夏志明，楊寶鑫，李冰，劉曉鵬，薛軍

(1.吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所，吉林長(zhǎng)春 130103;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022）

無(wú)卷?yè)P(yáng)機(jī)液壓缸升降式鉆機(jī)

夏志明1，楊寶鑫1，李冰1，劉曉鵬1，薛軍2

(1.吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所，吉林長(zhǎng)春 130103;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022）

目前，液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)大多采用液壓缸給進(jìn)，液壓卷?yè)P(yáng)機(jī)提升。近年來(lái)，國(guó)外多個(gè)國(guó)家以液壓技術(shù)見(jiàn)長(zhǎng)的公司，研發(fā)了無(wú)卷?yè)P(yáng)機(jī)液壓缸升降式鉆機(jī)，它與傳統(tǒng)鉆機(jī)設(shè)計(jì)理念不同，液壓缸不單是給進(jìn)機(jī)構(gòu)也作為提升機(jī)構(gòu)。這種鉆機(jī)取消了結(jié)構(gòu)復(fù)雜而笨重的卷?yè)P(yáng)機(jī)、天車(chē)、游動(dòng)滑車(chē)組。液壓缸提升系統(tǒng)井架不承受提升載荷，井架尺寸小，輕便;整個(gè)設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、成本低、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)。它為研發(fā)液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)提供了一種新機(jī)型。介紹了瑞典山特維克淺鉆和挪威MH公司RamRig深孔鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)和其他一些國(guó)家研發(fā)和應(yīng)用情況。闡述了雙液壓缸提升和液壓缸－鋼絲繩倍速機(jī)構(gòu)兩種不同系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用特點(diǎn)。

無(wú)卷?yè)P(yáng)機(jī)液壓缸升降式鉆機(jī);液壓鉆機(jī);液壓缸升降;自動(dòng)送鉆

1 概述

回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)包括鉆具回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、給進(jìn)機(jī)構(gòu)和鉆具提升機(jī)構(gòu)等。這些機(jī)構(gòu)是各種回轉(zhuǎn)鉆機(jī)必須具備的，缺一則不能進(jìn)行正常的鉆孔作業(yè)。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)即回轉(zhuǎn)器，其主要功能是帶動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)，為鉆頭有效地破碎巖石提供合理的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩。給進(jìn)機(jī)構(gòu)是用于向鉆具施加軸向力與給進(jìn)速度，平衡鉆具質(zhì)量(減壓）、提動(dòng)與懸掛鉆具、強(qiáng)力起拔鉆具等。升降機(jī)構(gòu)即卷?yè)P(yáng)機(jī)，在鉆進(jìn)過(guò)程中用卷?yè)P(yáng)機(jī)起下鉆具或升降加固孔壁用套管，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)懸掛鉆具，在減壓狀態(tài)下進(jìn)行快速掃孔或鉆進(jìn)，在巖心鉆探中利用卷?yè)P(yáng)機(jī)提取巖心。

目前，巖心鉆機(jī)多采用液壓動(dòng)力頭式回轉(zhuǎn)器，液壓缸給進(jìn)和液壓卷?yè)P(yáng)機(jī)提升。石油鉆機(jī)為深孔鉆機(jī)且多采用交流變頻電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)裝置及交流變頻電驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)作送鉆和提升，也有用液壓頂驅(qū)、液壓卷?yè)P(yáng)機(jī)作提升的鉆機(jī)。

近年來(lái)，國(guó)外多個(gè)國(guó)家以液壓技術(shù)見(jiàn)長(zhǎng)的公司，研發(fā)了無(wú)卷?yè)P(yáng)機(jī)液壓缸升降式鉆機(jī)。它與傳統(tǒng)鉆機(jī)設(shè)計(jì)理念不同，液壓缸不單是給進(jìn)機(jī)構(gòu)，也作為提升機(jī)構(gòu)，取代傳統(tǒng)的卷?yè)P(yáng)機(jī)。這種鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)質(zhì)量小、承載能力大、功率利用率高、鉆探成本低。無(wú)卷?yè)P(yáng)機(jī)液壓缸提升鉆機(jī)為研發(fā)液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)提供了一種新機(jī)型。瑞典山特維克ONRAM1000/3型金剛石巖心鉆機(jī)，不設(shè)主卷?yè)P(yáng)機(jī)，只有取心卷?yè)P(yáng)機(jī)，用液壓缸提升鉆具，NQ鉆桿鉆進(jìn)深度600 m。鉆機(jī)具有質(zhì)量輕、便于使用和維護(hù)等特點(diǎn)，可用于地表或地下坑道內(nèi)使用。整機(jī)由鉆機(jī)主機(jī)、動(dòng)力裝置和控制臺(tái)3部分組成，如圖1所示。

挪威在20世紀(jì)90年代末已將這種鉆機(jī)用于海洋鉆井船，鉆深能力達(dá)10058 m。圖2為鉆井船中鉆機(jī)部分結(jié)構(gòu)圖，挪威MH公司研制的RamRig鉆機(jī)，已基本形成系列，提升載荷為1500～10000 kN。意大利Drilmec公司于1994年成功開(kāi)發(fā)了液壓缸升降式液壓鉆機(jī)，其HH300型最大提升力為2720 kN，已批量生產(chǎn)，產(chǎn)品表現(xiàn)出良好的性能，使用該鉆機(jī)可大幅度地減少鉆井人員。美國(guó)2006年推出首臺(tái)無(wú)絞車(chē)型動(dòng)力頭鉆機(jī)，分3個(gè)型號(hào)，提升能力分別為400.5、578.5、810 kN。2007年德國(guó)HerrenKnecht GmbH公司研制深孔鉆進(jìn)取心鉆機(jī)INNovaRig，為雙液壓缸提升系統(tǒng)，行程22 m，功率2000 kW。

圖3 雙液壓缸提升機(jī)構(gòu)示意圖

圖1 ONRAM1000/3型鉆機(jī)主機(jī)

圖2 鉆井船中鉆機(jī)部分結(jié)構(gòu)圖

2 兩種雙液壓缸提升系統(tǒng)形式及特點(diǎn)

雙液壓缸提升形式有2種:雙液壓缸提升機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖3）和液壓缸－鋼絲繩倍速機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖4）。

2.1 雙液壓缸提升機(jī)構(gòu)

這種機(jī)構(gòu)是活塞桿固定，缸體升降，活塞桿為一鋼管內(nèi)置油管，進(jìn)、排油口都在活塞桿固定端。頂驅(qū)裝置與缸體固定，缸體升降帶動(dòng)頂驅(qū)升降。液壓缸行程等于頂驅(qū)行程，據(jù)資料介紹，頂驅(qū)行程最大為22 m，提立根長(zhǎng)為18 m，即一次提升9 m長(zhǎng)鉆桿2根，比一次提升3根鉆桿的提下鉆時(shí)間長(zhǎng)。使用雙液壓缸提升要求推力小，液壓缸徑小，所需流量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，成本低，外觀造型美觀。單液壓缸提升機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)加壓鉆進(jìn)和減壓鉆進(jìn)。

圖4 液壓缸－鋼絲繩倍速機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 液壓缸－鋼絲繩倍速機(jī)構(gòu)

這種機(jī)構(gòu)可采用標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，缸體固定、活塞桿升降。2個(gè)千斤頂液壓缸分別固定在井架左右兩大腿內(nèi)側(cè)。2個(gè)活塞桿上端共同支承游動(dòng)滑輪組件，在游動(dòng)滑輪組件上裝有4個(gè)或8個(gè)滑輪。每根提升鋼絲繩分別繞過(guò)滑輪后，兩端均向下，鋼絲繩活端與頂驅(qū)裝置聯(lián)接，其死端與底座上的鋼絲繩拉力平衡器聯(lián)接。當(dāng)2個(gè)活塞桿向上伸出或縮回時(shí)，帶動(dòng)頂驅(qū)裝置向上或向下運(yùn)動(dòng)。由于液壓缸－鋼絲繩倍速的關(guān)系，頂驅(qū)裝置的運(yùn)動(dòng)速度是活塞運(yùn)動(dòng)速度的2倍，頂驅(qū)的載荷是2個(gè)液壓缸載荷的一半。如提升載荷為3000 kN的鉆機(jī)，其2個(gè)千斤頂液壓缸推力為6000 kN，活塞桿伸出行程為15 m，頂驅(qū)運(yùn)動(dòng)行程為30 m。頂驅(qū)30 m行程可提立根27 m，即一次可提3根9 m長(zhǎng)的鉆桿，提下鉆時(shí)間短。要求單缸推力大，使液壓缸徑大，所需流量大。這種機(jī)構(gòu)液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)壓力油作提升，當(dāng)有桿腔進(jìn)油活塞桿不能通過(guò)滑輪組鋼絲繩帶動(dòng)頂驅(qū)向下運(yùn)動(dòng)，即在工作中只能提升，加壓鉆進(jìn)要靠鉆鋌，通過(guò)頂驅(qū)－鋼絲繩－滑輪組，使活塞桿隨之向下運(yùn)動(dòng)，迫使無(wú)桿腔排油。液壓缸－鋼絲繩倍速機(jī)構(gòu)兩邊液壓缸活塞桿共8根鋼絲繩提拉頂驅(qū)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

3 液壓缸提升與卷?yè)P(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)的比較

下面以深井鉆機(jī)為例，比較兩種提升系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

(1）液壓缸提升系統(tǒng)取消了結(jié)構(gòu)復(fù)雜而笨重的卷?yè)P(yáng)機(jī)、天車(chē)、游動(dòng)滑車(chē)組、大鉤和鋼絲繩系統(tǒng)。由于深孔鉆機(jī)提升載荷大，所以，卷?yè)P(yáng)提升系統(tǒng)各組成部分大而重，如鉆深7000 m鉆機(jī)，天車(chē)6～10 t重，卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒直徑1.32 m、長(zhǎng)2.305 m，外形尺寸為12 m×3.38 m×3.26 m。

(2）液壓缸提升系統(tǒng)井架尺寸小，輕便。卷?yè)P(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)的提升載荷通過(guò)鋼絲繩、天車(chē)以近于提升載荷2倍的力作用在井架上，并承受頂驅(qū)的反轉(zhuǎn)矩，所以結(jié)構(gòu)尺寸大。液壓缸提升系統(tǒng)井架不承受提升載荷，而由2個(gè)液壓缸承受載荷并作用在底座上，所以井架輕便。

(3）液壓缸提升系統(tǒng)極大的簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)、體積小、質(zhì)量輕、成本低、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)。模塊化程度高，安裝拆卸工作量小，速度快。

(4）卷?yè)P(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)精確自動(dòng)送鉆。

深孔鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)擔(dān)負(fù)著送鉆和升降鉆具兩項(xiàng)任務(wù)。自動(dòng)送鉆的目的是使鉆頭對(duì)井底的鉆壓保持設(shè)定的恒定值，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的手段是控制卷?yè)P(yáng)機(jī)主卷筒的剎車(chē)，適時(shí)向井底送進(jìn)鉆頭。自動(dòng)送鉆的基本原理是由鋼絲繩死端感知大鉤載荷，與輸入的設(shè)定鉆壓對(duì)比，對(duì)比結(jié)果送入處理器處理，由處理器控制剎車(chē)裝置的控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制游車(chē)大鉤和鉆桿的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆。

深井鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)受力復(fù)雜。由于鋼絲繩為柔索類，是一彈性體，井架是鋼結(jié)構(gòu)件，也是一個(gè)彈性體，使得在提升過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)載，又由于隨機(jī)載荷的存在，加劇了提升過(guò)程中的不平穩(wěn)性，卷筒、大鉤速度明顯不均勻。提升動(dòng)載的增加，一方面造成設(shè)備的振動(dòng)，使設(shè)備的載荷增加，另一方面提升動(dòng)載造成了提升過(guò)程的不平衡，使自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)精度下降，靈敏度和準(zhǔn)確度受到影響，很難實(shí)現(xiàn)較精確的自動(dòng)送鉆。使用液壓缸進(jìn)行加減壓鉆進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)送鉆，能在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鉆壓的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)和恒功率調(diào)節(jié)，具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無(wú)沖擊振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)慣量小、操作性好等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1）液壓缸升降式液壓鉆機(jī)沒(méi)有常規(guī)的卷?yè)P(yáng)機(jī)、井架、天車(chē)和游動(dòng)滑車(chē)系統(tǒng)，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)備的結(jié)構(gòu)，體積小、質(zhì)量輕、性能好、成本低，在國(guó)外已成為液壓鉆機(jī)發(fā)展方向之一。這種鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)尚處于空白，研發(fā)這種鉆機(jī)將提升我國(guó)科學(xué)鉆探裝備和油氣勘探開(kāi)發(fā)裝備的技術(shù)水平。

(2）當(dāng)前石油鉆井用輔助電機(jī)自動(dòng)送鉆或是用盤(pán)式剎車(chē)自動(dòng)送鉆，在控制上都能達(dá)到±5～3 kN的鉆壓精度，可是由于卷?yè)P(yáng)的游動(dòng)系統(tǒng)大鉤的抖動(dòng)，鉤載不平穩(wěn)，使送鉆精度下降。液壓缸進(jìn)行自動(dòng)送鉆運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)沖擊振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)精確自動(dòng)送鉆，從根本上消除了游動(dòng)系統(tǒng)對(duì)送鉆的干擾。

(3）液壓缸是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、效率最高、工作可靠的液壓執(zhí)行元件。液壓缸最高壓力達(dá)100 MPa，耐高溫250℃，高速15 m/s，高壽命，行程1000萬(wàn)m以上，密封件使用壽命可達(dá)2000周期，內(nèi)埋位移檢測(cè)行程精度可達(dá)1 mm，液壓缸行程國(guó)內(nèi)一般為10 m，國(guó)外可達(dá)22 m。綜上可知在液壓頂驅(qū)鉆機(jī)中，液壓缸承擔(dān)起下鉆具和自動(dòng)送鉆是可行的。

(4）雙液壓缸－鋼絲繩倍速機(jī)構(gòu)，頂驅(qū)行程是液壓缸行程的2倍，可單缸推力大，液壓缸直徑大，所需流量大，這種結(jié)構(gòu)不能用于加壓鉆進(jìn)，要用多根鋼絲繩提拉頂驅(qū)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

［1］張連山.國(guó)外液壓驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的新進(jìn)展［J］.石油機(jī)械，2000，(2）.

［2］博研石油論壇［EB/OL］.http://china.cippe.net/thread－37023－1－1.html.

［3］孫明光，彭軍生.國(guó)內(nèi)外石油鉆井裝備的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油鉆探技術(shù)，2008，(6）.

［4］董懷榮，王聯(lián)合，等.交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)起升系統(tǒng)的模擬［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，(5）.

Lifting Hydraulic Cylinder Drill without Hoisting Winch

XIA Zhi-ming，YANG Bao-xin，LI Bing，LIU Xiao-peng，XUE Jun2(1.Jilin Province Geology Equipment Technology Research Institute，Changchun Jilin 130103，China;2.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130022，China）

Hydraulic driving head core drill is mostly fed by hydraulic cylinder and lifted by hydraulic winch.The lifting hydraulic cylinder drill without hoisting winch has been developed in several countries in recent years，which is different from traditional drill design concept with hydraulic cylinder not only as feeding mechanism but also as lifting mechanism.The heavy winch，crane and pulley block with complex structure are saved.The headframe size of hydraulic cylinder lifting system is small and light with no lifting load and the whole drill has advanced technical and economic index.The paper introduced the Sweden Sandvik shallow drill and Norway RamRig deep-hole drill of MH Co.about the structures and the development and application in some other countries;described the working principle and application characteristic of double hydraulic cylinder lifting and hydraulic cylinder-steel rope speed multiplication mechanism.

lifting hydraulic cylinder drill without hoisting winch;hydraulic drill;hydraulic cylinder elevating;automatic bit feeding

P634.3+1

:A

:1672－7428(2011）07－0009－031111

2010－11－12;

2011－06－15

夏志明(1953－），男(漢族），吉林長(zhǎng)春人，吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所所長(zhǎng)、吉林省探礦機(jī)械廠廠長(zhǎng)、高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，從事管理和產(chǎn)品研發(fā)工作，吉林省長(zhǎng)春市高新區(qū)超越大街1188號(hào)，www.jltk－machine.com。