徐辉祖，张伟，宋其新，左立标，杨平宇，江晓

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.杭州瀚陆海洋科技有限公司， 浙江 杭州 310012；3.杭州鲲骏海洋工程技术有限公司， 浙江 杭州 310018)

深海海底蕴藏着丰富的矿产资源，目前已发现的主要有多金属结核、多金属硫化物和富钴结壳等资源。获取岩心样品是多金属硫化物和富钴结壳勘探的一项主要任务，岩心样品将为认识矿体空间分布规律、圈定矿化区矿体及估算矿体资源量提供重要依据。深海岩心取样钻机系统一般由甲板监视操控单元、甲板高压供电单元、液压动力单元、回转钻进单元、冲洗排渣单元和通信测控单元等6个单元组成[1-3]，其作业过程如图1所示。

图1 深海岩心取样钻机作业

1 自适应钻进测控系统简述

自适应钻进测控系统根据 Demo采样时间内（如5 min），通过对3要素（钻压、转速、泵压）传感器数据进行计算分析，对地层类型属性进行初步判断分类后[4]，根据数据库匹配的相应钻进工艺参数，自动调整钻压、转速和冲洗流量等参数，匹配目标地层[5]，进行自适应钻进。自适应钻进测控系统包括甲板操控单元和水下测控单元2部分。其中甲板操控单元由工控机、显示屏、光纤通信机和操控软件等组成；水下测控单元主要由光纤通信模块、继电器输出、数据采集模块、比例阀控制模块和电源模块等组成。

2 自适应系统的关键技术

2.1 数据的采集和处理

海底钻机传感器参数主要包括：钻进速度、钻进压力、回转速度、泵压和油压等。其中影响钻进工艺的直接参数为钻进压力、回转速度和冲洗泵流量[6]。钻进压力通过压力传感器数据读取并换算出给进压力。回转速度通过水下测控单元高精度 DI板对动力头转速进行频率测量采集，进行加权计算。压力参数通过24 Bit高精度AD单元，对压力传感器电流信号进行输入阻抗匹配，以完成泵压数据采集。以上数据为自适应算法提供可靠、高效的反馈数据。

2.2 比例阀的PID控制

钻机钻进压力与回转速度的比例控制，是保证自适应钻进有效性的重要环节。通过对液压伺服与电液比例阀的控制，实现高精准、大扭矩、高线性度、快速响应的钻进控制[7]。

2.3 钻进工艺参数选择

图2是钻进试验的典型拟合曲线[8]。其中图2（a）是在其他钻进参数保持不变的情况下，钻压与钻速的关系曲线，其中1为硬地层，2为软地层。由图2（a）可知，最初钻压小，钻速沿oa段与钻压呈平方正比。继续增加钻压，钻速增长率逐步下降而沿ab段几乎与钻压成线性关系。随着钻压增加，软地层钻速增长缓慢，最终可能趋于平稳。

图2 钻压、转速和钻速的关系曲线

图2（b）是在钻压和其他钻进参数都不改变的条件下，转速与钻速的关系曲线，其中1为软地层，2和3为硬地层。在软地层的情况下，钻速与转速成正比；当地层变硬，钻速与转速不再成正比，钻进效率显著下降。

2.4 自适应钻进测控系统的算法和数据库

2.4.1 自适应钻进测控系统的算法

自适应钻进测控系统的基础是钻机能够实现钻压恒定、转速可调，基于深海地质数据和传感器数据，提供3种地质条件的自适应操控模式。通过对图2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，根据地质资料来确定理想的钻压值P，一旦P值确定，在某一钻位的整个钻进过程中保持钻压（P+Δp）连续钻进。

自动送钻基于自适应FuzzyPID控制算法[9]，在自动送钻控制方案中，通过速度环和钻压环双环控制，在钻进过程中实现控制策略选定钻压的恒定，实现自动送钻，自动送钻控制系统结构原理图如图3所示。

图3 自适应控制系统结构

图3中，外环是钻压调节部分，这里钻压调节器根据给定钻压W1和实际钻压W2的偏差，算出一个速度的给定值ΔW；在此环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ΔV，内环保证输出的速度V2与给定速度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。于是在给定速度V1的情况下，输出钻压W2就会与给定钻压W1相同，从而达到恒钻压控制的目的。

自适应算法模型如图4所示，通过计算比对，调整钻压和转速，当钻速稳定，且接近设定钻速的±20%时，即判定其钻速稳定，从而保持当前的钻进参数。当钻速超出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。

图4 自适应算法模型

2.4.2 钻进工艺参数数据库搭建

结合目前海底钻机作业所取得的岩心样品特性与钻进工艺参数历史数据，建立相关地质特点的海底钻进工艺参数数据库。可通过该自适应测控系统实时真实反映底质地层力学特性参数，并将真实反馈工艺参数归类存储至对应地质特性分区的库文件中[10]。通过数据逻辑推演和算法针对不同的地质地形调整参数，更进一步匹配生成相应的钻进迭代参数。

2.5 系统的硬件架构

硬件架构可以分为两大类，第一：传感器采集系统；第二：算法执行层。传感器采集系统作为物理层，必须保证数据的实时及高精度有效，传感器的采集分为两类，数值型传感器和模拟型传感器。算法执行层基于 ARM Cortex-A8构架，运行于Linux系统，确保数据仲裁和算法执行的多任务运行，避免由于系统瓶颈影响算法的有效性。

3 结束语

自适应钻进测控系统以钻机自适应算法模拟演示为基础，支持算法执行过程的数据可视化，并预留与未来钻机项目传感器采集等有关部分的接口，通过这些接口实现实时测量、软件算法、硬件抗干扰、监控系统字幕叠加、计算机应用系统等的集成，实现综合信息处理、智能控制、提高产品的集成度和市场影响力。

（1）开放性。采用国际现行标准通信协议、操作系统和专用调试软件，采用符合标准的设备和部件，保证整个系统具有开放特点，增强与异机种、异构网的联网能力。提供标准的数据接口、网络接口、协议接口及各种应用接口，解决不同系统和产品之间接口和协议的“标准化”，以便各个系统和产品之间达到互通和互操作性。

（2）模块化。系统设计、设备选型都必须考虑整个系统的可管理性。系统按模块化结构设计与实施，以满足通用性、可替换性。提供必要的调试工具软件，通过管理软件即可实现部分模块单元的动态配置、监控运行等。

（3）易操作性。系统要求具有良好的用户界面和管理接口，采用诸如菜单、按钮等直观的操作手段和面向目标的管理技术；系统要求具备模式化形式控制，系统具备高智能化的联动控制，为整个系统打造更人性化，更快捷简易的操作界面。