试验钻机安装关键技术研究

陈 云，管凤花，张学刚

宁夏天地奔牛实业集团有限公司 宁夏银川 753004

在反井钻机导孔施工过程中，钻头需要冷却，同时钻渣在钻头高压冷却水的作用下沿钻杆排至地面[1]，导孔钻头始终处于高压环境，随着导孔深度的增加，导孔钻头承受的压力不断增加[2]。另外，由于缺少专业试验设备，反井钻机研究单位仅对单个滚刀机械挤压破岩原理和机械挤压破岩对井壁的影响进行了研究，没有对大直径扩孔全断面多滚刀挤压破岩进行系统研究[3]。

针对上述问题，宁夏天地奔牛实业集团有限公司研制了全断面机械破岩试验钻机，以模拟真实工况环境，从而对高压环境下、全断面多滚刀机械挤压破岩原理和高压环境对岩石本身的影响进行了系统研究。

全断面机械破岩试验钻机在实验室进行试验，试验钻机的结构、钻杆、安装方式、钻头工作环境等与反井钻机完全不同。为获取与反井钻机钻井接近的数据，试验钻机钻井直径达到 3 m，试验钻机主机质量达 20 t 以上，试验钻机的主机、底座等部件外形尺寸比较大，安装难度也非常大。

1 试验钻机安装关键技术难题分析

1.1 反井钻机安装

反井钻机的安装相对比较简单，通常安装在野外或峒室，地基用 300 mm 以上厚度的混凝土固化找平，根据反井钻机连接钢梁安装尺寸预埋螺栓，将钻机安装在水泥固化地面上，并根据钻井角度调整主机导向导轨与地基角度[4]。反井钻机施工如图 1 所示。

图1 反井钻机施工

1.2 试验钻机安装技术难题分析

与反井钻机不同，试验钻机安装在室内，吊装设备是天车。试验钻机在安装前，主机已完成装配，包括底座、立柱导轨、顶梁、推力油缸组件、动力水龙头以及连接附件，试验钻机的钻杆、刀盘、基座、主机连接座、变径圈等部件现场安装。

试验钻机安装如图 2 所示。试验钻机要安装在基1.密封座压盖 2.密封压盖 3.动力水龙头输出轴 4 试验钻机主机 5.多层钻杆 6.试验钻机密封座 7.试验钻机主机连接座 8.变径圈 9.动密封 10.试验钻机基座座上，通过连接座连接，钻进试验时，钻头在由连接座、钻杆和基座形成的密封腔体中工作，其中充满不高于 15 MPa 的洗井液。在钻进过程中，钻杆既要轴向移动又要轴向旋转，在钻杆与连接座之间安装基于液压缸密封结构设计的动密封。

图2 试验钻机安装

试验钻机安装的核心技术难题是主机钻杆中心以及连接座导向孔同轴度。由于试验钻机是在连接座、钻杆和基座形成的腔体中工作，且腔体中有不高于 15 MPa 的洗井液，故试验钻机钻杆类同于高压液压缸活塞杆。钻杆外圆直径 360 mm，根据高压液压缸活塞杆与缸体孔的同轴度要求，钻杆中心和连接座导向孔同轴度不得大于 0.06 mm。要达到这一精度，首先要保证各零件的制造精度，同时保证钻杆、连接座、主机和连接座的定位精度[5]。

试验钻机主机质量达 20 t 以上，连接座和钻杆的质量均已超过 1 t，大型部件要通过天车吊装找正安装，安装难度非常大。

2 试验钻机安装工艺分析

试验钻机安装工艺的核心是根据试验钻机整体设计结构，制定各大部件的装配顺序，降低装配难度，保证主机与连接座的垂直度以及钻杆与连接座导向孔的同轴度。

试验钻机安装工艺研究是指主机及其相关部件在实验平台基座上的安装工艺。从图 2 可以看出，安装前钻杆、钻头、密封座、变径圈、连接座未与主机装配成一体。

试验钻机安装工艺如下：

(1) 钻杆和刀盘装配成一体，并整体吊装在已装好的基座中；

(12) 将变径圈吊装在基座上，同时将变径圈与基座之间的高压静密封件一同组装，变径圈组装后，将连接座安装在基座上；

(3) 密封件装入密封座，整体套装在钻杆上，钻杆上端法兰安装在钻杆上；

(4) 主机安装，保证主机架导轨与连接座断面垂直，保证动力头输出轴中心与基座、变径圈及连接座中心重合；

(5) 钻杆与主机动力头输出主轴对正连接，密封座对正连接[6]。

3 试验钻机安装技术研究

3.1 降低试验钻机定位精度控制难度

要控制钻杆中心与导向孔连接座同轴度，涉及到主机、连接座、钻杆和基座之间安装定位精度。因此，需要通过结构设计、功能转化以及装配方法的改进，将主机、连接座、钻杆和基座之间定位转化成粗定位，降低定位精度；将钻杆和连接座之间的密封精确配合转化到质量较轻的零件上，利用钻杆与导向孔之间密封件自定心找正，降低定位调整难度。

3.2 降低主机安装找正难度

钻机主机安装是最关键的工序，要整体安装在连接座上，动力水龙头输出主轴与钻杆连接，使钻杆与变径圈上安装的密封座之间形成高压动密封。因此，主机立柱导轨与基座的垂直度直接影响钻杆与密封座导向孔的同轴度。

将连接座设计成连接座、变径圈和密封座，将连接座功能分流，功能分流后的连接座只连接主机与基座，与钻杆无同轴度要求，装配过程中只控制主机立柱导轨与基座的垂直度，可直接通过调整主机底座与连接座的连接面调整垫实现。

安装时用天车吊装在连接座上后，通过主机与连接座连接面间加铜片调整主机立柱导轨与变径圈断面的垂直度；主机动力水龙头输出主轴与变径圈内孔同轴通过连接螺栓连接粗定位，同轴度小于 2 mm，调好后用螺栓紧固，降低定位难度。试验钻机主机安装如图 3 所示。

图3 试验钻机主机安装

3.3 设计专用工装降低钻具对中难度

机械破岩试验钻机是针对不同硬度的岩层，在不同转速和钻压下，进行机械破岩模拟试验。试验钻机的马达通过动力水龙头将转矩传递给钻具。钻具由一根多层钻杆和钻头组成。动力水龙头和钻具通过止口进行轴向定心，通过螺栓进行轴向紧固，通过销轴传递转矩，动力水龙头和钻具的对中要求较高。安装调试试验钻机时要先安装钻具，再安装主机。主机安装后由于钻具上部被遮挡，无法使用吊车吊装钻具；同时，由于钻具质量约 3 t，长度约 3 m，无法进行人工调节；且设计的输送装置复杂笨重，因此，试验钻机钻具对中调节困难。

为降低钻具与主机的对中难度，设计专用工装——钻具对中调节和紧固装置。钻具对中调节和紧固装置由底座Ⅰ、4 个调节块 A、4 个调节块 B、调节螺钉、锁紧螺母、底座Ⅱ和合箱螺钉组成。其中，4 个调节块 A 为一组，在同一平面沿圆周方向均布；4 个调节块 B 为一组，在同一平面沿圆周方向均布；4 个调节块 A 与 4 个调节块 B 沿轴向方向布置，并相隔一段距离；4 个调节块 A 与 4 个调节块 B 的内圆弧半径与钻杆外圆半径一致。底座Ⅰ和底座Ⅱ通过合箱螺钉紧固后形成一个整体进行对中调节，调节完成后拆卸合箱螺钉即可从钻杆中拆下。通过该装置止口与主机底座的止口进行圆周定心，通过螺栓孔进行轴向紧固。使用钻具对中调节和紧固装置进行调节的目的有二：一是保证钻具与主机对中，二是保证主机底座和密封座中心同轴[7]。进行对中调节时，4 个调节块 A 与 4 个调节块 B 均可以单独通过调节螺钉调节，单独径向移动；调节完成后，通过锁紧螺母锁紧调节螺钉。因密封组件套装于钻杆外侧，已和钻杆同轴，当钻具与主机对中调节完成时，密封座与主机底座的中心同轴也同时完成。钻具调整对中工装如图 4 所示。

图4 钻具调整对中工装

4 结语

通过分析反井钻机和试验钻机结构功能和钻井方式，结合实验室试验钻确机安装基础条件，根据试验钻机与底座连接结构、主机动力水龙头与钻杆连接结构、钻杆与底座高压动密封装配结构、各部件质量和外形尺寸，分析了试验钻机安装核心技术，研究试验钻机安装工艺和安装核心技术难题的解决措施，实现了试验钻机钻头在高压腔体中的稳定工作。