當(dāng)前巖心鉆探設(shè)備進(jìn)行更新與技術(shù)的實(shí)踐

唐宇 尹德政

摘 要：隨著國(guó)內(nèi)外巖心鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)巖心鉆探設(shè)備也有了新的研究，比如全液壓巖心鉆機(jī)的問世，這在業(yè)界是一個(gè)創(chuàng)新，對(duì)巖心鉆探設(shè)備的研發(fā)和實(shí)踐。文章將針對(duì)目前的巖心鉆探設(shè)備的分析研究，為新技術(shù)的實(shí)踐性工作做進(jìn)一步的探討，對(duì)鉆機(jī)的研發(fā)創(chuàng)新有一定的意義。

關(guān)鍵詞：巖心鉆探；設(shè)備更新；技術(shù)；工作原理

1 研究背景

鉆孔裝備制造，在深孔巖心鉆探設(shè)備領(lǐng)域具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。據(jù)相關(guān)資料研究顯示，某鉆孔裝備制造企業(yè)，2011年公司共銷售各類鉆機(jī)達(dá)2，014臺(tái)，新型高效巖土鉆機(jī)技術(shù)改造項(xiàng)目總投資額為23，024萬(wàn)元，本項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，預(yù)計(jì)每年將新增營(yíng)業(yè)收入34，166.50萬(wàn)元，利潤(rùn)總額8，855.85萬(wàn)元，凈利6，641.89萬(wàn)元。項(xiàng)目總投資收益率為31.4%，所得稅前的內(nèi)部收益率為31.60%，所得稅前的投資回收期為5.16年（含2年建設(shè)期）。鉆桿生產(chǎn)技術(shù)改造項(xiàng)目總投資額為15，045萬(wàn)元，項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，預(yù)計(jì)每年將新增營(yíng)業(yè)收入23，496.00萬(wàn)元，利潤(rùn)總額4，440.35萬(wàn)元，凈利3，330.26萬(wàn)元，生產(chǎn)的全液壓巖心鉆機(jī)不僅可以替代進(jìn)口，在國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上同樣具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2 巖心鉆探設(shè)備工作原理分析

巖心鉆探設(shè)備是一種液壓給進(jìn)鉆機(jī)，有著寬廣的應(yīng)用范圍，廣泛用于地質(zhì)普查，工程勘探等鉆孔，災(zāi)害治理，它除了可用硬質(zhì)合金鉆頭，還可用金剛石鉆進(jìn)工程，以XY-1B型鉆探設(shè)備為例，其主要是在XY-1型鉆機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的，具體的參數(shù)如下所示：

表1 XY-1B型鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

另外液壓管結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)膠層、內(nèi)膠保護(hù)層、中膠層、鋼絲纏繞層和外膠層組成，在實(shí)際應(yīng)用中，最為主要的用途用于油田固井、修井及石油地質(zhì)勘探、小型鉆機(jī)和水利采煤、輸送泥漿及常溫水等流體介質(zhì)，其在設(shè)計(jì)量，嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：API Spec 7K SY5469 ISO6807，取得良好的應(yīng)用效果。

3 技術(shù)改進(jìn)與更新

3.1 XY-4巖心鉆機(jī)

XY-4型巖芯鉆機(jī)主要適用于固體礦床的金剛石、硬質(zhì)合金勘探鉆進(jìn)，也可用于工程地質(zhì)與水下勘探；淺層石油和天然氣開采，以及礦山坑道的通風(fēng)、排水等鉆孔，具有較高的轉(zhuǎn)速和較合理的轉(zhuǎn)速范圍，轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)較多，低速扭矩大，適合小口徑金剛石巖心鉆進(jìn)，也能滿足大口徑硬質(zhì)合金巖心鉆進(jìn)和各種工程鉆孔的要求；拆解性較好。可分解成九個(gè)整體部件具體的參數(shù)如下所示：

另外，改進(jìn)后，由于管路在耐壓、抗油，抗耐腐蝕參數(shù)值的提高，給鉆機(jī)在轉(zhuǎn)速、輸出扭矩的提升起到了關(guān)鍵的作用，還可以將管道功能擴(kuò)展到海底天然氣、石油等介質(zhì)的輸送。

3.2 便攜式地質(zhì)淺層取樣鉆機(jī)

便攜式地質(zhì)淺層取樣鉆機(jī)是一種主要適用于山嶺、交通和能源不便地區(qū)的小型輕便化取樣鉆孔設(shè)備。采用該鉆機(jī)取樣可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工挖掘、槽探和井探等取樣。它不僅能加快取樣工作速度，而且能大量減少植被的破壞，保護(hù)環(huán)境。是區(qū)域地質(zhì)填圖、物化探取樣、古地磁取樣、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等淺層地質(zhì)勘查工作中不可缺少的技術(shù)手段。

4 新技術(shù)推動(dòng)鉆機(jī)創(chuàng)新

現(xiàn)在，隨著地質(zhì)市場(chǎng)的拓展，鉆探技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，體現(xiàn)在鉆探裝備的技術(shù)改進(jìn)上，液壓技術(shù)開始大量引進(jìn)了其他裝備行業(yè)的液壓控制技術(shù)，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，如電液控制中開始引入先進(jìn)的傳感器、GPR定位系統(tǒng)、PID、PLC、變頻控制技術(shù)，使得液壓鉆機(jī)更加智能化，輕量化，精準(zhǔn)化。使其在操作上，更加人性化。當(dāng)電機(jī)作為鉆機(jī)輸入動(dòng)力時(shí)，為了提升能源利用率，減少能耗，采用電流傳感器采樣給PID，（或者PLC），PID控制變頻器節(jié)能技術(shù)，在鉆進(jìn)的不同工作負(fù)荷的條件下，改變電機(jī)的工作頻率而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。采用GPR定位技術(shù)，準(zhǔn)確地定位技術(shù)，能精準(zhǔn)的控制目標(biāo)靶位，減少鉆進(jìn)靶位不準(zhǔn)的巨大浪費(fèi)。

但是這些技術(shù)在勘察液壓鉆機(jī)上應(yīng)用，還需要一定的時(shí)日，我國(guó)鉆機(jī)行業(yè)已做好了充分的技術(shù)儲(chǔ)備，隨著技術(shù)進(jìn)步，這些先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)到鉆機(jī)研發(fā)中來，是一定會(huì)出現(xiàn)的，我們期待這一天早日到來。

動(dòng)力供油方式是電機(jī)帶動(dòng)泵供油，液壓馬達(dá)動(dòng)力頭輸出軸旋轉(zhuǎn)；另一路供油實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭推進(jìn)、夾持器夾緊、卡盤松緊以及主機(jī)調(diào)整傾角。旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)采用定量齒輪泵與定量低速大轉(zhuǎn)矩液壓擺線馬達(dá)；推進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)采用單液壓油缸直接推進(jìn)，串聯(lián)節(jié)流調(diào)速。采用組合式液壓卡盤和液壓夾持器，滿足加減鉆桿，提高工作效率。

4.1 液壓卡盤結(jié)構(gòu)分析

組合式液壓卡盤由外置油缸、防塵套組件、蝶型彈簧、圓錐滾子軸承、外殼體、卡瓦套及卡瓦等組成，見圖1。

外置油缸尾部與動(dòng)力頭箱體連接，夾緊鉆桿時(shí)，高壓油注入兩側(cè)外置油缸無桿腔，油缸與蝶型彈簧共同推動(dòng)卡瓦套向右移動(dòng)，卡瓦套上的T型斜面槽帶動(dòng)卡瓦徑向向內(nèi)移動(dòng)從而夾緊卡瓦。設(shè)計(jì)分配夾緊力源時(shí)，蝶型彈簧承擔(dān)主要夾緊力，外置油缸起輔助夾緊作用；卡瓦和鉆桿磨損后，可調(diào)節(jié)夾緊油壓，補(bǔ)償?shù)蛷椈蓨A緊力的損失；松開鉆桿時(shí)，高壓油注入兩側(cè)外置油缸有桿腔，迫使蝶型彈簧壓縮，卡瓦套向左移動(dòng)，帶動(dòng)卡瓦徑向向外移動(dòng)，從而松開鉆桿。

4.2 液壓卡盤主要力學(xué)設(shè)計(jì)

碟型彈簧的主要破壞形式是疲勞斷裂，蝶型的設(shè)計(jì)對(duì)于卡盤的工作可靠性來說比較重要，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)里的蝶型彈簧彈力計(jì)算公式：

調(diào)整蝶型彈簧的基本參數(shù)，核算出了蝶型彈簧的最終參數(shù)，蝶型彈簧受力曲線圖見圖2。

按照鉆機(jī)工作要求，計(jì)算出蝶型彈簧和外置油缸需要提供的推力F1為180.9kN，故2只外置油缸提供的液壓力至少應(yīng)達(dá)到：

F夾≥180.9-111.2=69.76kN

油缸夾持壓力為5MPa，兩只油缸提供的推力為78.5kN，大于69.76kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 液壓卡盤工作特性

1）夾緊力大，卡瓦和鉆桿磨損后，夾緊力可調(diào)，調(diào)節(jié)夾緊油壓，即可補(bǔ)償?shù)蛷椈蓨A緊力的損失。

2）夾緊鉆桿后，對(duì)主軸受力而言，蝶型彈簧產(chǎn)生的軸向作用與反作用力相互抵消，改善了主軸軸承的受力狀況。

5 結(jié)束語(yǔ)

巖心鉆探裝備優(yōu)劣在地質(zhì)探查工作中起到基礎(chǔ)先決作用，加強(qiáng)對(duì)巖心鉆探設(shè)備的研究一直以來都是我國(guó)地質(zhì)勘探領(lǐng)域的重點(diǎn)部分。伴隨我國(guó)裝備技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過我國(guó)地質(zhì)勘探科技的不斷發(fā)展，對(duì)鉆探設(shè)備的不斷創(chuàng)新，會(huì)不斷誕生出更加好的鉆機(jī)，滿足我國(guó)地質(zhì)勘探創(chuàng)新工作的飛速發(fā)展，使我國(guó)的地質(zhì)勘探事業(yè)達(dá)到一個(gè)更高的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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