CN1049038C - 钻探智能监控仪 - Google Patents

Abstract

本发明的钻探智能监控仪涉及地质岩芯钻探，实时监测的控制仪器，解决了在地质岩石钻探过程中预防孔内事故，及时反映岩石变化和孔内工况的钻探难题，该仪器利用钻工有效经验和现代钻探新理论、新技术相结合的原理实现人工智能化，由QJ80工控微机为主机3、配多路数据采集装置1、人工干预键2、显示装置4、报警装置、事故提钻执行机构、微型打印机、磁盘录音机及专用智能化软件所组成。

Description

钻探智能监控仪

本发明的钻探智能监控仪涉及地质岩芯钻探测量类的智能钻探监控仪器属现代测试技术领域。

在地质钻探中，对岩石变化、孔内工况及孔内事故预报，是长期以来国内外钻探界急待解决而又未解决的一大难题，钻探状况的不可预见性，使钻探参数选择和钻进工艺的决策存在着很大盲目性，这在找深部矿和盲矿时更为严重，目前在钻探生产中的各种钻参仪，包括钻进微机多功能监测系统，由于都是孤立地对单个数据采取设上、下限的报警方式；不具备对多参数的相互影响进行综合分析处理的能力，因而无法对钻探生产中发生的烧钻、钻头微烧、断钻杆、可钻性变化、岩石破碎、岩芯堵等进行准确显示或预报。工效提不高，浪费现象严重。

本发明的目的在于提出一种能对钻探状况随时实施监测，正确判断，并优化钻进工艺的钻探智能监控仪。

本发明的钻探智能监控仪，由主机硬件装置系统和计算机软件程序两部份组合而成，与钻机配套使用。

本发明的钻探智能监控仪是在采用现代测试技术，数据处理技术和计算机技术的基础上，充分考虑和发挥了操作人员的主观能动性，特别是人的有效的钻进判断分析方法，并吸收现代钻探新方法，建立起不同的判断模式样本，供对比、分析和判断，实现了多参数自动跟踪、综合判断、人机结合给操作员以优先处理权的最佳执行方案。实破了过去普遍采用的对参数只进行设上、下限的报警方式或孤立并列显示的模式。真正实现了对孔内事故有效报警，并根据事故预报情况采取相应措施，同时可以通过汇编的软件程序与各种不同模式进行对比、分析，从而准确判断出岩石变化及孔内工况。

上述设计思想体现了人工智能的原理，人工智能实际是汲取和模仿有经验钻工的有效的分析判断方法，采用模式识别技术，自学习技术，实现对孔内的实时监测与优化控制。所谓的模式样本有两种类型：一类是采样基础上，通过自动识别和学习而建立样本，然后对以后参数采样，通过特征提取，与样本特征比较，并进行不同模式的综合判断，最后得出结论并输出，同时鉴别样本条件是否变化，如变化，则需重新建立样本，如此往复循环下去，第二类，样本是固定的，在样本库里装着不同样本以供提取，直接与随机采集样本进行比较和判断，最后识别输出。在第二类判断方式中有二个判断子模式需特别指出，加以说明：

(1)判断岩石破碎模式，即岩石破碎系数Ka的确定： $K_A=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(A-\stackrel{\‾}{A})}^2}{\frac{n-1}{\stackrel{\‾}{A}}}}\≥\mathrm{Km}$ 其中：A：代表负荷电流瞬时值；

   A：代表负荷电流平均值；

  n：代表瞬时值个数；

  Km：代表岩石破碎界值；

这个判断模式即有钻工的丰富经验，又有现代数理统计中的变异系统概念，这样使得钻工的经验进一步科学化。

(2)岩石可钻性指数Kz： $K_Z=\frac{V}{n.\mathrm{Pm}}$ 其中：V：代表钻速；n：代表转速；Pm：代表钻压；K_z：为单位钻压下的每转切入量，它对同一钻头在一定钻压范围内是可以反映岩石可钻性大小及钻头与所钻岩石的适配情况参数的。

另外用人工智能原理中的自学习识别技术可自动消除钻进倒杆时累加进尺可能产生的误差。同样用类似方法可消除钻进中偶尔活动钻具而造成的累加进尺误差。实践证明数据采集--人工智能+现代钻探理论--实时监测优化控制的思想是新颖的、正确的，它对孔内工况的监测和判断的准确性和可靠性都是很高的。

为了发挥钻工主观能动性，该系统中还设计了五个人工干预键，有些微机处理困难而人工处理却很容易的问题，设人工干预健由人处理；一些重要的或关健的决策，计算机可自行处理，但给操作人员以优先处理权，这样人、机结合可以达最佳效果。

例如：正确称重的必要条件是钻具处于平衡状态，上缸压为零，加循环水，钻具回转，这是系统容易识别的，但对钻具是否提离孔底不易识别，而人却很容易识别，设称重干预健由操作人员判别、认定。再如频繁倒杆所引起的提动误差，可通过人工智能自动消除，但要分清是正常钻进，还是护孔、扫孔、扫残留岩芯，即此时是否应该记进尺时，系统就不易正确判别，而操作人员容易判别，故设进尺干预健由操作人员判别并正确处理。综上所述，人机结合，不但可简化设计、节约内存、还可提高系统的适应能力，扩大功能，提高应付复杂情况的能力

本发明的钻探智能监控仪的硬件系统由三部分组合而成，主机部分由QJ80单板机及48K内存扩展板、电源部分、信号输入调整板D/A转换及信号输出板组成，主机面板装有八路信号灯显示，人工干预键、电流、泵压、泵量表、单板机键盘、打印机和录音机，主机后板装有两个传感器输入插座及液压控制部分接线柱，采样部分选用八个传感器分别采样，与钻机相连接的传感器有上缸压传感器，下缸压传感器，钻速传感器、卡盘信号传感器和电流传感器，与泥浆泵相连接的有泵压传感器和泵量传感器，第三部分是执行机构，在原钻机液压系统基础上增加一个溢流阀，一个电磁换向阀，其中电磁换向阀的一条油路通过溢流阀接在齿轮泵及组合操纵阀之间；另一条油路接在节油控制阀及钻进操纵阀之间，组成新的液压系统，以执行事故自动提钻操作。

本发明的钻探智能监控仪的软件系统由四大程序包组成，全部用Z80汇编语言编写，固化在EPROM中。

具体是：循环采样程序包；主要用于转速、钻速、泵量、卡盘数字量和泵压、负荷电流、上缸压、下缸压四个模似量，数字量采集为第一级，10毫秒一次；模似量采集为第二级，50毫秒一次，全部程序由两级CTC中断服务程序组成。

数据处理程序包主要是进行数字滤波，求各参数瞬时值，平均值求均方根及变化率孔深，每转吃入深度，可钻性指数等所需的计算。

智能判断程序包，具体又由状态变化判断程序、事故判断程序、断钻判断程序、岩石判断程序、岩石破碎程序和岩芯堵判断程序组成。具有人工智能功能，能模仿人的分析判断方法，依据经过处理的各类数据，对钻进中发生的各种变化情况，事故预兆、岩石变化等情况进行报警显示，并自动采取措施。

用户监控程序包，是为了保证用户程序正确执行和提供人机对话，其中各种人工干预监测保护等程序是容混在各有关程序包中互相呼应，协同工作的，其主要功能是设置和修改数据，根据工作条件选定合适的运行程序，指挥打印或录音，显示所需参数值，检查有关内存数据，接受运行中人的必要干预、监测程度运行，保证正常工作。

本发明的钻探智能监控仪是在野外生产直接服务的为适应野外生产的各种恶劣环境，为了抵抗干扰，本仪器采用隔离变压器，干扰仰制器，低通滤波器，交流稳压器，两级直流稳压及采用独立稳压块供电接地处理等多种抗干扰措施；为提高输入信号在传输中的抗干扰能力，所有信号都在传感器侧由MV级放大整形成0-5V直流模似信号，或0-5V脉冲信号后，再进行传输，为了保证更好地消除和保护程序运行，在软件上采用了容错技术；对主机和传感器分别考虑设置了抗震措施。

图1是本发明钻探智能监控仪的硬件结构框图：

图2是本发明钻探智能监控仪的软件总框图：

在附图1中，

1是八项数据采集框图；

由负荷电流传感器；通过改进后的缓冲装置装于泥浆泵空气室上方的泵压传感器；由上缸压传感器和下缸压传感器分别对上、下油缸进行测量，测量数据通过计算机计算求得钻压的钻压传感器；探头部分与安装在泥浆泵出水泵出水管上的泵量传感器；根据液压传动原理自行研制的钻速传感器；可以提取一电信号自动接通或切断自行改制的小型行程开关触点以操纵卡盘油缸操纵杆动作的卡盘信号传感器；钻速传感器为提高信号精度和抗干挠能力，通过自行设计的印刷线路将所采用的根据液压传动原理自行研制的小型涡轮流量变送器输出的正弦波信号进行整形放大变为+5V等宽脉冲信号送出的钻速传感器；采用增加转子磁铁个数，使转子每转户生两个磁脉冲的自制磁脉冲计数器作转速传感器共同组成的八项数据采集框。

2是由称重干预键；进尺干预键；打印干预键；提钻干预键和强行记忆干预健组成的人工干预键框

3是QJ-80单板机作主机，配有二片PIO，除微型打印机占去一口外，还有3个1×8/0口供用户使用，有八通道A/D口和一通道D/A口，配备S-100总线，便于和48K内存扩展板使用，另外还配有RS-232C串行通讯口，可直接与系统机联机，该微型打印机可和主程序同时运行，且具有同时打印三条记录曲线的功能。这将使孔内钻探情况的分析更加直观，该机信号输入调整板是根据系统要求自行设计的，有八路模似信号予处理，四路数字信号输入，五路修改功能控制信号输入和五路人工干预信号输入及48K内存扩展板。

4是自行设计制造的D/A转换及信号输出板，单板机发生的信号由PIO₂口接入该板，岩芯堵显示，岩石变软显示、未称重提示显示、岩石变硬变化显示等八路显示，经放大电路输出；断钻杆报警和事故报警信号由光电隔离处理后，通过声光控制与放大线路后输出，事故提钻执行信号通过放大电路推动ACSSR固体继电器；信号输出板还设有录音源和优化电源控制电路。

本发明的钻探智能监控仪现在是与液压岩芯钻机配套使用，目前只设有一路事故提钻执行机构，该执行机构是通过液压系统增设的溢流阀和换向阀实现动作的，当主机发出事故提钻信号后，该信号通过固体继电器，控制交流电磁换向阀，由电磁换向阀控制给进油缸的油路进行切换，达到事故自动提钻的目的。

本发明的钻探智能监控仪，在野外生产试验期间，从其预报的准确性和实用方便的操作深受钻工的欢迎，它能基本如实反映孔内工况，遇到情况变化能及时通过声光报警或自动提钻，可以指导生产，具有实用性、操作使用方便。

Claims (6)

1、一种钻探智能监控仪，采用微机控制数据采集、报警显示和执行机构，其特征是控制主机采用QJ-80工业计算机，用Z80汇编语言编写出智能软件程序包，将多项随机采集到的数据，经电子处理显示，并随时与根据人工智能和现代钻探理论而设计出固定模式样本或随机模式样本进行比较、分析、判断后，采用人、机协调结合的方式执行钻进操作。

2、如权利要求1的钻探智能监控仪，其特征是所述多项数据采集分别是电流、钻速、转速、上、下缸压、泵压、泵量传感器和卡盘信号传感器进行随机数据采集。

3、如权利要求1的钻探智能监控仪，其特征是所述人机协调结合方式除微机自动控制操作系统外，还设有钻具提离孔底指示键、应付特殊情况的强行记忆、提钻、累加进尺和自动打印等人工干预键。

4、如权利要求1的钻探智能监控仪，其特征是所述智能显示由信号放大线路和岩石可钻性变强指示灯，岩石可钻性变弱指示灯、岩石破碎指示灯，岩芯堵指示灯未称重指示灯及孔内烧钻、埋钻、卡钻事故声光预报和断钻杆声光报警组成。

5、如权利要求1的钻探智能监控仪，其特征是所述作为主控制机QJ-80单板机的固化在EPROM的Z80汇编程序由监控程序包，循环采样程序包、数据处理程序包和智能判断程序包组成，

6、如权利要求1的钻探智能监控仪，其特征是所述事故提钻执行机构是在原液压系统齿轮泵后的油路中增设溢流阀和电磁换向阀，其中电磁换向阀的一条油路通过溢流阀接在齿轮泵及组合操纵阀之间；另一条油路接在节油控制阀及钻进操纵阀之间。

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