柳碩林，張秋冬，嚴(yán)珊珊，宋秋鋒

(1.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院，鄭州 450001；2.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450053；3.河北建勘鉆探設(shè)備有限公司，石家莊 051134)

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TSJ-2000E水源鉆機(jī)鉆探平臺(tái)底架研制

柳碩林1，張秋冬2，嚴(yán)珊珊2，宋秋鋒3

(1.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院，鄭州 450001；2.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450053；3.河北建勘鉆探設(shè)備有限公司，石家莊 051134)

作者設(shè)計(jì)了一種用于配置TSJ-2000水源鉆機(jī)的可安裝井口防噴器的鉆探平臺(tái)底架，經(jīng)使用?89mm鉆桿鉆進(jìn)完井深度1 810m的某科鉆井工程實(shí)踐檢驗(yàn)，證明所采取的技術(shù)措施簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安全可靠。

水井鉆機(jī)；鉆探平臺(tái)；底架；研制

1　前言

我院在施工某科鉆項(xiàng)目時(shí)，工程設(shè)計(jì)使用TSJ-2000E水源鉆機(jī)與?89 mm鉆桿鉆至完井井深1 810 m。

根據(jù)井址的區(qū)域地層分布與地質(zhì)設(shè)計(jì)，須于井深1 200 m時(shí)安裝井口防噴器控制地層壓力，故鉆探平臺(tái)至少需凈高出地面1.8 m。一般的地?zé)峋c供水井施工因地層壓力梯度不大，不必安裝防噴器等地面井控裝置，鉆探平臺(tái)均不配置基礎(chǔ)構(gòu)架而直接固定在自然地面上。經(jīng)咨詢，如向?qū)I(yè)生產(chǎn)廠家定制一套專(zhuān)用構(gòu)架，不僅投資達(dá)數(shù)十萬(wàn)元、交貨時(shí)間不能滿足工期要求，且工程結(jié)束后對(duì)專(zhuān)業(yè)水文隊(duì)再無(wú)利用價(jià)值。因此，需要研制一套簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安全可靠的四腳型井架鉆探平臺(tái)底架。

TSJ-2000鉆機(jī)的鉆深能力為：?89 mm鉆桿鉆深1 350 m，?73 mm鉆桿鉆深2 000 m。我單位因日常業(yè)務(wù)范圍所限，全部配用?89 mm或?127 mm鉆桿。TSJ-2000鉆機(jī)配?89mm鉆桿鉆進(jìn)至1 810 m能力明顯不足，而購(gòu)置或租用?73 mm鉆桿均為工程費(fèi)用所不能承受，由此產(chǎn)生改造鉆機(jī)升降系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)狀的構(gòu)想。

2　鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)及加工

四腳井架基礎(chǔ)的受力部位為四個(gè)腳、鉆桿盒位置與起下鉆時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)位置。如果分別的對(duì)各個(gè)受力點(diǎn)進(jìn)行架高支撐，同時(shí)再把他們互相連接起來(lái)，形成一個(gè)穩(wěn)固的整體，鉆探平臺(tái)就形成了。經(jīng)過(guò)核算，成本僅為幾萬(wàn)元，加工周期也只需3天，并且還能夠重復(fù)使用。

2.1設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)井架基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)，計(jì)算各受力點(diǎn)的負(fù)荷，并根據(jù)負(fù)荷大小對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完井深度1 810 m時(shí)鉆具懸重約400 kN，平臺(tái)底架自重約45 kN，鉆塔自重125 kN，設(shè)備自重80 kN。若考慮強(qiáng)力提拔等處理復(fù)雜情況的需要再增加400 kN，則各點(diǎn)對(duì)地面基礎(chǔ)的總受力為1 050 kN。其中：

四個(gè)腳：強(qiáng)力提拔時(shí)四個(gè)腳總受力約為970 kN，每個(gè)腳242.5 kN。

鉆桿盒：鉆桿盒位置受力為鉆具自重400 kN。

轉(zhuǎn)盤(pán)位置：該處受力為鉆具自重+設(shè)備自重=480 kN。

2.2加工方法

2.2.1材料

所用材料為：?159 mm×6 mm鋼管96 m；1.5 m×8 m×20 mm鋼板1塊；1.0 m×6 m×30 mm鋼板1塊；2.0 m×2.0 m×20 mm鋼板1塊；50 mm×50 mm×6 mm角鋼20根；200 mm×75 mm×9 mm槽鋼2根；電焊條若干。

2.2.2加工工藝

在鉆探平臺(tái)加工的同時(shí)，在井架四個(gè)腳及轉(zhuǎn)盤(pán)的相應(yīng)位置挖1.5 m見(jiàn)方的坑并澆筑混凝土，作為該平臺(tái)的地面基礎(chǔ)。鉆探平臺(tái)分塊加工，每塊都有上、下兩個(gè)平面。上平面用來(lái)安裝設(shè)備，下平面與地面基礎(chǔ)連接，分散壓力。加工工藝如下：

(1)井架四個(gè)腳位置

上平面用1 m×1 m×30 mm鋼板，下平面用1.5 m×1.5 m×20 mm鋼板，以增加與基礎(chǔ)的接觸面積；兩塊鋼板中間用排列成梅花狀的5根1.8 m長(zhǎng)的?159 mm×6 mm鋼管焊接支撐。

(2)轉(zhuǎn)盤(pán)位置

上平面用1.5 m×1.5 m×30 mm鋼板，下平面用2.0 m×2.0 m×20 mm鋼板，以增加與基礎(chǔ)的接觸面積；由于轉(zhuǎn)盤(pán)通徑為660 mm，所以兩塊鋼板中間也對(duì)應(yīng)地割出直徑為660 mm的圓孔，并用8根1.8m長(zhǎng)的?159 mm×6 mm鋼管沿鋼板四周均勻分布焊接支撐。

(3)主機(jī)位置

主機(jī)部位由于受力較小，可用兩根槽鋼作支撐。槽鋼兩端分別焊在轉(zhuǎn)盤(pán)的上支撐鋼板面上及井架的后壓邊上，下部用四根鋼管簡(jiǎn)易支撐即可。

(4)鉆桿盒位置

上平面用1.5 m×2 m×30 mm鋼板，下平面用1.5 m×2 m×20 mm鋼板；兩塊鋼板中間用排列成梅花狀的8根1.8 m長(zhǎng)的?159 mm×6 mm鋼管焊接支撐。鉆桿盒長(zhǎng)度加長(zhǎng)到2 m主要是考慮到排放鉆桿的需要。

各構(gòu)件放置到預(yù)定位置后，互相之間用角鋼交叉連接到一起。另外在鋼管與鋼板的焊接位置周?chē)謩e用四塊合適大小的等腰直角三角形鋼板加固，增大整體穩(wěn)定性。

2.3強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核

該鉆探平臺(tái)單鋼管的最大受力位置為轉(zhuǎn)盤(pán)位置。所以在強(qiáng)度校核時(shí)只考慮該部位。轉(zhuǎn)盤(pán)位置設(shè)計(jì)鋼管為8根，載荷480 kN，則單根鋼管最大受力為60 kN。

2.3.1柔度λ的計(jì)算

可把鋼管看成一端固定、一端自由，長(zhǎng)度為1.8 m的壓桿。

式中：μ—長(zhǎng)度系數(shù)，取2；

l—壓桿長(zhǎng)度，1800 mm；

i—截面慣性半徑，mm；

i2=I/A

A—鋼管截面積，mm2；

I—截面慣性矩，mm4；

D—鋼管外徑，159 mm；

d—鋼管內(nèi)徑，147 mm。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得： λ =10.38。

2.3.2穩(wěn)定性計(jì)算

直線公式成立時(shí)45號(hào)鋼壓桿柔度的最小值λs=60，

所以該桿為粗短桿，不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，只有強(qiáng)度問(wèn)題，臨界應(yīng)力就是屈服極限σs。45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度為353 MPa，計(jì)算得到本鉆探平臺(tái)中桿件的最大應(yīng)力P/A=20.8 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材本身的屈服強(qiáng)度，該平臺(tái)是穩(wěn)固的。

3　應(yīng)用情況及效益分析

松科1井施工中，由于鉆探平臺(tái)底架的使用，不僅儲(chǔ)備了防噴器的安裝位置，保證了施工安全，而且整個(gè)機(jī)臺(tái)也顯得格外整潔，發(fā)揮了文明施工的作用。

該鉆探平臺(tái)底架在長(zhǎng)達(dá)10個(gè)多月的使用過(guò)程中，經(jīng)受住了8級(jí)大風(fēng)、強(qiáng)力提拔等惡劣施工條件的考驗(yàn)，非常穩(wěn)固。

該平臺(tái)的設(shè)計(jì)加工，節(jié)省了不少費(fèi)用，同時(shí)安裝、拆卸也很方便，經(jīng)濟(jì)耐用。

4　體會(huì)

(1)鉆探平臺(tái)的使用，不僅可以方便安裝防噴器，還有助于文明施工。

(2)由于平臺(tái)較高，在使用時(shí)注意四周應(yīng)設(shè)置安全護(hù)桿，保證施工人員的安全。

(3)在澆筑四個(gè)腳的基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)事先在相應(yīng)位置預(yù)埋一條螺栓，使得地面基礎(chǔ)與平臺(tái)能夠合為一體。

(4)由于井架較高，側(cè)向動(dòng)載荷復(fù)雜，按要求要把繃?yán)K埋設(shè)牢固。

[1]趙九江,張少實(shí),王春香.材料力學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1995.

P634.34

A

1009-282X(2016)04-0011-02

2016-04-04

柳碩林(1970-)，男，河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院高級(jí)工程師，探礦工程專(zhuān)業(yè)，主要從事鉆探技術(shù)與管理工作，Tel：13937789986，E-mail：13937789986@163.com。