YSJ3000型深孔绳索取心液压绞车的研制

何磊,沈怀浦,杜江

(中国地质装备总公司技术中心,北京100102)

YSJ3000型深孔绳索取心液压绞车的研制

何磊,沈怀浦,杜江

(中国地质装备总公司技术中心,北京100102)

本文阐述了研制新型3000m深孔绳索取心液压驱动绞车的必要性及设计要点,并通过各种检测手段实现对于岩心打捞各个环节的监控,目的在于提高岩心打捞的成功率,提高了金刚石绳索取心钻探工艺的综合效率。

液压绳索取心绞车 排绳装置 张力检测 深度控制

1 有必要研制深孔绳索取心绞车

提取地质岩心,揭示地球内部信息,获取人类赖以生存的能源和资源,是地质工作者的神圣职责。21世纪以来,我国每年的机械岩心钻探工作量激增,2008～2009连续两年突破1500万米大关。当前国内勘探单位80%以上所采用的钻探技术为金刚石绳索取心,而作为绳索取心关键工序的岩心打捞是核心环节,也是所有施工单位最为关注的目标作业点。

由于能源危机和资源匮乏,我国制定了“攻深找盲”的找矿方针,固体矿床勘探深度的不断推进,地质小口径绳索取心钻探孔深的全国纪录不断更新,截至2010年6月,我国S75绳索取心钻探的国内纪录已经达到2706.68m,一些地勘单位已向“突破3000m,覆盖全疆域”取心的目标迈进;另外,国家地壳探测计划、科学钻探等重大科研项目的实施,都需要具备相应能力和水平的取心装备的支撑,实现3000m岩心打捞功能的绞车则是成套设备中的核心部件。

深孔取心,尤其是连续取心3000m,打捞尤其重要。因为每一次打捞岩心的不成功,就意味着一次深孔高强度的提钻作业,数十吨钻杆柱频繁的提起、放下需要消耗巨大的动力和人员劳动,徒增毫无用处的辅助时间,增加孔内事故率,严重降低钻探效率,增加施工的危险性。虽然岩心打捞不成功有很多因素,如:岩心脱落、内管顶死、钻具配置等,但绳索取心绞车本身的技术不过关或不易操作而造成的打捞失败,仍是主因之一。目前,地勘单位大多使用上世纪六、七十年代研发的1000～1500m深的机械传动、无排绳、无监测装置的绳索绞车,在深度、操控、监测、稳定性等方面非常滞后,事故频发,尤其在深孔钻探过程中与绳索取心的工艺要求很不协调,不能满足当前地质取心钻探发展的需要。因此,研制满足深孔绳索取心工艺要求的新型绞车是必要的。本篇文章简要介绍中国地质装备总公司新研制的 YSJ3000型深孔绳索取心液压绞车(见图1)。

图1 YSJ3000型绞车外形

2 YSJ3000型绞车设计的要点

2.1 最大拉力和最大速度的设计

YSJ3000型绞车最大拉力的设定,考虑岩心直径,岩心管长度,打捞矛及内管重量,3000m钢丝绳自身重量,内管提升时的沿程阻力以及泥浆柱的压力等因素,绳索绞车最大需要提拉的净重接近25kN,选用6×36SW-FC(麻芯)钻探用8mm的钢丝绳F(破断拉力)=直径 ×直径 ×1770/1000×0.33=37.40 kN,绳索绞车设计的最大拉力为37.4kN,安全系数为1.5,基本满足施工要求。

YSJ3000型绞车最大速度的设定,根据岩心钻探规程的要求,绳索绞车提升速度1～1.5m/s较为合适,设计第二层单绳在最大提升力3.74kN时的最大提升速度为1.43m/s,满足常规施工要求。由于下放过程需要较高的速度,最外层绳的最大下放速度可达到4.25m/s,提供了宽泛的下放选择速度空间(0～4.25m/s)。

类比美国夏威夷科学钻探施工用绳索取心绞车,取心钻进 6,096m,使用 12.1mm钢丝绳,最大拉力设定为80kN吨,安全系数为1.6。光毂提升速度为1.64m/s,满毂提升速度为2.235m/s.

根据以上数据可以确定,YSJ3000型绞车的最大拉力和最高绳速能够确保3000m井下的岩心能够被拉得动、拉得快。

2.2 速度和力量的控制

然而,仅仅能够快速提动岩心,并不能保证3000米岩心打捞过程的平稳、可靠、安全。因为打捞岩心的的过程需要起步慢拉,中间平稳,调速柔和。力量太大,容易造成拉断钢丝绳,内管脱落,速度太高,容易产生打捞事故,容易造成跳绳、乱绳。传统的SJ系列机械传动绳索绞车依靠刹车制带人工操作,起步不柔和,平稳性不好,制动过猛,人员劳动强度大。而 YSJ3000型绞车是液压手柄操作(图2),从0～255m/min可以无级调速,调速柔和,运行平稳,制动平缓(图3),最大拉力可以自由调定,也大大降低人工劳动强度。

图2 调速旋钮及手柄

图3 运行状态

2.3 投放深度位置的监测

仅仅解决力量、速度及其控制的环节,仍然不能确定每次投放时打捞矛是否到达内管位置,YSJ3000型绞车在自动排绳装置上安装了计数轮、光码盘(1000个脉冲/转)、绞车深度和速度传感器和控制器(图 4、5),深度测量范围 0000.00～4999.99m,深度误差≤±0.2‰,可以随时观测监控钢丝绳投放打捞矛的线速度和深度位置,为司钻人员确认打捞矛是否到达内管位置提供可靠的数据。

图4 光码盘

图5 控制器

2.4 判断打捞矛是否悬挂上内管

根据深度控制器判断打捞矛已经到达内管位置后,需要缓慢下放打捞矛以悬挂内管捞矛头,如何判断打捞矛悬挂上捞矛头,YSJ3000型绞车安装了张力传感器和张力监测显示仪(图6、7),张力传感器测量范围为00.00～99.99kN,张力监测显示仪的测量误差为≤±0.3‰,即30N。根据下放到内管位置的张力显示(钢丝绳和打捞矛的重量)与提升内管的张力显示(钢丝绳、打捞矛、内管及岩心的重量)进行对比,可以十分明确地确定内管是否打捞成功。并且在内管顶死或者卡死在外管的特殊情况下,张力显示成倍增大,可以明确判断内管的卡阻状态,为司钻者是否解卡并决定是否提钻提供数据支持。

2.5 超长钢丝绳的排绳是否有序

要打捞 3000m深度位置的岩心,必须配备3800m以上长度的钢丝绳,既要保证一定的拉力、速度,也要保证超长的钢丝绳如何能够避免乱绳、咬绳,爬绳,跳绳等问题,这是传统的1000m以上深度绳索绞车最棘手的问题,也是施工单位最头疼的问题。YSJ3000型绞车采用石油测井绞车常用的双头螺线自动掉头排绳机构,并设置手动调节功能(图8、9),实践证明,使用该绞车的自动排绳机构,极少出现乱绳、咬绳,爬绳等现象,3000多米直径8mm的细钢丝绳排列整齐有序。另外,本绞车设置了高精度摄像头,以方便司钻者随时观察绞车内、外钢丝绳的运行状态,确保不发生意外。

图6 张力传感器

图7 张力检测显示仪

3 YSJ3000型绞车主要参数及特点

①液压系统

工作压差:30MPa

最大流量:110L/min

②减速机

最大输入/输出速度:4527/99.7r/min

最大输入/输出扭矩:243/11032N·m

③绞车卷筒

卷筒直径:600mm

卷筒长度:1000m

④钢丝绳

钢丝绳直径:8mm

钢丝绳层数:14层

钢丝绳绳长:3800m

⑤拉力/速度

第二层单绳最大速度:193m/min

随着产量和质量水平的提升，中国塑料管道加工企业“走出去”的愿望强烈，也出现了一些出口主导型的企业，使近年产品出口呈增长势头，出口量和出口额不断增加，并且出口单价和占总产量的比重均呈上升趋势，产品主要销往东南亚、中东、非洲、美洲以及欧洲等国家和地区。而国内市场的扩大和行业的发展也吸引国外一些同行以各种方式加入了国内塑料管道行业的竞争中，加大了国内行业的创新力度，促进了行业技术进步。国内塑料管道行业在积极参与国际交流、学习国外先进技术与管理理念的同时，也向国外展示了中国塑料行业的发展情况。

第二层单绳最大拉力:3.6t

第十四层单绳最大速度:255m/min

第十四层单绳最大拉力:2.7t

⑥YSJ3000型绞车的特点

液压驱动,速度变化平滑缓和,张弛有度;

排绳装置,自动掉头亦步亦趋,整齐有序;

张力传感,提、下放界限清晰,打捞准确。

4 YSJ3000型绞车需要完善的地方

4.1 自由落钩功能

在 YSJ3000型绞车下放打捞矛的过程中,虽然设计了0～255m/min的宽泛而无级的下放速度,但是,由于泥浆比重以及孔内情况比较复杂,打捞矛在下放较慢操作时,浪费时间;下放较快时,钢丝绳的下放速度超过打捞矛在钻杆中的下放速度,会引起8毫米钢丝绳松弛打扭,虽然该绞车在附近设置了摄像头,司钻者可以监控绳索绞车和钢丝绳的即时运行状态,但是仍然无法避免操作者的一时疏忽。如果具备无动力可控自由落钩,绳索取心绞车将会随着打捞矛自由下放的速度自由旋转,不用提着打捞矛下放,既节省动力,实现快速下放,又不会因钢丝绳的下放速度过快而产生松弛及跳绳打扭的现象。

4.2 可更换不同直径钢丝绳的排绳机构

由于在3000m以内的取心施工项目,不同的取心深度,不同的取心直径,不同的地层情况,不同的泥浆比重,都有可能需要配备不同直径(Φ6～10)的钢丝绳,而双线螺旋的排绳主轴螺距(YSJ3000型绞车的螺距为32mm)的固定,必然会造成排绳装置只适用于一种钢丝绳直径,要更换不同直径的钢丝绳,就需要更换不同双螺线主轴,这会造成一定的不方便。虽然目前可以通过更换链轮以调整排绳机构的传动比来更换大直径的钢丝绳而不必更换螺旋线主轴,但是需要在设计之初就要对于可能要涉及的几种规格的钢丝绳的直径与相对应的链轮齿数进行计算和实验,做到有备无患。

YSJ3000型绳索取心液压绞车,正在汶川地震断裂带科学钻探二号孔(WFSD-2)项目中接受深孔取心实践的检验,目前运行状态良好,中国地质装备总公司正在对于该绞车作进一步的完善,并形成YSJ1500型、YSJ2000型、YSJ2500型等一系列化产品。我们也希望该绞车的设计理念能够对于目前大量运行的1500m以深的机械传动绳索取心绞车能够提供一些借鉴,希望批评指正。

P634.35

A

1009-282X(2011)01-0014-03

2010-08-10

何磊(1979-),男(汉族),江苏人,毕业于中国地质大学(北京)机械工程及自动化专业,主要从事各种钻探设备的研发工作,北京市朝阳区望京西园221号博泰大厦15层,E-mail:helei@cgeg.com.cn。