衣 瑛

（鞍鋼集團鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114051）

由于鉆機鉆探工作位于地下，具有一定的隱蔽性，不能及時觀察工作狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)鉆進過程中可能存在的問題，然而操作人員在地面上無法及時獲取到鉆機實際運行的情況以及鉆機的各項工作參數(shù)，無法有效控制鉆進的質(zhì)量和鉆進的速率，直接影響到鉆探成本和鉆探工作的效率。因此采用智能監(jiān)測的手段，及時通過傳感器獲取各個工作參數(shù)，對提高鉆機效率是必不可少的。

鉆機傳統(tǒng)的工作狀態(tài)顯示大多通過壓力計、溫度表等儀器儀表顯示出來，指針化顯示不直觀且無法對工作狀態(tài)進行保存記錄,多有不便。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,傳感器的精度不斷提升并且價格較低，使用方便，因此鉆機和傳感器結(jié)合便可遠程顯示鉆機工作狀態(tài)，通過對鉆機工作數(shù)據(jù)的分析便可對鉆機進行鉆探優(yōu)化，對鉆機的主要狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、泵量、鉆速等[8]，因此在鉆機相應(yīng)位置上安置對應(yīng)傳感器，并將檢測到的數(shù)據(jù)通過電信號的形式傳輸?shù)街鳈C上進行處理，以便后續(xù)對鉆機進行優(yōu)化。

1 鉆壓參數(shù)

鉆進過程中鉆頭在鉆壓作用下破碎地表進入地下，鉆壓的大小直接決定了鉆頭鉆進地下的深度，在鉆機所有工作參數(shù)中，鉆壓對鉆速的影響是最直接、最顯著的。鉆壓過大時將會對鉆柱和鉆頭造成損壞，扭矩過大時甚至?xí)斐蔁@等安全事故，因此對鉆壓參數(shù)的檢測和控制就顯得尤為重要。

喬曉華等人提到鉆壓力不是鉆機對井底的正壓力，其正壓力等于鉆壓力與孔底傾角余弦的乘積[1]。而對于大直徑鉆機的鉆壓力喬曉華等人通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)有以下幾種常用的計算方法：第一種是根據(jù)刀刃單位面積上受到的鉆壓強來計算鉆壓，其中鉆壓強應(yīng)該大于巖石強度；第二種是根據(jù)刀刃單位鉆進面積上受到的壓力來計算鉆壓；第三種是根據(jù)每把刀具上受到的壓力來間接計算鉆壓力，在運用上述計算方法時還應(yīng)該考慮到大直徑鉆機中心刀的楔入阻力等。

但是由于鉆機鉆桿柱在工作時受震動影響較大，很容易對傳感器的精度造成影響，并且會使傳感器的使用壽命減少，因此一般不在鉆柱上直接安裝壓力傳感器來檢測鉆壓，而是結(jié)合鉆機的特點，多采用間接測量或通過計算的方式來得出最終的鉆壓值。例如王珂在自控鉆進試驗臺參數(shù)檢測與控制技術(shù)實驗研究[2]中通過油缸壓力與鉆桿重量之間的關(guān)系間接得出鉆壓，即在給進液壓油缸的上腔和下腔分別安裝壓力傳感器，油缸進出口的壓力值通過傳感器檢測得到，結(jié)合相關(guān)面積壓強公式即可計算出鉆壓值，其中油缸上下腔的有效截面積可以經(jīng)過實際測量得出，在計算實際作用在鉆頭上的壓力時還應(yīng)該考慮到鉆具于孔壁的摩擦力等因素，液壓油腔內(nèi)安裝的壓力傳感器應(yīng)該考慮到體積、靈敏度、穩(wěn)定性等問題。

2 轉(zhuǎn)速參數(shù)

鉆機轉(zhuǎn)速直接關(guān)系到鉆進效率和功率消耗，不同的地質(zhì)和鉆進方法有著不同的轉(zhuǎn)速要求，適宜的轉(zhuǎn)速可以有效的控制鉆探成本和鉆探時間，在鉆進過程中因地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在差異，操作人員需要隨時掌握和調(diào)整動力頭的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對鉆機設(shè)備的精準控制和優(yōu)化，因而對鉆機轉(zhuǎn)速的實時準確監(jiān)測是必不可少的，測量轉(zhuǎn)速主要有兩種常用的測量手段，一種是采用測速發(fā)電機直接和電機接觸，另一種是不和電機直接接觸的接近開關(guān)式測速。測速發(fā)電機可以直接輸出電信號并且電信號的強弱與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，其廣泛應(yīng)用于各種速度控制系統(tǒng)；而接近開關(guān)測量較方便，無需與待測物直接接觸，只要運動部件處于檢測距離內(nèi)就可以進行數(shù)據(jù)檢測，相對安全且價格較低。測速發(fā)電機相對于接近開關(guān)而言成本較高，安裝困難而且需要預(yù)留一定的安裝空間，且電機上的電壓一般較高，存在一定的危險性，因此先擇接近開關(guān)是比較合適的，現(xiàn)在國內(nèi)外也普遍選擇使用接近開關(guān)的方式測量轉(zhuǎn)速。

例如張恒春在設(shè)計的智能化多功能實驗臺鉆進參數(shù)檢測與控制系統(tǒng)[3]中測量動力頭的轉(zhuǎn)速則采用了電感式接近開關(guān)，張恒春在使用接近開關(guān)測量轉(zhuǎn)速時，先在待測軸上安裝了M個金屬感應(yīng)點，將接近開關(guān)安裝在一旁，當(dāng)待測軸旋轉(zhuǎn)時接近開關(guān)通過感應(yīng)金屬感應(yīng)點即可輸出相應(yīng)脈沖，將脈沖數(shù)結(jié)合相應(yīng)的計算公式就可得出待測軸轉(zhuǎn)速。杜江等人[11]自行設(shè)計了一個自定齒數(shù)的同步轉(zhuǎn)動齒輪，并將此齒輪安裝在動力頭主軸上，通過有源電磁感應(yīng)式數(shù)字傳感器實現(xiàn)了對動力頭轉(zhuǎn)速的檢測。有源電磁感應(yīng)式數(shù)字傳感器與齒輪留有一定的安裝間隙，傳感器供電電壓為常用的5～24V，較容易獲得，該傳感器輸出信號可直接與數(shù)字計數(shù)器直接相連接，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)計算和傳輸。吳海峰采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來對鉆機主軸轉(zhuǎn)速進行檢測進而檢測鉆機轉(zhuǎn)速[13]，霍爾傳感器是開關(guān)型傳感器，吳海峰在使用霍爾傳感器檢測主軸轉(zhuǎn)速時為提高檢測的準確性，在鉆機主軸上安置一個磁鋼，鉆機主軸旋轉(zhuǎn)時磁鋼就會跟著轉(zhuǎn)動，霍爾傳感器檢測磁鋼時就會產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過處理將脈沖信號轉(zhuǎn)化成電信號并將信號輸出到微處理器進行處理以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的檢測。

3 扭矩參數(shù)

扭矩可以實時反映鉆進工況，是需要重點檢測的工作參數(shù)，可以通過檢測瞬時扭矩的變化結(jié)合一定的經(jīng)驗來估測鉆進過程中可能發(fā)生的事故，例如出現(xiàn)卡鉆和鉆頭打滑等現(xiàn)象。常規(guī)扭矩檢測通過安裝在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鏈條的扭矩傳感器將扭矩轉(zhuǎn)換成電信號來檢測，但是液壓型鉆機沒有鏈條傳動裝置，因此可以通過測量液壓馬達間接測量扭矩，扭矩計算公式為：

式中：Vg表示動力頭馬達排量；Δp表示動力頭馬達進出油口壓力值；ηmh表示動力頭總機械效率，取0.9～0.93；id表示動力頭總減速比。

通過上式可知，只需要通過傳感器測量動力頭馬達進出油口壓力值就可以測出扭矩。

方俊通過對鉆機構(gòu)造研究分析發(fā)現(xiàn)全液壓動力頭鉆機是通過動力頭液壓馬達做功帶動鉆機回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)動，總功率中除了摩擦損耗等，液壓馬達的功率就等于回轉(zhuǎn)器的功率，因此通過研究鉆機扭矩和鉆機功率、鉆機轉(zhuǎn)速之間存在的關(guān)系，再通過檢測鉆機功率和鉆機轉(zhuǎn)速就可以間接計算出鉆進過程中的扭矩[4]。朱秀梅[5]等人提到的動力頭扭矩計算公式是通過計算馬達壓力、馬達個數(shù)、馬達排量、傳動效率和傳動系統(tǒng)減速比之間的關(guān)系最終得出動力頭的扭矩。

紀珍從等人采用的是使用霍爾電流變送器來對扭矩進行檢測，為了減少溫漂對扭矩測量精度的影響[12]，他們在原有電路基礎(chǔ)上增添了補償電路對整體進行控制，從而確保測量精度。一般鉆機設(shè)備都較大，其使用的電動機也需要較高的額定電流和額定電壓，若采用接觸性測量轉(zhuǎn)速容易發(fā)生危險且相應(yīng)設(shè)備價昂貴，采用霍爾電流變送器進行非接觸測量，可以確保測量安全性，且其精度較高、價格低廉。測量結(jié)果經(jīng)過霍爾電流變送器內(nèi)部電路處理后，將輸出一個處于0～5V的低電壓，使其輸出信號可以轉(zhuǎn)換成為微處理器可處理的數(shù)字信號。

4 鉆速參數(shù)

鉆速是指單位時間內(nèi)鉆頭的鉆進速度，鉆速是反映鉆進效率的重要指標之一，對掌控孔內(nèi)的工作狀況和結(jié)合數(shù)據(jù)優(yōu)化鉆機起到十分重要的作用，因此對鉆速的檢測是很有必要的。鉆井工程中，通常采用把線速度轉(zhuǎn)換成角速度的方式來檢測鉆速，常用的檢測傳感器有測速發(fā)電機、磁電脈沖鉆速傳感器、光電式傳感器等[3]。

沈璟璟等人通過測量動力頭的位置來實現(xiàn)對鉆頭的鉆進位移檢測，其采用激光測距傳感器來測量動力頭的移動距離[6]，激光具有很好的直線性和導(dǎo)向性，可以實現(xiàn)無接觸遠距離測量，在測距方面有很廣的應(yīng)用。沈璟璟等人將激光測距儀安裝在鉆機動力頭導(dǎo)軌的尾部，使激光發(fā)射與接收鏡面正對著動力頭，激光測距儀不斷的發(fā)送接收激光信號，通過計算便可得出動力頭移動距離，設(shè)每相鄰2次測得的距離為S1、S2，鉆進位移公式為：

可以根據(jù)鉆進位移與時間的關(guān)系計算得出鉆速，鉆速公式為：

其中S為鉆進位移；t為測距時間間隔，可以由軟件計時獲得。

吳海峰對鉆速參數(shù)的獲取采用了光柵編碼器，光柵編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置構(gòu)成[13]。測量時首先將光柵式位移傳感器安裝在同步帶輪軸上，同步帶將動力頭移動的位移轉(zhuǎn)換成光柵增量編碼器測量的角位移，光柵增量編碼器根據(jù)一定的關(guān)系將角位移換算成動力頭的線位移，時間可以采用軟件編程的方式獲得，這樣便可計算出動力頭的鉆進速度即鉆速。

5 油路油溫參數(shù)

紀珍從等人提出對油溫進行檢測，檢測油溫采用DS18B20傳感器，其精度為±2℃，可以較精確的對油溫進行檢測[12]。DS18B20為集成型數(shù)字傳感器，可以直接輸出數(shù)字信號，避免了使用A/D轉(zhuǎn)換器等模數(shù)電轉(zhuǎn)換電路模塊，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計，提高了可靠性，同時由于DS18B20傳感器價格低廉，因此可以在一定程度上降低系統(tǒng)成本。由于DS18B20傳感器的封裝采用的是塑料外殼，如果直接放進油箱和液壓油接觸，很容易造成傳感器腐蝕失效，因此可以采用導(dǎo)熱性良好的材料對其進行密封隔離，然后再放進油箱內(nèi)保證DS18B20傳感器的正常工作。后續(xù)可以對系統(tǒng)實時采集的油溫信息進行保存，并設(shè)置一定的閾值范圍，當(dāng)超過閾值范圍時發(fā)出警報以免因油溫過高而造成危險。

6 泵量參數(shù)

泵量是指泵在運轉(zhuǎn)時排除的鉆井液流量，與鉆孔的直徑等有關(guān)，泵量過大或過小都有可能導(dǎo)致鉆孔事故，因此需要對泵量進行實時監(jiān)測，以確保泵量處于合理的范圍。目前常用的測量流量的儀器包括：浮子流量計、電磁流量計等。

對流量的檢測可以直接使用流量計來進行測量泵量，但其成本較高，也可以采用泵沖傳感器檢測泵沖次的方式來間接計算出泵量，泵沖傳感器是接近開關(guān)式傳感器，由于泵沖傳感器對金屬檢測十分靈敏，因此可以采用在傳動軸上加裝金屬感應(yīng)頭的方式來確保檢測的準確性。當(dāng)金屬感應(yīng)頭旋轉(zhuǎn)到泵沖傳感器的檢測范圍之內(nèi)時就產(chǎn)生一個脈沖信號，每一個脈沖信號表示一次沖程，而泵的活塞直徑和沖程都是定值，因此可以通過這些參數(shù)計算出泥漿泵的泵量。

傳感器采集的信號都是本安信號，可以對其進行傳輸編輯操作，將采集的信號通過隔離器等器件后傳輸?shù)轿⑻幚砥鬟M行處理,對于鉆機的傾角和方位角則可以選擇采用加速度傳感器和磁阻傳感器進行檢測，并且磁阻傳感器具有高帶寬、內(nèi)含低通濾波器、低噪聲放大器，穩(wěn)定性高，傳輸性好[10]。

7 發(fā)展方向

數(shù)字化鉆進技術(shù)已經(jīng)取得了較大的發(fā)展，鉆進過程中各項工作參數(shù)的監(jiān)測和數(shù)學(xué)模型的建立以及可能會發(fā)生的工作狀況都已經(jīng)較為成熟，但在鉆進精確方面、故障自診斷方面和智能鉆進自動鉆進方面還需要進一步的研究，需要更加精確的測量儀器，更加穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸方式，更加完善的管理系統(tǒng)。

8 結(jié)語

目前，我國數(shù)字礦山對開采、運輸、通風(fēng)、供電、排水等已經(jīng)基本實現(xiàn)了智能管理，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控、操作、調(diào)度等，但是對鉆機鉆孔施工還未進行有效監(jiān)控管理，大多還處于使用儀器儀表等傳統(tǒng)方式。使用高精度傳感器對鉆機各項工作參數(shù)的實時監(jiān)測與傳輸，對各項參數(shù)進行細致分析與總結(jié)，以便后續(xù)的鉆機優(yōu)化，從而極大的提高鉆機鉆進效率，有利的推進了鉆機向智能化方向的發(fā)展進程，提高鉆進質(zhì)量，減少工作成本。