一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制系统及方法，本方法在存储系统预先建立不同种类岩层下钻取岩芯未破坏的参数数据库，以最软岩层的钻取参数钻取，在持续钻取的过程中识别系统监测环切旋钻器所受弯矩，将弯矩值与数据库比对，并调取对应弯矩值岩芯所适用的转速和推进力，调整取芯钻机参数直至弯矩、转速与推进力与数据库接近，降低钻取时岩芯破坏的可能，采用压力传感器检测拉出岩芯的拉力值，拉力值稳定的情况下持续钻取直至将岩芯取出，当拉力值发生骤降或减小为零时，识别系统判定为岩芯破坏，此时解除细钢杆与岩芯的连接，将将岩芯从取芯钻机推出，放弃破坏岩芯的钻取，解决了钻取过程中不能及时检测岩芯破坏情况的问题。情况的问题。情况的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及岩土力学测量
，更具体地，涉及一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制系统及方法。

技术介绍

[0002]局部壁面应力解除法是一种新的应力解除方法，通过解除钻井井壁处足够多数量的岩芯，记录此过程中不同方向的正应变变化，就能反算得到远场地应力，与普通的水压致裂法相比，由于不需要假设地应力的一个主应力与钻孔轴线平行，同时其钻取岩芯较短，减小了发生断芯的可能。
[0003]现有技术存在如下几个缺点：（1）现有的利用局部壁面应力解除法进行深部作业的设备无法根据钻孔时的实际围岩压力情况进行转速和推进力的调整；（2）在应力解除过程中无法判断所作业的岩芯是否出现断芯；（3）对较软围岩使用的取芯钻机功率过大造成岩芯应力释放速率过快从而导致岩芯破坏，而且较快的转速会造成较软的岩芯断裂，标志着该点处的应力解除试验失败。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制系统及方法，本方法在存储系统预先建立不同种类岩层下钻取岩芯未破坏的参数数据库，然后以最软岩层的低功率钻取速度进行钻取，防止岩芯发生破坏，在持续钻取的过程中，采用识别系统监测环切旋钻器所受弯矩，将检测弯矩值与数据库比对，然后调取对应弯矩值岩芯所适用的转速和推进力，调整取芯钻机参数直至弯矩、转速与推进力与数据库接近，有效降低了钻取过程中岩芯破坏的可能，采用压力传感器检测拉出岩芯的拉力值，拉力值稳定的情况下持续钻取直至将岩芯取出，当拉力值发生骤降或减小为零时，识别系统中的总控制器判定为岩芯破坏，此时将用于取出岩芯的细钢杆与岩芯连接解除，并将岩芯从取芯钻机推出，放弃破坏岩芯的钻取，提高了钻取效率，解决了钻取过程中不能及时检测岩芯破坏情况的问题。
[0005]为了实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提供一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制方法，包括：S100，模拟钻取不同种类岩层，收集岩芯完整时取芯钻机的参数，对已知岩性的样品进行室内钻取，选择岩芯完整时的取芯钻机参数保存，并针对某一种岩性不同试样进行钻取，人为调控钻机功率，能满足此钻取实现所需功率与钻头弯矩的最大值分别为、，以及最小值分别为、，将参数按不同岩芯种类分别预存建立数据库；S200，将细钢杆与岩芯端部连接，监测岩芯应力；S300，调用数据寄存器中最软岩层的参数，即数据库中最小的转速和推进力，将所述参数发送到取芯钻机开始钻取岩芯；S400，监测钻取过程中的参数并反馈取芯钻机进行调整，在钻取过程中，弯矩传感
器监测环切旋钻器所受弯矩大小，将弯矩检测值与数据库比对，读取与弯矩值对应的转速和推进力，分别调整取芯钻机的转速和推进力直至与数据库一致，为达到最佳效率，减小耗能，实际钻取时，在判断出岩性后，进行功率调整，从而提升效率，避免功率浪费，功率根据如下公式进行调整：其中为在初始钻取时钻头所受扭矩，为实际钻取该岩芯时调整后所进行的功率；S500，识别岩芯状态，判断是否放弃开采，在钻取岩芯的过程中，检测细钢杆拉出岩芯的压力值，若压力值稳定正常，代表岩芯未断裂，取芯钻机持续钻取直至岩芯完整取出；S501，若识别压力值发生骤降或减小至零，判定岩芯发生较严重的裂隙或断裂，将细钢杆与岩芯的连接断开，使用细钢杆将岩芯从取芯钻机推出，放弃本破坏岩芯的开采；进一步地，所述S400包括确定岩性的计算方法：在钻取过程中，压力传感器测出第一回转压力和第二回转压力，将两者的值输入可编程控制器计算得出钻进比能e，根据钻进比能e与岩性对照关系确定岩石岩性，最后取芯钻机根据不同岩性的相应钻取参数进行钻取，进一步地，所述S400中计算钻进比能e和确定岩石岩性的方法包括：钻进比能：,其中，e为钻进比能，n为转速，单位为r/min；M为马达输出扭矩，单位；F为钻进压力，单位为N；S为钻头面积，单位为m2；v为钻进速度，单位为；马达输出扭矩：；其中,其中为不同时间下的回转压力值；V为马达排量，单位为mL/r； 为折减率，默认值为0.95；钻进压力：；减速机输出扭矩：；其中j为加压减速比；为效率，取常数0.98；R为链轮半径(mm)，根据计算所得的钻进比能e，依照以下范围确定岩性，范围确定岩性，范围确定岩性，
当按照本专利技术的另一个方面，提供一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制系统，包括存储系统、识别系统、反馈与采集系统，存储系统分别与识别系统、反馈与采集系统信号连通，存储系统内存储有已知岩性钻取操作得到完整岩芯的取芯钻机参数，识别系统包括压力传感器、弯矩传感器、转速传感器和细钢杆，所述转速传感器固定于所述细钢杆端部，所述压力传感器固定于所述转速传感器上，所述弯矩传感器的一侧固定设有圆盘，所述圆盘与岩芯贴合，所述弯矩传感器两侧分别与所述压力传感器和岩芯固定；所述反馈与采集系统包括环切旋钻器、环切给进器、细钢杆传动装置、液压动力装置、喷胶探头和细钢杆动力装置，所述环切旋钻器一端与所述液压动力装置传动连接，所述环切给进器固定于所述环切旋钻器另一端，所述液压动力装置推动所述环切旋钻器和所述环切给进器钻进，所述细钢杆传动装置传动连接于所述细钢杆动力装置上，所述细钢杆传动装置将所述细钢杆动力装置的推力或拉力传递至所述细钢杆，所述细钢杆端部与所述细钢杆传动装置固定，所述喷胶探头内分别存储有粘胶和溶解胶。
[0006]进一步地，所述存储系统包括可编程控制器、数据寄存器，所述取芯钻机参数存储于所述数据寄存器，所述可编程控制器分别与所述压力传感器、所述弯矩传感器、所述转速传感器信号连通。
[0007]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1.本专利技术提供一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制方法，在存储系统预先建立不同种类岩层下钻取岩芯未破坏的参数数据库，然后以最软岩层的低功率钻取速度进行钻取，防止岩芯发生破坏，在持续钻取的过程中，采用识别系统监测环切旋钻器所受弯矩，将检测弯矩值与数据库比对，然后调取对应弯矩值岩芯所适用的转速和推进力，调整取芯钻机参数直至弯矩、转速与推进力与数据库接近，有效降低了钻取过程中岩芯破坏的可能。
[0008]2.本专利技术提供一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制方法，采用压力传感器检测拉出岩芯的拉力值，拉力值稳定的情况下持续钻取直至将岩芯取出，当拉力值发生骤降或减小为零时，识别系统中的总控制器判定为岩芯破坏，此时将用于取出岩芯的细钢杆与岩芯连接解除，并将岩芯从取芯钻机推出，放弃破坏岩芯的钻取，提高了钻取效率，解决了钻取过程中不能及时检测岩芯破坏情况的问题。
[0009]3.本专利技术提供一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制系统，包括细钢杆、液压动力装置、压力传感器、圆盘，圆盘固定于细钢杆端部，采用粘胶将圆盘与岩芯粘接固定，圆盘代替细钢杆扩大了与岩芯的接触面积，使岩芯所受拉力更均匀，在圆盘与细钢杆直接再设置压力传感器，液压动力装置在向细钢杆提供拉力取出岩芯时，若发生压力骤降，则反向推进细钢杆，将岩芯从环切旋钻器中推出，放弃破坏岩芯钻取。
[0010]4.本专利技术提供一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制系统，包括喷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S100，模拟钻取不同种类岩层，收集岩芯完整时取芯钻机的参数，对已知岩性的样品进行室内钻取，选择岩芯完整时的取芯钻机参数保存，并针对某一种岩性不同试样进行钻取，人为调控钻机功率，能满足此钻取实现所需功率与钻头弯矩的最大值分别为、，以及最小值分别为、，将参数按不同岩芯种类分别预存建立数据库；S200，将细钢杆与岩芯端部连接，监测岩芯应力；S300，调用数据寄存器中最软岩层的参数，即数据库中最小的转速和推进力，将所述参数发送到取芯钻机开始钻取岩芯；S400，监测钻取过程中的参数并反馈取芯钻机进行调整，在钻取过程中，弯矩传感器监测环切旋钻器所受弯矩大小，将弯矩检测值与数据库比对，读取与弯矩值对应的转速和推进力，分别调整取芯钻机的转速和推进力直至与数据库一致，为达到最佳效率，减小耗能，实际钻取时，在判断出岩性后，进行功率调整，从而提升效率，避免功率浪费，功率根据如下公式进行调整：其中为在初始钻取时钻头所受扭矩，为实际钻取该岩芯时调整后的功率；S500，识别岩芯状态，判断是否放弃开采，在钻取岩芯的过程中，检测细钢杆拉出岩芯的压力值，若压力值稳定正常，代表岩芯未断裂，取芯钻机持续钻取直至岩芯完整取出；S501，若识别压力值发生骤降或减小至零，判定岩芯发生较严重的裂隙或断裂，将细钢杆与岩芯的连接断开，使用细钢杆将岩芯从取芯钻机推出，放弃本破坏岩芯的开采。2.根据权利要求1所述的一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制方法，其特征在于，所述S400包括确定岩性的计算方法：在钻取过程中，压力传感器测出第一回转压力和第二回转压力，将两者的值输入可编程控制器计算得出钻进比能e，根据钻进比能e与岩性对照关系确定岩石岩性，最后取芯钻机根据不同岩性的相应钻取参数进行钻取。3.根据权利要求2所述的一种深钻孔侧壁取芯智能钻机控制方法，其特征在于，所述S400中计算钻进比能e和确定岩石岩性的方法包括：钻进比能：,其中，e为钻进比能，n为转速，单位为r/min；M为马达输出扭矩，单位；F为钻进压力，单位为N；S为钻头面积，单位为m2；v为钻进速度，单位为；马达输出扭矩：；其中,其中为不同时间下的回转压力值；V为马达排量，单位为mL/r； 为折减率，默认值为0.95；
钻进压力：；其中，R为链轮半径；减速机输出扭矩：；其中j为加压减速比；为效率，取常数0.98；根据计算所得的钻进比能e，依照以下范围确定岩性，确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：李培锋，李斯涛，李春，张祝林，张海峰，周桂兰，白静，白岭林，郭自东，王新华，汤华，秦雨樵，葛修润，吴振君，毕钛俊，张勇慧，袁从华，邓琴，尹小涛，
申请(专利权)人：云南玉临高速公路建设有限责任公司中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：