便捷式SPT－1500型拖车钻机的研制与应用

2015-12-25李晓晖李艳丽满国祥王慧岭孔令沪朱立强王家一张慧杰

钻探工程 2015年6期

李晓晖，程林，李艳丽，满国祥，刘涛，王慧岭，孔令沪，朱立强，王家一，张慧杰

(1．河北省地矿局国土资源勘查中心石家庄探矿机械厂，河北石家庄050081;2．中国人民解放军68612部队，宁夏银川750021)

随着施工队伍对钻井效率、成井速度、钻孔经济性要求的逐步提高，在中浅层的水文水井、盐井、地浸铀矿开采工程中越来越多的选用拖车钻机施工。拖车钻机较散装钻机具有搬迁转场方便快捷、钻机调平起塔操作简单、可大幅缩短辅助时间的优点，但受拖车行走的通过性限制，拖车底盘的尺寸和钻塔高度都受到制约。底盘尺寸小造成钻机操纵空间狭小，在工人操作不便的同时还增加了风险防护的难度。钻塔有效高度低，只能使用短钻杆，要使用标准长度的钻杆就只能采用两节式钻塔。两节式钻塔在运输时需拆掉上一节钻塔，以方便行走，起塔前再重新组装起来，这样就增加了起塔工作量，且还需要吊车配合。为解决以上不足，更好地适应快速打井的需要，石家庄探矿机械厂在现有拖车钻机的基础上研发了便捷式SPT－1500型拖车钻机。

1 钻机概述

便捷式SPT－1500型拖车钻机是一种水井、工程两用钻机，适用于地质勘查、水井钻进、地热开发、盐井钻井、地浸铀矿开采、煤层气开发等工程。

该钻机为转盘式回转钻机，采用拖车形式，机械传动，部分液压操纵，伸缩式钻塔。钻机采用双卷扬结构，塔头天轮可实现使副卷扬中心自动对中，接卸钻杆方便快捷;钻塔起降、伸缩、整机调平均由液压操纵，省力便捷;增加的机械副支腿使钻机更加安全、稳固;钻机主机和泥浆泵由2台电动机分别驱动，独立动力既保证了设备动力传输的稳定可靠，也便于分别控制;液压系统由11 kW电动机带动的独立泵站提供动力。该机具有运输方便、进出场时间短、施工口径大、钻进较深、辅助时间短、工作效率高的特点。

2 主要技术参数

钻孔深度:1500、1000 m

钻杆直径:89、127 mm

转盘通孔直径:660 mm

转盘转速:正反 37、52、84、145 r/min

转盘最大输出扭矩:21 kN·m

转盘最大搓扣扭矩:86 kN·m

主卷扬提升能力(单绳):90 kN

主卷扬第二层绳速:0.84、1.9、3.3 m/s

副卷扬提升能力(单绳):60 kN

副卷扬第二层绳速:0.45、1、1.8 m/s

输入转速:730 r/min

钻机动力:110 kW

钻塔结构形式:∏形

有效高度:15.5 m

伸缩高度:5 m

钻塔额定载荷:500 kN

配套泥浆泵型号:TBW－1200/7B

车桥规格:13 t

车桥数量:3

转向形式:钢球无心转盘轴转向

制动形式:双管路充气制动

整机质量:35 t

外型尺寸(运输状态):14.5 m×2.5 m×4.3 m

外型尺寸(工作状态):11 m×3.7 m×17.5 m

3 钻机总体布局和液压系统工作原理

3．1 总体布局(见图1)

图1 SPT－1500型拖车钻机总体布局

3．2 钻机传动系统工作原理(见图2)

3．3 液压系统工作原理(见图3)

4 钻机主要部件

便捷式SPT－1500型拖车钻机整体外观见图4，主要由底盘、转盘、主卷扬、副卷扬、变速箱、钻塔、泥浆泵、动力系统、液压系统等几部分组成。

4．1 底盘

该钻机底盘为拖车式底盘，从具有多年底盘生产经验的专业厂家定制。底盘为三桥全挂车结构，采用钢球无心转盘轴转向，双管路充气制动。底盘采用4个独立操控的液压支腿和4个机械支腿，可实现钻机的快速就位、找平，并能保证钻机在运转时的平稳、牢固。

4．2 转盘

为适应大孔径作业的需要，转盘通径设计为660 mm。采用拨杠式转盘，用垫叉拧卸钻具，拨杠补芯为110 mm×110 mm，可选用136 mm×136 mm的补芯。

4．3 主、副卷扬

主卷扬传动系统采用行星轮传动机构。为缓冲钻具下放时的下降速度，避免刹车盘过热，在主卷扬刹车盘端安装有水刹车。副卷扬传动系统亦采用行星轮传动机构，通过链条传入动力。

4．4 变速箱

变速箱为齿轮式变速箱，既有变速又有分动作用。主、副卷扬机及转盘都是通过变速箱提供动力。变速箱内有多根传动轴及齿轮，变速箱盖上装有分动凸轮箱、变速凸轮箱和反正凸轮箱，通过分动手把、换向手把和变速手把分别使3个凸轮箱内的拨叉位置发生变化，从而实现分动、换向、变速。

4．5 钻塔

钻塔为∏形结构，采用矩形钢管焊接，整体液压起落，液压伸缩，塔头天轮组在主、副卷扬在提升时天轮自动对中，操作方便、可靠、节省辅助时间。

下塔腿法兰盘用螺栓与拖车底盘联接，下塔腿与外塔通过销轴铰接，液压油缸起塔后联接处采用插销定位，外塔与内塔为伸缩结构，内塔沿外塔导槽伸出后，内塔支座翻转落下，内塔回落到支座上并穿销固定。既满足了运输要求，又实现了标准长度钻具的使用。

4．6 泥浆泵

选用TBW－1200/7B型泥浆泵，该泵为卧式双缸双作用活塞泵。适用于地质、地下水、地热、煤层气及盐井钻进，介质可为泥浆、清水等，亦可作为以上施工的输液泵。该泵通过更换不同直径的缸套、活塞套和活塞，可获得不同的流量和压力。

4．7 动力系统

由钻机动力、泥浆泵动力、液压油泵动力及配电柜组成。配电柜分别控制3台电机运行、停止，并设有多个接口，满足照明及外带设备用电的需要。

4．8 液压系统

液压系统由齿轮油泵供给动力，通过一个多联换向阀控制液压支腿的伸缩、钻塔的起落、钻塔的伸缩、内塔支座的翻转。液压支腿的伸缩由4个换向阀独立控制，方便调节，每个液压支腿都配有液压锁，保证了液压支腿长时间工作的可靠性。钻塔起落回路装有液控平衡阀，保证钻塔匀速下落，克服爬行现象，同时还起液压锁作用。钻塔的伸缩、内塔支座的翻转均由独立的换向阀控制相应的油缸完成。

5 主要创新点

5．1 伸缩式钻塔

钻塔采用油缸伸缩结构，主塔由内塔和外塔组成，内塔可伸缩5 m，在满足能使用标准长度钻具前提下，使钻塔的结构更为合理，运输长度更短，减小了钻机的转弯半径，曾强了钻机的野外道路通过性，避免了两节式钻塔的拆装繁琐，真正达到省时省力。

5．2 大提升力副卷扬、自动对中天轮组

为提高钻进时的加根效率，缩短加根时间，现拖车钻机一般在加根时都是由主卷扬提吊主动钻杆靠斜，副卷扬拉起一个单根完成加根作业，主卷扬提吊主动钻杆对接后继续钻进。省去了主动钻杆拉倒再提起这一动作，节约了时间，减轻了劳动强度。但原有的拖车钻机却不能很好地完成这一动作，一是副卷扬吨位小，钻孔较深，钻具吨位大时根本拉不起来;二是在副卷扬提拉钻具时，由于天轮组不能移动，使得钻柱与井口不对中，增加了接杆的拧卸难度。SPT－1500型拖车钻机把副卷扬单绳提升能力提高到60 kN，增大了提吊能力，可以适应中深孔钻进的需要。采用自动对中天轮组，在主卷扬工作时主滑车对中，在副卷扬工作时副滑车对中，解决了钻具对中这一难题。

5．3 加大工作台、增加上下斜梯、设置钻具滑道

拖车钻机受上路行驶限制一般长度为8～11 m，宽度为2.5 m，在这个狭小的空间上要布置钻机、动力和泥浆泵，结构相当紧促。过于紧促的结构给操纵和维修都带来了不少困难，也增加了安全隐患。便捷式SPT－1500型拖车钻机采用11 m×2.5 m拖车底盘，为解决这一问题在底盘两侧设置了0.6 m宽可折叠工作台，增加了作业面积，建立了各操作位的安全通道。底盘后部转位置设置2.5 m×1.5 m折叠工作台，方便拧卸作业和放置拧卸工具。工作台铺设防滑透水的鳄鱼板，并设有安全护栏。工作台收放方便，放平即可使用，上翻即可收起，不影响行驶宽度。

为方便工作人员上下钻机，共设置了4个上下斜梯，分别位于转盘工作台两侧、钻机操作位、泥浆泵操作位。斜梯为可折叠设计，方便运输，梯蹬宽度150 mm，铺鳄鱼板，做到安全防滑。在转盘工作台前端设钻具滑道，方便钻具上下，并有效防止磕碰钻具。

6 钻机厂内试验情况

便捷式SPT－1500型拖车钻机在样机试制完成后，按照《水文水井钻机技术条件》(DZ/T 0047—93)、《水文水井钻机试验方法》(DZ/T 0048—93)，在石家庄探矿机械厂试验场进行了各项试验。

6．1 空载运转

钻机连续空载运转24 h，各运转部件无异响，实测噪声85 dB，温升＜40℃，密封件无渗漏。

6．2 卷扬提吊能力

主卷扬用9 t试块进行单绳提升、制动试验，提升灵活、制动可靠。接水刹车后，试块下降速缓、平稳。副卷扬用6 t试块进行单绳提升、制动试验，提升灵活、制动可靠。

6．3 钻塔承载力

对钻塔进行承载力试验，逐级加载至55 t，保持10 min。卸载后无永久变形、焊缝开裂等现象。

6．4 液压系统

液压起塔动作平稳、速度适中，钻塔伸缩精准到位，4个支腿油缸调节快速、方便。平衡阀、液压锁工作可靠，各部件无渗漏现象。

6．5 行走测试

拖车行走平稳顺畅，三轴受力均衡，爬坡性强，通过性好，转弯半径小，行驶速度45 km/h，气刹制动灵敏、可靠。

7 钻机实际生产应用情况

2014年5月，新疆野地钻探工程公司使用便捷式SPT－1500型拖车钻机在新疆伊犁进行地浸铀矿开采施工，现场施工图片见图5。采用108 mm×108 mm方钻杆、27 mm 钻杆、178、203 mm 钻铤的钻具配置，仅用时10 d即完成一口孔深508 m、终孔直径311 mm的生产井施工。在使用过程中钻机各项性能稳定可靠，无质量问题发生。用户反应设计人性化，工作区域设计合理，操作方便、省力，钻进效率高，很好地解决了现有拖车钻机存在的问题。