深孔全液压钻机探参数监测系统研制及其应用研究

论文摘要

能源与矿产是影响国计民生的战略资源,随着我国经济的不断发展,中国目前主要矿产年消费量已远远大于产出量,供需缺口不断加大。开展老矿山外围和深边部找矿是解决我国上述问题的必山之路。随着资源勘探与开发工作大规模转向深部,除了要对工艺技术进行优化设计外,还需要研制出更加高效方便的钻机及与钻机配套的仪表,以实施钻探过程的连续监测,保证深孔钻进高效、优质、安全和低耗地完成。全液压钻机是对传统钻机的重大技术进步,具有钻进过程稳定、钻效高、取芯效果好、搬迁方便等显著优点,将成为未来深部钻探的主力钻机。但当前国内多数全液压钻机都没有配备真正意义上的钻探参数监测系统。为了实现科学钻探、数字钻探,必须研制与全液压钻机配套的钻探参数监测系统（以下简称钻参仪）。本文以国家863项目“2000m地质岩心钻探关键技术与装备”为依托,以与2000m全液压钻机配套的钻参仪为目标,主要研究钻进参数监测、软件系统开发、无线传输实现和现场应用等内容,其中参数监测侧重于制定检测方案、传感器选型和安装方案,无线传输主要研究其工作原理及其与系统软件的接口实现。各部分的研究概况及最终成果如下：（1）本文在调研国内外钻参仪研究现状的基础上,针对现有钻参仪存在的不足,并结合钻参仪未来发展方向和项目钻机及其配套设备特点,对本钻参仪进行了整体功能和结构设计,确定了要监测的13个地表参数。（2）按照模块化设计思路,将要检测的参数分为钻机模块和泥浆系统模块,并分别制订了切实可行的各模块参数检测方案和传感器选型与安装方案,归纳推导了计算公式,为硬件数据采集和软件计算打下基础。（3）软件系统是钻参仪的核心,本文对其进行了重点研究。文中采用多叉树的方式进行数据文件保存和管理,解决了大数据量钻探数据的表格和图形显示、加载及保存等方面的难题。设计的软件系统人机对话界面友好,简洁、美观,操作方便,功能强大。本文研究了软件系统与硬件采集电路、工矿识别模块和无线传输模块的衔接方法,并分别采用MSComm通信控件、COM组件技术、USB接口和网络通讯技术进行实现,从而将钻参仪各个功能模块组合成一个整体,在参数检测的同时,实现了典型工况的识别、报警和数据无线传输等功能。（4）本文论述了无线传输的原理和具体实现方法。采用免费的ISM频道实现近程（传输范围lkm）无线传输；采用按流量收费的GPRS技术实现远程无线传输,接收地点不受距离限制。近程与远程无线传输相结合,很好的实现了数据的共享与远程管理。（5）为了检验钻参仪与2000m全液压岩心钻机匹配的实际效果、稳定性和可靠性,从2009年8月开始在山东乳山危机矿山项目金青顶ZK43-1孔的钻孔施工中进行了生产试验。现场试验过程中钻参仪未出现大的故障,运行平稳可靠,在钻探生产过程中可实时监测各钻进参数的变化情况,及时有效地对钻进工艺进行调节,识别和预报孔内异常工况,并通过数据无线传输方便了后方基地管理作业现场,为该孔的安全高质施工提供了有力保障。该钻孔于2010年4月竣工,钻进深度超过2200m,取得了圆满成功。本文还对钻参仪的现场应用情况和效果进行了分析,对试验中出现的问题及解决方案展开了讨论。国内外钻参仪的对比研究及现场试验表明：本钻参仪是国内首套针对全液压钻机研制的钻探参数监测系统,参数检测合理,技术先进,运行稳定可靠,操作简便,并首次将无线传输技术和先进的工况识别算法应用到地矿岩心钻机上,处于国内领先水平。项目成果受到现场施工人员欢迎；曾在全国深孔钻探培训班上进行重点介绍,反响强烈；在北京举行的“全国十一五重大科技成果展”上也受到广泛好评。本钻参仪与深孔全液压钻机配套应用,将为今后实现“数字钻探”奠定基础。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 来源
• 1.1.3 课题的目的和意义
• §1.2 选题的国内外研究现状、发展趋势及存在问题
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 存在的问题及发展趋势
• §1.3 本课题研究内容和技术路线
• 1.3.1 本课题主要研究内容
• 1.3.2 拟解决的关键问题
• 1.3.3 本课题研究技术路线
• 第二章 项目设备介绍及钻参仪整体设计
• §2.1 项目钻探设备概述
• 2.1.1 钻机概述
• 2.1.2 泥浆泵概述
• 2.1.3 泥浆固控循环系统
• §2.2 钻参仪系统整体设计
• 2.2.1 深孔全液压钻机的特点及对钻参仪的新要求
• 2.2.2 钻参仪硬件模块化设计
• 2.2.3 钻参仪整体结构设计
• §2.3 钻探参数监测范围及精度指标
• 2.3.1 钻机模块钻探参数测试范围及精度指标
• 2.3.2 泥浆系统模块钻探参数测试范围及精度指标
• 第三章 钻参仪硬件系统的设计
• §3.1 参数检测原理和传感器的选型安装
• 3.1.1 钻机模块参数检测原理和传感器选型安装
• 3.1.2 泥浆系统模块参数检测原理和传感器选型安装
• §3.2 硬件电路设计
• 3.2.1 电路板功能及电路设计
• 3.2.2 数据采集板接线盒的设计及安装
• 3.2.3 数据通讯板的设计及安装
• §3.3 系统主机设计
• 3.3.1 主机箱及其功能设计
• 3.3.2 系统联机
• 第四章 钻参仪软件系统设计
• §4.1 软件系统整体功能设计
• 4.1.1 系统的运行环境及编程语言选择
• 4.1.2 功能模块的设计
• 4.1.3 系统软件数据流程
• §4.2 数据通讯功能的设计与实现
• 4.2.1 PC主机与硬件的串行通信接口
• 4.2.2 硬件与软件系统的串行通信方法及通讯流程
• 4.2.3 硬件数据采集板与软件系统间的通信协议
• 4.2.4 实时参数的处理与显示
• §4.3 数据自动化存储与管理的功能设计及实现
• 4.3.1 数据存储管理方式
• 4.3.2 今日钻进参数的保存与表格显示
• 4.3.3 历史日钻进参数查看与导出
• §4.4 图形显示的功能设计及实现
• 4.4.1 图形绘制方案
• 4.4.2 图形显示处理
• 4.4.3 图形保存
• §4.5 工况识别的功能设计及实现
• 4.5.1 工况识别系统与软件系统的混合编程方法
• 4.5.2 工况识别系统与软件系统的混合编程实现
• 4.5.3 软件系统工况显示与报警
• §4.6 系统设置功能的设计及实现
• 4.6.1 系统设置功能的设计
• 4.6.2 系统设置功能的实现
• 第五章 钻参仪无线传输系统原理及实现
• §5.1 无线传输系统工作原理
• 5.1.1 近距离无线传输的工作原理
• 5.1.2 远距离无线传输的工作原理
• 5.1.3 综合应用的工作原理
• §5.2 无线传输的软硬件结构
• 5.2.1 无线传输的软件程序
• 5.2.2 无线传输的硬件结构
• §5.3 无线传输模块和软件系统之间通信和实现
• 5.3.1 无线发射器USB驱动程序的安装
• 5.3.2 无线发射器和软件系统之间的通讯方式及实现
• 5.3.3 无线发射器与软件系统间的通信协议
• §5.4 远程无线传输通信协议及硬件设置
• 5.4.1 远程无线传输通信协议
• 5.4.2 无线发射器的设置
• 5.4.3 数据接收计算机的设置
• 5.4.4 远程接收服务器的设置
• §5.5 数据操作及网络通信
• 5.5.1 数据封装及拆封
• 5.5.2 后方数据接收计算机和服务器间网络通信的实现
• 第六章 钻参仪现场试验
• §6.1 钻探试验项目和现场简况
• 6.1.1 钻探试验项目简介
• 6.1.2 钻探试验现场简介
• 6.1.3 项目试验成果
• 6.1.4 钻参仪现场工作情况综述
• §6.2 钻参仪现场使用中出现的问题及解决
• 6.2.1 硬件系统出现的问题及解决
• 6.2.2 软件系统出现的问题及解决
• 6.2.3 无线传输出现的问题及解决
• §6.3 钻参仪现场使用及作用
• 6.3.1 数据采集现场使用及作用
• 6.3.2 无线传输现场使用及作用
• 6.3.3 工况识别现场使用及作用
• 第七章 结论与建议
• §7.1 结论
• 7.1.1 钻参仪的功能特点
• 7.1.2 研究要点
• 7.1.3 创新点
• §7.2 建议
• 7.2.1 硬件系统改进建议
• 7.2.2 软件系统改进建议
• 7.2.3 工况识别系统改进建议
• 7.2.4 无线传输系统改进建议
• 致谢
• 参考文献