300m全液压水井钻机的研制

许晓庆 范悦栓 李晓峰 苗志军

摘 要：为解决现有水井钻机存在的效率低、自动化程度低等问题，开发了一种高效、技术含量高的自动化水井钻机。该钻机的控制系统为机械、液压一体化，集安全、快速起下钻、加压快钻、顶部驱动旋转、快速移运等多项优势，不仅能产生巨大的社会经济效益，而且对提高我国水井钻井装备企业的国际竞争力也具有重大现实意义。

关键词：全液压；水井钻机；动力系统；液压系统

中图分类号：TV53 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）23-0042-02

Development of a 300 Meter Full Hydraulic Well Drilling Machine

XU Xiaoqing FAN Yueshuan LI Xiaofeng MIAO Zhijun

（RG Petro-machinery Group Co.， Ltd.，Nanyang Henan 473000）

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency and low degree of automation in existing drilling rig， an automatic well drilling machine with high efficiency and high technical content was developed. The control system of the drill had many advantages， such as mechanical and hydraulic integration. It had many advantages， such as safety， fast drilling， fast drilling， top drive rotation， rapid migration and so on. It not only produced huge social and economic benefits， but also had great practical significance for improving the international competition power of the well drilling equipment enterprises in China.

Keywords： full hydraulic；well drilling rig；power system；hydraulic system

1 国内外水井钻机的现状和发展趋势

1.1 国内外现状

水井钻机在我国的研究和制造还比较落后，装机功率小、运行效率低，搬迁费用高，跟不上水井钻机产业化快速发展的步伐。进口的水井钻机一般为车载式，全液压控制、自动化程度高，但购置费用高、运行维修成本高。

国外流行的全液压动力头式钻机，我国研制和应用仍处于起步阶段，适用于多功能的钻机可以说还是空白，难以满足反循环钻进、定向钻进等多种钻进工艺发展的需要。总体来讲，我国与国外钻机在制造和应用上的差距还较大。

1.2 发展趋势

①提高工作效率。提高工作效率的途径：双根快速起下钻、空气钻进、加压快钻、顶部驱动、快速移运等。

②提高技术经济性。提高技术经济性的途径：选用国产可靠配件，如柴油机、动力头和液压元器件等，可使钻机制造成本下降1/3以上[1]。

2 SZJ3D水井钻机的主要特点

①整机橇座式，钻井作业所需设备一橇安装，整车运输，具有良好的运移性能，可适应各种复杂井场的地面状况。

②采用全液压传动，实现主要钻井参数无级调节，以适应不同地层的地质状况，并具有自动送钻功能。同时，综合运用机、液一体化技术，具有较高的作业效率和自动化程度。

③旋转钻井系统采用动力水龙头，可满足钻井工艺需求，确保该机的可靠性和安全性。

④采用液压缸提升、钻进及加压装置，结构简单，性能可靠，可实现动力水龙头钻进、提升、下压，接卸4.5m或6m钻杆。

⑤泥浆循环系统采用泥浆泵、砂石泵双配备，具备大排量、高压泥浆供给方式，符合大通径井眼钻井作业的正反循环钻井工艺。

⑥前开口、无绷绳、液压起放、直立井架及特殊的底座结构，在保证无外绷绳正常作业的同时，可实现整车的正常运输。

3 SZJ3D水井钻机的主要构成

SZJ3D水井钻机主要由提升下压系统、井架、底座、柴油机、控制系统、泥浆泵、砂石泵、动力水龙头、泥浆循环系统和井口装置等部件组成 。

3.1 底座

底座整体由高强度型材焊接而成，设有4个既可升起又可伸展的液压支腿。单个支腿顶升力可达100kN，滿足举升整机自重的需求。支腿伸展行程为500mm，伸展后的橇座内侧空间可达3 200mm，运载车辆可以直接倒入底座下方。底座上分别设前后支架，满足井架在作业和运输时的要求。

3.2 动力系统

动力系统由大功率柴油机和带泵箱组成。柴油机选用国产康明斯。满足动力需求的同时，采用低排放柴油机，降低整机的成本。带泵箱为液压系统油泵的取力装置。箱体为行星齿轮传动箱，一分四驱动，传动比1∶1。

3.3 液压系统

SZJ3D水井钻机液控系统由以下几部分组成：井架起升及液压支腿部分、泥浆泵驱动部分、砂石泵部分、动力水龙头部分、提升下压部分和散热驱动部分。整个水井钻机液压系统共有6个泵，这些泵共用一个液压油箱。液压油泵由发动机经带泵箱带动运转，为各部分提供动力，以满足钻井过程中的各种要求。

3.4 泥浆循环系统

泥浆循环系统采用正、反循环两种工艺配置。

正循环系统包括泥浆泵的吸入管线和高压管线。吸入管线在泥浆池，带滤水底阀，滤水器对泥浆液进行粗过滤的同时，也起到单向阀的作用，以提高泵的自吸能力；高压管线从泵的出口连接到动力水龙头的鹅颈管上。正循环管线的泥浆通过吸入管汇、泥浆泵、水龙带、DLS30动力水龙头、钻杆、钻头流向井底，从环空返回泥浆池。

反循环系统包括砂石泵的吸入管线和排出管线。吸入管线接到动力水龙头的鹅颈管上；排出管线进入泥浆池。反循环管线的泥浆通过井底、钻头、钻杆、动力水龙头、吸入管汇、砂石泵、排出管汇流向泥浆池。

3.5 泥浆泵

泥浆泵为卧式三缸活塞往复泵，结构简单，体积小、排量大，易损件少，使用寿命长。采用低速大扭矩液压马达驱动，设计泵冲为160冲/min。采用曲柄连杆机构、飞溅润滑或强制润滑，当泵的曲轴旋转时，曲轴带动连杆、十字头、中间杆、活塞作往复运动，当活塞向后运动时，进液阀开启，液体进入泵体内，直到活塞移到最后位置时（曲轴旋转180°）进液过程结束。通过更换不同直径的缸套、活塞来改变泵的排量与压力，使用不同的钻井工况。

3.6 砂石泵

砂石泵为大排量、大通径离心泵。采用液压马达驱动，扬程可达18m，最大排量可达234m3/h。

钻机反循环钻井时，靠大通径砂石泵将井底的碎石、鹅卵石、泥饼等大颗粒钻屑从井底经钻杆吸出排入泥浆池。同时，也可用砂石泵的大排量来实现正循环或反循环的快速钻井，提高钻井效率。

3.7 井架

井架采用无绷绳、单节、直立式结构，主要由天车、井架本体、起升液缸、提升下压液缸及其滑轮组等部件组成。

井架立起和放倒由连接在底座后支架和井架本体上的一对双作用起升液缸来实现。井架与后支架之间采用绞支座连接。

3.8 提升下压装置

大排量长行程液压缸装在井架内侧，使用钢丝绳来提升和下压动力水龙头DSL30，在井架导轨上安装的扶正轮总成和动力水龙头导轨车沿着井架内侧的导轨上下移动，以产生提升、下压力，同时承受和传递扭矩。

3.9 动力水龙头

动力水龙头采用双马达做驱动动力，经两极齿轮传动后将旋转动力传递给中心管，从而帶动钻杆做旋转运动。其上端通过销子与提升装置连接，下端通过过渡接头接直接接钻杆，鹅颈管与水龙带连接。动力水龙头DSL30起到承载和对压力泥浆进行密封的双重作用，以实现提升及循环作业。

4 主要技术参数

SZJ3D水井钻机的主要技术参数如下。名义钻井深度：300m（4″钻杆DP）；最大提升载荷：150kN；钻杆提升速度：0～0.7m/s。

5 结论

①SZJ3D型水井钻机整机移运性能好，节约了作业成本，提高了效率。

②采用液压动力水龙头、液缸提升下压系统、正反循环泥浆系统，实现对钻压的控制，提高了作业效率，并适合于软地层和硬地层钻进，扩大了钻机的地层作业范围。

③采用全液压自动化控制，减轻了工人的劳动强度，提高了作业的安全性。同时，钻机节能、安全、环保，符合现代化钻井作业的要求。

参考文献：

[1]高占听.国内水井钻机的现状及发展趋势[J].中国煤炭地质，2014（10）：65-68.