CN112554825A - 一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统 - Google Patents

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CN112554825A CN202011390660.7A CN202011390660A CN112554825A CN 112554825 A CN112554825 A CN 112554825A CN 202011390660 A CN202011390660 A CN 202011390660A CN 112554825 A CN112554825 A CN 112554825A
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Abstract

本发明公开了一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，包括水上操控系统和水下测控系统，水上操控系统与水下测控系统通信连接；水上操控系统包括第一通信模块、工控模块和人机交互模块，第一通信模块分别与工控模块和水下测控系统通信连接，人机交互模块与工控模块通信连接。该系统在钻机的钻进执行模块中增加转速、钻压等参数反馈信息，并相应在水下测控系统的比例阀控制模块中融入自适应控制算法，识别该钻进区域区块地质属性，并自适应匹配该地质环境下的官方大数据下的理论钻进速度，进行恒定转速巡航钻进，有效提高钻进效率和钻进效果。

Description

一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统
技术领域
本发明涉及一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统。
背景技术
海底岩心取样钻机是用于深海底矿产资源勘探和海洋地质科学研究的深海底地质钻探取心的专用设备，适合在海底进行普查勘探，与通常的钻探船或钻探平台有着完全不同的工作方式。海底钻机在水下工作时，与承载船只需要一条具有承载能力的脐带缆即可实现远程的能量供应和通信控制。
海底钻机的技术发展自2003年首次完成了实验样机以来，陆续完成了十余个航次、300余个有效站位的取样，为国内深海地质勘探提供了多样、有效的地质样品，进一步巩固了我国在国际深海科学考察地位。
海底钻机的测控系统，是实现钻探过程远程监测与控制的关键部件，是海底钻机的关键技术部分。目前现有海底钻机工作方式皆为开环控制，在钻机坐底钻进作业过程中完全依靠现场专业工程师进行手动遥控操作，根据水下各传感器数据反馈，进行手动调节钻进压力、转动速度和冲洗泵流量等参数，以完成钻探作业，整个操作复杂，对操作人员要求较高，缺少一定的自动化程度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统。
为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：
一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，包括水上操控系统和水下测控系统，所述水上操控系统与水下测控系统通信连接；所述水上操控系统包括第一通信模块、工控模块和人机交互模块，所述第一通信模块分别与所述工控模块和水下测控系统通信连接，所述人机交互模块与所述工控模块通信连接；
所述水下测控系统包括CPU控制模块、比例阀控制模块、传感器数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、钻进执行模块和第二通信模块，所述第二通信模块连接所述CPU控制模块，所述CPU控制模块连接所述比例阀控制模块、传感器数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和钻进执行模块；所述传感器数据采集模块连接所述数据处理模块，所述数据处理模块连接数据存储模块，所述比例阀控制模块连接所述钻进执行模块；所述第一通信模块与第二通信模块之间通信连接；
所述CPU控制模块：用于控制整个水下测控系统的工作；
所述比例阀控制模块：通过自适应PID控制算法，对钻机钻压与钻速进行比例控制，达到钻机恒钻压控制；
所述传感器数据采集模块：所述传感器数据采集模块实时获取能够反映底质地层的力学特性的参数，并将其反馈给数据处理模块；
数据处理模块：用于对传感器数据采集模块采集的反映底质地层的力学特性的参数进行分析，方便CPU控制模块控制钻进执行模块进行钻进工作；
数据存储模块：用于对传感器数据采集模块的采集数据和数据处理模块的分析数据进行存储；
钻进执行模块：通过CPU控制模块控制钻进执行模块进行深海岩心的钻进工作。
进一步的，所述钻进执行模块包括提升装置、旋转装置、钻井液循环装置、动力驱动装置和传动装置；
所述提升装置：控制动力头的上行和下行，实现钻杆和钻头的钻进与提升；旋转装置：由动力头旋转马达带动钻杆和钻头旋转、破碎岩石；
钻井液循环装置：通过液压马达带动高压齿轮泵将海水送至高压水管、动力头、钻具后，冲洗孔底，携带岩屑从井眼与钻具之间的空隙带出地面，以保证钻杆的正常钻进；
动力驱动装置：采用船舶动力电380v升压至3kv，水下直接驱动高压电机带动液压泵的方式，提供钻进执行模块的动力源；
传动装置：采用液压传动，将液压系统的旋转、直线运动通过机械机构，转换成所需的行程、弧形和转动运动。
进一步的，所述钻进执行模块还包括主体框架，所述主体框架包括底盘、下框架和上框架,所述下框架与底盘直接焊为一体，所述上框架与下框架则通过螺栓连接。
进一步的，所述自适应PID控制算法的过程如下：通过钻压调节器根据预先设定的额定钻压W1和额定转速Vl，实际钻压W2和实际速度V2，根据额定钻压W1和实际钻压W2的偏差算出一个速度的给定值△W，在额定转速Vl与实际速度V2的偏差经过运算后输出一个液压系统的压力给定值△V，内环保证输出的速度V2与额定速度V1相同；液压给定值P1送入内环，内环是液压压力调节部分，该部分保证液压机构输出的实际压力P2与给定压力P1相同；在给定速度V1的情况下，输出钻压W2就会与给定钻压W1相同，达到恒钻压控制的目的。
进一步的，所述自适应PID控制算法的原理是通过钻机钻进压力与钻进速度的比例控制，将设定值r(t)与输出值c(t)进行比较构成控制偏差，具体公式如下：
e(t)＝r(t)－c(t)
进一步的，所述传感器数据采集模块包括传感器组件、模拟量采集单元和数字采集单元，所述传感器组件连接所述模拟量采集单元和数字采集单元；所述传感器组件包括测量钻进速度的钻速传感器、测量钻进压力的钻压传感器、测量转动速度的转速传感器、测量泵量的泵量传感器、测量泵压的泵压传感器、测量回转扭矩的回转扭矩传感器、测量油温的油温传感器和测量油压的油压传感器；
模拟量采集单元：用于模拟类型传感器输入采集，并将数据以can网络的形式传输给算法核心板卡，作为算法函数的输入参数，实时调整算法输出变量；
数字采集单元：用于数字类型传感器输入采集，并将数据以can网络的形式传输给算法核心板卡，作为算法函数的输入参数，实时调整算法输出变量
进一步的，所述模拟量采集单元包括模拟输入阻抗匹配模块、模数转换器、可编程增益放大器和数字陷波器。
所述模拟输入阻抗匹配模块设有多模式输入匹配器，所述多模式输入匹配器包括电流输入模式的模拟量信号输入模块和电压输入模式的模拟量信号输入模块；
模数转换器为双积分模数转换器。
进一步的，所述数字采集单元包括数字输入阻抗匹配模块、隔离系统和数字滤波器。
数字输入阻抗匹配模块与模拟量采集单元的模拟输入阻抗匹配模块相同；
隔离系统包括输入隔离单元，所述输入隔离单元内设有数字量输入信号。
进一步的，所述参数包括钻进速度、钻进压力、转动速度、泵量泵压、回转扭矩、油温、油压。
由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明为一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，该系统在钻机的钻进执行模块中增加转速、钻压等参数反馈信息，并相应在水下测控系统的比例阀控制模块中融入自适应控制算法，识别该钻进区域区块地质属性，并自适应匹配该地质环境下的官方大数据下的理论钻进速度，进行恒定转速巡航钻进，有效提高钻进效率和钻进效果。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明中一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统的结构示意图；
图2为本发明中钻进执行模块的结构示意图；
图3为本发明中传感器数据采集模块的结构示意图；
图4为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的工作原理示意图；
图5为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的作业流程图；
图6为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的钻进程序流程图；
图7为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的工艺及模式流程图；
图8为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的卡钻事故响应处理流程图；
图9为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的烧钻事故响应处理流程图；
图10为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的断杆事故响应处理流程图；
图11-a为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的钻压和钻速的关系曲线；
图11-b为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的转速和钻速的的关系曲线；
图12为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的自适应PID控制算法的系统图；
图13为本发明中深海岩心钻机自适应钻进测控系统的自适应PID控制算法模型图；
图14为本发明中模糊PID调节的控制框图。
图15为本发明中的电流输入匹配电路图；
图16为本发明中的电压输入阻抗匹配电路图；
图17为本发明中的钻进执行模块的主视图；
图18为本发明中的钻进执行模块的侧视图；
图19为本发明中的钻进执行模块的俯视图；
图20为本发明中的转速输入电路图；
图21为本发明中的开关量输入电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1至图3所示，一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，包括水上操控系统和水下测控系统，所述水上操控系统与水下测控系统通信连接；所述水上操控系统包括第一通信模块、工控模块和人机交互模块，所述第一通信模块分别与所述工控模块和水下测控系统通信连接，所述人机交互模块与所述工控模块通信连接；
具体地，工控模块为工控机，人机交互模块包括画面分割器、存储器、视频分配器和显示屏，第一通信模块连接所述工控机和视频分配器，所述工控机连接所述存储器，所述视频分配器连接画面分割器，画面分割器连接显示屏。
所述水下测控系统包括CPU控制模块、比例阀控制模块、传感器数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、钻进执行模块和第二通信模块，所述第二通信模块连接所述CPU控制模块，所述CPU控制模块连接所述比例阀控制模块、传感器数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和钻进执行模块；所述传感器数据采集模块连接所述数据处理模块，所述数据处理模块连接数据存储模块，所述比例阀控制模块连接所述钻进执行模块；所述第一通信模块与第二通信模块之间通信连接；
所述CPU控制模块：用于控制整个水下测控系统的工作；
所述比例阀控制模块：通过自适应PID控制算法，对钻机钻压与钻速进行比例控制，达到钻机恒钻压控制；
所述传感器数据采集模块：所述传感器数据采集模块实时获取能够反映底质地层的力学特性的参数，并将其反馈给数据处理模块；
数据处理模块：用于对传感器数据采集模块采集的反映底质地层的力学特性的参数进行分析，方便CPU控制模块控制钻进执行模块进行钻进工作；
数据存储模块：用于对传感器数据采集模块的采集数据和数据处理模块的分析数据进行存储；
钻进执行模块：通过CPU控制模块控制钻进执行模块进行深海岩心的钻进工作。
第一通信模块和第二通信模块采用的是光纤通信机。
本套自适应钻进测控单元可根据海底复杂地质底层结构自适应钻进(具体可分为沉积物层、岩石层、结壳层)，可通过对钻进参数的数据采集，判断大致地质属性，依据建模数据库进行钻进工艺参数调配，如恒速钻进、恒定扭矩钻进、恒定功率钻进等模式，实现闭环自适应钻进控制。
具体参看图17-19，为本系统的钻进执行模块的工作原理示意图，所述钻进执行模块包括提升装置、旋转装置、钻井液循环装置、动力驱动装置和传动装置；
所述提升装置：控制动力头的上行和下行，实现钻杆和钻头的钻进与提升；
具体地，提升装置是由油缸、滑轮、导轨、钢丝绳、导链、力矩放大器及相关比例阀组、换向阀组等组成。动力头的升降工作是动力通过液压油缸配合滑轮传动装置传递的，综合考虑设备的轻而精的目标，油缸使用大头逆向驱动的方式，使用同样缸径的油缸，提供更大的力矩，满足设备有一定的升价能力和起升速度，配合比例阀调节，实现无极控制钻压能力。还用一些辅助设备，如u型轨道、位移传感器、限位机构等。起升系统设备的主要功用是起下钻具、控制钻压送钻、更换钻头和下套管等。
旋转装置：由动力头旋转马达带动钻杆和钻头旋转、破碎岩石；
具体地，旋转装置是由动力头旋转马达、负责卸扣装置、抛弃机构、转速传感器及相关比例阀组等组成。该系统的主要功用是带动钻具、钻头等旋转、破碎岩石(钻进)。所有模块均集成于动力头内部，作为提升系统中一个移动机构，同时也是钻井液循环装置的输出部分。
钻井液循环装置：通过液压马达带动高压齿轮泵将海水送至高压水管、动力头、钻具后，冲洗孔底，携带岩屑从井眼与钻具之间的空隙带出地面，以保证钻杆的正常钻进；
具体地，钻井液循环装置设备主要由高压水泵、液压马达、比例阀控制、低压管和高压管，钻井液(海水)循环及钻具、钻头等组成。该装置设备的主要功用是通过液压马达带动高压齿轮泵将海水送至高压水管、动力头、钻具后冲洗孔底，携带岩屑从环空(即井眼与钻具之间的空隙)带出地面，以保证正常钻进。
动力驱动装置：采用船舶动力电380v升压至3kv，水下直接驱动高压电机带动液压泵的方式，提供钻进执行模块的动力源；
具体地，深海由于涉及万米电缆传输，传统意义的动力电源，无法满足效率的要求，本钻机使用船舶动力电380v升压至3kv，水下直接驱动高压电机，带动液压泵的方式，提供系统动力源，水下所有动力均来自于液压系统，即本钻机本体为全液压驱动型钻机。
传动装置：采用液压传动，将液压系统的旋转、直线运动通过机械机构，转换成所需的行程、弧形和转动运动。
传动装置又称联动机组，指的是动力机与工作机之间的各种传动设备及部件。钻机的传动方式，一般是机械、电、液传动的联合使用。由于涉及深海密封等技术难题，本钻机均采用液压传动，将液压系统的旋转、直线运动通过机械机构，转换成所需的行程、弧形、转动等运动。
具体的可参看图4-10，更好地了解钻进执行模块的钻机作业流程及遇到突发意外情况的处理流程。
进一步的，所述钻进执行模块还包括主体框架，所述主体框架包括底盘、下框架和上框架,所述下框架与底盘直接焊为一体，所述上框架与下框架则通过螺栓连接。除了液压相关附件，整个钻进执行模块均安装于设备中心的主框架内，以最高集成度的工艺实现设备小型化，轻型化的设计要求。
进一步的，所述自适应PID控制算法的过程如下：通过钻压调节器根据预先设定的额定钻压W1和额定转速Vl，实际钻压W2和实际速度V2，根据额定钻压W1和实际钻压W2的偏差算出一个速度的给定值△W，在额定转速Vl与实际速度V2的偏差经过运算后输出一个液压系统的压力给定值△V，内环保证输出的速度V2与额定速度V1相同；液压给定值P1送入内环，内环是液压压力调节部分，该部分保证液压机构输出的实际压力P2与给定压力P1相同；在给定速度V1的情况下，输出钻压W2就会与给定钻压W1相同，达到恒钻压控制的目的。
进一步的，所述自适应PID控制算法的原理是通过钻机钻进压力与钻进速度的比例控制，将设定值r(t)与输出值c(t)进行比较构成控制偏差，具体公式如下：
e(t)＝r(t)－c(t)
参看图14，将其按比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量，所以简称为P(比例)、I(积分)、D(微分)调节器。
所谓钻压是指钻头与地层之间的压力，转速是指钻杆(钻头)的旋转速度，也就是动力头的转速。钻压、转速是直接作用于井底藉以破碎岩石的基本参数。由于钻压、转速是通过钻头破碎岩石的，他们的作用不仅对钻进速度有影响，同时也会影响钻头的磨损速度和工作寿命。因此在优选钻压、转速时，必须综合考虑这两方面的影响，确定合理的最优配合。根据在现场直接进行转速实验，严格控制其它参数不变，单独分别测定钻压或转速对钻速的影响。
具体地，图11是在钻进试验的典型拟合曲线。其中图11-a是在其它钻进参数保持不变的情况下，钻压与钻速的关系曲线。由图可见，最初因钻压很小，岩屑量小，井底净化充分，钻速沿oa段与钻压平方成正比。继续增加钻压，岩屑量相应增多，但因水力参数不变，井底净化条件逐渐变差，钻速增长率逐步下降而沿ab段几乎与钻压成线性关系。此后再增加钻压，井底净化条件将严重恶化，钻速增长更慢，而且可能不再增加。
具体地，在目前通用的钻压范围内，钻压一般都与钻速成线性关系，因为钻压小于Pa时，钻速增长率虽比较高，但因钻压过低，一般都不采用；钻压超过只以后，井底净化条件难以改善，钻头磨损也会加剧，限制了钻速的进一步加大。因此在实际应用中通常都选取图11-a.中的直线段(ab线)上的钻压值来进行钻进。
具体地，图11-b是在钻压和其它钻进参数都不改变的条件下，转盘转速与钻进速度的关系曲线。在软地层也就是孔底净化充分的情况下，钻速与转速成正比；当地层变硬，钻速与转速不再成正比，这是因为转速快，单位时间内钻齿对岩石的冲击次数多，钻速加快，但却缩短了钻齿与地层的接触时间T，当T低于岩石破碎所需时间时，钻齿不能吃入，破岩效率便会显著下降。
具体地，自适应PID控制算法需要依靠于强大的硬件控制系统，配合硬件层的算法控制板卡实现。自适应操控的基础是钻机能够实现钻压恒定、转速可调。通过对上图11的分析可知，钻压取ab段上的某一值，在该钻压下应该获得较高的钻进速度且钻头磨损速度较低，技术人员根据往年深海钻探参数的资料或地质资料来确定理想的钻压值P，一旦P值确定，在某一站位的整个钻进过程中就不再大范围变化，也就是要保持钻压(P+△p)连续钻进，从而对钻机的控制系统提出了严峻的要求。
转速则须根据实际情况处于不断变化状态:图11可知在硬地层高转速并不会产生高钻速，而且会加剧钻头磨损，因此转速要根据实际需要而调整。根据实际的钻进数据提供标准值，实现恒转速。
自动送钻基于参数自适应PID控制算法，在自动送钻控制方案中，通过速度环和钻压环双环控制，在钻进过程中通过控制选中的恒定实现给定钻压的恒定，实现自动送钻，自动送钻控制系统结构框图如图12所示。
具体地，参看图13，通过计算比对，调整钻压和转速，当钻进速度稳定，且接近设定钻进速度的±20％时，既判定其钻速稳定，从而保持当前的钻进参数。当钻进速度超出+20％或者低于-20％，则根据自适应算法自动调整钻进参数后继续钻进。
进一步的，所述传感器数据采集模块包括传感器组件、模拟量采集单元和数字采集单元，所述传感器组件连接所述模拟量采集单元和数字采集单元；
所述传感器组件包括测量钻进速度的钻速传感器、测量钻进压力的钻压传感器、测量转动速度的转速传感器、测量泵量的泵量传感器、测量泵压的泵压传感器、测量回转扭矩的回转扭矩传感器、测量油温的油温传感器和测量油压的油压传感器；
模拟量采集单元：用于模拟类型传感器输入采集，并将数据以can网络的形式传输给算法核心板卡，作为算法函数的输入参数，实时调整算法输出变量；
数字采集单元：用于数字类型传感器输入采集，并将数据以can网络的形式传输给算法核心板卡，作为算法函数的输入参数，实时调整算法输出变量
具体地，所述模拟量采集单元包括模拟输入阻抗匹配模块、模数转换器、可编程增益放大器和数字陷波器。
所述模拟输入阻抗匹配模块设有多模式输入匹配器，所述多模式输入匹配器包括电流输入模式的模拟量信号输入模块和电压输入模式的模拟量信号输入模块；
电流输入模式的模拟量信号输入模块内设有电流输入匹配电路，如图15所示，模拟量信号主要有压力、温度、位移3类信号，其数据采集电路均相同。
模拟量信号输入的传感器内部带有变送电路，其输出信号均为标准的4～20mA，此信号经由电流隔离模块U1隔离后输入到U 2进行I/V转换，先将4～20mA电流转换成1～5V电压，再经过调幅电路将电压信降至0.5～2.5V后送往AD通道进行AD转换。
电压输入模式的模拟量信号输入模块内设有电压输入阻抗匹配电路，阻抗变换电路是模拟通道信号调理中非常重要的环节，其在电路中所起的作用是实现阻抗变换，即将高输入阻抗转换为低输出阻抗，这样可以很好的隔离前后级的影响。同时还可以实现驱动能力增强的作用。在本阻抗变换电路中，由场效应管作为输入级，其输入阻抗可以达到10M欧姆以上(三极管输入阻抗一般为几K到几十K欧姆。由于采用射极跟随器作为电路中信号的输出端，理论上输出阻抗可为0，而实际中输出阻抗可低至数欧姆。
采集板输入端的信号是来源于被测设备上的信号，为了让因分流而传输到ADC上的信号减小到一定程度，使其分流作用不会影响到原始被测设备上的信号。所以在输入端使用高阻抗电路，这样使得因为ADC与被测设备并联电压一定的情况下，那么流过的电流会更小，也起到了隔离前后级的影响。
输入信号通过高阻抗电路传输进入系统后，为了能够很好的提高前级电路的带负载能力，则必须提供足够大的电流，所以在设计阻抗变换电路时，需要加入放大电流的三级管。同时实现低阻抗输出，使得输出端消耗的能量更少。
具体地，模数转换器为双积分模数转换器。
进一步的，所述数字采集单元包括数字输入阻抗匹配模块、隔离系统和数字滤波器。
数字输入阻抗匹配模块与模拟量采集单元的模拟输入阻抗匹配模块相同；
隔离系统包括输入隔离单元，所述输入隔离单元内设有数字量输入信号。
具体地，字量输入信号包括脉冲信号和开关量信号，脉冲信号内设有转速输入电路，开关量信号内设有开关量输入电路。
转速传感器输出的是脉冲信号，其信号调理电路如图20。由于钻机动力头回转时采集的传感器转速信号均低于1kHz，因此在电路设计中采用低通滤波器。这种滤波器可以有效地过虑掉频率高于1kHz的干扰信号，降低高频信号对转速信号的干扰，使得输出信号稳定可靠。开关量输入电路如图21。外部诸如接近开关或其它开关量输入信号一旦接通，则外部供电的本安电源12V便通上电使光电耦合器导通，从而使的4脚输出一个低电平给STM32单片机。光电耦合器有效地隔离了12V电源与信号电源3.3V。
进一步的，所述参数包括钻进速度、钻进压力、转动速度、泵量泵压、回转扭矩、油温、油压。其中影响钻进工艺的直接参数为钻进压力、转动速度和冲洗泵流量。
(1)钻进压力：钻头在轴向载荷作用下，施力于岩石。在一定的转速下，机械钻速和压力成正比，但是压力过大将产生钻柱弯曲、钻头损坏等情况，甚至因扭矩过大造成钻杆扭断、烧钻、或胎体脱落等孔内事故，对钻进极其不利。现场工程师可根据岩石的压入硬度或抗压强度等因素对钻压进行实时监控。
钻进压力通过压力传感器数据读取和计算出孔底压力，通过自适应测控系统完成对电液比例阀的开口控制，以实现钻压监测和控制。
(2)转动速度：钻进不同硬度的岩层对钻头转速有不同的要求。在一定条件下，金刚石钻头的转速越快，钻速也越高，但转速超过临界值时，又会出现胎体温度剧增的后果。因此需在合理转速下，达到钻具的磨损量最小，钻进效果最佳。
转动速度通过自适应测控单元高精度DI板对动力头转速进行频率测量采集，进行加权计算，实时传输至UI显示窗口。
(3)泵压：冲洗泵的作用是将冲洗液泵入孔底，不仅起到冷却、冲洗钻头、护壁排渣等作用，而且通过对泵压变化的监控，也可以间接反映孔底情况，如泵压的激增或突降，则可能对应出现岩心堵塞、断杆或脱扣等情况，以便现场操控人员及时采取相应的操作措施。
泵压压力参数通过自适应测控系统的24Bit高精度AD单元，对压力传感器电流信号进行输入阻抗匹配，以完成高精度，高响应的泵压数据采集，为自适应核心算法提供可靠、高效的反馈数据。
具体地，在本实施例中，钻进压力的设计如下：
选用6mm孔径正常工作钻压范围取为600～800DaN。考虑深海环境的特殊性和地质条件的不确定性，最大压力提升到1000DaN。(具体参看表1)
表1.勘探手册常用钻压参考表
钻头规格，mm 96 76 66 60 56 46
初压(DaN) 300～350 250-300 200-250 175-225 150-200 100-150
一般压力(DaN) 700～900 600-800 500-700 450-650 400-600 300-500
在裂隙性、软硬互叠和研磨性岩石中钻进时，在钻孔与层理成角度和钻进功率不够时，应把正常条件下推荐使用的钻压降低20％～50％。
因此钻机的钻进压力设计为三档，低压：300Kg、中压：500kG、高压：800kG。
具体地，在本实施例中，转动速度的设计如下：
根据勘探手册常用转速参考表，Ⅵ－Ⅶ可钻性和Ⅺ－Ⅻ可钻性适用的转速范围分别为300～500r/min和400～700r/min。(具体参看表2)
表2.常用转速参考表
Figure BDA0002812640440000131
本系统的液压泵采用的是恒功率泵，恒功率泵所实现的功能就是保证电机不会超功率，低压时大流量，高压时小流量。因此当钻进压力或者负载发生变化时，动力头回转速度会自行调节，从而调整扭矩，以适应钻探需求。所以钻机的转速分为两档，低速：200r/min，高速600r/min。
具体地，在本实施例中，冲洗流量的设计如下：
根据勘探手册推荐表，对于76mm钻头直径，Ⅵ－Ⅶ可钻性和Ⅺ－Ⅻ可钻性推荐的冲洗液量分别为80～100L/min和20～40L/min。(具体参看表3)
表3.勘探手册推荐表推荐的冲洗液量
Figure BDA0002812640440000141
考虑本台钻机的钻进深度为2m以及海底作业的特殊性，冲洗液流量拟分为三档，低流量：30L/min、中流量：60L/min和高流量：80L/min。
具体地，在本实施例中，液压系统功率估算的设计如下
钻进过程动力头主轴消耗功率由钻头在孔底破碎岩石所消耗的功率、钻具回转消耗的功率和传动及其他消耗的功率三部分组成。
金刚石钻进在孔底破碎岩石消耗的功率
计算方法：
Nh＝2×10-4×P×n×Dc (3-1)
式中P—钻头钻压，1000DaN(kg)。
n－钻头转速，600r/min
Dc－钻头平均直径，0.76m。
代入原始数据，计算得到76mm孔径钻进孔底功率取为9.12kW。
金刚石钻进钻杆旋转消耗的功率
金刚石钻进钻杆旋转消耗的功率是功率消耗的主要部分，由空转孔内钻杆消耗的功率N3和钻头钻压使钻杆受压的附加功率消耗N4两部分组成。
空转钻杆所需功率：
Figure BDA0002812640440000142
式中L－钻杆柱长度，2m；
d－钻杆直径，7.6cm；
γ－冲洗液比重，1g/cm3；
n－钻头转数，600r/min；
α－试验系数，1.25×10-6。
代入原始数据，计算得到N3＝0.52kW。
钻杆附加功率消耗：
N4＝7.6×10-6×n×P (3-3)
式中n－钻头转数，600r/min；
P—钻压，1000kg。
代入原始数据，计算得到N4＝4.5kW
综上所述，金刚石钻进钻杆旋转消耗的功率取最大值为5.02kW。
传动及其他消耗的功率
可按下式计算：
Nq＝1.1Nd(6×10-2+1.2×10-4×n) (3-4)
式中Nd－驱动电动机功率，30kW。
电机按照30kW估算，对于76mm孔径，按600r/min情况计算，Nq＝2.9kW。
水泵功率计算
计算公式为：
Nb＝Q×P/(60ηbηj) (3-5)
根据Q＝80L/min，泵压P＝2MPa，计算得到水泵最大功率为5.3kW。
上述计算表明，76mm孔径钻进2m孔深总功率消耗约为15kW。钻进时采用恒功率，用降低转速方法实现高扭矩。水泵也需液压站提供液压动力，需功率约6kW，因此钻机所需功率为21kW。考虑液压系统的效率和电机的效率，同时留有安全系数和作业余量，拟定制30kW充油交流4级电动机工作电压2750V。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，包括水上操控系统和水下测控系统，所述水上操控系统与水下测控系统通信连接；其特征在于：所述水上操控系统包括第一通信模块、工控模块和人机交互模块，所述第一通信模块分别与所述工控模块和水下测控系统通信连接，所述人机交互模块与所述工控模块通信连接；
所述水下测控系统包括CPU控制模块、比例阀控制模块、传感器数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、钻进执行模块和第二通信模块，所述第二通信模块连接所述CPU控制模块，所述CPU控制模块连接所述比例阀控制模块、传感器数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和钻进执行模块；所述传感器数据采集模块连接所述数据处理模块，所述数据处理模块连接数据存储模块，所述比例阀控制模块连接所述钻进执行模块；所述第一通信模块与第二通信模块之间通信连接；
所述CPU控制模块：用于控制整个水下测控系统的工作；
所述比例阀控制模块：通过自适应PID控制算法，对钻机钻压与钻速进行比例控制，达到钻机恒钻压控制；
所述传感器数据采集模块：所述传感器数据采集模块实时获取能够反映底质地层的力学特性的参数，并将其反馈给数据处理模块；
所述数据处理模块：用于对传感器数据采集模块采集的反映底质地层的力学特性的参数进行分析，方便CPU控制模块控制钻进执行模块进行钻进工作；
所述数据存储模块：用于对传感器数据采集模块的采集数据和数据处理模块的分析数据进行存储；
所述钻进执行模块：通过CPU控制模块控制钻进执行模块进行深海岩心的钻进工作。
2.根据权利要求1所述的一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，其特征在于：所述钻进执行模块包括提升装置、旋转装置、钻井液循环装置、动力驱动装置和传动装置；
所述提升装置：控制动力头的上行和下行，实现钻杆和钻头的钻进与提升；
旋转装置：由动力头旋转马达带动钻杆和钻头旋转、破碎岩石；
钻井液循环装置：通过液压马达带动高压齿轮泵将海水送至高压水管、动力头、钻具后，冲洗孔底，携带岩屑从井眼与钻具之间的空隙带出地面，以保证钻杆的正常钻进；
动力驱动装置：采用船舶动力电380v升压至3kv，水下直接驱动高压电机带动液压泵的方式，提供钻进执行模块的动力源；
传动装置：采用液压传动，将液压系统的旋转、直线运动通过机械机构，转换成所需的行程、弧形和转动运动。
3.根据权利要求2所述的一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，其特征在于：所述钻进执行模块还包括主体框架，所述主体框架包括底盘、下框架和上框架,所述下框架与底盘直接焊为一体，所述上框架与下框架则通过螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，其特征在于：所述自适应PID控制算法的过程如下：通过钻压调节器根据预先设定的额定钻压W1和额定转速Vl，实际钻压W2和实际速度V2，根据额定钻压W1和实际钻压W2的偏差算出一个速度的给定值△W，在额定转速Vl与实际速度V2的偏差经过运算后输出一个液压系统的压力给定值△V，内环保证输出的速度V2与额定速度V1相同；液压给定值P1送入内环，内环是液压压力调节部分，该部分保证液压机构输出的实际压力P2与给定压力P1相同；在给定速度V1的情况下，输出钻压W2就会与给定钻压W1相同，达到恒钻压控制的目的。
5.根据权利要求4所述的一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，其特征在于：所述自适应PID控制算法的原理是通过钻机钻进压力与钻进速度的比例控制，将设定值r(t)与输出值c(t)进行比较构成控制偏差，具体公式如下：
e(t)＝r(t)－c(t)。
6.根据权利要求1所述的一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，其特征在于：所述传感器数据采集模块包括传感器组件、模拟量采集单元和数字采集单元，所述传感器组件连接所述模拟量采集单元和数字采集单元；
所述传感器组件包括测量钻进速度的钻速传感器、测量钻进压力的钻压传感器、测量转动速度的转速传感器、测量泵量的泵量传感器、测量泵压的泵压传感器、测量回转扭矩的回转扭矩传感器、测量油温的油温传感器和测量油压的油压传感器；
所述模拟量采集单元：用于模拟类型传感器输入采集，并将数据以can网络的形式传输给算法核心板卡，作为算法函数的输入参数，实时调整算法输出变量；
所述数字采集单元：用于数字类型传感器输入采集，并将数据以can网络的形式传输给算法核心板卡，作为算法函数的输入参数，实时调整算法输出变量。
7.根据权利要求6所述的一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，其特征在于：所述模拟量采集单元包括模拟输入阻抗匹配模块、模数转换器、可编程增益放大器和数字陷波器，
所述模拟输入阻抗匹配模块设有多模式输入匹配器，所述多模式输入匹配器包括电流输入模式的模拟量信号输入模块和电压输入模式的模拟量信号输入模块；
模数转换器为双积分模数转换器。
8.根据权利要求6所述的一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，其特征在于：所述数字采集单元包括数字输入阻抗匹配模块、隔离系统和数字滤波器，
数字输入阻抗匹配模块与模拟量采集单元的模拟输入阻抗匹配模块相同；隔离系统包括输入隔离单元，所述输入隔离单元内设有数字量输入信号。
9.根据权利要求1所述的一种深海岩心钻机自适应钻进测控系统，其特征在于：所述参数包括钻进速度、钻进压力、转动速度、泵量泵压、回转扭矩、油温、油压。
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