全液压深孔岩心钻机CAN总线钻进参数监测系统的研究

【摘要】随着经济快速发展,我国资源与能源消耗量巨大,而资源的匮乏将严重阻碍我国经济建设的步伐。为此,国务院在“关于加强地质工作的决定”(国发[2006)4号文)中强调“应大力推进深部和外围找矿工作,提高基础地质调查程度”。从此,国内掀起了在边远地区和深部找矿的热潮。钻探技术是获取地下深部勘探对象实物地质资料的唯一手段。钻探的工作对象是地壳,由于地壳岩石自身的复杂性,加之钻进过程发生在地下深部,使得钻探工程具有耗资大、风险高的特点。随着找矿工作的难度和深度加大,凭经验控制钻探过程更加困难,孔内事故时有发生。据不完全统计,每年因孔(井)内钻探事故造成的经济损失数以亿元计。因此,国内外钻探(井)界都清醒地认识到,为钻探机械配上“钻探参数监测仪表”(以下简称“钻参仪”),实施钻探过程的连续监测,识别并预报孔内异常工况,是由凭经验打钻走向科学施工的必由之路,是降低孔(井)内事故率,实现高效、低成本钻探生产的关键技术措施,也是落实国务院加强地质工作决定的重要战略任务之一,是促进钻探技术进步实现深部钻探的物质基础。在找矿工作量逐年递增,钻孔深度越来越深的背景下,国内地勘钻探企业普遍开始对岩心钻探装备进行更新和升级。论文以国内外钻机主要发展方向——全液压深孔岩心钻机为基础,研究配套的钻进参数监测仪表,符合未来的发展方向,具有实际意义和实用价值。笔者参与了中国地质大学(武汉)鄢泰宁教授主持的国家高技术研究发展计划(863计划)重点项目“2000m地质岩心钻探关键技术与装备”子课题“高精度钻探参数监测系统研制”(2007AA060701)和中国地质调查局“科学超深井钻探技术方案预研究”(SinoProbe05-06)中专题十二“钻进数据采集、传输与处理技术的研究”,主持了国家发展和改革委员会和中国地质调查局“中国地质调查局地质队伍“野战军”技术装备专项调整项目”中的“岩芯钻进试验台录井系统”(CGS-ZB-2011-0018)和校级中央高校基本科研业务费专项资金“深部钻探参数的采集、处理和优化研究”(CUGL120249)。在这些项目中,以全液压岩心钻机和配套设备为主,研究了各个钻进参数的检测方法、工作原理、传感器选型和安装方式等。利用这些项目研究的成果,我们研制了CUG-X系列钻探参数监测系统。CUG-X系列钻参仪的整体设计方案为：采用模块化设计,各个传感器依据位置、功能等分布在钻机和配套设备上；数据采集模块采取就近原则对1个或多个传感器进行信号处理,使其数字化；依据现场分布使用CAN总线将各个采集模块的数据进行汇总,通过通用串行接口USB将所有数据交由计算机处理；借助计算机的强大数据处理功能,扩展多种功能。借助这套方案,研制的CUG-2成功应用于山东乳山金青顶金矿区ZK43-1孔,CUG-3以及CUG-3A应用于成都探矿工艺研究所的岩心钻进试验台,也应用在轻便全液压动力头钻机和XY-8立轴式钻机和配套设备上。全文共分六章,各章的主要研究内容概述如下：第一章、阐述论文选题的来源、研究目的、研究意义及国内外研究现状,概述论文的主要研究内容及采用的技术路线。第二章、基于现场钻探设备、工艺对钻进参数监测仪的需求的调研结果,结合系统的研制目标和关键技术,提出系统的主体设计方案。第三章、从钻进工艺出发,归纳了钻进过程或工程录井中必须准确测量的钻压、功率、扭矩、泵压、泥浆返量、泥浆温度、回转器转速、液压马达转速、泵量、动力头(或立轴给进)位移、泥浆池液面高度等参数,并对其进行分类,详细讨论了笔者在科研中检测这些参数的方法和工作原理,阐述了传感器的选型方法和安装方式。第四章、重点论述笔者自行研制的数据采集板和数据通讯的组成和原理,以及实现各个功能的电路设计和思路。第五章、遵循理论联系实际和实践检验理论设计的原则,详细介绍了CUG-2钻参仪在山东乳山金青顶金矿区ZK43-1孔和CUG-3A在成都探矿工艺研究所岩心钻进实验台的生产、应用情况,简单介绍了其它方面(如XY-8钻机)的应用。第六章、结论与展望,总结了全文的主要创新与研究成果,同时也指出了课题研究过程中存在的不足之处,对进一步的研究工作提出了展望和一些建议。综观全文,论文的主要创新点及研究成果如下：主要创新点：1、针对全液压动力头岩心钻机和相关设备,首次提出用压力传感器测压差和接近开关测流量的新方法对钻机液压动力头的回转扭矩和功率进行检测,研制的钻进参数监测系统成功应用于钻探现场。2、深部岩心钻探多种钻进工艺并存,工艺、设备、机具复杂,钻进参数改变频繁,且紧急情况下要求处理迅速。论文对全液压钻机立轴、转盘、动力头、顶驱等部件在单一工艺和组合工艺条件下的参数实时监测方法,工艺切换判据,快速换装模块与连接等关键技术展开深入研究,使我们研制的钻参仪能适应国内钻探现场需求,降低成本,便于推广3、针对深部钻探孔内事故多发的特点,研制的钻参仪具备孔内典型工况快速识别功能,并在此基础上提出了开发低成本钻参仪的设计方案。主要研究成果：1、针对全液压岩心钻机和配套设备的特点,研究了各参数的测试原理,完成了各传感器的选型设计与安装设计,并在生产实践中得到了验证。2、在对各类传感信号归类的基础上,有针对性地设计、研制了专用数据采集板,可集中处理大多数钻探测试信号。3、依据钻探现场的特点,优化了模块化设计,采用CAN总线将各个分散的测试点联接起来,借鉴DEVICENET总线电缆形式将电源和信号线合二为一,简化了连接和布线方式,避免了现场电缆蜘蛛网状的乱象。4、论文认真总结了笔者多年来从事钻进参数测试的科研成果与经验,对存在的主要问题进行了分析,提出了改进设计的方案或思路。笔者展望,随着国内深部岩心钻探工作量的递增,深部岩心钻机和配套设备的研制工作也如火如茶地发展。新型钻探设备和新的钻进工艺需要新的测试方法和手段,深孔岩心钻探工作量的增长也将加大对钻参仪的需求,今后的研发工作将越来越多。我们必须紧随钻探设备和技术的进步,将现代测试技术、计算机技术、数据处理和信号传输技术与钻探技术结合起来,发挥我校在这方面的传统优势,加紧深入研究,与国内外其它同行一起继续致力于该技术的进一步完善。本文是笔者多年来在导师指导下从事钻进参数测试研究工作的总结,希望能为钻进参数检测系统在国内的推广应用起到借鉴与促进作用。
【作者】张涛；
【导师】蒋国盛；
【作者基本信息】中国地质大学，地质工程，2014，博士
【关键词】钻进参数监测；全液压；深部钻探；CAN总线；

【参考文献】
[1]罗静.数据挖掘技术在入侵检测中的应用[D].西安电子科技大学,2004.
[2]李政.瑞替普酶在急性肺动脉栓塞溶栓治疗的疗效及安全性评价[D].河北医科大学,内科学（专业学位）,2014,硕士.
[3]雷禹.基于强鲁棒性的SAR图像目标识别方法研究[D].广东工业大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[4]郭春锦.鄂尔多斯市乌审旗人才资源开发利用的实证分析与对策研究[D].内蒙古大学,公共管理,2014,硕士.
[5]李成,孙路,田润澜,毕笃彦.基于交叉皮质模型的单幅图像阴影检测算法[J].自动化学报,2014,12:2887-2898.
[6]董雁飞.保险公司员工培训体系研究[D].北京交通大学,2008.
[7]祁玉斌.硅基仿生自清洁表面的制备及其润湿特性的研究[D].青岛理工大学,机械设计及理论,2012,硕士.
[8]苏婷婷.农业发展银行A行信贷支持水产加工企业的风险管理研究[D].华侨大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[9]边成圭.从接受美学视角看《小山词》的读者接受[J].中国韵文学刊,2015,01:22-31.
[10]弓巧娟,付前刚,李贺军.竹节状纳米碳管的控制合成[J].山西大学学报(自然科学版),2010,04:560-564.
[11]杨勇.方便甜酒酿的关键技术的研究[D].江西农业大学,农产品加工及贮藏工程,2012,硕士.
[12]周福娜,文成林,汤天浩,陈志国.基于指定元分析的多故障诊断方法[J].自动化学报,2009,07:971-982.
[13]叶婷婷.南海热带气旋的若干气候特征分析[D].南京大学,大气科学,2013,硕士.
[14]张聪.人格特质对无意识思维效应的作用[D].宁波大学,应用心理学,2014,硕士.
[15]陈宗平.桁架式钢骨的混凝土异形柱——不对称T形截面正截面承载力研究[D].广西大学,结构工程,2004,硕士.
[16]王溢祥.《恽毓鼎澄斋日记》研究[D].山西师范大学,中国近现代史,2013,硕士.
[17]郭家义.理论研究中的技术趋向对图书馆研究的影响[J].图书馆建设,2003,03:5-6+18.
[18]陈瑞瑞.基于小波变换的电弧故障检测技术研究[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2013,硕士.
[19]乔永富,周立烨.困境中的企业如何发挥计算机辅助管理作用探讨[J].机械管理开发.1996(04)
[20]周艺.FB产业园项目筹资方案比较研究[D].河北工业大学,工商管理,2013,硕士.
[21]钟惟娜.超声检查在非整倍体异常胎儿诊断中的价值[D].南京医科大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[22]汤潇潇,曾传禄.“不会不”与“一定”[J].绵阳师范学院学报,2014,12:26-31.
[23]王化成,刘亭立,卢闯.公司治理与盈余质量:基于中国上市公司的实证研究[J].中国软科学,2007,11:122-128.
[24]王雪.Ti表面构建肝素—纤连蛋白-VEGF生物功能层及抗凝/诱导内皮化评价[D].西南交通大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[25]王超.间隔事件流上的频繁情节挖掘方法研究[D].东北大学,计算机应用技术,2010,硕士.
[26]翟庆建.卷烟香原料适配性评价体系的构建[D].云南财经大学,应用统计（专业学位）,2014,硕士.
[27]周小龙.AVS及H.264双模熵解码器的硬件设计[D].山东大学,集成电路设计,2013,硕士.
[28]张芳.传承沈阳文化符号的城市品牌塑造研究[D].沈阳航空航天大学,设计艺术学,2013,硕士.
[29]李阳柳.珠三角金融产业集聚实证研究[D].广东外语外贸大学,区域经济,2013,硕士.
[30]方婕.食品接触材料重金属迁移检测的研究[D].上海交通大学,化学工程,2013,硕士.
[31]何鑫.机采鲜叶前处理技术研究[D].浙江大学,茶学,2013,硕士.
[32]罗娟.家蚕卵黄原蛋白受体（BmVgR）与配体结合及解离机制的初探[D].西南大学,生理学,2013,硕士.
[33]周双科.地震作用下压电智能杆系结构振动自抗扰控制研究[D].西安建筑科技大学,防灾减灾工程及防护工程,2013,硕士.
[34]张宝聚.网球“彩色区域”训练法的实验研究[D].山东体育学院,体育教学,2012,硕士.
[35]陶春燕.急性心肌梗死患者脂蛋白a与冠脉病变程度之间的关联分析[D].苏州大学,临床医学,2013,硕士.
[36]罗琴琴.浅析马里兰州公立学校的种族再隔离状况，1989-2013[D].四川外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[37]房锋俊.鸡跖骨内固定方法与肌腱修复相关性的实验研究[D].青岛大学,外科学,2004,硕士.
[38]刘义.国内保障性住房发展趋势的分析[D].河北经贸大学,技术经济及管理,2012,硕士.
[39]王芳.“晋南文化”地方课程的开发与实施研究[D].南京师范大学,课程与教学论,2012,硕士.
[40]高惠瑛,蔡晓悦,崔政环.总控模块在城市防灾信息系统中的作用[J].世界地震工程,2004,03:21-24.
[41]谢志远,刘倩,郭以贺,王岩.三相架空电力线上载波信号的传输规律[J].电力系统自动化,2012,05:57-60.
[42]邹久礼.自主挖掘机器人轨迹规划研究与控制系统设计[D].太原科技大学,机械电子工程,2014,硕士.
[43]毕振宇.Wistar大鼠咬合创伤模型牙周与颞下颌关节毛细血管铸型研究[D].南方医科大学,人体解剖与组织胚胎学,2014,博士.
[44]薛帅.A Cross-civilization Study of the Picture of Dorian Gray and Strange Tales from Make-do Studio[D].西安外国语大学,比较文学与世界文学,2014,硕士.
[45]鲍科峰.正交空腹网壳结构的静、动力性能研究[D].浙江大学,结构工程,2004,硕士.
[46]吴峰.基于无线传感器的模态测试与损伤识别[D].哈尔滨工业大学,结构工程,2013,硕士.
[47]赵莉.新疆大学生公民意识教育实践模式建构研究[D].新疆师范大学,思想政治教育,2013,硕士.
[48]刘世才.盐藻淀粉磷酸化酶基因DsSP的克隆和原核表达[D].大连海洋大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[49]黎璐.我国优秀标准舞选手身体素质训练的研究[D].北京体育大学,体育教学,2013,硕士.
[50]李淑敏.基于自然冷源的地下冷冻墙制冷系统研究[D].吉林大学,地质工程,2014,硕士.