朱秀梅,鄭 文,常仁齊
(1.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司,江蘇 徐州 221004;2.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司,江蘇 徐州 221004)
隨著地質(zhì)勘探、地?zé)岬荣Y源開采井鉆進(jìn)深度不斷增加以及鉆井工藝的多樣化,鉆采風(fēng)險系數(shù)逐漸上升,對鉆機(jī)的要求也越來越高,要實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的目標(biāo)[1],必須準(zhǔn)確地監(jiān)測鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù),并及時有效地對參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。部分單位開發(fā)了礦用鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng),可實時顯示與鉆井生產(chǎn)關(guān)系密切的鉆進(jìn)參數(shù),通過控制器的邏輯計算進(jìn)行故障及風(fēng)險報警,減小鉆井事故發(fā)生的概率。
監(jiān)控系統(tǒng)需要測量的參數(shù)包括常規(guī)的發(fā)動機(jī)信息檢測、溫度、油位檢測,以及與鉆進(jìn)性能密切相關(guān)的提升力、進(jìn)給力、鉆壓、動力頭扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆深、泥漿壓力、上/卸扣力等。常規(guī)的發(fā)動機(jī)信息、溫度、油位檢測本文不再闡述??刂破鬟x用專用可編程控制器,32位的Tricore高速處理器,及80MHz的時鐘頻率,可快速處理各種任務(wù)。控制器與顯示器通過CAN總線通訊,顯示器本身具有一定的數(shù)據(jù)存儲能力,但儲存信息量大時會出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象,為避免該情況,選擇專用的數(shù)據(jù)記錄儀存儲施工數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄儀可方便地設(shè)置存儲內(nèi)容及格式,并根據(jù)需要生成不同的參數(shù)曲線,更利于后期的數(shù)據(jù)分析及處理。
多數(shù)鉆進(jìn)參數(shù)可通過傳感器直接由公式計算得到,部分參數(shù),如鉆深、鉆壓等需要通過多個傳感器配合并經(jīng)控制器進(jìn)行邏輯計算得到。
泥漿壓力可通過壓力傳感器直接測量。因液壓動力頭鉆機(jī)一般采用油缸+鋼絲繩/鏈條的進(jìn)給機(jī)構(gòu),動力頭采用馬達(dá)驅(qū)動,上/卸扣采用油缸,提升力、進(jìn)給力、動力頭扭矩、上/卸扣力都可以通過壓力傳感器檢測壓力并計算實現(xiàn)。
力的計算公式如下:
式中:p為油缸大/小腔壓力,大腔壓力對應(yīng)提升力,小腔壓力對應(yīng)進(jìn)給力,A為油缸大/小腔截面積,D為油缸大/小腔直徑。
動力頭扭矩計算公式如下:式中:p為馬達(dá)壓力,n為馬達(dá)個數(shù),Vg為馬達(dá)排量,η為傳動效率,i為傳動系統(tǒng)減速比。
因鉆機(jī)動力頭回轉(zhuǎn)速度不高,一般在300r/min以下,動力頭轉(zhuǎn)速可通過在輸出端安裝齒型圓環(huán)配合接近開關(guān)進(jìn)行檢測,接近開關(guān)輸出信號進(jìn)入控制器的脈沖輸入口,將開關(guān)信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號。
動力頭轉(zhuǎn)速計算公式如下:
式中:N為圓環(huán)一圈的齒數(shù),n為△t時間內(nèi)的脈沖數(shù)(齒數(shù))。
可在顯示器中設(shè)置壓力報警值,對泥漿壓力過大、提升力過大、動力頭扭矩過大等異常情況進(jìn)行報警。
鉆壓與進(jìn)給機(jī)構(gòu)力、孔壁摩擦阻力和沖洗介質(zhì)阻力、鉆具重量等因素關(guān)系密切,因變量因素較多,且不能直接測量,需通過計算方式獲得。
動力頭鉆機(jī)常規(guī)鉆進(jìn)有兩種工況:加壓鉆進(jìn)與減壓鉆進(jìn)。加壓鉆進(jìn)時鉆壓是進(jìn)給力與鉆具懸重的總和,即:
式中:p2為進(jìn)給油缸小腔壓力,A2為小腔截面積,G為對應(yīng)的鉆具懸重。
減壓鉆進(jìn)時鉆壓是懸重與提升力的差值,即:
式中:p1為進(jìn)給油缸大腔壓力,A1為大腔截面積,G為對應(yīng)的鉆具懸重。
圖1 鉆深計算流程圖
液壓動力頭鉆機(jī)采用油缸進(jìn)給,一般通過旋轉(zhuǎn)編碼器測量油缸行程,即動力頭進(jìn)尺。本文采用CAN總線型多圈絕對值編碼器,因其每個位置絕對唯一,抗干擾性好,無需掉電記憶,無需找參考點,數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。首先對動力頭的高度位置進(jìn)行標(biāo)定,動力頭在鉆架最低點設(shè)定為零位,事先用卷尺在鉆架上精確測量出動力頭上升1米的高度位置,緩慢使動力頭上升至1米高處停止,此時根據(jù)編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)可計算出編碼器輸出1個脈沖對應(yīng)的動力頭位移量。上下鉆桿時需要進(jìn)行上/卸扣操作,可通過壓力傳感器檢測上/卸扣油缸壓力判斷是上鉆桿還是下鉆桿。上鉆桿后懸重相對之前加重,下鉆桿后懸重相對之前減輕。通過動力頭高度h、上/卸扣油缸壓力與懸重的變化可計算出鉆頭在井下的位置H頭,鉆孔深度H始終對應(yīng)鉆頭位置H頭的最大值。
在顯示器中顯示鉆頭位置H頭和鉆深H就可以直觀的看到當(dāng)前的鉆孔深度以及鉆具位置,這對于經(jīng)常提下鉆的鉆孔施工來說意義重大,避免了現(xiàn)場司鉆原來需要手動記錄提下鉆的情況以及由此帶來的記錄誤差。
針對液壓動力頭鉆機(jī)施工特點,為提高鉆進(jìn)安全性,設(shè)計了鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng),通過對提升力、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆壓、鉆深、泥漿壓力等與鉆井施工密切相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)控,并進(jìn)行預(yù)警,幫助司鉆直觀地了解井底狀況,有效減少鉆孔事故的發(fā)生。