多功能全液压动力头式履带钻机的研发

满国祥,孔令沪,程林,张慧杰

(1.河北省地矿局国土资源勘查中心,石家庄 050081;2.河北石探机械制造有限责任公司,石家庄 050081)

0 引言

在钻深800 m左右的中深孔钻探施工中,全液压动力头钻机能够适应不同钻探工艺,具有机动性强、搬迁运输方便、现场就位准确便捷、自动化程度较高、劳动强度低、工作效率高等优点,越来越受到用户的青睐。市场上也出现了很多种全液压动力头钻机,我国应用较多的国外全液压动力头钻机主要有:美国SCHRAMM(雪姆)公司T685钻机,瑞典ATLAS·COPCO(阿特拉斯·科普柯)公司RD20钻机,德国BAUER(宝峨)公司RB-T50钻机。这些钻机在800 m中深孔的水文水井、煤层气井、工程钻孔施工中发挥着重要作用。与国内同类型钻机相比,其回转扭矩、提升能力、桅杆高度等参数均优于国产钻机,操控性也远超国产钻机,但也存在成本偏高、维修困难、操作人员要求素质高等问题[1]。

国产全液压动力头钻机的关键部件总体水平不高,除主泵、主阀等核心部件采用进口品牌外,其他液压件一般采用国产品牌。一些国产钻机重要传动件、结构件材料材质选择不当或加工工艺选择不当,造成整体刚性差、强度低、易过载损坏。钻机功能单一,仅能满足常规水井钻井施工、工程钻孔施工,或常规勘查钻井施工,不能满足用户对多种钻孔施工的需求[2-3]。基于以上现状,我公司研发了ST400B多功能全液压动力头式履带钻机。

1 ST400B钻机概述

ST400B多功能全液压动力头式履带钻机根据水井钻井施工、工程钻孔施工和勘查钻井施工特点,采用带高低挡调节的动力头变速箱,具有提升能力强、动力头扭矩大、动力头调速范围宽的特点,能够满足多种钻孔施工需求,可承担800 m以内的水井、煤层气、水文地质勘查、桥桩工程孔等钻孔施工。ST400B钻机如图1所示,主要技术参数见表1。

表1 ST400B多功能全液压动力头式履带钻机技术参数表

图1 ST400B多功能全液压动力头式履带钻机Fig.1 ST400B multifunctional full-hydraulic power head crawler drill

2 钻机总体结构及主要部件

ST400B多功能全液压动力头式履带钻机由履带行走底盘、车架、车架支腿、动力机组、液压系统、桅杆、卷扬、动力头、缓冲器、井口装置、司钻台、其他附件等部分组成[4-5],如图2所示。

1.底盘;2.车架;3.车架支腿;4.动力机组;5.液压系统;6.桅杆;7.卷扬;8.动力头;9.缓冲器;10.井口装置;11.其他附件图2 ST400B多功能全液压动力头式履带钻机结构图Fig.2 Structural diagram of ST400B multifunctional full-hydraulic power head crawler drill

履带行走底盘主要包括驱动轮、导向轮、支重轮、履带总成、履带张紧装置及行走减速机等,可实现钻机短途自行走和定位调整。车架是整个钻机的直接承重部分,车架支腿通过液压缸来实现钻机施工过程中的调平和钻机转移场地时的自装卸车。

采用柴油机动力,满足国Ⅳ排放标准,绿色环保节能。发动机采用直驱风扇散热方式,配备了液压系统温度调节装置,低温环境能够快速升温至工作温度,高温环境可以保证良好的散热效果,使钻机始终处于最佳的工作温度状态。

液压系统由液压泵、液压油箱、高压油管、行走马达、动力头驱动马达、控制箱、散热器及实现各种功能的液压缸等组成。主要采用多回路、全开环、全自动保护的液压系统技术,选用进口品牌动力元件及液压件,所有元件匹配合理,性能均衡。液压回路设置了蓄能装置,有效消除液压系统的脉动冲击,增加液压元件的使用寿命。

桅杆和动力头进行了优化设计。桅杆处采用了猫头结构,传力柔和,工作平顺稳定,可靠性明显提高。动力头配备大直径芯管,可适用于气举反循环钻井工艺,适合较大直径的钻孔施工。双工况动力头可实现正常钻进(泥浆钻进和空气钻进)和取心钻进等多种功能需求;动力头为可翘式动力头,匹配装杆车,可减轻工人劳动强度,提高工作效率,降低安全隐患。配置了动力头浮动轴,动力头浮动轴主要是由上下接头、端盖和连接套组成。正常钻进时,在重力作用下,下接头可全部伸出在连接套外,当动力头下降速度高于钻进速度时,下接头受孔底钻头反作用力的影响,将向连接套内移动。

钻机的控制由司钻台和操纵台完成。司钻台为钻机的主控制台,钻井施工时的全部功能均通过控制箱实现。操纵台是钻机的辅助控制台,主要包括行走控制阀、横腿伸缩控制阀和立腿升降控制阀,钻机施工前的调平、转移施工场地时的行走和装卸车时的伸缩升降,都由这个操纵台来完成。

3 钻机主要创新点

(1)液压系统采用船用标准,经过严谨设计计算和试验验证的高效液压缸匹配专用的大流量高压阀块,确保了动力头提升下压力量及速度。

(2)如果动力头密封不好,在泥浆钻进时很容易发生泄漏。ST400B钻机动力头旋转水封为特殊设计的密封结构,定制加工,完全避免了动力头泥浆泄漏。

(3)动力头和桅杆之间采用可调式偏心轮结构,可确保驱动轴和井口的对中,如图3所示。

图3 可调式偏心轮结构Fig.3 Adjustable eccentric wheel structure

(4)动力头设置碟式刹车,在钻井纠偏时可以确保钻进方向不变,如图4所示。

图4 碟式刹车Fig.4 Disc brake

(5)特殊设计的动力头浮动轴可以在上卸钻具时充分保护钻具螺纹,极大地延长了保护接头及钻具螺纹的使用寿命,动力头浮动轴如图5所示。

图5 动力头浮动轴Fig.5 Power head floating shaft

(6)依托我公司成熟的钻机生产技术,ST400B多功能全液压动力头式履带钻机在保证其基本技术参数的同时,还可以进行个性化定制,可根据用户施工项目的钻井设计、采用的钻井工艺特点、钻井所在区域地层结构特征、用户使用习惯等要素进行定制式设计、生产。

4 结语

ST400B多功能全液压动力头式履带钻机是一种履带式多功能全液压钻机。该钻机具有结构紧凑、操作简单、节省辅助时间等优点,适用于水井、煤层气、水文地质勘查、桥桩工程孔等的钻凿,具有很高的钻进效率。随着钻探市场竞争的愈加激烈,用户对钻机的功能及性价比等的要求也越来越高,这种可以进行定制式设计、生产的钻机必将在多种中深孔钻探中得到更多的应用。