300m全液壓水井鉆機(jī)的研制

許曉慶 范悅栓 李曉峰 苗志軍

摘 要：為解決現(xiàn)有水井鉆機(jī)存在的效率低、自動化程度低等問題，開發(fā)了一種高效、技術(shù)含量高的自動化水井鉆機(jī)。該鉆機(jī)的控制系統(tǒng)為機(jī)械、液壓一體化，集安全、快速起下鉆、加壓快鉆、頂部驅(qū)動旋轉(zhuǎn)、快速移運等多項優(yōu)勢，不僅能產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，而且對提高我國水井鉆井裝備企業(yè)的國際競爭力也具有重大現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：全液壓；水井鉆機(jī)；動力系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)

中圖分類號：TV53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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 國內(nèi)外水井鉆機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

水井鉆機(jī)在我國的研究和制造還比較落后，裝機(jī)功率小、運行效率低，搬遷費用高，跟不上水井鉆機(jī)產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展的步伐。進(jìn)口的水井鉆機(jī)一般為車載式，全液壓控制、自動化程度高，但購置費用高、運行維修成本高。

國外流行的全液壓動力頭式鉆機(jī)，我國研制和應(yīng)用仍處于起步階段，適用于多功能的鉆機(jī)可以說還是空白，難以滿足反循環(huán)鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)等多種鉆進(jìn)工藝發(fā)展的需要。總體來講，我國與國外鉆機(jī)在制造和應(yīng)用上的差距還較大。

1.2 發(fā)展趨勢

①提高工作效率。提高工作效率的途徑：雙根快速起下鉆、空氣鉆進(jìn)、加壓快鉆、頂部驅(qū)動、快速移運等。

②提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的途徑：選用國產(chǎn)可靠配件，如柴油機(jī)、動力頭和液壓元器件等，可使鉆機(jī)制造成本下降1/3以上[1]。

2 SZJ3D水井鉆機(jī)的主要特點

①整機(jī)橇座式，鉆井作業(yè)所需設(shè)備一橇安裝，整車運輸，具有良好的運移性能，可適應(yīng)各種復(fù)雜井場的地面狀況。

②采用全液壓傳動，實現(xiàn)主要鉆井參數(shù)無級調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同地層的地質(zhì)狀況，并具有自動送鉆功能。同時，綜合運用機(jī)、液一體化技術(shù)，具有較高的作業(yè)效率和自動化程度。

③旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)采用動力水龍頭，可滿足鉆井工藝需求，確保該機(jī)的可靠性和安全性。

④采用液壓缸提升、鉆進(jìn)及加壓裝置，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，可實現(xiàn)動力水龍頭鉆進(jìn)、提升、下壓，接卸4.5m或6m鉆桿。

⑤泥漿循環(huán)系統(tǒng)采用泥漿泵、砂石泵雙配備，具備大排量、高壓泥漿供給方式，符合大通徑井眼鉆井作業(yè)的正反循環(huán)鉆井工藝。

⑥前開口、無繃?yán)K、液壓起放、直立井架及特殊的底座結(jié)構(gòu)，在保證無外繃?yán)K正常作業(yè)的同時，可實現(xiàn)整車的正常運輸。

3 SZJ3D水井鉆機(jī)的主要構(gòu)成

SZJ3D水井鉆機(jī)主要由提升下壓系統(tǒng)、井架、底座、柴油機(jī)、控制系統(tǒng)、泥漿泵、砂石泵、動力水龍頭、泥漿循環(huán)系統(tǒng)和井口裝置等部件組成 。

3.1 底座

底座整體由高強(qiáng)度型材焊接而成，設(shè)有4個既可升起又可伸展的液壓支腿。單個支腿頂升力可達(dá)100kN，滿足舉升整機(jī)自重的需求。支腿伸展行程為500mm，伸展后的橇座內(nèi)側(cè)空間可達(dá)3 200mm，運載車輛可以直接倒入底座下方。底座上分別設(shè)前后支架，滿足井架在作業(yè)和運輸時的要求。

3.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)由大功率柴油機(jī)和帶泵箱組成。柴油機(jī)選用國產(chǎn)康明斯。滿足動力需求的同時，采用低排放柴油機(jī)，降低整機(jī)的成本。帶泵箱為液壓系統(tǒng)油泵的取力裝置。箱體為行星齒輪傳動箱，一分四驅(qū)動，傳動比1∶1。

3.3 液壓系統(tǒng)

SZJ3D水井鉆機(jī)液控系統(tǒng)由以下幾部分組成：井架起升及液壓支腿部分、泥漿泵驅(qū)動部分、砂石泵部分、動力水龍頭部分、提升下壓部分和散熱驅(qū)動部分。整個水井鉆機(jī)液壓系統(tǒng)共有6個泵，這些泵共用一個液壓油箱。液壓油泵由發(fā)動機(jī)經(jīng)帶泵箱帶動運轉(zhuǎn)，為各部分提供動力，以滿足鉆井過程中的各種要求。

3.4 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

泥漿循環(huán)系統(tǒng)采用正、反循環(huán)兩種工藝配置。

正循環(huán)系統(tǒng)包括泥漿泵的吸入管線和高壓管線。吸入管線在泥漿池，帶濾水底閥，濾水器對泥漿液進(jìn)行粗過濾的同時，也起到單向閥的作用，以提高泵的自吸能力；高壓管線從泵的出口連接到動力水龍頭的鵝頸管上。正循環(huán)管線的泥漿通過吸入管匯、泥漿泵、水龍帶、DLS30動力水龍頭、鉆桿、鉆頭流向井底，從環(huán)空返回泥漿池。

反循環(huán)系統(tǒng)包括砂石泵的吸入管線和排出管線。吸入管線接到動力水龍頭的鵝頸管上；排出管線進(jìn)入泥漿池。反循環(huán)管線的泥漿通過井底、鉆頭、鉆桿、動力水龍頭、吸入管匯、砂石泵、排出管匯流向泥漿池。

3.5 泥漿泵

泥漿泵為臥式三缸活塞往復(fù)泵，結(jié)構(gòu)簡單，體積小、排量大，易損件少，使用壽命長。采用低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動，設(shè)計泵沖為160沖/min。采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)、飛濺潤滑或強(qiáng)制潤滑，當(dāng)泵的曲軸旋轉(zhuǎn)時，曲軸帶動連桿、十字頭、中間桿、活塞作往復(fù)運動，當(dāng)活塞向后運動時，進(jìn)液閥開啟，液體進(jìn)入泵體內(nèi)，直到活塞移到最后位置時（曲軸旋轉(zhuǎn)180°）進(jìn)液過程結(jié)束。通過更換不同直徑的缸套、活塞來改變泵的排量與壓力，使用不同的鉆井工況。

3.6 砂石泵

砂石泵為大排量、大通徑離心泵。采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，揚程可達(dá)18m，最大排量可達(dá)234m3/h。

鉆機(jī)反循環(huán)鉆井時，靠大通徑砂石泵將井底的碎石、鵝卵石、泥餅等大顆粒鉆屑從井底經(jīng)鉆桿吸出排入泥漿池。同時，也可用砂石泵的大排量來實現(xiàn)正循環(huán)或反循環(huán)的快速鉆井，提高鉆井效率。

3.7 井架

井架采用無繃?yán)K、單節(jié)、直立式結(jié)構(gòu)，主要由天車、井架本體、起升液缸、提升下壓液缸及其滑輪組等部件組成。

井架立起和放倒由連接在底座后支架和井架本體上的一對雙作用起升液缸來實現(xiàn)。井架與后支架之間采用絞支座連接。

3.8 提升下壓裝置

大排量長行程液壓缸裝在井架內(nèi)側(cè)，使用鋼絲繩來提升和下壓動力水龍頭DSL30，在井架導(dǎo)軌上安裝的扶正輪總成和動力水龍頭導(dǎo)軌車沿著井架內(nèi)側(cè)的導(dǎo)軌上下移動，以產(chǎn)生提升、下壓力，同時承受和傳遞扭矩。

3.9 動力水龍頭

動力水龍頭采用雙馬達(dá)做驅(qū)動動力，經(jīng)兩極齒輪傳動后將旋轉(zhuǎn)動力傳遞給中心管，從而帶動鉆桿做旋轉(zhuǎn)運動。其上端通過銷子與提升裝置連接，下端通過過渡接頭接直接接鉆桿，鵝頸管與水龍帶連接。動力水龍頭DSL30起到承載和對壓力泥漿進(jìn)行密封的雙重作用，以實現(xiàn)提升及循環(huán)作業(yè)。

4 主要技術(shù)參數(shù)

SZJ3D水井鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下。名義鉆井深度：300m（4″鉆桿DP）；最大提升載荷：150kN；鉆桿提升速度：0～0.7m/s。

5 結(jié)論

①SZJ3D型水井鉆機(jī)整機(jī)移運性能好，節(jié)約了作業(yè)成本，提高了效率。

②采用液壓動力水龍頭、液缸提升下壓系統(tǒng)、正反循環(huán)泥漿系統(tǒng)，實現(xiàn)對鉆壓的控制，提高了作業(yè)效率，并適合于軟地層和硬地層鉆進(jìn)，擴(kuò)大了鉆機(jī)的地層作業(yè)范圍。

③采用全液壓自動化控制，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了作業(yè)的安全性。同時，鉆機(jī)節(jié)能、安全、環(huán)保，符合現(xiàn)代化鉆井作業(yè)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]高占聽.國內(nèi)水井鉆機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國煤炭地質(zhì)，2014（10）：65-68.