摘要
本文以“十三五”国家重点研发项目“5000米地质岩心钻机关键技术与装备研制”配套的绳索取心绞车设计为依据，详细介绍了5000 m绳索取心绞车的主体结构、测控系统、主被动一体排绳系统、绞车辅助装置等的设计及现场应用情况，为地质钻探用绳索取心绞车的设计和发展提供了新思路。同时在绞车辅助系统中设有深度检测校正测量装置、张力检测装置、钢丝绳清洁装置、钢丝绳断股断丝检测装置、取心打捞孔内数据采集装置等，用于精确测量孔深和显示打捞器、判别内管总成在井内的工况、清洁钢丝绳表面钻井液、监测钢丝绳断股断丝情况、测量钻孔顶角方位角。本文设计的绳索取心绞车在4007.10 m井深起，在绳索取心工艺中全程快速收/放绳，取得了理想的效果。
深地探测是解决人类面临能源资源和生存空间基本问题的必由之路，以深度换空间是解决城镇化发展新阶段的必然需求，向深部要资源是缓解国家持续发展对能源和矿产资源巨大需求的现实选
本文的研究方向是基于国家重点研发计划项目“5000米地质岩心钻机关键技术与装备研制”的要求提出的。绳索取心绞车作为5000 m地质岩心钻机中的关键设备，在深井、超深井、复杂地层、深井连续取心等绳索取心钻进工艺中尤为重
（1）设计参数满足使用要求。
（2）保证岩心打捞过程的工作安全和打捞效率。
（3）监测和控制绞车提放速度和提升力。
（4）准确掌握打捞器是否下放到位、是否打捞成功的状态信息。
（5）提升时钢丝绳高效有序的排列。
（6）准确识别绞车钢丝绳断股断丝情况等。
本文主要介绍5000 m绳索取心绞车总体结构、测控系统、排绳系统和绞车辅助装置和现场试验等内容。
5000 m绳索取心绞车设计原则为变频电机驱动、无极调速、一体式安装、独立排
图1 5000 m绳索取心绞车系统框图
Fig.1 Block diagram of the 5000m wire‑line coring winch system
图2 绳索取心绞车主体实物
Fig.2 Main part of the wire-line winch
5000 m绳索取心绞车采用电气液共控制方式，绞车由G120C（55 kW）型变频器控制一台55 kW的交流变频电动机（含风机）将动力经一台角传动齿轮箱减速后通过气胎离合器传给滚筒轴，电机轴尾安装一台增量式速度编码器，做速度反馈和控制检测用，适应绳索绞车所需要的拉力和绳速。绞车整个变速过程完全由主电机交流变频控制系统控制，变频器采用西门子智能斩波器加制动电阻实现能耗制动，并提供标准的Profibus-DP现场总线接口。排绳系统采用一台4 kW的交流变频电动机（含风机）经角传动减速机后将动力传递给梯形螺杆驱动导向架，通过卷筒编码器测定卷筒转速输入参数到排绳系统PLC，通过PLC逻辑运算后输入到排绳变频器驱动变频电机，随后由电机编码器将排绳电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现闭环控制。绞车控制流程见
图3 绞车控制流程
Fig.3 Winch control flowchart
绞车制动器采用一台常闭式液压工业盘式制动器，通过钻机绞车液压站进行控制。制动器主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。盘式制动器散热快、质量轻、构造简单、调整方便。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定。
绞车离合器采用气胎离合器，通过高压气源控制，气胎离合器传递转矩大，接合平稳，便于安装，吸振，能补偿少量主、从动轴角向和径向相对偏移，从动部分惯性小，使用寿命长，结构紧凑，密封性好。
排绳装置主要作用是将回收的钢丝绳在绞车卷筒上进行整齐而均匀的放置，即排绳器的往复直线运动和卷筒的旋转运动处于同步状态，保证钢丝绳不发生松绳、乱绳等的不良现
主动排绳主要通过卷筒编码器采集的卷筒转速和旋向信号给PLC，PLC通过预设钢丝绳直径、绳距系数、传动比、丝杠导程等参数计算出满足钢丝绳在卷筒缠满一圈时导向架移动一个绳距的距离。被动排绳通过绞车测控系统实时监测纠偏装置两侧传感器信号，绞车收/放绳过程中，当纠偏装置导绳偏转块偏转角度大于α角后触发一侧传感器，传感器把信号反馈给排绳系统PLC控制器，PLC控制排绳变频电机驱动排绳导向架前进/后退，直至偏转角α小于设定值（见
图6 被动排绳纠偏原理示意
Fig.6 Schematic diagram for passive rope laying correction
本文绞车卷筒采用LEBUS双折线卷筒
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式中：nt——绞车电机编码器总脉冲数；np——电机每转编码器的脉冲数；i——减速机传动比；ns——卷筒绳槽个数；B——卷筒开档宽度，mm；int——取整运算，当为偶数时，取
通过排绳装置变频电机上安装的编码器和排绳装置丝杠的导程，可获得排绳装置当前的实际位置x：
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式中：nt——排绳装置电机编码器总脉冲数；np——电机每转编码器的脉冲数；i——减速机传动比；ns——卷筒绳槽个数；Δd——丝杠导程，mm。
将以上获取的缆在卷筒上的实际位置w和排绳装置的当前实际位置x输入PID控制器，通过调整相应PID参数，可获取比较满意的控制精度。但是传统PID控制器由于积分饱和原因无法使系统在实现响应快速性的同时满足小超调甚至无超调，因此本文采用一种具有抗积分饱和功能，且能够对比例作用和微分作用进行加权的PID控制算法对排绳装置的位置进行控制，见
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式中：y——PID 算法的控制值，mm；Kp——比例增益；s——拉普拉斯运算符；b——比例作用权重；c——微分作用权重；w——设定值（钢丝绳在卷筒上的位置），mm；x——过程值（排绳装置在丝杠上的位置），mm；Ti——积分作用时间；Td——微分作用时间。
绞车钢丝绳提放速度测控系统的功能包括检测与控制两个部
采用绝对值编码器检测卷筒的旋转，当绞车钢丝绳提放打捞器时卷筒转动，编码器就输出对应的脉冲，钢丝绳的提放速度越快，卷筒转动越快，编码器输出脉冲的频率就越快，并有如
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式中：v——钢丝绳下放速度；d——绞车卷筒直径；f——编码器输出脉冲信号频率；n——编码器每圈脉冲数。
由
绞车主电机主要参数为：额定功率55 kW，额定电流97.8 A，额定频率50 Hz，额定转速1480 r/min，额定扭矩355 N·m。减速机主要参数：减速比24.74，对应滚筒输出额定转速为59.82 r/min（50 Hz），额定最大理论提升力超过50.77 kN，光毂绳速为1 m/s。
异步电动机的转速公式：
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式中：n——电机转速；f——电极供电频率；S——转差率；P——电机极对数。
由（6）式可知，通过改变电机的供电频率f就可以改变电动机的转速，考虑到取心绞车实际工况和取心绞车高动态性能，电机速度选择矢量转矩控制。XD50型钻机绳索取心绞车中通过绞车手柄（即4~20 mA模拟量）给定S7-1200PLC转速信号，PLC通过与变频器之间Profibus通讯给定频率信号。由于一般的电动机调速都是线性的，因此频率给定曲线可简单地通过定义首位两点之间的坐标即可确定该曲线，频率给定曲线f（x）=f（P），这里P为手柄电流信号，而变频电机的正反转通过手柄正转命令端子或反转命令端子实现。
深孔绳索取心作业时，精确打捞对于提高深孔或超深孔取心效率尤为重要，司钻需掌握打捞器在钻孔内的位置来判断是否达到目的深度，以及对钢丝绳张力波动的了解用于判断是否成功打
由于钢丝绳受自身重力和打捞器内管总成重力会出现变形伸长，导致检测到的钢丝绳释放长度并不等于打捞器和内管总成在井内的深度，因此通过测量绞车释放的钢丝绳长度来计量打捞器和内管总成在井内的具体深度是不准确的，可对钢丝绳的实际伸长量进行矫正计算，影响深度计量准确性的主要因素为钢丝绳的弹性变形。
按照胡郁乐
图7 绞车钢丝绳提升系统的变形模型
Fig.7 Deformation model for the rope hoisting system
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式中：H0、R0、L0——分别为相应段原长，R0、H0可以由绞车和天轮安装位置确定，L0可以通过检测绞车释放钢丝绳长度S0确定；He、Re、Le——分别为相应段弹性变形长度；H、R、L——分别为相应段变形后的实际长度。
通过王福强
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式中：E——钢丝绳弹性模量；A——钢丝绳中所有钢丝断面积之和；Q——钢丝绳终端载荷；P——钢丝绳单位长度质量；α——绞车钢丝绳出绳角。
综合矫正各段变形量后，可以得到绞车钢丝绳的实际下放深度：
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当打捞器到达内管位置时，通过对下放到内管位置的张力与提升内管的张力对比来判断打捞矛头是否悬挂上内管总成。张力的测量可通过绞车张力传感器测量或者通过变频器获取电机电流值进行计算，对于前者学者们做过很多研究并制作了专用的三滑轮测量装
排绳导绳架结构示意图和大导轮绕绳方式与受力分析见
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图8 导轮绕绳方式与受力分析
Fig.8 Rope winding mode and stress analysis of the
regulating wheel
提升力通过变频器控制电机扭矩大小决
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式中：Tmax——电机的最大扭矩，N·m；i——绞车减速比；d——卷筒光毂直径，mm。
绞车电机的输出扭矩通过S120型变频器的力矩设置选项页进行设定，也可通过PLC控制报文实时改变当前电机的输出扭矩，根据
钻井液一般均具有较强的腐蚀性，若不及时清理将严重影响钢丝绳的整体寿命和破坏钻台的环境卫生。借鉴行业内相关技术，借助平台高压气源设计了一款移动气吹式除泥器（见
图9 钢丝绳清洁装置
Fig.9 Wire‑line cleaning device
绳索取心工艺是小口径岩心钻探中成熟的钻探施工技术，目前被广泛采用，但也存在着各种弊端，取心钢丝绳断裂事故发生的较为频繁就是其中之一，处理它的方法尤为重要，处理得当，就事半功
图10 钢丝绳检测原理
Fig.10 Schematic diagram of wire‑line testing
图11 钢丝绳检测装置应用情况
Fig.11 Application of the wire‑line testing device
取心打捞孔内数据采集装置用于测量当前回次钻孔的最新顶角数据。仪器与打捞器连接，可在回次打捞岩心的过程中取得钻孔顶角数据，无需再用测斜仪专门进行钻孔轨迹测量，在某种程度上可取代测斜仪，这样无需花时间专门进行钻孔顶角测量，因此能在最短的时间内获得钻孔的最新顶角数据。该仪器能连续记录不同孔深对应的钻孔顶角、孔内压力及温度数据。仪器在地面可利用智能手机通过蓝牙方式进行无线数据读取，得到最新的孔内数据。绳索取心孔内数据记录仪结构组成见
图12 绳索取心孔内数据记录仪
Fig.12 Wire‑line coring down hole data recorder
图13 手机端数据接收软件界面
Fig.13 Interface of data receiving software on the mobile terminal
5000 m绳索取心绞车作为国家重点研发项目“5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范”课题二“5000米地质岩心钻机关键技术与装备研制”的关键部件，于2021年6月开始，在河北省保定市博野县结合中国地质调查局地质调查项目“冀中坳陷深部碳酸盐热储调查评价”（井号：JZ04井）进行了生产试验。该井主要钻井目的为揭穿高阳低凸起中南部新生界地层，揭露中-新元古界碳酸盐岩地层，获取深部热储层厚度、温度、岩性、渗透性、出水量等参数，为深部地热资源评价工作提供基础资料，为查明博野潜山区碳酸盐岩地层分布情况及高阳-博野断裂空间展布，结合安国、蠡县等地区的碳酸盐岩地热井数据，研究高阳低凸起中南部碳酸盐岩储层分布特征，提供实钻数
在钻深4007.01 m的JZ04地热地质勘探井，5000 m智能地质钻探技术装备集成应用示范工程按照小口径绳索取心满眼钻进要求，下入4007.01 m的Ø146 mm套管，实现了新的小口径钻孔结构，采用P规格绳索取心钻具智能化控制钻进，终孔深度达到4017.50 m，岩心采取率达到97.08
图14 5000 m绳索取心绞车应用情况
Fig.14 Application of 5000m wire‑line coring winch
配有排绳机构、钢丝绳清洁装置、钢丝绳检测装置、孔内数据采集等装置的5000 m绳索取心绞车的研制对于超深孔地质钻探具有重大的意义，具体表现为：
（1）主、被动式排绳机构，放绳时采用被动排绳和提升时采用主动排绳方式的选择，排绳效果良好，其原理适用于4000 m以深孔绞车钢丝绳的排绳，在地质岩心钻探领域具有推广意义。
（2）钢丝绳清洁装置与钢丝绳检测装置的应用，有效地提高了钢丝绳的寿命和预防了钢丝绳的断裂。
（3）取心打捞孔内数据采集装置的应用有效地缩短了超深井测井周期，司钻可实时掌握钻孔井斜、方位角等关键参数，在条件允许的井场可以借鉴使用。
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