地壳一号万米大陆科学钻探装备及自动化机具（精）/中国深部探测研究丛书

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绪论
　　自20世纪70年代以来，苏联、美国和德国等发达国家相继启动了超深或深部科学钻探计划，通过“揭开”地表覆盖层，把视线延伸到地壳深部，获得了一系列重大成果，如相继揭示了板块碰撞带的双莫霍结构，发现了造山带山根，提出了岩石圈拆沉模式和大陆深俯冲理论。此外，美国在造山带下找到了大型油田，澳大利亚在覆盖层下发现奥林匹克坝超大型矿床，苏联还在超深钻中发现了极端条件下的生物、深部油气和矿化显示，突破了传统油气成藏理论，拓展了人类获取资源的空间，加深了对生命演化的认识。
　　科学钻探是为地学研究目的而实施的钻探，它通过先进的钻探技术手段，钻取地下岩石、岩屑和流体，并通过地球物理测井和安放仪器进行长期观测，来获取地球内部的各种地学信息，校正地球物理探测结果。通过科学钻探可建立天然、动态和长期的地下观测试验站及地壳深部物质研究基地，研究地壳深部物质组成、结构、壳-幔作用，以及有关的成矿与流体作用，探索新的成矿理论和预报地震。
　　根据钻探的地理位置不同，科学钻探分为大陆科学钻探、大洋科学钻探和极地科学钻探三类。大陆科学钻探根据钻孔的深度分为四级：浅层科学钻探（深度小于2000m）、中深科学钻探（深度为2000～5000m）、深部科学钻探（深度为5000～8000m）、超深科学钻探（深度大于8000m）。
　　在国家“深部探测技术与实验研究”专项的资助下，2010年由吉林大学牵头负责的“深部大陆科学钻探装备研制”课题正式启动，该课题共分6个专题，分别由6个单位负责。2011年12月，**专题“深部大陆科学钻探用钻机研制”研制的“地壳一号”万米大陆科学钻探专用钻机在广汉顺利通过竣工验收，该钻机将石油钻井装备和先进的地质钻探技术有机结合，其研制过程采用了“改造成熟技术—自主研发核心技术—集成关键技术”的创新思想和科学理念。钻机名义钻深可达10000m，最大钩载700t，总功率4610kW。2013年12月29日，受国家“深部探测技术与实验研究”专项办公室委托，吉林大学在北京组织召开专题成果验收会，6个专题都顺利通过了验收。2014年4月13日，“地壳一号”万米钻机在“松辽盆地国际大陆科学钻探工程”（简称“松科二井”）现场开钻。2015年8月22～23日，中国地质调查局组织有关专家，在黑龙江省大庆“松科二井”井场对“深部大陆科学钻探装备研制”课题进行了现场验收。2018年5月16日，“松科二井”成功完钻，设计井深6400m，完钻井深7018m，创造了亚洲国家深部大陆科学钻探的井深纪录。
　　一、“地壳一号”万米钻机主要研制任务
　　根据专题一任务书要求，本专题通过自主研发核心技术装备与系统集成先进成熟技术装备相结合，研发具备万米大陆科学钻探能力，具有国际领先水平的专业钻机及关键设备、配套钻具等。钻机研制主要有如下五项任务。
　　1.任务一：高转速大扭矩全液压顶驱系统研制
　　本研究的主要目的是为满足深部大陆科学钻探钻进坚硬岩石的需要，提高对坚硬岩石的破碎速度，改善钻头（尤指孕镶金刚石钻头）和钻具的工作环境。深部坚硬岩石的破碎需要顶部驱动系统（top driving system，TDS）具有较宽的转速范围、过载保护、可靠性高、扭矩大等功能，提高破碎坚硬岩石的速度需要TDS具有较高的转速、无冲击和小的运动惯量特性，改善孕镶金刚石钻头和钻具的工作环境需要TDS具有高速旋转运行平稳的特性。全液压TDS主要由液压马达驱动系统、液压动作辅助系统和冷却循环系统三部分组成。液压马达驱动系统为液压TDS马达提供动力，其主要部件有主泵电动机、主轴向变量柱塞泵、蓄能器组、冷却器、过滤器、阀组管件等。液压动作辅助系统包括平衡系统、倾斜系统、背钳系统、锁紧系统、刹车系统、IBOP系统和回转系统。冷却循环系统以定量螺杆泵为动力源，回路系统采用带旁通阀的过滤器，冷却包括风冷和水冷的双冷却备份方式。
　　2.任务二：高精度自动送钻系统研究
　　为满足深部大陆科学钻探金刚石钻进工艺的需要，需对钻头给进压力进行精确控制，同时，对给进行程和钻速自动调节，需研制高精度的自动送钻系统。该系统的硬件系统由信号检测变送单元、PLC控制单元、执行机构单元和上位机监控单元等构成。自动送钻系统软件程序主要包括：主程序、显示子程序、定时中断服务子程序、速度控制子程序、模糊化子程序、模糊规则子程序、模糊决策子程序、报警及紧急制动子程序等。
　　3.任务三：高精度自动拧卸和摆排管装置研究
　　为了减轻提下钻过程中工人的劳动强度和提高钻工的安全性，需研制自动拧卸钻杆和摆排管装置。钻杆夹持拧卸装置由底座、立柱、机械臂和工作机构等部分组成。钻杆摆排放装置主要由行走平移机构、行走控制机构、回转支承机构、夹持和提升机构等组成。
　　4.任务四：钻机数字化样机研发
　　为了使钻机的整个方案更具可靠性和精确性，在前三项研究方案确定的同时，需对万米钻机样机进行整体的数字化设计、优化和改进。数字化样机的研制分三个阶段：数字化物理样机设计阶段，根据万米钻机提出的多种设计方案设想，进行物理样机的创建，在物理样机的基础上进行可装配性分析、可使用性分析、可制造性分析和可维护性分析，通过多方案的对比分析，尽早发现产品设计的缺陷与不足，确定最终的设计方案；数字化功能样机设计阶段，进行整机的机-电-液联合虚拟装配，虚拟试验，性能预测（运动、动力、振动、耐久、安全、工效等）；万米样机数字化设计平台阶段，设计后期，借助数据库管理系统，创建数字化设计平台，形成整机系统的设计理论与方法，全面提升钻机的设计能力和水平。
　　5.任务五：钻机的整机系统集成与实验研究
　　对钻机钻塔、司钻房、发电机组、泥浆泵和控制仪表等进行选型和集成，并将它们与全液压TDS、高精度自动送钻系统、钻具自动拧卸与摆排管装置进行组合；同时与大钩、转盘、井口装置和泥浆处理装置等进行配套、模块化设计、系统集成调试和试验钻孔施工等。
　　二、研制指导思想与技术路线
　　1.指导思想
　　课题以国家“深部探测技术与实验研究专项”的任务目标和管理制度为指导，围绕国土资源部下达的“深部大陆科学钻探装备研制”公益性行业基金课题研究任务，研制具有我国自主知识产权的万米大陆科学钻探钻机及关键设备和配套钻具等，为我国深部探测计划提供设备保障和技术支撑，并使我国深部钻探装备技术水平部分达到国际领先。
　　2.技术路线
　　（1）将先进的石油钻探装备技术与先进的地质钻探取心技术相结合，从而解决深部大陆科学钻探复杂地层钻进和取心的技术难题，即采用石油钻探装备的大钻深能力和高可靠性的优势来满足万米科学钻探钻机的钻深能力，采用地质钻探的取心技术来满足万米科学钻探连续取心需要。
　　（2）自主研发核心技术与集成先进成熟技术结合，从而保证研发人员集中精力攻克核心技术难题，加快专题研发速度，即任务书中的全液压顶驱系统、自动化摆排管装置、自动拧卸装置和自动猫道等核心技术完全自主研发，而有关钻机的井架、大钩、转盘、泥浆泵、动力机和泥浆净化系统等采用现有成熟技术，由项目组提出要求，并进行改造设计和配套集成。
　　（3）原有技术设计方案与不断调整技术方案相结合，在项目的实施过程中，随着项目的进展，发现原有设计方案不能满足万米科学钻探要求，通过不断调研和召开专家论证会，进行技术方案调整，从而达到项目的最终目标任务。
　　（4）现代机械设计技术与传统钻机装备设计结合，充分利用现代计算机设计工具，对钻机的主要部件进行数字化模拟设计，结合国内外的先进钻机技术和设备研发经验，进行对比测试方案研究，为钻机的研制提供理论依据。
　　具体技术路线见图1。
　　图1 技术路线图
　　三、“地壳一号”万米钻机特点
　　(1)交流变频调速：钻机转盘、绞车和泥浆泵全部采用交流变频无级调速。
　　(2)控制数字化：钻机司钻房内配有司钻控制台和集成化控制系统。集电控、气控、液控为一体，结合控制模块，可进行司钻的数字化钻井操作，实现钻井参数监控和主要设备的工况监控。
　　(3)操作自动化：钻机将配有自动排管机、一键式铁钻工、智能化自动猫道，全为液压控制，可大幅度提高作业效率，减小钻工劳动强度。
　　(4)大功率绞车：绞车配备液压盘式刹车，数控变频自动送钻系统，能耗制动可定量定位控制制动力矩，并实现无级调速。
　　(5)高速大扭矩液压TDS，可满足金刚石绳索取心钻进工艺要求，并可实现交流变频转盘驱动与液压TDS之间进行快速切换，便于处理孔内事故。
　　**章 钻机起升系统数字化仿真
　　“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机(简称“地壳一号”钻机)是集机、电、液、控等多种学科知识于一体的大型综合勘探装备，其使用工况、装备组成、设计技术及制造过程极其复杂。本章在介绍数字仿真技术的三维软件建模、有限元法和虚拟样机技术基础上，应用有限元法和虚拟样机技术对“地壳一号”万米钻机起升系统和井架结构进行了数字仿真分析，降低钻机起升系统的研发和使用风险，提高钻机的安全性，也为实现快速设计、优化设计、智能化设计钻机起升系统奠定基础。
　　近年来，数字仿真技术发展很广，应用面很广，尤其出现的仿真计算软件种类较多，这里主要介绍“地壳一号”钻机研制所用的相关仿真分析软件。
　　**节 数字仿真技术概述
　　一、数字化仿真分类及特点
　　近年来，随着计算机技术的飞速发展，数字仿真技术发展很快，应用也越来越广。仿真用的计算软件种类繁多，本章主要介绍“地壳一号”钻机研制用的相关仿真分析软件。
　　(一)概念
　　1.模型
　　在进行产品或系统设计时，为了研究产品或系统的性能，一般需要进行试验。通常有两种方法，一种是实物实验，即直接使用实际产品进行试验；另一种是构建模型，通过对模型的试验，分析产品的性能。
　　与实物试验相比，随着产品复杂性的提高，基于模型的试验优势更大，应用更为广泛。建立系统模型是开展模型试验的前提条件。模型是对设计或实际产品某种形式的抽象、简化与描述，通过模型可以分析系统的结构、状态及运动行为。
　　系统模型一般分为物理模型、数学模型和物理-数学模型(苏春，2009)。
　　2.仿真
　　仿真是通过对系统模型的试验，研究设计中的系统性能，再现系统的动态、行为及性能特征。主要用于分析系统配置是否合理，性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持的科学依据。
　　数字化仿真是以产品的数字化模型为基础，以力学、运动学、动力学、材料学、流体力学等相关理论为依据，利用计算机将描述实际系统的几何、数字模型转化成仿真模型，对产品的性能进行模拟、评估、预测和优化的技术。
　　(二)分类
　　根据模型类型，可以分为物理仿真、数学仿真和物理-数学仿真。物理仿真是通过对系统物理模型的试验，研究系统的性能，如汽车研发中的碰撞实验、钻机的钻塔风载试验、大型建筑物的抗震试验、飞机的风洞试验和轮船的拖曳试验等(苏春，2009)。
　　数学仿真是利用产品的数学模型代替实际产品进行试验研究，以得到现实产品的性能及特征，如有限元分析、钻进过程仿真、机构的运动仿真、加工过程仿真、基于数字化的汽车碰撞试验等数学仿真，又可理解为在计算机上对系统的数学模型进行试验的技术，又称计算机仿真。针对各种不同类型系统的数学模型一般分为两大类：一类是用各种数学方程，如代数方程、微分方程、偏微分方程、差分方程等表示的模型，对这类模型的试验称为连续系统仿真；另一类是用描述系统中各种实体之间的数量关系和逻辑关系的流程图表示的模型，它的特点是系统的状态变化是由一些在离散时刻发生的事件引起的，所以对这类模型的试验称为离散事件系统仿真。连续系统仿真使用模拟计算机、数字计算机或混合计算机，而离散事件系统仿真则主要使用数字计算机。系统(产品)、模型与仿真之间有密切的联系，产品是研究的对象，模型是产品某种