胡向陽, 左立朝

(河北永明地質(zhì)工程機械有限公司，河北 邢臺 055150)

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DB30型多功能電驅(qū)動鉆機的研發(fā)與應(yīng)用

胡向陽, 左立朝

(河北永明地質(zhì)工程機械有限公司，河北 邢臺 055150)

以XY-8型鉆機為基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計，研發(fā)了既可以進行小口徑深孔取心鉆探，又可以進行大口徑硬質(zhì)合金鉆進及水源鉆井的DB30型多功能鉆機，該鉆機使用變頻電機直接驅(qū)動，簡化傳動鏈，提高了傳動效率，配套先進、成熟的電控技術(shù)，大大提高了鉆機的自動化程度。簡要介紹該鉆機的技術(shù)方案、技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、技術(shù)優(yōu)勢以及實際應(yīng)用情況。

電驅(qū)動鉆機；巖心鉆機；水井鉆機；多功能鉆機

當前地質(zhì)勘探、水井等鉆探行業(yè)持續(xù)低迷，傳統(tǒng)的機械傳動鉆機自動化程度低、勞動強度大、鉆探成本高。各施工單位迫切希望通過引進先進技術(shù)，提高鉆機的自動化程度，以實現(xiàn)減輕勞動強度、降低鉆探成本的目的。近些年國內(nèi)陸續(xù)從國外引進了多款桅桿式全液壓鉆機，其自動化程度較高，在1500 m以內(nèi)的淺孔鉆探施工中顯示出優(yōu)越的鉆探效率和良好的機動性能。但是隨著鉆孔加深，尤其在大于2000 m的深孔鉆探過程中，提下鉆在整個鉆探過程中所占用時間和工作量的比例越來越大，全液壓鉆機的鉆探效率大打折扣[1-3]，另外全液壓鉆機購置成本、使用成本、維護成本都較高，傳動效率卻很低[4]的缺點影響了其進一步的推廣應(yīng)用。

2014年我公司嘗試將石油鉆機先進、成熟的電控技術(shù)引入到水源鉆機上，成功開發(fā)出國內(nèi)第一款水源電動鉆機——DB3000型電動鉆機。借此成功經(jīng)驗，2015年應(yīng)客戶的要求，開發(fā)出一款新型電動鉆機——DB30型多功能鉆機(見圖1、圖2)。該鉆機既可用于小口徑深孔取心鉆探，亦可用于大口徑硬質(zhì)合金鉆進及水源鉆井，真正實現(xiàn)了一機多用的目的。

圖1 DB30型多功能鉆機(小口徑鉆進模式)

圖2 DB30型多功能鉆機(大口徑鉆進模式)

1 鉆機的總體方案設(shè)計

在設(shè)計鉆機的總體方案時，充分考慮了客戶的建議，鉆機在具備基本鉆探能力的同時，兼具可靠、簡單、實用、節(jié)能、高效和便于維修等優(yōu)點。

(1)以XY-8型鉆機為基礎(chǔ)，取消其原來的摩擦式離合器、變速箱、鏈條傳動箱、行星減速機構(gòu)、抱閘、水剎車等裝置，直接使用變頻電機驅(qū)動，通過簡化傳動鏈，提高傳動效率、降低設(shè)備故障率和維護工作量，減少能源和易損件消耗，最終實現(xiàn)降低鉆探總成本的目的。

(2)將整個鉆機分為主絞車、繩索絞車、立軸回轉(zhuǎn)器、電動轉(zhuǎn)盤、電控房、司鉆房6大模塊。其中主絞車、繩索絞車、立軸回轉(zhuǎn)器、電控房與司鉆房5個模塊組合用于小口徑深孔取心鉆探；主絞車、繩索絞車(作為工具絞車)、電動轉(zhuǎn)盤、電控房、司鉆房5個模塊組合用于大口徑硬質(zhì)合金鉆進及水源鉆井。通過上述模塊化設(shè)計來實現(xiàn)一機多用的目的。

2 鉆機的基本技術(shù)參數(shù)

DB30型多功能鉆機的技術(shù)參數(shù)見表1。

3 鉆機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 DB-10型主絞車模塊

如圖3所示，主絞車動力源為1臺90 kW變頻電機，電機通過一臺減速比為16∶1的減速機后直接驅(qū)動滾筒，無離合器、變速機構(gòu)、行星齒輪機構(gòu)。

超寬滾筒設(shè)計減少鋼絲繩纏繞層數(shù)，滾筒表面加工里巴斯折線繩槽，多方面改善鋼絲繩的纏繩效果。 主絞車電機的能耗制動作為主剎車，替代機械鉆機的抱閘和水剎車，配合鉆機完成起下鉆工作。

滾筒軸末端安裝液壓盤剎，主絞車電機配電磁吸盤剎車，這兩道剎車為蓄能式安全剎車。當鉆機電源或液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，兩套剎車迅速啟動,確保剎車的安全可靠。

主絞車電機配合電控系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動送鉆、零速懸停以及無沖擊的正反轉(zhuǎn)切換功能。

主絞車配應(yīng)急提升裝置，該提升裝置由1臺7.5 kW電機與1臺減速機組成，與司鉆房、電控房完全脫離，可獨立提升或下放全部鉆柱，電機內(nèi)置電磁剎車，可剎住全鉆柱重力。當鉆機出現(xiàn)主電機損壞、電力不足等問題造成主絞車無法正常工作時，僅需給應(yīng)急電機提供7.5kW普通三相電源，即可提起井中全部鉆柱。

表1 DB30型多功能鉆機基本參數(shù)表

3.2 DB-2型繩索絞車模塊

如圖4所示，繩索絞車動力源為1臺22 kW變頻電機，與主絞車一樣，電機通過一臺減速機直接驅(qū)動滾筒，無離合器、變速機構(gòu)、行星齒輪機構(gòu)。

圖3 DB-10型主絞車模塊 圖4 DB-2型繩索絞車模塊

電機具備零扭矩啟動、無級調(diào)速、零速懸停等功能。電機配電磁吸盤剎車，電源出現(xiàn)故障時，電磁剎車會立即啟動，剎車安全可靠。

DB-2型繩索絞車安裝了自動排繩器，如圖5所示，自動排繩器主要由鏈傳動機構(gòu)、正反螺紋絲杠、導(dǎo)正機構(gòu)和鋼絲繩導(dǎo)正滑輪等組成。絞車卷筒通過鏈傳動機構(gòu)直接驅(qū)動正反螺紋絲杠轉(zhuǎn)動，正反絲杠上加工有2條相向的大螺距旋線槽，槽內(nèi)設(shè)置有雙頭導(dǎo)向船形塊，可以隨正反螺紋絲杠轉(zhuǎn)動，在螺旋槽中滑動，隨絲杠做直線運動。雙頭導(dǎo)向船形塊上方的導(dǎo)正桿與滑套配合，共同在正反螺紋絲杠上做直線運動?；走B接著鋼絲繩導(dǎo)正滾輪一起移動，鋼絲繩導(dǎo)正滾輪牽引著鋼絲繩均勻整齊排列。當雙頭導(dǎo)向船形塊滑到正反螺紋絲杠端點時受到絲杠擋套的阻擋，雙頭導(dǎo)向船形塊“船頭”方向發(fā)生反向，進入反螺紋；鋼絲繩同時在卷筒上反向排列，如此周而復(fù)始，實現(xiàn)自動排繩工作[5]。

圖5 自動排繩器結(jié)構(gòu)

滾筒軸上安裝了旋轉(zhuǎn)編碼器，實現(xiàn)了對取心鋼絲繩繩長的實時監(jiān)控。通過PLC對電機扭矩的計算，實現(xiàn)了對鋼絲繩張力的實時監(jiān)控。

3.3 立軸回轉(zhuǎn)器模塊

如圖6所示，立軸回轉(zhuǎn)器模塊包括變頻電機、回轉(zhuǎn)器、傳動箱、上卡盤、下卡盤、液壓系統(tǒng)、滑架、底座等。除變頻電機以外，其它部件基本沿用了XY-8型鉆機的結(jié)構(gòu)。

1臺90 kW變頻電機通過傳動箱直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)器。取消了摩擦式離合器、變速箱，簡化傳動鏈，提高了傳動效率。

回轉(zhuǎn)器采用漸開線花鍵立軸，相比傳統(tǒng)的六方立軸，其承載能力更大，自定孔心效果更好。上卡盤為液壓卡盤，下卡盤為自動定心手動卡盤。液壓系統(tǒng)包括油箱、給進油缸、移車油缸、控制閥、液壓管線等?；芎偷鬃侵鹘g車、繩索絞車以及回轉(zhuǎn)器模塊等其它部件的載體。

圖6 立軸回轉(zhuǎn)器模塊

3.4 ZP-175型電動轉(zhuǎn)盤模塊

如圖7所示，轉(zhuǎn)盤使用石油ZP-175型轉(zhuǎn)盤，動力源為1臺75 kW變頻電機，與主絞車一樣，電機通過一臺鏈條減速箱直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，無離合器和變速機構(gòu)。

圖7 ZP-175型電動轉(zhuǎn)盤模塊

ZP-175型轉(zhuǎn)盤由一對錐齒輪副減速，錐齒輪副采用螺旋錐齒輪，傳動平穩(wěn)，接觸力小，承載能力高，大小錐齒輪均由合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)熱處理制造而成。小錐齒輪裝在水平輸入軸上，大錐齒輪直接固聯(lián)于回轉(zhuǎn)套上并帶動補芯及鉆桿旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鉆進，承載及回轉(zhuǎn)部分由一套回轉(zhuǎn)軸承固定在轉(zhuǎn)盤殼體內(nèi)。轉(zhuǎn)臺與底座之間的動密封采用迷宮式密封以防止泥漿進入回轉(zhuǎn)箱，輸入軸與軸承蓋之間的動密封采用彈簧密封圈密封，其余靜密封均采用O形密封圈。

3.5 電器控制系統(tǒng)

鉆機主動力電源采用三相交流380 V電源，控制電源采用直流24 V，輔助電源采用交流220 V。全鉆機動力包括2臺90 kW、1臺75 kW、1臺22 kW變頻電機和1臺7.5 kW、1臺5.5 kW、1臺1.1 kW電機，它們分別驅(qū)動DB-10型主絞車、立軸回轉(zhuǎn)器、ZP-175型電動轉(zhuǎn)盤、DB-2型繩索絞車、應(yīng)急提升裝置、鉆進液壓系統(tǒng)和盤剎液壓系統(tǒng)。電機、過卷保護、編碼器、電磁閥等安裝在鉆機各模塊本體上，控制電器集中安裝在電控房(見圖8)和司鉆房(見圖9)內(nèi)。

圖8 DB30型多功能鉆機電控房

圖9 DB30型多功能鉆機司鉆房與司鉆操作臺

電控房是整套鉆機的控制核心，里面包含PLC控制系統(tǒng)、變頻器、MCC系統(tǒng)、變壓器等各種控制柜，整個生產(chǎn)和生活用電都經(jīng)過電控房來控制和轉(zhuǎn)換。電控房所有進出線均在房體的前端右側(cè)，除與發(fā)電機連接的主動力線纜以外，其余所有電纜接頭均采用快換航空插頭，所有電纜、接頭都有統(tǒng)一名稱，安裝拆卸方便。

DB30型多功能鉆機配套的井場數(shù)據(jù)信息采集傳輸系統(tǒng)，可以實時采集和顯示鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、孔深、鉆頭位置、游鉤高度、泵量、泵壓、鉤載等參數(shù)；可以識別出鉆探過程中孔內(nèi)常見的典型工況：卡鉆、鉆具刺穿、斷鉆具、埋鉆，并進行聲光報警；可以實現(xiàn)鉆進參數(shù)的存貯、回放和打印，系統(tǒng)不僅可以保存當日的數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)文件，還可以把存貯的歷史數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入軟件，以表格和曲線的形式進行回放和打印；系統(tǒng)可以實現(xiàn)鉆井現(xiàn)場的遠程視頻監(jiān)控，通過紅外夜視高清數(shù)字實時攝像儀24 h對鉆井現(xiàn)場情況進行監(jiān)控，視頻數(shù)據(jù)實時儲存到網(wǎng)絡(luò)硬盤機，通過無線發(fā)射器傳送到遠程終端；系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的近距離和遠距離無線傳輸，通過無線數(shù)據(jù)發(fā)射器可將系統(tǒng)界面實時顯示的數(shù)據(jù)無線發(fā)送到近距離接收器或互聯(lián)網(wǎng)上[6-7]。

4 鉆機的技術(shù)優(yōu)勢

4.1 改善工作環(huán)境，降低勞動強度

DB30型多功能鉆機所有司鉆操作均可在司鉆房內(nèi)完成，更有恒壓與恒速2種自動送鉆模式可供操作人員選擇。改善了工作環(huán)境、降低了勞動強度。

4.2 安全可靠

DB30型多功能鉆機配有液壓盤剎、電磁吸盤、電機能耗制動3道剎車裝置。前2種為機械蓄能式制動，絕對安全可靠。當出現(xiàn)主電機故障、液壓系統(tǒng)故障等緊急情況時，電磁吸盤剎車或液壓盤剎會立即啟動，剎住井中鉆具，確保人員和設(shè)備安全。

鉆機有游車防上碰下砸、絞車手柄限幅、反扭矩低速釋放、電機過載、電機失速等保護功能，避免出現(xiàn)人為因素造成的事故。

鉆機操作設(shè)計了3種控制模式，正常情況下，司鉆人員使用司鉆臺上的手柄和按鈕操作鉆機。一旦手柄或按鈕出故障，司鉆人員可以通過觸摸屏操控鉆機。觸摸屏或PLC出現(xiàn)故障時還可以使用旁路臨時操控鉆機(在變頻器上直接操控鉆機)。

4.3 降低鉆探成本

DB30型多功能鉆機的回轉(zhuǎn)器、轉(zhuǎn)盤、絞車等工作機使用變頻電機直接驅(qū)動，無離合器、皮帶傳動裝置、變速裝置等，傳動鏈大大簡化，相比普通機械鉆機，傳動效率提高15%，節(jié)省能源，降低鉆探成本。

鉆機無皮帶傳動裝置、機械摩擦式離合器、抱閘、水剎車等高故障率部件，減少了易損件，降低了維護工作量，降低鉆探成本。

鉆機使用恒壓鉆進模式可以合理控制井底鉆壓，提高鉆頭壽命，減少起鉆換鉆頭次數(shù)，提高純鉆進時間，降低鉆探成本。

繩索絞車安裝有自動排繩器，無需人為排列鋼絲繩，通過實時監(jiān)測取心鋼絲繩的繩長和張力，可以快速、準確地把測斜儀、繩索內(nèi)管總成等專用儀器、機具等下放到準確位置，保證巖心采取率，減少了脫落巖心造成的提大鉆次數(shù)，減少了鉆探輔助時間，提高了純鉆進時間，降低鉆探成本。

鉆機多種保護功能可以避免人為因素造成的事故，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配套數(shù)字化儀表可以顯示大鉤懸重、鉆壓、井深、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、扭矩、大鉤位置、泵沖以及衍生的其它鉆井參數(shù)，實現(xiàn)了鉆探過程連續(xù)監(jiān)測和孔內(nèi)異常工況的提前預(yù)報[6],大大降低井中事故發(fā)生概率。即使發(fā)生事故，司鉆人員也可以通過各鉆井參數(shù)的歷史曲線以及報警記錄第一時間判斷事故的原因，作出快速反應(yīng)，降低事故造成的損失，降低鉆探成本。

4.4 迎接勘探大數(shù)據(jù)時代

DB30型多功能鉆機配套的數(shù)字信息采集及傳輸系統(tǒng)可以實現(xiàn)對孔深、鉆頭位置、鉤載、鉆壓、游車高度、泵壓、泵量、轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)控和存儲。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，基站后臺處理器還可以衍生關(guān)于鉆井的其他數(shù)據(jù)，如鉆速、純鉆進時間、高效時間段、低效時間段、地層結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，并且可以用報表、圖餅、曲線圖等形式顯示出來。

可利用互聯(lián)網(wǎng)平臺建立勘探大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過分析某一區(qū)域的歷史鉆井數(shù)據(jù)判定該區(qū)域的地質(zhì)條件，為再次施工提供有利參考依據(jù)。為勘探進入大數(shù)據(jù)時代奠定基礎(chǔ)。

5 實踐應(yīng)用效果

2016年8月26日，湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊使用DB30型多功能鉆機在湖北省鐘祥市鏡月湖邊進行地熱井施工(見圖10)。該井設(shè)計井深2000 m，最后終孔深度達到2600 m，期間為提高施工進度，在孔深1000 m左右時，施工工藝由泥漿正循環(huán)鉆進改為氣舉反循環(huán)鉆進。

圖10 DB30型多功能鉆機在湖北省鐘祥市施工地熱井

第八地質(zhì)大隊是一個以中深孔施工為主的巖心鉆探施工隊伍，完全沒有大口徑井的施工經(jīng)驗，氣舉反循環(huán)鉆進工藝也是第一次應(yīng)用。新隊伍、新設(shè)備、新工藝，這給DB30型多功能鉆機的第一次實踐應(yīng)用帶來了不少困難。例如，氣舉反循環(huán)工藝應(yīng)用初期，大量泥漿噴濺在井口附近的主絞車剎車盤上，泥漿中的大量油脂造成液壓盤剎剎車力明顯降低。我公司工作人員發(fā)現(xiàn)該問題后，迅速做出反應(yīng)，通過給主絞車剎車盤安裝護罩的方法，徹底解決了該問題。

DB30型多功能鉆機設(shè)計鉆探能力為?89 mm鉆桿2000 m，最大鉆柱重力為400 kN，但是此次施工鉆孔終孔深度達到2600 m，鉆柱重力高達560 kN，超出鉆機設(shè)計能力40%。由于鉆機的提升、承載能力設(shè)計安全系數(shù)高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配套數(shù)字化儀表，可以對鉆探過程連續(xù)實時監(jiān)控，得以確保該鉆孔能夠順利完工。

6 結(jié)語

DB30型多功能鉆機安全可靠，既可以降低鉆探成本，又可以降低勞動強度、改善工作環(huán)境，更重要的是為勘探進入大數(shù)據(jù)時代奠定了基礎(chǔ)。該鉆機的成功研發(fā)僅僅只是巖心鉆機與水井鉆機升級改造的一個開始，電驅(qū)動鉆機憑借其自身的技術(shù)優(yōu)勢必將成為將來地質(zhì)勘探與水井鉆探行業(yè)的主流鉆機。

當前鉆探行業(yè)競爭日趨激烈，鉆探施工單位和鉆探設(shè)備生產(chǎn)廠家都應(yīng)該敢于創(chuàng)新，勇于創(chuàng)新，要從行業(yè)的跟跑者變成并跑者，再從并跑者變?yōu)轭I(lǐng)跑者，只有這樣，才能在激烈的競爭中脫穎而出。

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Development and Application of Multifunctional Electric Drive Drilling Rig

HU Xiang-yang, ZUO Li-chao

(Hebei Yongming Geological Engineering Machinery Co., Ltd., Xingtai Hebei 055150, China)

Based on XY-8 drilling rig, modular design was adopted to develop DB30 multifunction drilling rig, which can be used not only for small diameter deep hole coring drilling but also for large diameter cemented carbide drilling and water drilling. This drilling machine is driven by frequency conversion motor with simplified transmission chain, the transmission efficiency is improved; by the advanced supporting technologies and mature electronic control technology, the rig automation degree is greatly improved. The paper briefly introduces this rig about its technical scheme, technical parameters, structure design, technical advantages and practical application.

electric drive drilling rig; core drilling rig; well drilling rig; multifunction drilling rig

2016-12-18；

2017-03-30

胡向陽，男，漢族，1985年生，從事鉆探設(shè)備的研發(fā)工作,河北省邢臺市任縣河頭工業(yè)區(qū)，gaoxing324@163.com。

P634.3

A

1672-7428(2017)05-0048-05