陳 云，管鳳花，張學(xué)剛

寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏銀川 753004

在反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工過程中，鉆頭需要冷卻，同時(shí)鉆渣在鉆頭高壓冷卻水的作用下沿鉆桿排至地面[1]，導(dǎo)孔鉆頭始終處于高壓環(huán)境，隨著導(dǎo)孔深度的增加，導(dǎo)孔鉆頭承受的壓力不斷增加[2]。另外，由于缺少專業(yè)試驗(yàn)設(shè)備，反井鉆機(jī)研究單位僅對(duì)單個(gè)滾刀機(jī)械擠壓破巖原理和機(jī)械擠壓破巖對(duì)井壁的影響進(jìn)行了研究，沒有對(duì)大直徑擴(kuò)孔全斷面多滾刀擠壓破巖進(jìn)行系統(tǒng)研究[3]。

針對(duì)上述問題，寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司研制了全斷面機(jī)械破巖試驗(yàn)鉆機(jī)，以模擬真實(shí)工況環(huán)境，從而對(duì)高壓環(huán)境下、全斷面多滾刀機(jī)械擠壓破巖原理和高壓環(huán)境對(duì)巖石本身的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

全斷面機(jī)械破巖試驗(yàn)鉆機(jī)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)、鉆桿、安裝方式、鉆頭工作環(huán)境等與反井鉆機(jī)完全不同。為獲取與反井鉆機(jī)鉆井接近的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)鉆機(jī)鉆井直徑達(dá)到 3 m，試驗(yàn)鉆機(jī)主機(jī)質(zhì)量達(dá) 20 t 以上，試驗(yàn)鉆機(jī)的主機(jī)、底座等部件外形尺寸比較大，安裝難度也非常大。

1 試驗(yàn)鉆機(jī)安裝關(guān)鍵技術(shù)難題分析

1.1 反井鉆機(jī)安裝

反井鉆機(jī)的安裝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，通常安裝在野外或峒室，地基用 300 mm 以上厚度的混凝土固化找平，根據(jù)反井鉆機(jī)連接鋼梁安裝尺寸預(yù)埋螺栓，將鉆機(jī)安裝在水泥固化地面上，并根據(jù)鉆井角度調(diào)整主機(jī)導(dǎo)向?qū)к壟c地基角度[4]。反井鉆機(jī)施工如圖 1 所示。

圖1 反井鉆機(jī)施工

1.2 試驗(yàn)鉆機(jī)安裝技術(shù)難題分析

與反井鉆機(jī)不同，試驗(yàn)鉆機(jī)安裝在室內(nèi)，吊裝設(shè)備是天車。試驗(yàn)鉆機(jī)在安裝前，主機(jī)已完成裝配，包括底座、立柱導(dǎo)軌、頂梁、推力油缸組件、動(dòng)力水龍頭以及連接附件，試驗(yàn)鉆機(jī)的鉆桿、刀盤、基座、主機(jī)連接座、變徑圈等部件現(xiàn)場(chǎng)安裝。

試驗(yàn)鉆機(jī)安裝如圖 2 所示。試驗(yàn)鉆機(jī)要安裝在基1.密封座壓蓋 2.密封壓蓋 3.動(dòng)力水龍頭輸出軸 4 試驗(yàn)鉆機(jī)主機(jī) 5.多層鉆桿 6.試驗(yàn)鉆機(jī)密封座 7.試驗(yàn)鉆機(jī)主機(jī)連接座 8.變徑圈 9.動(dòng)密封 10.試驗(yàn)鉆機(jī)基座座上，通過連接座連接，鉆進(jìn)試驗(yàn)時(shí)，鉆頭在由連接座、鉆桿和基座形成的密封腔體中工作，其中充滿不高于 15 MPa 的洗井液。在鉆進(jìn)過程中，鉆桿既要軸向移動(dòng)又要軸向旋轉(zhuǎn)，在鉆桿與連接座之間安裝基于液壓缸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的動(dòng)密封。

圖2 試驗(yàn)鉆機(jī)安裝

試驗(yàn)鉆機(jī)安裝的核心技術(shù)難題是主機(jī)鉆桿中心以及連接座導(dǎo)向孔同軸度。由于試驗(yàn)鉆機(jī)是在連接座、鉆桿和基座形成的腔體中工作，且腔體中有不高于 15 MPa 的洗井液，故試驗(yàn)鉆機(jī)鉆桿類同于高壓液壓缸活塞桿。鉆桿外圓直徑 360 mm，根據(jù)高壓液壓缸活塞桿與缸體孔的同軸度要求，鉆桿中心和連接座導(dǎo)向孔同軸度不得大于 0.06 mm。要達(dá)到這一精度，首先要保證各零件的制造精度，同時(shí)保證鉆桿、連接座、主機(jī)和連接座的定位精度[5]。

試驗(yàn)鉆機(jī)主機(jī)質(zhì)量達(dá) 20 t 以上，連接座和鉆桿的質(zhì)量均已超過 1 t，大型部件要通過天車吊裝找正安裝，安裝難度非常大。

2 試驗(yàn)鉆機(jī)安裝工藝分析

試驗(yàn)鉆機(jī)安裝工藝的核心是根據(jù)試驗(yàn)鉆機(jī)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，制定各大部件的裝配順序，降低裝配難度，保證主機(jī)與連接座的垂直度以及鉆桿與連接座導(dǎo)向孔的同軸度。

試驗(yàn)鉆機(jī)安裝工藝研究是指主機(jī)及其相關(guān)部件在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基座上的安裝工藝。從圖 2 可以看出，安裝前鉆桿、鉆頭、密封座、變徑圈、連接座未與主機(jī)裝配成一體。

試驗(yàn)鉆機(jī)安裝工藝如下：

(1) 鉆桿和刀盤裝配成一體，并整體吊裝在已裝好的基座中；

(12) 將變徑圈吊裝在基座上，同時(shí)將變徑圈與基座之間的高壓靜密封件一同組裝，變徑圈組裝后，將連接座安裝在基座上；

(3) 密封件裝入密封座，整體套裝在鉆桿上，鉆桿上端法蘭安裝在鉆桿上；

(4) 主機(jī)安裝，保證主機(jī)架導(dǎo)軌與連接座斷面垂直，保證動(dòng)力頭輸出軸中心與基座、變徑圈及連接座中心重合；

(5) 鉆桿與主機(jī)動(dòng)力頭輸出主軸對(duì)正連接，密封座對(duì)正連接[6]。

3 試驗(yàn)鉆機(jī)安裝技術(shù)研究

3.1 降低試驗(yàn)鉆機(jī)定位精度控制難度

要控制鉆桿中心與導(dǎo)向孔連接座同軸度，涉及到主機(jī)、連接座、鉆桿和基座之間安裝定位精度。因此，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能轉(zhuǎn)化以及裝配方法的改進(jìn)，將主機(jī)、連接座、鉆桿和基座之間定位轉(zhuǎn)化成粗定位，降低定位精度；將鉆桿和連接座之間的密封精確配合轉(zhuǎn)化到質(zhì)量較輕的零件上，利用鉆桿與導(dǎo)向孔之間密封件自定心找正，降低定位調(diào)整難度。

3.2 降低主機(jī)安裝找正難度

鉆機(jī)主機(jī)安裝是最關(guān)鍵的工序，要整體安裝在連接座上，動(dòng)力水龍頭輸出主軸與鉆桿連接，使鉆桿與變徑圈上安裝的密封座之間形成高壓動(dòng)密封。因此，主機(jī)立柱導(dǎo)軌與基座的垂直度直接影響鉆桿與密封座導(dǎo)向孔的同軸度。

將連接座設(shè)計(jì)成連接座、變徑圈和密封座，將連接座功能分流，功能分流后的連接座只連接主機(jī)與基座，與鉆桿無同軸度要求，裝配過程中只控制主機(jī)立柱導(dǎo)軌與基座的垂直度，可直接通過調(diào)整主機(jī)底座與連接座的連接面調(diào)整墊實(shí)現(xiàn)。

安裝時(shí)用天車吊裝在連接座上后，通過主機(jī)與連接座連接面間加銅片調(diào)整主機(jī)立柱導(dǎo)軌與變徑圈斷面的垂直度；主機(jī)動(dòng)力水龍頭輸出主軸與變徑圈內(nèi)孔同軸通過連接螺栓連接粗定位，同軸度小于 2 mm，調(diào)好后用螺栓緊固，降低定位難度。試驗(yàn)鉆機(jī)主機(jī)安裝如圖 3 所示。

圖3 試驗(yàn)鉆機(jī)主機(jī)安裝

3.3 設(shè)計(jì)專用工裝降低鉆具對(duì)中難度

機(jī)械破巖試驗(yàn)鉆機(jī)是針對(duì)不同硬度的巖層，在不同轉(zhuǎn)速和鉆壓下，進(jìn)行機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)鉆機(jī)的馬達(dá)通過動(dòng)力水龍頭將轉(zhuǎn)矩傳遞給鉆具。鉆具由一根多層鉆桿和鉆頭組成。動(dòng)力水龍頭和鉆具通過止口進(jìn)行軸向定心，通過螺栓進(jìn)行軸向緊固，通過銷軸傳遞轉(zhuǎn)矩，動(dòng)力水龍頭和鉆具的對(duì)中要求較高。安裝調(diào)試試驗(yàn)鉆機(jī)時(shí)要先安裝鉆具，再安裝主機(jī)。主機(jī)安裝后由于鉆具上部被遮擋，無法使用吊車吊裝鉆具；同時(shí)，由于鉆具質(zhì)量約 3 t，長(zhǎng)度約 3 m，無法進(jìn)行人工調(diào)節(jié)；且設(shè)計(jì)的輸送裝置復(fù)雜笨重，因此，試驗(yàn)鉆機(jī)鉆具對(duì)中調(diào)節(jié)困難。

為降低鉆具與主機(jī)的對(duì)中難度，設(shè)計(jì)專用工裝——鉆具對(duì)中調(diào)節(jié)和緊固裝置。鉆具對(duì)中調(diào)節(jié)和緊固裝置由底座Ⅰ、4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 A、4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 B、調(diào)節(jié)螺釘、鎖緊螺母、底座Ⅱ和合箱螺釘組成。其中，4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 A 為一組，在同一平面沿圓周方向均布；4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 B 為一組，在同一平面沿圓周方向均布；4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 A 與 4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 B 沿軸向方向布置，并相隔一段距離；4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 A 與 4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 B 的內(nèi)圓弧半徑與鉆桿外圓半徑一致。底座Ⅰ和底座Ⅱ通過合箱螺釘緊固后形成一個(gè)整體進(jìn)行對(duì)中調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成后拆卸合箱螺釘即可從鉆桿中拆下。通過該裝置止口與主機(jī)底座的止口進(jìn)行圓周定心，通過螺栓孔進(jìn)行軸向緊固。使用鉆具對(duì)中調(diào)節(jié)和緊固裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的有二：一是保證鉆具與主機(jī)對(duì)中，二是保證主機(jī)底座和密封座中心同軸[7]。進(jìn)行對(duì)中調(diào)節(jié)時(shí)，4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 A 與 4 個(gè)調(diào)節(jié)塊 B 均可以單獨(dú)通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)，單獨(dú)徑向移動(dòng)；調(diào)節(jié)完成后，通過鎖緊螺母鎖緊調(diào)節(jié)螺釘。因密封組件套裝于鉆桿外側(cè)，已和鉆桿同軸，當(dāng)鉆具與主機(jī)對(duì)中調(diào)節(jié)完成時(shí)，密封座與主機(jī)底座的中心同軸也同時(shí)完成。鉆具調(diào)整對(duì)中工裝如圖 4 所示。

圖4 鉆具調(diào)整對(duì)中工裝

4 結(jié)語

通過分析反井鉆機(jī)和試驗(yàn)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)功能和鉆井方式，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)鉆確機(jī)安裝基礎(chǔ)條件，根據(jù)試驗(yàn)鉆機(jī)與底座連接結(jié)構(gòu)、主機(jī)動(dòng)力水龍頭與鉆桿連接結(jié)構(gòu)、鉆桿與底座高壓動(dòng)密封裝配結(jié)構(gòu)、各部件質(zhì)量和外形尺寸，分析了試驗(yàn)鉆機(jī)安裝核心技術(shù)，研究試驗(yàn)鉆機(jī)安裝工藝和安裝核心技術(shù)難題的解決措施，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)鉆機(jī)鉆頭在高壓腔體中的穩(wěn)定工作。