微鉆實驗臺[J].探礦工程，1988，(4):12－15.

[10] 史曉亮，段隆臣，王蕾，等.微鉆法進行巖石可鉆性分級[J].金剛石與磨料磨具工程，2002，(3):32－34.