MDES2000型微鉆實(shí)驗(yàn)裝置的研制

劉 蓓，胡遠(yuǎn)彪

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

在進(jìn)行地質(zhì)鉆探施工時(shí)，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(zhì)鉆探面臨的主要任務(wù)是如何優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)、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(jī)理和鉆進(jìn)工藝等方面入手。為適應(yīng)現(xiàn)代化科學(xué)鉆探及教學(xué)實(shí)際所需，給鉆頭設(shè)計(jì)、碎巖效率及鉆進(jìn)規(guī)程與地層的適應(yīng)性研究等提供科研平臺(tái)，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)超深鉆探國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了MDES2000型微鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

MDES2000型微鉆實(shí)驗(yàn)裝置是測定(評價(jià))金剛石鉆頭性能、巖石可鉆性及鉆頭與鉆進(jìn)地層適應(yīng)性的專用實(shí)驗(yàn)裝置。在室內(nèi)設(shè)定的測試條件下，使用微型鉆頭對巖樣進(jìn)行智能化鉆進(jìn)，采用現(xiàn)代精密測試技術(shù)(硬件和軟件)進(jìn)行全程跟蹤測量、記錄鉆進(jìn)狀態(tài)的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與技術(shù)參數(shù)，同時(shí)應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，評價(jià)金剛石鉆頭與巖石的適應(yīng)性及鉆進(jìn)效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成

MDES2000型微鉆實(shí)驗(yàn)裝置主要由3部分組成，即鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、主機(jī)控制操作平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。在鉆進(jìn)過程中，該實(shí)驗(yàn)裝置具有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、處理和存儲(chǔ)功能，并且可通過手動(dòng)或程序控制完成鉆進(jìn)工作[2]。

1.1 鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是各機(jī)構(gòu)行為功能的具體實(shí)現(xiàn)部分，執(zhí)行主機(jī)操作控制臺(tái)發(fā)出的指令，完成鉆孔定位、給壓、鉆進(jìn)及轉(zhuǎn)速控制等一系列工作。鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)通過安裝的測試傳感器，同步測量鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速及扭矩等數(shù)據(jù)，并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號反饋給主機(jī)控制操作平臺(tái)。

鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要機(jī)構(gòu)組成包括:動(dòng)力頭(三相同步變頻電機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉆進(jìn)主軸機(jī)構(gòu)、同步帶及鉆具等)、提升給進(jìn)機(jī)構(gòu)(伺服電機(jī)、升降機(jī)、上平臺(tái))、平臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)(齒輪減速電機(jī)Ⅰ、齒輪減速電機(jī)Ⅱ、鏈輪鏈條機(jī)構(gòu))、泥漿循環(huán)系統(tǒng)(冷卻泵、泥漿池、水龍頭)、數(shù)據(jù)測量傳感元件(拉壓傳感器、反扭矩傳感器、伺服電機(jī)、變頻器)。

圖1 鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

動(dòng)力頭可實(shí)現(xiàn)巖石鉆進(jìn)功能，提供鉆頭需要的轉(zhuǎn)速和扭矩。采用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。利用梯形齒皮帶輪傳輸動(dòng)力，可保證鉆進(jìn)時(shí)所需的更大的扭矩，并確保鉆進(jìn)主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步變化。

提升給進(jìn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭在鉆進(jìn)時(shí)給進(jìn)、增壓、提升鉆具等功能。采用伺服電機(jī)和SWL型升降機(jī)控制動(dòng)作，由于伺服電機(jī)位移控制精確，還可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)速度的測量反饋工作。采用轉(zhuǎn)速比16∶1的升降機(jī)可提供足夠的鉆進(jìn)壓力。

平臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭在水平面內(nèi)的四方向運(yùn)動(dòng)。在鉆進(jìn)開始(完畢)時(shí)，可完成定位或移動(dòng)孔位工作，前后移動(dòng)功能采用減速電機(jī)和鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，左右移動(dòng)功能采用減速電機(jī)和絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在左右移動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝有鉆具扶正機(jī)構(gòu)，鉆進(jìn)狀態(tài)下可控制鉆具震動(dòng)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(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)冷卻鉆頭和攜帶巖粉的功能。實(shí)驗(yàn)臺(tái)底箱被分為巖樣箱和泥漿池兩個(gè)部分，泥漿通過冷卻泵進(jìn)入鉆桿內(nèi)，流經(jīng)鉆頭攜帶巖粉進(jìn)入巖樣箱，經(jīng)過沉淀之后的泥漿流入泥漿池，從而形成一個(gè)完整循環(huán)過程。

數(shù)據(jù)測量傳感元件用于測量和采集鉆進(jìn)時(shí)的鉆壓、反扭矩、轉(zhuǎn)速和鉆速，包括拉壓傳感器、反扭矩傳感器、伺服電機(jī)系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)，通過電子測量和采集元件把數(shù)據(jù)信號傳輸給PC系統(tǒng)。

1.2 主機(jī)操作控制臺(tái)

主機(jī)操作控制臺(tái)主要由一臺(tái)工業(yè)平板PC機(jī)與一系列的功能開關(guān)組成(見圖2)。操作臺(tái)通過PC機(jī)的可視化界面監(jiān)控、顯示鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可通過手動(dòng)或系統(tǒng)程序向鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)發(fā)出需要完成的動(dòng)作指令。采用控制手柄可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭在水平面內(nèi)4個(gè)方向的(前、后、左、右)運(yùn)動(dòng)，上升/下降開關(guān)可控制動(dòng)力頭的提下鉆、給進(jìn)、加壓等豎直方向的動(dòng)作，速度控制開關(guān)(轉(zhuǎn)速控制旋鈕和給進(jìn)速度控制旋鈕)可控制動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)速度和給進(jìn)速度(分別采用變頻系統(tǒng)和伺服電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速)，其他控制開關(guān)還可以完成恒壓或恒速鉆進(jìn)及水泵啟停等操作功能。

圖2 主機(jī)操作控制臺(tái)

1.3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集、處理、顯示和存儲(chǔ)等后臺(tái)程序。在進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是利用安裝在鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的傳感器采集數(shù)據(jù)，通過已編程的函數(shù)功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行程式化轉(zhuǎn)換處理，最后以表盤方式實(shí)時(shí)顯示鉆進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)速、鉆速、鉆壓、扭矩等參數(shù)，并在底部的圖形區(qū)域以不同顏色分別繪制扭矩－時(shí)間曲線T=f(t)、鉆速－時(shí)間曲線V=f(t)和鉆壓－時(shí)間曲線P=f(t)。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)文件可保存或?qū)С鲋列枰奈恢?見圖3b)。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)操作步驟。

(1)數(shù)據(jù)采集。開機(jī)后自動(dòng)進(jìn)入“微型鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，首先點(diǎn)擊右上角的“啟動(dòng)采集”按鈕即可實(shí)時(shí)顯示鉆進(jìn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)自動(dòng)記錄下歷史數(shù)據(jù)。這時(shí)在“啟動(dòng)采集”按鈕下方顯示“數(shù)據(jù)采集中……”的指示燈，信號采集頻率為10 Hz。

(2)導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)。在歷史記錄曲線框區(qū)域中的任意位置內(nèi)長按，彈出右鍵菜單，如圖3(a)所示，然后選擇“導(dǎo)出”→“導(dǎo)出數(shù)據(jù)至Excel”，會(huì)彈出Excel表格，如圖3(b)所示，并記錄有鉆進(jìn)過程中的各項(xiàng)歷史數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊Excel軟件中的“另存為”按鈕即可將采集的歷史數(shù)據(jù)保存至本機(jī)任意位置，還可通過“USB”接口(見圖2)復(fù)制至外部存儲(chǔ)設(shè)備，備后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

(3)退出系統(tǒng)。點(diǎn)擊“啟動(dòng)采集”按鈕，以停止數(shù)據(jù)采集工作，然后點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”按鈕即可退出數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

2 智能控制原理

MDES2000型微型鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)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(jié)合，其工作控制原理如圖4所示?；竟ぷ骺刂圃頌?鉆進(jìn)執(zhí)行—反饋實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)—調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)—控制鉆進(jìn)狀態(tài)。

圖4 MDES2000型微鉆實(shí)驗(yàn)裝置工作原理

進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳感器(元器件)采集鉆壓、扭矩、鉆速及轉(zhuǎn)速等參數(shù)，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(zhuǎn)速[4])把數(shù)據(jù)信號傳輸給PC，鉆壓、扭矩、鉆速及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)經(jīng)微型鉆進(jìn)試驗(yàn)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(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化狀態(tài)[5]，若PC機(jī)通過有線或無線連接至Internet，可遠(yuǎn)程監(jiān)控鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)下載和保存數(shù)據(jù)[6，7]。操作人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求，通過主機(jī)操作控制臺(tái)調(diào)整微鉆實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)鉆速和鉆壓改變;通過變頻器控制動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)電機(jī)的電壓和頻率從而控制回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩;通過設(shè)置在鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)上的限位信號開關(guān)還可控制動(dòng)力頭上、下行程范圍，以保護(hù)設(shè)備安全。

圖5 主機(jī)操作控制臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)原理

3 技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用

3.1 基本參數(shù)

MDES2000型微鉆實(shí)驗(yàn)裝置基本功能包括動(dòng)力的啟動(dòng)和停止、鉆具的升降、沖洗液壓力和流量控制等，可完全實(shí)現(xiàn)人工與智能化程控，其主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1?？紤]到微鉆實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用領(lǐng)域和測量精度的要求，為方便維護(hù)和維修，降低經(jīng)濟(jì)成本，盡量降低各機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，因此只安裝了必備的數(shù)據(jù)參數(shù)測試元器件，滿足用戶所需實(shí)驗(yàn)參數(shù)即可。

3.2 實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

表1 MDES2000主要技術(shù)參數(shù)

目前，MDES2000型微鉆實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)調(diào)試完畢，經(jīng)過測試其精度完全滿足基本試驗(yàn)工作需要。圖6是在微鉆實(shí)驗(yàn)裝置上采用新研制的某型號金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)素混凝土塊時(shí)的鉆進(jìn)參數(shù)變化曲線，由于素混凝土強(qiáng)度較低且氣泡狀孔隙多，在鉆頭鉆進(jìn)破碎過程中，鉆壓成增大和減小2個(gè)階段循環(huán)波動(dòng)變化，可看到扭矩變化與鉆壓變化趨勢相一致，鉆進(jìn)速度比較穩(wěn)定，保持在5 m/h左右，說明實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際鉆進(jìn)情況，工作性能穩(wěn)定。

圖6 鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)變化曲線

微鉆實(shí)驗(yàn)裝置可為現(xiàn)場實(shí)際鉆探工作提供充分的實(shí)驗(yàn)鉆進(jìn)參數(shù)和效果評價(jià)，優(yōu)化鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)[8]。根據(jù)實(shí)際鉆探的需要，可采用相應(yīng)規(guī)格的鉆頭(不僅僅局限于金剛石鉆頭)，同時(shí)確定模擬地層的巖樣，利用微鉆實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行室內(nèi)模擬鉆進(jìn)試驗(yàn)。通過對鉆壓、回轉(zhuǎn)速度、扭矩及泵量等參數(shù)進(jìn)行組合試驗(yàn)，對比不同參數(shù)組合情況下鉆進(jìn)時(shí)的鉆速變化，可以優(yōu)選出鉆進(jìn)效率最高時(shí)對應(yīng)的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)指標(biāo)。通過歷史存儲(chǔ)參數(shù)表還可查出影響鉆進(jìn)效率的主要因素，為下一步實(shí)驗(yàn)提供改進(jìn)方案。

微鉆實(shí)驗(yàn)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(jìn)行分級[9]。測量單位進(jìn)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(jìn)尺或單位碎巖體積的比值即為巖石的相對研磨性指標(biāo)。基于微鉆實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用微型專用鉆頭鉆進(jìn)現(xiàn)場取回的巖心，并采集鉆進(jìn)速度等參數(shù)指標(biāo)[10]。從而可對比不同巖石的研磨性和可鉆性。

微鉆實(shí)驗(yàn)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(jìn)規(guī)程參數(shù)，研究單位時(shí)間或單位回次鉆頭的磨耗量，在保證鉆速要求的同時(shí)選擇鉆頭使用壽命長的規(guī)程參數(shù)，以提高經(jīng)濟(jì)效益。另外，還可用于新型鉆頭的碎巖能力及碎巖機(jī)理的研究，檢測類似剎車片等摩擦材料質(zhì)量，測量摩擦材料磨耗比等。

4 結(jié)語

MDES2000型微鉆實(shí)驗(yàn)裝置全部系統(tǒng)(硬件和軟件)均由中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)超深鉆探國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)研發(fā)，并在室內(nèi)做了一些試驗(yàn)進(jìn)行檢測，其鉆進(jìn)、監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和人工/智能控制性能均能滿足以上實(shí)驗(yàn)測試的要求，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)初期預(yù)想的效果。該實(shí)驗(yàn)裝置將用于教學(xué)、科研和對外服務(wù)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(jìn)規(guī)程及碎巖機(jī)理等工作提供了很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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