智能高效小型一體化泥漿不落地系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

溫得全，馮美貴，李 斌，蔣 睿，翁 煒，周 偉，趙志杰

（1.核工業(yè)二〇三研究所，陜西 西安 710086；2.北京探礦工程研究所，北京 100083；3.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì)（河北省礦山環(huán)境修復(fù)治理技術(shù)中心），河北 唐山 063000）

0 引言

目前，國內(nèi)固體礦產(chǎn)勘查鉆探工程現(xiàn)場普遍采用粗放型地表開挖泥漿循環(huán)系統(tǒng)和沉淀池自然沉降與人工撈砂相結(jié)合的泥漿凈化方法［1］，不僅耗時耗力，而且泥漿凈化效率和效果不理想，需要不斷替換泥漿，嚴(yán)重浪費(fèi)材料和污染環(huán)境，增加鉆探成本，也不符合綠色勘查的要求［2］。少量鉆探現(xiàn)場已開始重視采用機(jī)械分離法維護(hù)泥漿性能，雖配備振動篩、除砂器或除泥器等機(jī)械凈化設(shè)備，但工藝匹配性差、設(shè)備存在泥漿“跑冒滴漏”現(xiàn)象［3］。泥漿凈化循環(huán)處理過程主要依靠人工控制，設(shè)備啟停頻繁，存在勞動強(qiáng)度大與自動化智能化程度低等缺點(diǎn)［4］，很難推廣應(yīng)用。

綠色勘查是一種全新的勘查模式，核心是理念、根本是要技術(shù)創(chuàng)新，關(guān)鍵在工藝，重點(diǎn)在技術(shù)和裝備，泥漿不落地工藝作為綠色勘查的重要手段，重點(diǎn)是在裝備研制［5］。針對目前固體勘查泥漿凈化工藝和裝備上存在的問題，筆者提出一種適用于地質(zhì)固體礦產(chǎn)勘查的智能高效小型一體化泥漿不落地處理工藝，研制了一套小體積、模塊化和自動化程度高的巖心鉆探泥漿處理裝備，及其配套的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泥漿不落地閉環(huán)凈化處理，可有效清除有害固相、維護(hù)泥漿性能，實(shí)現(xiàn)安全、高效和綠色勘查的施工目標(biāo)［6］，提升巖心鉆探設(shè)備自動化、智能化水平［7］。

1 小型一體化泥漿不落地循環(huán)處理工藝

針對固體礦產(chǎn)鉆探施工泥漿處理量小、單孔施工周期短、搬遷頻繁、交通不便和鉆機(jī)底座低的特點(diǎn)［8］，提出固體礦產(chǎn)勘查小型一體化泥漿不落地閉環(huán)循環(huán)處理工藝，其工藝流程如圖1 所示。

圖1 小型一體化泥漿不落地閉環(huán)處理工藝流程Fig.1 Small integrated closed loop mud non-anding treatment process

（1）地表孔口返出的泥漿通過循環(huán)槽流入與地表平齊的過渡罐中，根據(jù)罐內(nèi)液位監(jiān)測與自反饋控制系統(tǒng)，過渡泵自動抽取泥漿至循環(huán)罐的凈化倉。

（2）供液泵抽取凈化倉的泥漿至變頻離心機(jī)，根據(jù)砂巖地層或泥巖地層調(diào)整變頻離心機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行有害固相分離，處理后的液相排至循環(huán)罐的循環(huán)倉中。當(dāng)泥漿性能符合施工需求時，泥漿不需要經(jīng)過固控設(shè)備，直接經(jīng)過凈化罐上部溢流口溢流至循環(huán)倉。分離后的固相集中回收處理。

（3）泥漿泵通過罐外管線抽取循環(huán)倉及凈化倉的泥漿，實(shí)現(xiàn)泥漿循環(huán)利用。

2 小型化裝備及自動智能化控制系統(tǒng)研制

根據(jù)固體礦產(chǎn)勘查鉆探設(shè)備、施工工藝和地層特性等，提升鉆探技術(shù)裝備自動化智能化水平，減輕現(xiàn)場工人勞動強(qiáng)度，維護(hù)孔壁穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率和泥漿利用率，減少廢漿排放，同時便于快速安裝、拆卸與搬遷等，以滿足鉆探工程智能、高效、安全、綠色勘查發(fā)展為需求，開展模塊化、小型一體化和自動化智能化泥漿凈化裝備研制。筆者結(jié)合北方砂巖型鈾礦勘查鉆孔深度1000 m 以淺、鉆孔口徑?113 mm、無套管裸眼鉆進(jìn)、一徑到底［9］的提鉆取心鉆進(jìn)工藝，采用XY-5 型立軸鉆機(jī)、3NBB260/7 型泥漿泵、18A36T 型鉆塔、150 kW 發(fā)電機(jī)組等落地式鉆探機(jī)組設(shè)備為例，進(jìn)行智能高效一體化泥漿凈化裝備研發(fā)。

2.1 裝備組成

小型一體化泥漿不落地系統(tǒng)主要由儲存系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、循環(huán)管匯及自動化智能化控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 小型一體化泥漿不落地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the small integrated mud non-landing system

2.2 泥漿循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

固體礦產(chǎn)勘查目前常用鉆機(jī)為便攜式全液壓、立軸式、車載式（拖車式、履帶式）等巖心鉆機(jī)［10］，鉆機(jī)底座較低，孔口返出的泥漿一般采用地表開挖泥漿坑進(jìn)行循環(huán)使用，循環(huán)槽長度一般為10～15 m 甚至更長，內(nèi)寬220～250 mm，泥漿池體積一般為鉆孔體積的2～3 倍［11］。為避免孔口返出泥漿與地表直接接觸，滲漏造成環(huán)境污染，本文采用可重復(fù)利用的可移動循環(huán)槽和過渡罐。結(jié)合北方砂巖型鈾礦鉆探工程，設(shè)計(jì)過渡罐體積1 m3，沉降后與地表平齊，配有與泥漿泵排量相匹配的變頻過渡泵、超聲波液位計(jì)及自反饋智能控制模塊；設(shè)計(jì)一體化撬裝循環(huán)罐，分凈化倉與循環(huán)倉，隔倉間設(shè)有溢流口，罐體長度一側(cè)設(shè)有清水管路，用于清洗罐內(nèi)與罐面設(shè)備，泥漿凈化倉和循環(huán)倉體積10 m3，泥漿循環(huán)系統(tǒng)總有效容積10 m3，滿足深度1000 m 以內(nèi)取心?113 mm 鉆探施工需求；設(shè)計(jì)不落地閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，現(xiàn)場不需挖設(shè)循環(huán)槽、泥漿池和廢漿坑，既保護(hù)環(huán)境，又減少附屬工程；設(shè)計(jì)可移動循環(huán)槽上設(shè)有活頁式蓋板，既可觀察孔內(nèi)返回泥漿的流動狀態(tài)，也可防止因雨水等進(jìn)入造成泥漿溢流與污染。循環(huán)槽材質(zhì)可選用輕質(zhì)鋁合金，便于根據(jù)場地空間進(jìn)行布置，循環(huán)槽由2 m 長的3 段組成，每段中間每隔2 m 交錯設(shè)置一個擋板，進(jìn)行自然沉降初級處理，減少進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的固相含量。

2.3 固控設(shè)備選擇

依據(jù)固體礦產(chǎn)回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)工藝，泥漿中有害固相基本為微小顆粒和細(xì)目顆粒。一般傳統(tǒng)的泥漿固控設(shè)備主要包括振動篩、除砂器、除泥器和離心機(jī)等，四級固控系統(tǒng)工藝復(fù)雜、體積大、能耗高［12］，與巖心鉆探泥漿處理需求特性不匹配，并且振動篩、除砂器、除泥器存在嚴(yán)重“跑冒滴漏”現(xiàn)象，無法滿足綠色勘查要求。因固體礦產(chǎn)勘查泥漿粘度大，固相微小顆粒一般為泥質(zhì)含量，需采用更大的離心力才能分離，優(yōu)選變頻離心機(jī)作為固控設(shè)備。變頻離心機(jī)能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，可根據(jù)地層條件和泥漿中固相含量，調(diào)整其轉(zhuǎn)速，可清除5 μm 以上粒徑固相［13］，適應(yīng)性廣，滿足不同口徑、孔深和全面鉆進(jìn)、普通提鉆取心與繩索取心工藝的需求。

2.4 自動化智能化控制系統(tǒng)

自動化智能化控制系統(tǒng)主要由自反饋雙變頻控制和遠(yuǎn)程可視化在線數(shù)字化控制系統(tǒng)組成（圖3）。自反饋雙變頻控制系統(tǒng)主要由超聲波液位計(jì)、高性能矢量PID 變頻器［14］、自反饋智能控制模塊和變頻電機(jī)等組成。遠(yuǎn)程可視化在線控制主要由數(shù)據(jù)采集模塊、變頻控制模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制模塊等組成。系統(tǒng)集智能變頻PID 控制、在線遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測與控制技術(shù)于一體，通過數(shù)據(jù)采集與實(shí)時處理，實(shí)現(xiàn)過渡泵的自反饋智能控制與離心機(jī)的遠(yuǎn)程可視化變頻控制。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)云存儲和設(shè)備故障報(bào)警、保護(hù)等功能。

圖3 現(xiàn)場與遠(yuǎn)程可視化控制系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of the site and remote visual control system

數(shù)據(jù)采集模塊優(yōu)選智能型非接觸式液位測量儀表，根據(jù)過渡罐高度等參數(shù)匹配量程，超聲波液位計(jì)在距離罐體表面20 cm 處安裝，減小罐體中測量盲區(qū)和測量誤差［15］，供電電壓DC24 V、信號模擬輸出4～20 mA。

變頻控制模塊可實(shí)現(xiàn)過渡泵閉環(huán)PID 變頻自反饋智能控制和離心機(jī)開環(huán)VFD 變頻控制。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況，結(jié)合室內(nèi)正交試驗(yàn)建立的數(shù)學(xué)模型與工程經(jīng)驗(yàn)對系統(tǒng)PID 參數(shù)進(jìn)行整定與自適應(yīng)智能反饋調(diào)節(jié)，液位閉環(huán)高性能矢量PID 變頻控制調(diào)節(jié)如圖4 所示。針對不同鉆探工藝和地層特性對泥漿性能要求的不同［1］，采用開環(huán)VFD 變頻控制離心機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖4 PID 自反饋控制示意Fig.4 PID self feedback control diagram

物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制模塊可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程可視化控制。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

研制的小型一體化泥漿不落地系統(tǒng)在鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦礦產(chǎn)資源調(diào)查評價(jià)與勘查項(xiàng)目中成功應(yīng)用。鉆進(jìn)工藝為泥漿正循環(huán)回轉(zhuǎn)提鉆取心鉆進(jìn)，孔深600～900 m，不取心地層使用?133 mm 復(fù)合片鉆頭全面鉆進(jìn)，取心地層使用?113 mm 復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)至終孔。使用的鉆探設(shè)備為XY-5 型落地式鉆機(jī)、3NBB260/7 型泥漿泵和150 kW 發(fā)電機(jī)組。配套TGLW350-BP 型變頻離心機(jī)，其有效處理量為6 m3/h，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速0～2400 r/min，分離粒度5 μm及以上。鉆具組合為：?89 mm 巖心管+?68 mm 鉆鋌+?60 mm 鉆桿。現(xiàn)場應(yīng)用見圖5。圖6 為現(xiàn)場自動化智能控制系統(tǒng)界面。

圖5 泥漿不落地設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用Fig.5 Mud non-landing equipment field application

圖6 自動化智能化控制系統(tǒng)界面Fig.6 Automatic and intelligent control system interfaces

現(xiàn)場應(yīng)用4 個鉆孔累計(jì)2853 m 鉆探工作量，使用泥漿不落地設(shè)備后從根本上改變了原有粗放型的泥漿處理工藝，取得了良好的成果。

（1）智能高效方面：整套系統(tǒng)已累計(jì)運(yùn)行超過75 d，運(yùn)行過程設(shè)備安全平穩(wěn)可靠。過渡罐液位自反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了過渡泵自動智能運(yùn)行，避免了因過渡泵電機(jī)干燒、罐內(nèi)泥漿溢流等需要停鉆等問題，減少了停待等輔助作業(yè)時間，提高了施工效率；融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變頻過渡泵和變頻離心機(jī)遠(yuǎn)程可視化控制，包括開啟關(guān)閉、運(yùn)行數(shù)值實(shí)時在線顯示與無級調(diào)速等功能；設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線可視化監(jiān)測系統(tǒng)可為項(xiàng)目管理人員和技術(shù)人員實(shí)時掌握現(xiàn)場情況、進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與技術(shù)指導(dǎo)提供在線化依據(jù)，為鉆探工程安全高效管理賦能，一定程度上提升了泥漿不落地技術(shù)裝備自動化、智能化、信息化水平。

（2）環(huán)保方面：施工過程泥漿不接觸地表，循環(huán)閉環(huán)凈化處理，實(shí)現(xiàn)了泥漿不落地，解決了泥漿就地掩埋環(huán)境污染隱患大、地貌恢復(fù)難度大和占用土地面積大的難題，滿足綠色勘查要求。

（3）技術(shù)方面：根據(jù)不同地層特性，無級調(diào)節(jié)變頻離心機(jī)轉(zhuǎn)速，有效維護(hù)泥漿性能［16］。泥漿中有害固相經(jīng)變頻離心機(jī)高效分離后，有害固相含量明顯降低，流變性變好，濾失量降低，泥餅質(zhì)量變好，預(yù)防了粘附、卡鉆和埋鉆等孔內(nèi)事故的發(fā)生，保障了鉆孔質(zhì)量。

（4）經(jīng)濟(jì)方面：現(xiàn)場不需挖設(shè)循環(huán)槽、泥漿池和廢漿坑，減少了修建、填埋泥漿坑等附屬工程。泥漿循環(huán)使用，大幅節(jié)約了泥漿材料、施工用水和遠(yuǎn)途運(yùn)輸水的成本；不需要配備專門人員負(fù)責(zé)過渡泵及處理溢出泥漿，減輕了現(xiàn)場工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)約了施工人力成本。

通過現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，該工藝提高了鉆探施工效率，降低了鉆探施工成本，可實(shí)現(xiàn)巖心鉆探綠色、高效、安全施工。

4 結(jié)語

（1）一體化小型泥漿不落地系統(tǒng)滿足地質(zhì)礦產(chǎn)勘查不同地層特性和鉆探工藝泥漿凈化需求，符合綠色勘查要求，提高鉆進(jìn)效率、降低施工成本。

（2）智能高效變頻控制與遠(yuǎn)程可視化控制，實(shí)現(xiàn)無人值守自動化智能化運(yùn)行，減少現(xiàn)場鉆探作業(yè)人數(shù)，提升鉆探設(shè)備運(yùn)行信息化和自動化智能化水平，為鉆探智能、安全、高效實(shí)施提供有力技術(shù)支撐。

（3）一體化泥漿不落地循環(huán)處理工藝可拓展應(yīng)用于便攜式全液壓鉆機(jī)、立軸鉆機(jī)和車載鉆機(jī)（拖車式、履帶式）等底座低的巖心鉆機(jī)，建議加快推廣應(yīng)用。