任啟偉 ，劉凡柏 ，高鵬舉 ，伍曉龍 ，趙 遠(yuǎn) ，陳劍銘 ，孟義泉

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

深地探測(cè)是解決人類(lèi)面臨能源資源和生存空間基本問(wèn)題的必由之路，以深度換空間是解決城鎮(zhèn)化發(fā)展新階段的必然需求，向深部要資源是緩解國(guó)家持續(xù)發(fā)展對(duì)能源和礦產(chǎn)資源巨大需求的現(xiàn)實(shí)選擇［1］。深部鉆探是深地探測(cè)必要的技術(shù)手段之一，目前我國(guó)尚缺失5000 m 以深地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)與裝備，而油氣鉆井與巖心鉆探差異大無(wú)法直接應(yīng)用，亟需開(kāi)展大深度智能地質(zhì)鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研發(fā)［2-3］。在深孔地質(zhì)巖心鉆探中，繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)于提高鉆探質(zhì)量和生產(chǎn)效率有極大的優(yōu)勢(shì)［4-6］。在繩索取心鉆進(jìn)中，繩索取心絞車(chē)是地質(zhì)鉆探裝備中的關(guān)鍵部件，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加完善合理［7-10］，在機(jī)械式、液壓式、電控式、混合式等絞車(chē)上均有所突破［6-7，11-14］，控制方式上趨于自動(dòng)化、智能化［4，6，7，9］。隨著繩索取心技術(shù)的發(fā)展、成熟和廣泛應(yīng)用，取心絞車(chē)系統(tǒng)更加安全可靠［8，15-20］。

本文的研究方向是基于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“5000 米地質(zhì)巖心鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備研制”的要求提出的。繩索取心絞車(chē)作為5000 m 地質(zhì)巖心鉆機(jī)中的關(guān)鍵設(shè)備，在深井、超深井、復(fù)雜地層、深井連續(xù)取心等繩索取心鉆進(jìn)工藝中尤為重要［4-5，19］，其關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)滿足使用要求。

（2）保證巖心打撈過(guò)程的工作安全和打撈效率。

（3）監(jiān)測(cè)和控制絞車(chē)提放速度和提升力。

（4）準(zhǔn)確掌握打撈器是否下放到位、是否打撈成功的狀態(tài)信息。

（5）提升時(shí)鋼絲繩高效有序的排列。

（6）準(zhǔn)確識(shí)別絞車(chē)鋼絲繩斷股斷絲情況等。

本文主要介紹5000 m 繩索取心絞車(chē)總體結(jié)構(gòu)、測(cè)控系統(tǒng)、排繩系統(tǒng)和絞車(chē)輔助裝置和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等內(nèi)容。

1 總體結(jié)構(gòu)

5000 m 繩索取心絞車(chē)設(shè)計(jì)原則為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無(wú)極調(diào)速、一體式安裝、獨(dú)立排繩［4，20-21］。絞車(chē)由控制器和絞車(chē)組成，絞車(chē)控制器主要由司鉆房控制手柄、HMI、VFD 房變頻器、PLC 控制臺(tái)組成，司鉆房與VFD 房通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行通訊［19］（見(jiàn)圖1）。絞車(chē)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由主架、變頻電機(jī)、減速機(jī)、離合器、排繩機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器、滾筒等組成，其中排繩機(jī)構(gòu)主要包括梯形螺桿、導(dǎo)向架、排繩電機(jī)、減速器、糾偏裝置等。PLC 主控制臺(tái)提供絞車(chē)的電氣（自動(dòng)）控制及顯示，通過(guò)司鉆房主司鉆位置的HMI 和電控手柄，可以對(duì)絞車(chē)進(jìn)行收繩、放繩、自由下放、帶速下放等操作。其設(shè)備運(yùn)行狀況由壓力、拉力、繩長(zhǎng)等傳感元件檢測(cè)，處理后顯示并給予必要的報(bào)警指示，絞車(chē)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，基本參數(shù)如表1 所示。

表1 5000 m 繩索取心絞車(chē)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of 5000m wire?line winch

圖2 繩索取心絞車(chē)主體實(shí)物Fig.2 Main part of the wire-line winch

2 測(cè)控系統(tǒng)

2.1 電氣液控制

5000 m 繩索取心絞車(chē)采用電氣液共控制方式，絞車(chē)由G120C（55 kW）型變頻器控制一臺(tái)55 kW 的交流變頻電動(dòng)機(jī)（含風(fēng)機(jī)）將動(dòng)力經(jīng)一臺(tái)角傳動(dòng)齒輪箱減速后通過(guò)氣胎離合器傳給滾筒軸，電機(jī)軸尾安裝一臺(tái)增量式速度編碼器，做速度反饋和控制檢測(cè)用，適應(yīng)繩索絞車(chē)所需要的拉力和繩速。絞車(chē)整個(gè)變速過(guò)程完全由主電機(jī)交流變頻控制系統(tǒng)控制，變頻器采用西門(mén)子智能斬波器加制動(dòng)電阻實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，并提供標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線接口。排繩系統(tǒng)采用一臺(tái)4 kW 的交流變頻電動(dòng)機(jī)（含風(fēng)機(jī)）經(jīng)角傳動(dòng)減速機(jī)后將動(dòng)力傳遞給梯形螺桿驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向架，通過(guò)卷筒編碼器測(cè)定卷筒轉(zhuǎn)速輸入?yún)?shù)到排繩系統(tǒng)PLC，通過(guò)PLC 邏輯運(yùn)算后輸入到排繩變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)，隨后由電機(jī)編碼器將排繩電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。絞車(chē)控制流程見(jiàn)圖3。

圖3 絞車(chē)控制流程Fig.3 Winch control flowchart

絞車(chē)制動(dòng)器采用一臺(tái)常閉式液壓工業(yè)盤(pán)式制動(dòng)器，通過(guò)鉆機(jī)絞車(chē)液壓站進(jìn)行控制。制動(dòng)器主要零部件有制動(dòng)盤(pán)、分泵、制動(dòng)鉗、油管等。盤(pán)式制動(dòng)器散熱快、質(zhì)量輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。特別是高負(fù)載時(shí)耐高溫性能好，制動(dòng)效果穩(wěn)定。

絞車(chē)離合器采用氣胎離合器，通過(guò)高壓氣源控制，氣胎離合器傳遞轉(zhuǎn)矩大，接合平穩(wěn)，便于安裝，吸振，能補(bǔ)償少量主、從動(dòng)軸角向和徑向相對(duì)偏移，從動(dòng)部分慣性小，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，密封性好。

2.2 參數(shù)檢測(cè)

絞車(chē)系統(tǒng)主要對(duì)鋼絲繩拉力、速度、下放深度、排繩器位置等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警。鋼絲繩拉力采用銷(xiāo)軸式傳感器檢測(cè)，下放速度和深度用編碼器檢測(cè)，排繩器位置通過(guò)編碼器檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理及控制中樞為西門(mén)子PLC 處理單元，所有參數(shù)在司鉆房HMI和絞車(chē)HMI 上均能顯示，檢測(cè)原理見(jiàn)圖1 取心絞車(chē)系統(tǒng)框圖所示，軟件操作界面如圖4、圖5 所示。

圖1 5000 m 繩索取心絞車(chē)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the 5000m wire?line coring winch system

圖4 司鉆房HMI 顯示界面Fig.4 HMI display interface in the driller’s cabin

圖5 絞車(chē)HMI 顯示界面Fig.5 Winch HMI display interface

3 排繩系統(tǒng)

排繩裝置主要作用是將回收的鋼絲繩在絞車(chē)卷筒上進(jìn)行整齊而均勻的放置，即排繩器的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)和卷筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)處于同步狀態(tài)，保證鋼絲繩不發(fā)生松繩、亂繩等的不良現(xiàn)象［22-26］。5000 m 繩索取心絞車(chē)排繩機(jī)構(gòu)通過(guò)變頻電機(jī)、螺旋傳動(dòng)、導(dǎo)向架、限位開(kāi)關(guān)、換向開(kāi)關(guān)等組合實(shí)現(xiàn)鋼絲繩自動(dòng)導(dǎo)向及軸向有序排繩，螺旋傳動(dòng)采用具有正反轉(zhuǎn)的梯形螺桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向架具有主動(dòng)排繩和被動(dòng)排繩兩種功能。

主動(dòng)排繩主要通過(guò)卷筒編碼器采集的卷筒轉(zhuǎn)速和旋向信號(hào)給PLC，PLC 通過(guò)預(yù)設(shè)鋼絲繩直徑、繩距系數(shù)、傳動(dòng)比、絲杠導(dǎo)程等參數(shù)計(jì)算出滿足鋼絲繩在卷筒纏滿一圈時(shí)導(dǎo)向架移動(dòng)一個(gè)繩距的距離。被動(dòng)排繩通過(guò)絞車(chē)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糾偏裝置兩側(cè)傳感器信號(hào)，絞車(chē)收/放繩過(guò)程中，當(dāng)糾偏裝置導(dǎo)繩偏轉(zhuǎn)塊偏轉(zhuǎn)角度大于α角后觸發(fā)一側(cè)傳感器，傳感器把信號(hào)反饋給排繩系統(tǒng)PLC 控制器，PLC 控制排繩變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)排繩導(dǎo)向架前進(jìn)/后退，直至偏轉(zhuǎn)角α小于設(shè)定值（見(jiàn)圖6）。

圖6 被動(dòng)排繩糾偏原理示意Fig.6 Schematic diagram for passive rope laying correction

3.1 排繩裝置的位置控制

本文絞車(chē)卷筒采用LEBUS 雙折線卷筒皮［4，11，27］，每層纏繞纜的圈數(shù)相同，通過(guò)獲取卷筒絕對(duì)值編碼器當(dāng)前值可計(jì)算出當(dāng)前鋼絲繩在卷筒上的實(shí)際位置w，計(jì)算見(jiàn)式（1）、式（2）：

式中：nt——絞車(chē)電機(jī)編碼器總脈沖數(shù)；np——電機(jī)每轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)；i——減速機(jī)傳動(dòng)比；ns——卷筒繩槽個(gè)數(shù)；B——卷筒開(kāi)檔寬度，mm；int——取整運(yùn)算，當(dāng)為偶數(shù)時(shí)，取式（1）值，否則取式（2）值。

通過(guò)排繩裝置變頻電機(jī)上安裝的編碼器和排繩裝置絲杠的導(dǎo)程，可獲得排繩裝置當(dāng)前的實(shí)際位置x：

式中：nt——排繩裝置電機(jī)編碼器總脈沖數(shù)；np——電機(jī)每轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)；i——減速機(jī)傳動(dòng)比；ns——卷筒繩槽個(gè)數(shù)；Δd——絲杠導(dǎo)程，mm。

將以上獲取的纜在卷筒上的實(shí)際位置w和排繩裝置的當(dāng)前實(shí)際位置x輸入PID 控制器，通過(guò)調(diào)整相應(yīng)PID 參數(shù)，可獲取比較滿意的控制精度。但是傳統(tǒng)PID 控制器由于積分飽和原因無(wú)法使系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)響應(yīng)快速性的同時(shí)滿足小超調(diào)甚至無(wú)超調(diào)，因此本文采用一種具有抗積分飽和功能，且能夠?qū)Ρ壤饔煤臀⒎肿饔眠M(jìn)行加權(quán)的PID 控制算法對(duì)排繩裝置的位置進(jìn)行控制，見(jiàn)式（4），實(shí)際儲(chǔ)纜和排繩入繩角可以控制在±1.5°以內(nèi)，滿足排繩要求。

式中：y——PID 算法的控制值，mm；Kp——比例增益；s——拉普拉斯運(yùn)算符；b——比例作用權(quán)重；c——微分作用權(quán)重；w——設(shè)定值（鋼絲繩在卷筒上的位置），mm；x——過(guò)程值（排繩裝置在絲杠上的位置），mm；Ti——積分作用時(shí)間；Td——微分作用時(shí)間。

3.2 繩速測(cè)控系統(tǒng)

絞車(chē)鋼絲繩提放速度測(cè)控系統(tǒng)的功能包括檢測(cè)與控制兩個(gè)部分［4，8］。

3.2.1 檢測(cè)部分

采用絕對(duì)值編碼器檢測(cè)卷筒的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)絞車(chē)鋼絲繩提放打撈器時(shí)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器就輸出對(duì)應(yīng)的脈沖，鋼絲繩的提放速度越快，卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)越快，編碼器輸出脈沖的頻率就越快，并有如式（5）的計(jì)算關(guān)系：

式中：v——鋼絲繩下放速度；d——絞車(chē)卷筒直徑；f——編碼器輸出脈沖信號(hào)頻率；n——編碼器每圈脈沖數(shù)。

由式（5）可知，只需檢測(cè)脈沖信號(hào)的頻率就能得到絞車(chē)鋼絲繩提放速度。

3.2.2 速度控制部分

絞車(chē)主電機(jī)主要參數(shù)為：額定功率55 kW，額定電流97.8 A，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速1480 r/min，額定扭矩355 N·m。減速機(jī)主要參數(shù)：減速比24.74，對(duì)應(yīng)滾筒輸出額定轉(zhuǎn)速為59.82 r/min（50 Hz），額定最大理論提升力超過(guò)50.77 kN，光轂繩速為1 m/s。

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；f——電極供電頻率；S——轉(zhuǎn)差率；P——電機(jī)極對(duì)數(shù)。

由（6）式可知，通過(guò)改變電機(jī)的供電頻率f就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，考慮到取心絞車(chē)實(shí)際工況和取心絞車(chē)高動(dòng)態(tài)性能，電機(jī)速度選擇矢量轉(zhuǎn)矩控制。XD50 型鉆機(jī)繩索取心絞車(chē)中通過(guò)絞車(chē)手柄（即4～20 mA 模擬量）給定S7-1200PLC 轉(zhuǎn)速信號(hào)，PLC 通過(guò)與變頻器之間Profibus 通訊給定頻率信號(hào)。由于一般的電動(dòng)機(jī)調(diào)速都是線性的，因此頻率給定曲線可簡(jiǎn)單地通過(guò)定義首位兩點(diǎn)之間的坐標(biāo)即可確定該曲線，頻率給定曲線f（x）=f（P），這里P為手柄電流信號(hào)，而變頻電機(jī)的正反轉(zhuǎn)通過(guò)手柄正轉(zhuǎn)命令端子或反轉(zhuǎn)命令端子實(shí)現(xiàn)。

3.3 繩長(zhǎng)測(cè)控系統(tǒng)

深孔繩索取心作業(yè)時(shí)，精確打撈對(duì)于提高深孔或超深孔取心效率尤為重要，司鉆需掌握打撈器在鉆孔內(nèi)的位置來(lái)判斷是否達(dá)到目的深度，以及對(duì)鋼絲繩張力波動(dòng)的了解用于判斷是否成功打撈［8］。

由于鋼絲繩受自身重力和打撈器內(nèi)管總成重力會(huì)出現(xiàn)變形伸長(zhǎng)，導(dǎo)致檢測(cè)到的鋼絲繩釋放長(zhǎng)度并不等于打撈器和內(nèi)管總成在井內(nèi)的深度，因此通過(guò)測(cè)量絞車(chē)釋放的鋼絲繩長(zhǎng)度來(lái)計(jì)量打撈器和內(nèi)管總成在井內(nèi)的具體深度是不準(zhǔn)確的，可對(duì)鋼絲繩的實(shí)際伸長(zhǎng)量進(jìn)行矯正計(jì)算，影響深度計(jì)量準(zhǔn)確性的主要因素為鋼絲繩的彈性變形。

按照胡郁樂(lè)等［7］的分析計(jì)算，絞車(chē)鋼絲繩提升系統(tǒng)簡(jiǎn)化成如圖7 所示的變形模型，從絞車(chē)卷筒繞過(guò)天輪到打撈器之間的鋼絲繩可以分成3 段：從天輪到井底的鋼絲繩懸垂長(zhǎng)度L；天輪包弧內(nèi)鋼絲繩長(zhǎng)度R；鋼絲繩弦長(zhǎng)H。這3 段鋼絲繩隨著終端載荷不同產(chǎn)生的彈性變形也不同，每段鋼絲繩的原長(zhǎng)和彈性變形之和為鋼絲繩本段的實(shí)際長(zhǎng)度。

圖7 絞車(chē)鋼絲繩提升系統(tǒng)的變形模型Fig.7 Deformation model for the rope hoisting system

式中：H0、R0、L0——分別為相應(yīng)段原長(zhǎng)，R0、H0可以由絞車(chē)和天輪安裝位置確定，L0可以通過(guò)檢測(cè)絞車(chē)釋放鋼絲繩長(zhǎng)度S0確定；He、Re、Le——分別為相應(yīng)段彈性變形長(zhǎng)度；H、R、L——分別為相應(yīng)段變形后的實(shí)際長(zhǎng)度。

通過(guò)王福強(qiáng)等［28］經(jīng)驗(yàn)公式和分析計(jì)算，可以得到He、Re、Le各相應(yīng)段彈性變形長(zhǎng)度為：

式中：E——鋼絲繩彈性模量；A——鋼絲繩中所有鋼絲斷面積之和；Q——鋼絲繩終端載荷；P——鋼絲繩單位長(zhǎng)度質(zhì)量；α——絞車(chē)鋼絲繩出繩角。

綜合矯正各段變形量后，可以得到絞車(chē)鋼絲繩的實(shí)際下放深度：

3.4 張力測(cè)控系統(tǒng)

當(dāng)打撈器到達(dá)內(nèi)管位置時(shí)，通過(guò)對(duì)下放到內(nèi)管位置的張力與提升內(nèi)管的張力對(duì)比來(lái)判斷打撈矛頭是否懸掛上內(nèi)管總成。張力的測(cè)量可通過(guò)絞車(chē)張力傳感器測(cè)量或者通過(guò)變頻器獲取電機(jī)電流值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于前者學(xué)者們做過(guò)很多研究并制作了專(zhuān)用的三滑輪測(cè)量裝置［6］，但該方法具有一定的局限性，因?yàn)樵撗b置需安裝在井架上，維護(hù)時(shí)極為不便；而對(duì)于后者不需要專(zhuān)用的測(cè)量裝置，只需要簡(jiǎn)單的計(jì)算即可，但是此時(shí)獲取的張力值受絞車(chē)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈效率的影響，存在一定的誤差。本文采取二者的結(jié)合，設(shè)置的張力傳感器安裝于排繩裝置上，通過(guò)張力傳感器獲取的張力值和變頻器反饋的值進(jìn)行擬合，獲取精確的張力值。

3.4.1 張力測(cè)量裝置

排繩導(dǎo)繩架結(jié)構(gòu)示意圖和大導(dǎo)輪繞繩方式與受力分析見(jiàn)圖8，導(dǎo)輪安裝在銷(xiāo)軸傳感器上，通過(guò)銷(xiāo)軸傳感器就可以計(jì)算出鋼絲繩的拉力，假設(shè)大導(dǎo)輪兩側(cè)鋼絲繩的張力分別為F1和F2，顯然F1=F2，鋼絲繩對(duì)銷(xiāo)軸稱(chēng)重傳感器所施加的力F為F1和F2的合力，設(shè)F1與F2之間的夾角為 2β，則F=2F1cosβ，由此可計(jì)算出鋼絲繩的張力F1的大小：

圖8 導(dǎo)輪繞繩方式與受力分析Fig.8 Rope winding mode and stress analysis of the regulating wheel

3.4.2 變頻器測(cè)量張力

提升力通過(guò)變頻器控制電機(jī)扭矩大小決定［11］，通過(guò)變頻器限制電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩即可控制鋼絲繩的最大提升張力Fmax：

式中：Tmax——電機(jī)的最大扭矩，N·m；i——絞車(chē)減速比；d——卷筒光轂直徑，mm。

絞車(chē)電機(jī)的輸出扭矩通過(guò)S120 型變頻器的力矩設(shè)置選項(xiàng)頁(yè)進(jìn)行設(shè)定，也可通過(guò)PLC 控制報(bào)文實(shí)時(shí)改變當(dāng)前電機(jī)的輸出扭矩，根據(jù)式（16）推出當(dāng)前鋼絲繩受到的牽引張力。張力控制方面，PLC 通過(guò)變頻器的控制單元獲取當(dāng)前電機(jī)的反饋輸出轉(zhuǎn)矩，當(dāng)反饋轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定轉(zhuǎn)矩時(shí)，PLC 控制變頻器驅(qū)動(dòng)模塊從速度模式切換到轉(zhuǎn)矩模式，防止力矩超限；當(dāng)檢測(cè)到反饋轉(zhuǎn)矩小于設(shè)定轉(zhuǎn)矩時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)模塊由轉(zhuǎn)矩模式切換至速度模式防止電機(jī)飛車(chē)。

4 絞車(chē)輔助裝置

4.1 鋼絲繩清潔裝置

鉆井液一般均具有較強(qiáng)的腐蝕性，若不及時(shí)清理將嚴(yán)重影響鋼絲繩的整體壽命和破壞鉆臺(tái)的環(huán)境衛(wèi)生。借鑒行業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)，借助平臺(tái)高壓氣源設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)氣吹式除泥器（見(jiàn)圖9）。用法為在取心絞車(chē)上提內(nèi)管總成時(shí)，使用高壓壓縮空氣，對(duì)取心絞車(chē)的鋼絲繩進(jìn)行即時(shí)吹洗，清洗掉附著在鋼絲繩上的泥漿，防止由于泥漿的腐蝕造成鋼絲繩銹蝕而縮短鋼絲繩的使用壽命和防止鋼絲繩上的泥漿帶入高空后漂落至鉆臺(tái)造成人員、設(shè)備、儀器污染。

圖9 鋼絲繩清潔裝置Fig.9 Wire?line cleaning device

4.2 鋼絲繩檢測(cè)裝置

繩索取心工藝是小口徑巖心鉆探中成熟的鉆探施工技術(shù)，目前被廣泛采用，但也存在著各種弊端，取心鋼絲繩斷裂事故發(fā)生的較為頻繁就是其中之一，處理它的方法尤為重要，處理得當(dāng)，就事半功倍［18］。在取心絞車(chē)下放打撈器過(guò)程中對(duì)取心絞車(chē)的鋼絲繩工況進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)探傷，當(dāng)鋼絲繩內(nèi)部或外部出現(xiàn)斷絲或斷股、外徑磨損到一定程度后進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，保證鋼絲繩安全工作，可以防止在取心過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，進(jìn)一步引發(fā)孔內(nèi)安全事故的發(fā)生。5000 m 繩索取心絞車(chē)集成了鋼絲繩檢測(cè)裝置，該裝置由鋼絲繩檢測(cè)傳感器、導(dǎo)向輪、支架、數(shù)據(jù)采集分析儲(chǔ)存軟件、計(jì)算機(jī)組成，原理見(jiàn)圖10，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見(jiàn)圖11。

圖10 鋼絲繩檢測(cè)原理Fig.10 Schematic diagram of wire?line testing

圖11 鋼絲繩檢測(cè)裝置應(yīng)用情況Fig.11 Application of the wire?line testing device

4.3 取心打撈孔內(nèi)數(shù)據(jù)采集裝置

取心打撈孔內(nèi)數(shù)據(jù)采集裝置用于測(cè)量當(dāng)前回次鉆孔的最新頂角數(shù)據(jù)。儀器與打撈器連接，可在回次打撈巖心的過(guò)程中取得鉆孔頂角數(shù)據(jù)，無(wú)需再用測(cè)斜儀專(zhuān)門(mén)進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量，在某種程度上可取代測(cè)斜儀，這樣無(wú)需花時(shí)間專(zhuān)門(mén)進(jìn)行鉆孔頂角測(cè)量，因此能在最短的時(shí)間內(nèi)獲得鉆孔的最新頂角數(shù)據(jù)。該儀器能連續(xù)記錄不同孔深對(duì)應(yīng)的鉆孔頂角、孔內(nèi)壓力及溫度數(shù)據(jù)。儀器在地面可利用智能手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙方式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)讀取，得到最新的孔內(nèi)數(shù)據(jù)。繩索取心孔內(nèi)數(shù)據(jù)記錄儀結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖12，手機(jī)端接收軟件界面見(jiàn)圖13。

圖12 繩索取心孔內(nèi)數(shù)據(jù)記錄儀Fig.12 Wire?line coring down hole data recorder

圖13 手機(jī)端數(shù)據(jù)接收軟件界面Fig.13 Interface of data receiving software on the mobile terminal

5 應(yīng)用情況

5000 m 繩索取心絞車(chē)作為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“5000 米智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備研發(fā)及應(yīng)用示范”課題二“5000 米地質(zhì)巖心鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備研制”的關(guān)鍵部件，于2021 年6 月開(kāi)始，在河北省保定市博野縣結(jié)合中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“冀中坳陷深部碳酸鹽熱儲(chǔ)調(diào)查評(píng)價(jià)”（井號(hào)：JZ04 井）進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。該井主要鉆井目的為揭穿高陽(yáng)低凸起中南部新生界地層，揭露中-新元古界碳酸鹽巖地層，獲取深部熱儲(chǔ)層厚度、溫度、巖性、滲透性、出水量等參數(shù)，為深部地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)工作提供基礎(chǔ)資料，為查明博野潛山區(qū)碳酸鹽巖地層分布情況及高陽(yáng)-博野斷裂空間展布，結(jié)合安國(guó)、蠡縣等地區(qū)的碳酸鹽巖地?zé)峋當(dāng)?shù)據(jù)，研究高陽(yáng)低凸起中南部碳酸鹽巖儲(chǔ)層分布特征，提供實(shí)鉆數(shù)據(jù)［29-30］。

在鉆深4007.01 m 的JZ04 地?zé)岬刭|(zhì)勘探井，5000 m 智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備集成應(yīng)用示范工程按照小口徑繩索取心滿眼鉆進(jìn)要求，下入4007.01 m的?146 mm 套管，實(shí)現(xiàn)了新的小口徑鉆孔結(jié)構(gòu)，采用P 規(guī)格繩索取心鉆具智能化控制鉆進(jìn)，終孔深度達(dá)到 4017.50 m，巖心采取率達(dá)到97.08%［31］，5000 m繩索取心絞車(chē)作為關(guān)鍵部件承擔(dān)了繩索取心重要工作，多次入井進(jìn)行打撈、脫卡作業(yè)，進(jìn)行了帶速下放、自由下放、緊急制動(dòng)、慢速提、快速提等多種作業(yè)模式，運(yùn)行中絞車(chē)主體工作平穩(wěn)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常，主、被動(dòng)排繩機(jī)構(gòu)運(yùn)行良好，鋼絲繩清潔裝置、鋼絲繩檢測(cè)裝置、取心打撈孔內(nèi)數(shù)據(jù)采集裝置等絞車(chē)輔助裝置應(yīng)用效果良好，試驗(yàn)情況見(jiàn)圖14。

圖14 5000 m 繩索取心絞車(chē)應(yīng)用情況Fig.14 Application of 5000m wire?line coring winch

6 結(jié)語(yǔ)

配有排繩機(jī)構(gòu)、鋼絲繩清潔裝置、鋼絲繩檢測(cè)裝置、孔內(nèi)數(shù)據(jù)采集等裝置的5000 m 繩索取心絞車(chē)的研制對(duì)于超深孔地質(zhì)鉆探具有重大的意義，具體表現(xiàn)為：

（1）主、被動(dòng)式排繩機(jī)構(gòu)，放繩時(shí)采用被動(dòng)排繩和提升時(shí)采用主動(dòng)排繩方式的選擇，排繩效果良好，其原理適用于4000 m 以深孔絞車(chē)鋼絲繩的排繩，在地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域具有推廣意義。

（2）鋼絲繩清潔裝置與鋼絲繩檢測(cè)裝置的應(yīng)用，有效地提高了鋼絲繩的壽命和預(yù)防了鋼絲繩的斷裂。

（3）取心打撈孔內(nèi)數(shù)據(jù)采集裝置的應(yīng)用有效地縮短了超深井測(cè)井周期，司鉆可實(shí)時(shí)掌握鉆孔井斜、方位角等關(guān)鍵參數(shù)，在條件允許的井場(chǎng)可以借鑒使用。