300m全液壓水井鉆機的研制

許曉慶 范悅栓 李曉峰 苗志軍

摘 要：為解決現有水井鉆機存在的效率低、自動化程度低等問題，開發了一種高效、技術含量高的自動化水井鉆機。該鉆機的控制系統為機械、液壓一體化，集安全、快速起下鉆、加壓快鉆、頂部驅動旋轉、快速移運等多項優勢，不僅能產生巨大的社會經濟效益，而且對提高我國水井鉆井裝備企業的國際競爭力也具有重大現實意義。

關鍵詞：全液壓；水井鉆機；動力系統；液壓系統

中圖分類號：TV53 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0042-02

Development of a 300 Meter Full Hydraulic Well Drilling Machine

XU Xiaoqing FAN Yueshuan LI Xiaofeng MIAO Zhijun

（RG Petro-machinery Group Co.， Ltd.，Nanyang Henan 473000）

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency and low degree of automation in existing drilling rig， an automatic well drilling machine with high efficiency and high technical content was developed. The control system of the drill had many advantages， such as mechanical and hydraulic integration. It had many advantages， such as safety， fast drilling， fast drilling， top drive rotation， rapid migration and so on. It not only produced huge social and economic benefits， but also had great practical significance for improving the international competition power of the well drilling equipment enterprises in China.

Keywords： full hydraulic；well drilling rig；power system；hydraulic system

1 國內外水井鉆機的現狀和發展趨勢

1.1 國內外現狀

水井鉆機在我國的研究和制造還比較落后，裝機功率小、運行效率低，搬遷費用高，跟不上水井鉆機產業化快速發展的步伐。進口的水井鉆機一般為車載式，全液壓控制、自動化程度高，但購置費用高、運行維修成本高。

國外流行的全液壓動力頭式鉆機，我國研制和應用仍處于起步階段，適用于多功能的鉆機可以說還是空白，難以滿足反循環鉆進、定向鉆進等多種鉆進工藝發展的需要。總體來講，我國與國外鉆機在制造和應用上的差距還較大。

1.2 發展趨勢

①提高工作效率。提高工作效率的途徑：雙根快速起下鉆、空氣鉆進、加壓快鉆、頂部驅動、快速移運等。

②提高技術經濟性。提高技術經濟性的途徑：選用國產可靠配件，如柴油機、動力頭和液壓元器件等，可使鉆機制造成本下降1/3以上[1]。

2 SZJ3D水井鉆機的主要特點

①整機橇座式，鉆井作業所需設備一橇安裝，整車運輸，具有良好的運移性能，可適應各種復雜井場的地面狀況。

②采用全液壓傳動，實現主要鉆井參數無級調節，以適應不同地層的地質狀況，并具有自動送鉆功能。同時，綜合運用機、液一體化技術，具有較高的作業效率和自動化程度。

③旋轉鉆井系統采用動力水龍頭，可滿足鉆井工藝需求，確保該機的可靠性和安全性。

④采用液壓缸提升、鉆進及加壓裝置，結構簡單，性能可靠，可實現動力水龍頭鉆進、提升、下壓，接卸4.5m或6m鉆桿。

⑤泥漿循環系統采用泥漿泵、砂石泵雙配備，具備大排量、高壓泥漿供給方式，符合大通徑井眼鉆井作業的正反循環鉆井工藝。

⑥前開口、無繃繩、液壓起放、直立井架及特殊的底座結構，在保證無外繃繩正常作業的同時，可實現整車的正常運輸。

3 SZJ3D水井鉆機的主要構成

SZJ3D水井鉆機主要由提升下壓系統、井架、底座、柴油機、控制系統、泥漿泵、砂石泵、動力水龍頭、泥漿循環系統和井口裝置等部件組成 。

3.1 底座

底座整體由高強度型材焊接而成，設有4個既可升起又可伸展的液壓支腿。單個支腿頂升力可達100kN，滿足舉升整機自重的需求。支腿伸展行程為500mm，伸展后的橇座內側空間可達3 200mm，運載車輛可以直接倒入底座下方。底座上分別設前后支架，滿足井架在作業和運輸時的要求。

3.2 動力系統

動力系統由大功率柴油機和帶泵箱組成。柴油機選用國產康明斯。滿足動力需求的同時，采用低排放柴油機，降低整機的成本。帶泵箱為液壓系統油泵的取力裝置。箱體為行星齒輪傳動箱，一分四驅動，傳動比1∶1。

3.3 液壓系統

SZJ3D水井鉆機液控系統由以下幾部分組成：井架起升及液壓支腿部分、泥漿泵驅動部分、砂石泵部分、動力水龍頭部分、提升下壓部分和散熱驅動部分。整個水井鉆機液壓系統共有6個泵，這些泵共用一個液壓油箱。液壓油泵由發動機經帶泵箱帶動運轉，為各部分提供動力，以滿足鉆井過程中的各種要求。

3.4 泥漿循環系統

泥漿循環系統采用正、反循環兩種工藝配置。

正循環系統包括泥漿泵的吸入管線和高壓管線。吸入管線在泥漿池，帶濾水底閥，濾水器對泥漿液進行粗過濾的同時，也起到單向閥的作用，以提高泵的自吸能力；高壓管線從泵的出口連接到動力水龍頭的鵝頸管上。正循環管線的泥漿通過吸入管匯、泥漿泵、水龍帶、DLS30動力水龍頭、鉆桿、鉆頭流向井底，從環空返回泥漿池。

反循環系統包括砂石泵的吸入管線和排出管線。吸入管線接到動力水龍頭的鵝頸管上；排出管線進入泥漿池。反循環管線的泥漿通過井底、鉆頭、鉆桿、動力水龍頭、吸入管匯、砂石泵、排出管匯流向泥漿池。

3.5 泥漿泵

泥漿泵為臥式三缸活塞往復泵，結構簡單，體積小、排量大，易損件少，使用壽命長。采用低速大扭矩液壓馬達驅動，設計泵沖為160沖/min。采用曲柄連桿機構、飛濺潤滑或強制潤滑，當泵的曲軸旋轉時，曲軸帶動連桿、十字頭、中間桿、活塞作往復運動，當活塞向后運動時，進液閥開啟，液體進入泵體內，直到活塞移到最后位置時（曲軸旋轉180°）進液過程結束。通過更換不同直徑的缸套、活塞來改變泵的排量與壓力，使用不同的鉆井工況。

3.6 砂石泵

砂石泵為大排量、大通徑離心泵。采用液壓馬達驅動，揚程可達18m，最大排量可達234m3/h。

鉆機反循環鉆井時，靠大通徑砂石泵將井底的碎石、鵝卵石、泥餅等大顆粒鉆屑從井底經鉆桿吸出排入泥漿池。同時，也可用砂石泵的大排量來實現正循環或反循環的快速鉆井，提高鉆井效率。

3.7 井架

井架采用無繃繩、單節、直立式結構，主要由天車、井架本體、起升液缸、提升下壓液缸及其滑輪組等部件組成。

井架立起和放倒由連接在底座后支架和井架本體上的一對雙作用起升液缸來實現。井架與后支架之間采用絞支座連接。

3.8 提升下壓裝置

大排量長行程液壓缸裝在井架內側，使用鋼絲繩來提升和下壓動力水龍頭DSL30，在井架導軌上安裝的扶正輪總成和動力水龍頭導軌車沿著井架內側的導軌上下移動，以產生提升、下壓力，同時承受和傳遞扭矩。

3.9 動力水龍頭

動力水龍頭采用雙馬達做驅動動力，經兩極齒輪傳動后將旋轉動力傳遞給中心管，從而帶動鉆桿做旋轉運動。其上端通過銷子與提升裝置連接，下端通過過渡接頭接直接接鉆桿，鵝頸管與水龍帶連接。動力水龍頭DSL30起到承載和對壓力泥漿進行密封的雙重作用，以實現提升及循環作業。

4 主要技術參數

SZJ3D水井鉆機的主要技術參數如下。名義鉆井深度：300m（4″鉆桿DP）；最大提升載荷：150kN；鉆桿提升速度：0～0.7m/s。

5 結論

①SZJ3D型水井鉆機整機移運性能好，節約了作業成本，提高了效率。

②采用液壓動力水龍頭、液缸提升下壓系統、正反循環泥漿系統，實現對鉆壓的控制，提高了作業效率，并適合于軟地層和硬地層鉆進，擴大了鉆機的地層作業范圍。

③采用全液壓自動化控制，減輕了工人的勞動強度，提高了作業的安全性。同時，鉆機節能、安全、環保，符合現代化鉆井作業的要求。

參考文獻：

[1]高占聽.國內水井鉆機的現狀及發展趨勢[J].中國煤炭地質，2014（10）：65-68.