CYS-300型全液压地热水井钻机的研制

刘 志， 彭儒金， 朱 慧， 陈 敏， 邱 华

(长沙探矿机械厂，湖南 长沙 410100)

1 研究背景

浅层地热能供暖(制冷)技术具有环保、可循环利用、节能等突出优点[1]。国家《地热能开发利用“十三五”规划》中提出：2004 年后浅层地热能应用年增长率超过 30%，应用范围扩展至全国，2015年底全国浅层地热能供暖(制冷)面积达到3.92亿m2，预计在“十三五”时期，新增浅层地热能供暖(制冷)面积将达7亿m2。地源热泵空调作为浅层地热能应用的主要方式，已经广泛应用于医院、学校、住宅小区、写字楼、私家别墅等场所。作为地源热泵空调地表原始能源采集的热交换孔的施工量与日俱增，当前国内地源热泵热交换孔深度绝大部分150 m左右，终孔直径≯150 mm，主要采用空气潜孔锤钻进工艺，效率高，对土壤和地下水污染小[2-4]。传统岩心钻机和散装式水井钻机不适用空气潜孔锤钻进工艺，国内市场主流锚杆钻机同样不能很好地适应地源热泵孔的施工流程，辅助时间长，效率低。通过调研，我厂研制了一种专门针对地源热泵热交换孔、水文水井孔等具有相同施工工艺孔类的CYS-300型全液压地热水井钻机。

2 技术思路

通过调研国内外同类型钻机的施工使用情况，对一线施工客户的交流访问，我厂要研制的CYS-300型全液压地热水井钻机必须具有钻进效率高，维护简便，操作简单，履带行走平稳，气水两用龙头密封性能好，孔内事故处理能力强，能同时满足泥浆回转钻进、空气回转钻进和空气潜孔锤钻进工艺要求等优点[5-7]。为了满足农村院舍水井、城市别墅地源热泵孔等运输和作业空间受限制的场地施工，节省钻机转场运输费用，在产品设计阶段便严格控制钻机运输、工作状态外形尺寸。液压系统选用性价比高的液压元件，在满足产品性能和使用寿命的前提下，降低生产制造成本，增强产品的市场竞争力[8]。

3 CYS-300型全液压地热水井钻机主要结构及其特点

3.1 钻机外形结构

钻机主要由履带底盘、底架、动力总成、支腿总成、动力头总成、钻塔总成、定心装置、卸扣装置、液压系统、气路系统等部件组成。液压系统控制钻机的所有动作，结构紧凑，布局合理。底架上配置大容积钻杆箱，基本满足钻井施工所需钻杆和钻具随钻机一起移机转场的需求，省去钻杆钻具单独搬运步骤，省时省力。操纵台靠近钻塔总成和井口位置，操作者视野开阔，有利于及时精准操控，及时预防孔内事故的发生。高支腿设计使钻机具有自行装卸免吊装的优点。钻机外形结构如图1所示。

3.2 钻机的主要技术参数(见表1)

3.3 钻机动力头总成

动力头总成如图2所示。主要由双液压马达、输出轴、大齿轮、齿轮轴和气水两用龙头组成。在钻机动力功率一定的前提下，为了获得大扭矩和高转速，动力头采用双马达三轴四挡液压变速结构，该结构无机械变速挡位，避免了机械挡位易跑挡的缺陷，同时液压挡位便于远程集中操控，减少换挡辅助时间，提高换挡的时效性，有利于提高钻进效率和降低孔内事故发生的概率[9-10]。动力头通过双马达的串并联得到两挡液压变速[11]，结合液压系统单双泵供油方式的切换，实现4挡不同的输出转速和扭矩。

3.3.1 动力头的输出扭矩

1-注油器；2-后支腿；3-液压油冷却器；4-履带底盘；5-底架；6-定心器；7-液压油箱；8-前支腿；9-钻塔总成；10-动力头总成；11-操作台；12-钻杆箱；13-柴油箱；14-动力总成

图1 钻机外形结构图Fig.1 Drill rig outline structure

液压马达在系统工作压力p=17.5 MPa下，输出最大扭矩为：

式中：T——马达输出扭矩，N·m；q——马达排量，

图2 动力头总成Fig.2 Top head assembly

mL/r；ηm——马达的容积效率[12]。

变速箱的齿轮传动比为80/19，故动力头的最大输出扭矩为：

Tmax并=2iT=2×(80/19)×778=6551 N·m

Tmax串=iT=(80/19)×778=3275 N·m

3.3.2 液压泵的输出流量

钻机选用两个排量40 mL/r的齿轮泵为动力头马达供油，单泵输出流量为：

Q=n柴qηv泵=2200×40×0.92=80960 mL/min

式中：Q——泵的输出流量，mL/min；n柴——柴油机转速，取2200 r/min；q——齿轮泵排量，取40 mL/min；ηv泵——齿轮泵容积效率，取0.92[13]。

3.3.3 单泵供油动力头输出转速

双液压马达并联时输出转速为：

双液压马达的串联时输出转速为：

动力头的变速箱传动比为80/19，故动力头的输出转速为：

3.3.4 双泵合流动力头输出转速

双马达并联时输出转速为(ηm=0.9)：

双马达串联时输出转速为：

动力头的变速箱传动比为80/19，故动力头的输出转速为：

3.4 钻塔总成

钻塔总成由桅杆、拖板总成、提升滑轮、给进油缸、游动滚轮、天车、液压卷扬、链条等部件组成，具体结构如图3所示。桅杆(10)采用半封闭式箱式结构焊接成形，具有工艺简单、质量轻、刚度好、装配维修给进机构方便的优点[14]。给进机构采用油缸链条倍速机构，缸筒铰接固定，活塞杆推拉游动滚轮(7)沿桅杆(10)内导轨运动，带动拖板总成(9)提升给进。给进机构中游动滚轮(7)类似于动滑轮，给进油缸(6)行程1800 mm，拖板行程3600 mm，结构紧凑，传动平稳。提升给进链条配置防冲击碟形弹簧(11)，有效保护动力头、链条、钻具，提高钻机使用寿命。给进和升滑轮通过连杆(1)和滑轮轴(2)悬挂于桅杆两端，调节承重螺母(12)和锁紧螺母可以移动滑轮轴的位置，带动滑轮上下移动，实现链条的涨紧。拖板总成(9)采用浮动式连接，拆卸丝扣动力头自动上下滑动让出丝扣行程，保护钻杆丝扣，延长钻具使用寿命。天车和液压卷扬配合使用，具有吊装钻具的功能，可减轻劳动强度。

1-连杆；2-滑轮轴；3-天车；4-提升滑轮；5-链条；6-给进油缸；7-游动滚轮；8-液压卷扬；9-拖板总成；10-桅杆；11-碟形弹簧；12-承重螺母

图3钻塔总成结构图
Fig.3Drill tower assembly structure

4 钻机的液压系统

4.1 主系统油路

主油路系统原理如图4所示。主要有履带行走马达、动力头马达、给进油缸等执行元件。选用中美合资齿轮泵作为动力元件，齿轮泵额定工作压力21 MPa，主油路系统中履带行走马达和给进油缸最高工作压力设定为21 MPa，动力头马达根据马达参数设定为17.5 MPa。齿轮泵通过履带行走阀分别驱动履带的左右行走马达，油路互不干扰，履带行走平稳，操控性能好。动力头低速旋转时，动力头左马达和动力头右马达由B泵单独供油，通过液控二速阀(3)实现马达串并联，动力头得到两挡低转速和输出扭矩[15]。动力头高速旋转时，动力头左右马达由A泵供油经过合流阀(7)与B泵供油汇合，经过动力头控制阀(6)、液控二速阀(3)后，动力头得到两挡高转速和扭矩。同时通过调速阀(9)，在保证工作油压力波动小的前提下调节动力头马达的供油量，实现动力头正转转速的精确调节，最大限度提高各类地层的钻进效率。 B泵单独供油，经过合流阀(7)、快速提升给进阀(8)，可实现快速给进和提升。A泵供油经过合流阀(7)和快速提升给进阀(8)，同时B泵供油经过动力头控制阀(6)，可实现动力头快速旋转和快速给进的同步运行，钻机实现扫孔和处理孔内事故的功能。液压油冷却器(11)的风扇叶片由24 V直流电机驱动，由柴油机发电机和蓄电池提供电源。

4.2 副油路系统

1-行走马达；2-动力头马达；3-液控二速阀；4-给进油缸；5-行走控制阀；6-动力头控制阀；7-合流阀；8-快速提升给进阀；9-动力头调速阀；10-齿轮泵；11-液压油冷却器

图4主油路系统
Fig.4Main hydraulic circuit

副油路系统如图5所示。由双联齿轮泵、液压卷扬、给进油缸、起塔油缸、卸扣油缸、支腿油缸及各类液压阀等液压元件组成。副油路系统控制钻机实现钻塔的升降、钻机的调平、钻杆的拆卸、钻具的吊装、动力头慢速钻进等功能。C泵供油经过多路换向阀(16)，实现慢速给进与提升，通过给进压力调节阀(15)和减压钻进阀(14)实现给进压力和反推压力的调节，为钻机浅深孔钻进施工提供合理的钻进压力，提高施工效率。齿轮泵D供油通过辅助控制阀(21)，对液控二速阀(3)进行换挡控制，实现动力头转速调节的远程控制[16]。

5 全液压地热水井钻机施工应用

5.1 监测井施工

12-液压卷扬机；13-起塔油缸；14-减压钻进阀；15-给进压力调节阀；16-多路换向阀；17-多路换向阀；18-拔管器控制阀；19-双联齿轮泵；20-溢流阀；21-辅助控制阀

图5副油路系统
Fig.5Auxiliary hydraulic circuit

湖南益阳赫山区华昌锑业股份公司矿渣治理工地(见图6)，钻探监测井用于抽取地下水进行尾矿坑地下水污染情况调查与检测。采用空气潜孔锤钻进工艺，使用Ø89 mm钻杆、Ø185 mm潜孔锤配置Ø254 mm钻头，开山KSZJ-31/25-34/17型空气压缩机，排气量31 m3/min，气压2.5 MPa。钻探5口监测井，孔深分别为33、31、43、41、25 m。地层都是泥土层，个别井底部遇到基岩，平均进尺效率约35 m/h。

图6 益阳市郊矿渣治理监测井施工Fig.6 Monitoring well drilling for treatment of tailingsin the suburbs of Yiyang City

5.2 地源热泵空调孔施工

湖南省长沙县江背镇别墅地源热泵空调孔施工(见图7)。红五环16/15型空气压缩机，排气量16 m3/min，压力1.5 MPa。钻孔8口，孔深100 m，终孔直径130 mm。地表泥土层采用Ø178 mm三翼钻头回转钻进，进尺约10 m后为砂卵石层，下Ø168 mm套管护壁，偏心跟管钻进穿过砂卵石层到达岩石层之后，采用潜孔锤冲击钻进到底。由于跟管钻进和下套管辅助时间较长，钻孔平均进尺效率约20 m/h。

5.3 应用效果及钻机的改进

钻机施工过程中液压系统最高油温55 ℃，最高工作压力达到21 MPa，液压元器件工作可靠，各执行元件动作灵敏。机械零部件运转正常，无发热、异响和异常形变，钻机各项参数达到了设计要求，钻进效率高。

针对动力头输出轴丝扣磨损和表面拉毛较严重的问题，采用将输出轴材质由45号钢改为42CrMo合金钢，进行调质热处理，同时提高丝扣表面粗糙度要求的改进方案；针对钻机在偏心跟管钻进施工中，钻具的接卸位置较高，不方便操作的问题，采用在钻塔侧面设计爬梯的改进方案。

图7 长沙县地源热泵孔施工Fig.7 Drilling of ground source heat pump well in Changsha County

6 结语

CYS-300型全液压地热水井钻机在液压系统的设计上合理利用液压泵的合流分流及动力头马达的串并联实现多种扭矩、转速、提升能力输出；给进提升机构中缓冲碟形弹簧有效吸收动力头振动冲击，延长动力头和钻具的使用寿命；获得专利的气水龙头密封可靠、维护简单。通过现场施工实践证明：CYS-300型全液压地热水井钻机各参数设计合理，整机性能优异。具备满足多种施工工艺的要求，地层适应能力强，钻进效率高，操作界面友好，操作安全舒适，液压系统设计简单可靠，发热小，能耗低等。

国外先进的水井钻机具备远程遥控操作的功能，舒适性、安全性都有很大提高，同时自带机械手，实现钻杆的自动接卸，减轻了劳动强度，缩短了钻进辅助时间。这种自动化程度相对较高的水井钻机将是我们下一步的研发方向。

同时针对下地埋管劳动强度大，效率低，故障率高的普遍问题，我们将研发自动下放地埋软管的装置，改进下管施工工艺，提高施工效率。