自主钻井技术取得里程碑式进展

这是澳大利亚阿瑟山南矿区钻探图案的鸟瞰图。（图片：WesTrac）

今年四月，卡特彼勒、泰斯和威斯特拉克公司的高管齐聚澳大利亚新南威尔士州的阿瑟山南煤矿，庆祝其自主机械操作技术历经三年研发取得的里程碑式成就。全球矿业服务供应商泰斯公司利用安装在一台卡特彼勒MD6250和两台卡特彼勒MD6310钻机上的Cat MineStar技术，实现了自主钻探超过100万米的里程碑。

目前，Thiess 公司在新南威尔士州阿瑟山南矿的采矿作业中使用了这三台全自动钻机，由一名操作员坐在远程操作站 (ROS) 内，使用 Cat MineStar Command 进行钻探操作。

该矿实现自主钻探并非一蹴而就。据卡特彼勒公司介绍，自动化是一个循序渐进的过程，三家公司从MD6250钻机入手，采用模块化方法逐步推进。这需要Thiess、WesTrac和卡特彼勒密切合作，不仅要实施技术，还要制定专门针对自主操作的流程，完成变革管理，并为现场人员开发新的培训项目。这些流程帮助Thiess从人工操作过渡到自主拥有和操作钻机，并制定了包括安全作业规程在内的各项操作规程。

“Thiess对这个项目的投入以及开放的深度合作态度是项目成功的关键驱动力，”Cat MineStar Solutions技术与全球销售支持副总裁兼总经理Sean McGinnis表示，“我们与Thiess和WesTrac紧密合作，确保我们的自主解决方案能够始终满足他们的关键绩效指标目标。”

Thiess公司自动化与运营技术主管特伦特·史密斯表示：“我们很自豪能够成为矿业服务自动化和自主领域的领导者。WesTrac在项目管理方面表现出色，并提供了现场支持，协助我们进行技术实施、培训，并克服了过程中遇到的各种障碍，包括全球疫情带来的挑战。”

随着这三家公司携手合作，逐步推进自主钻井作业，Thiess公司报告的成果包括：

• 钻井性能提升20%。
• 每天钻机使用时间超过 23 小时。
• 采用自主操作，无需重新钻孔。
• 通过将操作人员从钻机、噪音、振动和粉尘中移除，提高了安全性并减少了疲劳。

图为两台 Cat MD6250 钻机在阿瑟山南矿作业。（图片：WesTrac）

模块化方法

Thiess 迈向钻井里程碑的道路始于 2021 年秋季，当时推出了入门级辅助技术 MD6250。

WesTrac 的技术和解决方案经理 Nakia Brewer 表示：“分阶段的方法经历了钻井自动化的三个阶段，分别是操作员机器辅助 (OMA)、半自动钻孔和具有防碰撞功能的完全自动钻孔。

卡特彼勒提供不同级别的自主性，作为构建自主钻井作业的基础模块。这些钻机配备了机载和扩展的Cat MineStar技术，具备一系列功能，可根据预算和现场需求配置钻井系统。

自主钻井之旅始于机载钻井辅助自动化功能，该功能分为三个机器功能：

• 自动调平——提供机器调平功能，并监控机器状况，以确保在出现问题时能够进行调整或锁定。
• 自动桅杆——钻机可独立将桅杆升至适合钻探模式的理想角度。
• 自动钻孔——通过配置场地和地面特定参数（如孔径、深度和钻孔方法），消除过度钻孔或钻孔不足的情况。

麦金尼斯表示，自动钻孔技术能够应对更复杂的操作，适用于旋转钻孔和井下 (DTH) 钻孔模式，以及单次或多次钻孔应用。

“在大多数地质条件下，自动钻孔技术无需操作员干预即可完成钻孔作业，并能监测和应对诸如清理回落严重的孔洞等复杂情况，”他说道。“由于切削刀具和地质条件各不相同，我们的钻机利用内置钻孔算法来适应并克服复杂的地质条件，无需操作员干预。”

进一步自动化

Cat MineStar 解决方案持续推进自动化进程。MineStar Terrain 钻井系统提供精准的导向，助力高效、准确地完成钻井作业。

Cat MineStar Command 钻井系统是实现自主钻井的最后一个关键模块。在项目初期，Thiess 为 Cat MD6250 钻机配备了 OMA 技术。该技术利用 Terrain 钻井系统及其现有的网络骨干网，旨在获得操作员的认可，并让他们开始体验自主钻井的优势，同时确保操作员始终在钻机上。OMA 允许操作员选择一行，机器即可自动导航至该行中的每个孔并完成钻井作业。它利用了 Drill Assist 自动功能以及 Terrain 钻井系统的 GPS 和导航组件。

“OMA 提高了轨道运输的生产效率和定位精度，确保钻机始终符合设计要求，这大大增强了人们对该系统的信心，”麦金尼斯说道。

史密斯说：“在MD6250上安装OMA后，我们立即看到了这项技术的价值，以及它如何能够提高我们作业的钻井性能。”

Thiess公司的下一步是将操作员从驾驶室中移除。钻井控制系统提供两种级别的自主钻井模式，可用于多台钻机——视距内（LOS）和非视距内（NLOS）。Thiess公司选择了非视距自主钻井系统，并利用远程操作系统（ROS）将操作员定位在远离钻井现场的位置。

该公司通过 ROS 系统操作三台全自动 Cat 钻机，并首次实现了由一名操作员同时操作三台 Cat 自主钻机——一台多通道 MD6250 和两台配备自动多通道功能的 MD6310。

除了提升钻井性能、提高设备利用率和降低返工成本等运营效益外，特伦特·史密斯还指出，自主钻井项目也为员工带来了显著的益处。“它提高了操作人员的安全性，让他们可以在不中断钻井作业的情况下进行短暂休息，从而减轻疲劳，并为员工提供了更多提升技能、掌握最新技术的机会。”

迄今为止，蒂斯公司已将其位于阿瑟山南矿的30多名员工从传统的钻机操作员转岗至自主采矿系统操作员及其他一系列支持职能岗位。此外，该公司还投资为500多名员工提供了自主采矿系统培训。

蒂斯自治学区总监亚伦·斯金纳。（图片：WesTrac）

完全家庭融合

卡特彼勒公司表示，MD6250 和 MD6310 钻机采用通用平台、零部件和技术。每个钻机组件和子系统都经过匹配，能够作为一个系统协同工作，从而提高正常运行时间、效率和每米钻井成本。

MD6310 的钻孔直径范围为 203 至 311 毫米（8 至 12.25 英寸），单次钻头负载可达 42,149 公斤（92,922 磅）。当分别配备 13.7 米和 17.5 米的钻杆时，单次钻孔深度可达 13.7 米（44.9 英尺）和 17.5 米（57.4 英尺）。使用 13.7 米钻杆进行多次钻孔时，深度可达 74.6 米（244.9 英尺），而使用 17.5 米钻杆时，深度可达 48.0 米（157.4 英尺）。

MD6250钻机最大钻头负载可达32,655公斤（71,993磅），钻孔直径范围为165至200毫米（6.5至9.88英寸）。它可配备11.2米（36.7英尺）或13.6米（44.5英尺）的钻杆。使用11.2米钻杆时，多道次钻孔深度可达53.9米（176.7英尺）；而使用13.6米钻杆时，多道次钻孔深度可达37.9米（124.6英尺）。

MD2650钻机配备一台Cat C27柴油发动机，符合美国EPA Tier 4最终排放标准的版本额定功率为872马力，Tier 2版本额定功率为826马力。更大的MD6310钻机则使用Cat C32B柴油发动机，符合Tier 4最终排放标准的版本额定功率为1007马力，而为满足Tier 2排放法规而定制的同款发动机则额定功率为1031马力。

为提高安全性并防止潜在故障或误用，这两款机型均采用成熟的卡特彼勒电子元件和联锁装置。电子压缩机调节功能可提高生产效率并降低燃油消耗。卡特彼勒电子技术员可为Thiess钻机提供车载健康监测功能，以便快速排除故障，从而提高钻机正常运行时间。

麦金尼斯总结道：“与蒂斯公司合作取得的显著成果可以推广到其他矿业公司，通过钻井自主化来提升他们的作业效率。我们期待继续与蒂斯公司和韦斯特拉克公司合作，并期待未来数百万米的钻井作业。”