SMJ5510地面瓦斯抽采的欠平衡車裝鉆機的研制

張宏偉

摘要：近年來，我國煤層氣地面瓦斯開發技術迅速發展，但是因缺乏適宜于煤礦瓦斯地面抽采的專用車載式鉆機，很大程度上造成我國煤礦瓦斯地面抽采進展緩慢；研制國產地面瓦斯抽采的欠平衡車裝鉆機，提高地面瓦斯抽采孔施工效率和成孔率，降低工人勞動強度是十分必要的。詳細介紹了SMJ5510TZJ15/800Y地面瓦斯抽采的欠平衡車裝鉆機研制中的總體方案及主要機構設計的思路，并介紹了鉆機試驗和推廣情況，測試結果表明各項技術指標達到了設計要求。

關鍵詞：瓦斯抽采；欠平衡車裝鉆機；鉆機車

近年來，國內一些單位從國外進口了一些車載式空氣鉆機。該類鉆井設備以其鉆井效率高、對煤層的傷害等優點小備受青睞。但進口鉆機過于昂貴，間接導致鉆井成本增高，與鉆井低成本戰略背道而馳，所以國內并沒有大規模引進國外車載鉆機。因此，盡快發展國產煤層氣鉆機是解決我國煤層氣開發進程緩慢的重要因素之一。為此，國家發改委下達了一批煤礦瓦斯綜合治理與利用關鍵技術研發和裝備研制項目，其中“地面瓦斯抽采欠平衡車裝鉆機（以下簡稱車載鉆機）研制”委托石家莊煤礦機械有限責任公司承擔，中國石油大學（北京）煤層氣研究中心參加。

1.總體方案設計

1.1鉆進能力的確定

根據煤層滲透率與煤層埋深的關系，煤礦區瓦斯地面抽采直井的完井深度一般不超過300～1500m。為滿足井深的需求，鉆機的最大鉆深能力應不小于1500 m。

1.2鉆進工藝的選擇

根據地面施工煤層氣抽采孔的需要，該鉆機應該能夠滿足壓縮空氣鉆進（正、反循環）、泥漿鉆進、泡沫鉆進、水平定向鉆進等不同工藝的要求，以提高鉆進效率。

1.3驅動方式的確定

為滿足不同地層和不同施工條件的鉆井需要，要求該鉆機應具備頂部驅動功能，為減小頂驅裝置的體積和重量，采用液壓頂驅方式。

1.4傳動方式的確定

目前，世界上車載鉆機普遍采用液壓傳動的方式。采用全液壓系統可以方便的進行起、下鉆具，工作安全可靠，而且可以無級調速，通過油壓表隨時監視各執行機構工作負載的大小并及時調整，工藝適應性較強。因此本鉆機也采用全液壓傳動方式，又因該鉆機大多在野外工作，電力供應不方便，所有其動力源采用柴油發動機。

1.5移動方式的確定

為滿足煤礦瓦斯地面抽采鉆孔施工周期極短、鉆機搬遷頻繁的工況，要求地面瓦斯抽采鉆機必須采用車裝式或撬裝式，為了實現鉆機搬遷的快速、方便，本鉆機采用車載式結構。

1.7整機結構布局的確定

為了滿足鉆機移動方便，響應快速的要求，整機采用專用汽車底盤作為整機的平臺，將整機的動力裝置、液壓系統、井架、頂驅裝置、電控系統都集中安置在汽車底盤平臺上；空壓機因體積大，散熱量高，采用外掛式。整機結構見圖1。

2.主要結構設計

2.1 頂部驅動裝置

頂驅技術在國外鉆機和石油鉆井中已被推廣應用，因其能實現加壓鉆進，自動送鉆，能夠很好的完成空氣循環等欠平衡鉆進、定向鉆進等工藝而備受青睞。

要實現加壓鉆進，滿足空氣循環等欠平衡鉆進、定向鉆進等要求，頂驅裝置即要承擔傳遞扭矩又要承擔傳遞拉力的任務，即同時承受著拉伸載荷和扭轉載荷，其必須具有足夠的強度和剛度。該裝置采用了多馬達聯合驅動技術和硬齒面齒輪傳動技術。即采用了三個低速大扭矩馬達并聯，再經過齒輪減速的結構。 為方便接管作業，該裝置在頂驅的中空中心管采用了浮動管技術，密封結構上采用了多重V型密封圈旋轉密封技術。為滿足定向鉆孔造斜時對鉆機的鎖定鉆具的要求，頂驅裝置中還采用了盤式制動技術，設計了盤式制動器，靠油缸推動制動塊夾緊制動盤。

2.2空氣循環系統

瓦斯地面抽采的實踐證明，由于煤層的滲透性較差，因此鉆井液對煤層的污染也非常敏感。為提高鉆進效率、降低鉆井成本和保護儲層，最佳的鉆井循環介質是霧化空氣或欠平衡泥漿。空氣鉆井是欠平衡壓力鉆井的一種，其循環介質為壓縮空氣。為實現這一功能，在多方論證和考察調研的基礎上，最終選擇了外掛空氣壓縮機的方案。外掛空氣壓縮機即簡化車載鉆機主機結構，減輕了主機重量，便于設備的維修與保養。鉆機車除外接壓縮空氣外，也可外接泥漿，分別進行空氣和泥漿鉆進和泡沫鉆進。

2.3伸縮式井架

要實現鉆機車的靈活性和高效率，就必須采用車載自行起落井架。由于受到運輸尺寸的限制，要很好的滿足施工即動力頭行程的要求（15米），尤其是下長套管的要求，只有采用伸縮式井架。目前國內的伸縮式井架都為珩架式結構，主要承受壓力，結構比較簡單。但其無法具備動力頭的導向功能，而且不能承受較大的扭矩。為此，該鉆機的井架采用了箱式伸縮井架技術，即無論是固定部分，還是伸縮活動部分都采用了箱型桅桿式結構。伸縮井架的最大行程為7.5m。伸縮井架在縮回狀態下，總長度為13.5 m，便利車輛運輸。在完全伸出狀態下，總長度可達21 m，頂驅動力頭最大行程為15 m，可很方便的使用長度為15m以下的套管。 桅桿底部有伸縮腿，可將提升負荷直接作用于地面。井架的起落和伸縮都由液壓油缸完成。為滿足井架能90°起落并適應空間限制，起落油缸采用了兩級伸縮技術。

2.4液壓系統

為滿足靈活、高效的瓦斯地面抽采孔鉆孔需要，鉆機要集各種功能和動作于一身，很多執行元件離動力源很遠，因此整機采用了液壓和機械聯合驅動技術。液壓系統作為鉆機的主要傳動和控制系統，要完成三十多個執行元件和四十余種動作，而且這些元件和動作有的要獨立運行，有的要聯合動作，同時又不能相互影響或干擾。為此，液壓系統采用了目前液壓傳動和控制中先進的變量系統和負載傳感比例控制技術。同時，為滿足各種工況和適應各元件對壓力和流量的要求，還采用了多泵合流技術。液壓系統冷卻器采用了恒溫控制技術。液壓操作閥及各種儀表集中在操作控制臺上，對各執行元件（液壓馬達，油缸）的速度、方向和壓力實現有效地控制。

2.5車裝底盤和動力裝置

車裝技術也是本項目的重要研究內容之一。鉆機的載車底盤既要適用于瓦斯鉆孔野外施工的道路條件，又要滿足鉆機的載荷要求。目前，國外鉆機既有采用專用底盤的，也有采用通用汽車底盤的。根據鉆機方案設計中對工作穩定性和載荷分布要求及野外施工條件、運輸尺寸的限制等綜合因素的分析，最終選擇了選用了專用汽車底盤。

動力裝置是整個鉆機的核心，鉆機的動力有獨立的柴油發動機提供，由于鉆機的液壓系統采用了多泵驅動方式，所以必須設計分動箱。由于整體結構限制，分動箱要求緊湊，一進多出驅動多個油泵，因此把八個油泵進行合理組合成三組分別安裝在傳動箱輸出端。由于結構緊湊傳動件多，轉速又高，為了防止過熱，分動箱采用了噴淋式強制潤滑技術。

2.6電控系統的研制

電控系統主要完成對電噴發動機的控制。電噴柴油噴射系統由傳感器、電子控制單元（ECU）和執行機構三部分組成。實現對噴油量以及噴油定時隨運行工況的實時控制。并將檢測到的轉速、油門旋鈕位置、進氣溫度、進氣壓力、柴油機轉速、冷卻水溫、機油壓力、燃油溫度、燃油壓力、冷卻水溫度等參數同時輸入ECU，進行分析記算，按照最佳值或計算后的目標值把指令送到執行器。執行器根據ECU指令控制噴油量、控制噴油壓力、噴油時間同時對廢氣再循環閥、預熱塞等執行機構進行控制，使柴油機達到最佳運行狀態。并將檢測的一些參數及故障信息傳送到總表顯示報警。

3.試驗及應用推廣情況

3.1試驗情況

2008年9月，SMJ5510鉆機車在晉城工業區煤層氣開發井進行工業性試驗。該井設計井深1450米，其中：一開井深60m，孔徑φ311.15mm；二開孔徑φ215.9mm，潛空錘沖擊鉆進至570m后改用螺桿馬達進行造斜定向鉆進至1460m。鉆進從9月15日開始，到完井歷時半個月。施工過程順利，成本低，效率高，鉆井周期縮短10天左右。試驗表明鉆機車各項性能指標均能滿足地面煤層氣抽采孔施工的要求。

3.2推廣情況

河南省焦作市神龍水文地質工程公司使用該鉆機車在焦作煤業集團進行煤礦輸漿孔施工，共鉆23個孔（孔徑φ311mm），累計進尺12655m，平均單孔鉆深550m，平均鉆速10m/h，最快可達1m/min。

黑龍江煤田地質局204隊使用該鉆機車在七臺河勃利縣參與了恒泰煤礦8.23透水事故的搶險救援，充分體現了其快速響應的能力。

截止到目前為止，SMJ5510鉆機車還在內蒙古地質工程有限責任公司、河北煤田地質局、黑龍江煤田地質局108隊、新疆煤炭地質局、西安煤科院等單位成功推廣使用。

4.結論

SMJ5510TZJ15/800Y地面瓦斯抽采的欠平衡車載鉆機通過試驗和推廣表明：其主要技術指標達到或超過國外同類鉆機，整機性能達到國外同類鉆機的先進水平，使我國的煤礦地面瓦斯抽采鉆機技術達到國際水平，從而滿足國內煤層氣開發的需要，促進我國煤礦瓦斯地面抽采的商業化進程和煤層氣開發的產業化速度。

5.參考文獻：

[1]燕南飛，馮達暉.泡沫鉆進車載鉆機的設計[J].煤礦機電，2006（02）.

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