一种基于地矿钻机的智能化钻参仪

邵 春, 卢春华, 鄢泰宁

(1.中国地质大学(武汉)资源学院,武汉 430071;2.中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 430071)

一种基于地矿钻机的智能化钻参仪

邵 春1, 卢春华2, 鄢泰宁2

(1.中国地质大学(武汉)资源学院,武汉 430071;2.中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 430071)

鉴于地矿钻参仪滞后于深孔钻探的发展,开发出了一套适用于地矿钻机的智能化钻参仪。本智能化钻参仪由四个子系统构成,即硬件数据采集子系统、软件数据处理子系统、信息网络共享子系统及工况识别子系统。本文分别介绍了四个子系统的主要功能,重点对各个子系统实现原理进行了阐述。系统目前已投入野外现场试用,应用表明,该智能化钻参仪能满足地矿深孔钻探数据采集及远程共享数据的需求。本文将为后来学者深入研究智能化钻参仪提供参考价值。

智能化钻参仪 数据采集 工况识别 数据共享

Shao Chun,Lu Chun-hua,Yan Ta i-n ing.An intelligent drill ing parameters collection apparatus based on m ineral drilling rig[J].Geology and Exploration,2010,46(5):0972-0976.

0 前言

钻进参数检测对钻进参数优化、钻机设计、钻进工艺研究具有重要作用(补家武等,2003;赵大军等,2006)。随着深部地质钻探任务的工作量迅速增长,针对钻参仪的智能化研究提上日程。钻孔质量及钻井费用,不仅取决于钻孔工艺、钻井环境、钻进条件及所钻岩层复杂性,而且取决于基于信息化的钻进参数优化、施工管理及事故预防,而要做好这些,需要配套智能化钻参仪。智能化钻参仪不仅要具有对钻进参数自动采集与管理功能,而且要具有钻进信息网络化功能,为后方钻探专家提供会诊平台,此外要具有工况识别功能,为现场钻探工程师制定合理的钻进规程参数提供参考依据。

国产的钻参仪中,上海的“神开”钻参仪在油气钻井领域普及率较高,但它主要服务于石油钻机,且智能化程度低,例如没有工况识别功能。在地矿岩心钻探领域中,由于种种原因,对于研究适合地矿钻探的智能化钻参仪的单位较少。基于此,根据当今现有的信息技术及地矿钻探设备条件,开发出了一套智能化钻参仪,并完成了室内调试及野外试用。

1 系统功能及实现原理

一个智能化钻参仪系统不仅能实时采集和显示孔深、钻压、转速、扭矩、功率、钻速、泵量、泵压、出口泥浆温度、出口泥浆流量及泥浆池液面高度等钻进工程参数,而且要能识别出典型工况:烧钻、卡钻、断钻具、钻具刺穿、埋钻、孔漏和孔溢等,此外要将这些信息进行网络共享。根据这些需求,将本系统分为四大子系统:①硬件数据采集子系统;②软件数据处理子系统。负责数据自动化存储与管理,数据图形化显示等;③信息网络共享子系统。负责将采集的钻进参数向网络上发布。④工况识别子系统。

1.1 硬件数据采集子系统

硬件数据采集子系统主要功能:采集各个传感器传来的模拟信号,并将模拟信号变为数字信号。现场主要传感器有十五个,钻机模块有9个,泥浆模块传感器有6个。这些传感器可分为两类,一类是电流信号传感器,如压力传感器、温度传感器等;另一类是频率信号传感器,如测转速的霍尔开关和测位移的编码器。硬件数据采集实现原理见图1。在具体设计电路时,要充分考虑现场施工工况。例如井深、钻速及进尺的测量都由编码器获取的微位移量累加完成,由于钻进过程中钻具往往有微小纵振,给编码器带来了虚位移,这些虚信号要在电路中滤除。

图1 硬件数据采集原理图Fig.1 Schematic d iagram show ing principle of hardware data acquisition

1.2 软件数据处理子系统

软件开发工具选用VC++6.0,VC++在图形开发上比其它软件功能要强大,开发出来的图形速度快且稳定,很多地矿采集软件由此工具开发(寇光杰等,2004;肖林京等,2007;刘量生等,2007;王裕林等2010)。本软件主要有如下几大子模块构成:

(1)数据通讯子模块。

主要有三个功能:①软件系统与硬件数据采集板之间实时通讯,采用COM口通讯;②实现软件系统无线与发射模块及接收模块之间通讯,二者之间的通讯采用USB;③实现用户与后方服务器之间的网络通讯。

(2)系统设置子模块。

实现钻进参数各自曲线的颜色、线宽、坐标范围设置,及报表颜色、界面颜色、报警值、其它设置等。

(3)数据图形显示子模块。

分为实时模块与历史模快。实时模块,实时显示当天钻进参数及曲线,数据以电子表格形式显示;历史模块,对以往钻进参数曲线进行回放,图2是对2009年1月29日钻进参数数据曲线回放。钻进参数曲线可滚动浏览,也可任意分段保存,保存图片格式为jpeg或bmp。

(4)数据自动化存储与管理子模块

图2 钻进数据采集与处理系统图形界面Fig.2 Graphical user interface of the drill ing data acquisition and processing system

现场每一秒钟采集一组数据,一天下来就有86400条数据;每一组数据有几十字段,一天数据的容量达30多兆。一口勘深井,施工周期短则几个月,长则几年。一口井累积下的数据少则几百兆,多则几十个G。如果将这些数据全部存储在一个数据库里面,象ACCESS这些小型数据库管理系统无法满足其容量要求,只能采用大型数据库管理系统进行存储。而大型数据库管理系统需要专业计算机人员管理维护,此外很难实现将某一天数据快速查询到并调入内存形成曲线图,因此只能将数据分块存储。过多的数据文件分块易出现管理混乱,为了解决此问题,数据文件存储方式采用“按钻进日期分级管理”(见图3),具体方法是:把每一天的数据存放在一个二进制数据文件里面,以当天的日期为文件名。每当系统运行到00∶00(零点)时,首先将内存中的前一天钻进数据卸掉,然后根据当前新的钻井日期自动建立新的数据文件及文件目录。这种数据文件存储管理方式,不仅易于管理,而且可以大大加速数据装载速度及查询速度。

图3 钻进数据文件分级存储管理示意图Fig.3 Sketch showing hierarchical storage management of drilling data files

1.3 工况识别子系统

钻探施工中,有时孔下工况复杂,造成事故发生,增加施工成本(朱永宁等,2007;杨德寿等,2007;孙平贺等,2010;)。为了预防事故发生及降低事故危害程度,本系统提供了工况识别功能。该子系统不仅能诊断钻具刺穿、断钻具、卡钻、烧钻、钻头非正常磨损等井下事故,还可以预测岩心堵塞情况,并具有对预测结果及时报警功能。

工况识别主要采用经验阀值识别与小波分析相结合的方法。经验阀值识别法是一种传统的识别方法,适合于简单的事故预测,但对于复杂地层产生的复杂事故预测就无能为力。而小波分析方法是一种新的多分辨分析方法,可同时进行时域和频域分析,具有时频局部化和多分辨特性,特别适合处理非稳定信号(张志禹等,2007;杨宇山等,2007;陈涛等等, 2008)。事故预测机理是首先利用小波对事故各参数进行连续分析,当被监控系统出现突然跳动或发生特殊变化时,采样信号就会发生突变。由小波分析特性可知突变点处小波系数不为零,利用这一特性,可快速找到异常事故的突发点。随后对此段时间内的各个参数数据滤波整形,观察此处的各个参数变化量,再结合经验阀值识别法,给井下工况进行定性。

工况识别实现方法是用VC开发的程序做前台(见图2),用matalib的小波分析库做后台。前台将采集的钻进参数交给后台处理分析,后台分析完后将处理的结果交给前台显示。

1.4 信息网络共享子系统

野外钻探施工地点有些位于偏远地区或深山区,没有网线、甚者没有无线网络信号,很难通过无线上网将数据传输出去,因此信号传输问题是野外施工数据远程共享的一个最主要问题。为了解决此问题,本系统采取了远距离无线传输与近距离无线传输相结合的方法(见图4)。远距离无线传输方式一般是通过CDMA(C网)或GPRS(G网)传输(杨泉等,2005;唐晓宇等,2007;郭杨等,2007;齐海兵等,2007;冯俊青等,2009;谭鉴荣等,2009;王翥等, 2010)。本系统是借助GPRS网完成远程数据传输,其数据传输机理:将数据进行压缩,然后以短信的方式将数据发射到后方的服务器,各地专家通过网路系统访问这台服务器,去了解现场的钻进信息;系统也可接受远处短信请求,将当前的钻进参数发送到对方的手机上,每请求一次发一组钻进参数。另外一种是短距离传输方式,主要为现场服务,其实现机理,在市场上购买无线发射模块上进行二次开发,其发射频率为344MHz,是公共频率。前者发射信息要根据流量收费(每节点50元/月),可发射到GPRS覆盖到的任何一个角落,距离远,节点越多、费用越高,不适合多节点大量数据传输。后者信息是免费的,可以进行任意发送,不受节点的限制,但其传输距离短,一般在方圆三公里范围以内。

图4 数据网络共享子系统结构图Fig.4 Chart of shared data network

图5 本钻参仪在山东乳山金青顶矿区ZK43-1钻孔现场应用Fig.5 Application of the drilling parameters collection instrument on ZK43-1 drilling site of the Jingqingding m ine in Rushan,Shandong

在实际钻进过程中,针对二者各自特点加以运用:①当GPRS(网)信号不通时,通过“近距离无线传输”将数据传输到附近的一个据点,再通过GPRS (G网)以长距离传输到后方指挥部。②“短距无线离传输”以多节点方式将钻进参数实时发送到位于附近多个接收机上,现场每一个工程只要配置一个接受机,不用到施工现场,在附近就可掌握钻进动态。此外每一个接收机能与电脑相连,将数据传给上位机软件进行处理显示。

2 应用情况

上述系统及子系统已经研制成功,实现了钻进参数数据实时采集、数据自动存储与管理、典型工况识别、数据短程无线传输与远程无线传输等功能。各个子系统在室内都做了严格测试。该系统曾服役于山东乳山金青顶矿区ZK43-1钻孔(设计孔深为2000米,全孔绳索取心钻进;钻机型号为YDX-5)。从2009年11月底在现场正式投入运行(见图5),一直运行至2010年3月底。从它在现场几个月的连续昼夜运行而没有出现任何问题来看,说明了它具有良好的稳定性,数据管理的科学性。

3 结论

(1)依托当前地矿深孔钻探的需求及当前信息科技的发展,开发出一套智能化钻参仪。本智能化钻参仪由硬件数据采集子系统、软件数据处理子系统、信息网络共享子系统、工况识别子系统四大子系统构成。

(2)本文对所开发的智能化系统的四大子系统分别做了介绍,重点对各个子系统的实现机理做了阐述。

(3)本系统已完成室内试验测试,并经过野外初步应用,功能达到设计要求,说明本系统的实现方法是可行的。

(4)本系统可直接应用于全液压动力头钻机上,如用于其它类型地矿钻机,主要部分(软件数据处理子系统、信息网络共享子系与工况识别子系统)不做改动,对硬件数据采集子系统做相应的修改即可。

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An IntelligentDrilling Parameter Collection Apparatus Based on M ineralDrilling Rig

SHAO Chun1, LU Chun-hua2, YAN Tai-ning2
(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences,W uhan 430074; 2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,W uhan 430074)

In view ofmineral drillingparameter apparatus lagging the developmentof deep-hole drilling,we have developed a drillingparameter apparatus suitable formineral drilling rigs.This apparatus consists of four intelligent drilling subsystems,namely,hardware subsystem for collecting data, software subsystem forprocessing data,network subsystem for sharing drilling information and drilling status identification subsystem.Thispaper describes the main functionsof the four subsystems,and focuseson the implementation principlesof the four subsystems.The device has been put into field application.The application result shows that the intelligent device can meet the requirementof drillingmining data acquisition and remote sharing needsof drilling deep holes.This paper has reference value for the further study of the intelligent drilling parameter apparatus in the future.

intelligent drilling parameter collection apparatus,data acquisition,identification of drilling status,sharing data

book=9,ebook=612

P634.5

A

0495-5331(2010)05-0972-05

2010-04-10;

2010-08-12;[责任编辑]郝情情。

课题来源于“十一五”重点项目(863):2000m地质岩心钻探关键技术与装备(编号:2007AA060701)。

邵 春(1972年-),男,讲师、博士,2006年毕业于中国地质大学(武汉),研究方向:超声波在地质中的应用,E-mail: shaochun_74@163.com。