岩心钻机长行程的探索与应用

2024-01-04卢春阳李明星欧喜生王鲁朝陈衡何秋明

地质装备 2023年6期

卢春阳,李明星,欧喜生,王鲁朝,陈衡,何秋明

(1.衡阳中地装备探矿工程机械有限公司,湖南衡阳 421002;2.山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队,山东烟台 264000)

0 引言

立轴式岩心钻机是目前我国地质钻探工程中应用最广泛的装备,型号从XY-1到XY-9DB,钻孔深度不断提高,钻机性能也不断提升[1]。无论哪种型号的立轴式钻机,其主要功能都是带动钻具向地层深部钻进。有许多专家学者对立轴式岩心钻机进行了研究和改进[2-6],使岩心钻机系列化产品的性能和功能都不断升级。

钻机性能直接影响钻探工程的效率、质量、成本及施工安全等,因此提高钻机性能,增加纯钻进时间占比,可以一定程度上提高钻探质量和效率。为了提高钻探施工效率,本文采用加长岩心钻机给进机构的行程,同时也增加取心长度的方法,可有效减少一个钻进回次的倒杆次数,防止岩心堵塞,提高岩心采取率和钻进工作效率。

1 常见的给进机构

钻机给进机构主要有测量钻具重量、起拔钻杆、加减压、调节给进速度等功能。

1.1 立轴式岩心钻机给进

立轴式岩心钻机的给进装置是与回转器紧密结合成为一体,如图1所示,它由回转箱体、液压卡盘、横梁、立轴、给进液压缸等部件组成。回转箱体两侧对称安装了两个给进液压缸,液压缸体固定在箱体上,活塞杆与横梁固定,液压卡盘夹持钻杆。当给进液压缸的活塞和活塞杆在液压驱动力下做上下运动时,通过横梁带动液压卡盘和立轴也做上下运动,从而带动钻杆运动,向下为钻进,向上为提出,可以实现钻机的给进、倒杆或提升等动作。

图1 立轴式岩心钻机给进Fig.1 The feeding of spindle core drilling machine

1.2 全液压钻机给进

全液压钻机是指钻机的回转、给进以及升降钻具等机构均用液压驱动,带可移动回转器的钻机。大多数全液压钻机采用液压缸给进机构或液压缸—链条给进机构[7]。

图2是单液压缸给进示意图,给进液压缸的缸筒倒装在给进滑板的中心,动力头通过箱体与给进滑板固定,给进液压缸的活塞杆轴向被固定在钻塔的下部。当压力油通入给进液压缸时,使得液压缸筒带动给进滑板和动力头在钻塔滑架上作向上或向下运动,带动钻杆给进、倒杆或提升,并实现加减压给进。

图2 全液压钻机液压缸给进Fig.2 Cylinder feeding of full hydraulic drill

图3是液压缸—链条给进示意图,给进液压缸通过两组动滑轮和上下两个定滑轮,分别带动上下两根链条,移动式动力头固定在上下两根链条上。当给进液压缸作往复运动时,拉动链条使动力头向上或向下运动,带动钻杆给进、倒杆或提升,并实现加减压给进。

图3 全液压钻机液压缸—链条给进Fig.3 Cylinder-chain feeding of full hydraulic drill

1.3 顶驱钻机给进

顶驱钻机的顶驱装置直接从井架空间上部旋转钻具,以升降机控制动力头和钻杆给进和提升[8]。图4是顶驱钻机给进的示意图,钻杆通过顶驱与钢丝绳和升降机相连,控制升降机的转动方向,使顶驱向上或向下运动,实现钻杆给进、倒杆或提升和减压给进。

图4 顶驱钻机给进Fig.4 Feeding of top drive drill

综合以上几种钻机给进方式,立轴钻机给进行程因受制于立轴和给进液压缸行程的限制,上下运动距离有限,向上运动距离过大会使回转器的稳定性变差,立轴跳动大。给进行程一般控制在400～600 mm之间。因给进行程短,倒杆次数多,在钻进时需要频繁地反复松紧卡盘对主动钻杆倒杆,影响钻进效率,增加了倒杆辅助时间。全液压钻机和顶驱钻机采用移动式动力头与长行程轨道,可提供超长行程给进、扫孔等钻探工艺要求,给进行程一般都达到2500～3500 mm,但由于钻机售价昂贵,投入成本高,配套要求较高,对操作人员和维护人员的要求也高,因此普及率较低。

2 岩心钻机长行程给进的探索

目前立轴式岩心钻机应用广泛,经过长期的实践积累和不断发展,它的优点主要有结构成熟,性能稳定,可靠性高,维护、保养及使用均相对简单。施工单位对于立轴式岩心钻机熟悉程度和接受程度相对较高,能较快处理现场设备故障,因此立轴式岩心钻机在市场仍具有强大的生命力。

随着钻探工艺的进步,施工单位对立轴式岩心钻机提出了更高的要求,衡阳中地装备探矿工程机械有限公司(下文简称“我公司”)在提高产品质量,完善立轴式岩心钻机的机构,扩大其使用范围等方面不断改进优化,成功研制出一款以履带底盘为载体,塔机一体式,带导向塔长行程给进钻机,并根据客户要求对立轴式岩心钻机进行了智能化改造提升。

为解决传统立轴式岩心钻机给进行程短、倒杆次数操作频繁等缺点,我公司开发了XY-6DH型带导向钻塔的长行程给进岩心钻机,如图5所示。XY-6DH型钻机是在XY-6型钻机的基础上进行改进提升,主要增加了长行程导向钻塔、动力头箱、传动轴和长行程给进液压缸等。

图5 带导向钻塔长行程给进钻机Fig.5 Long-stroke feeding drill with guided drilling tower

XY-6DH型钻机的主要工作原理是由电动机动力从变速箱经过分动箱到回转箱体,回转箱体将转速和扭矩传递给传动轴,再通过动力头箱中的齿轮传递给钻杆。给进液压缸的缸体安装在导向钻塔底部,活塞杆与动力头箱体相联,当给进液压缸工作,活塞杆伸出,动力头箱向上运动;活塞杆缩进,动力头箱向下运动,从而带动钻杆升降,实现加减压给进,钻机给进行程达到了3500 mm。

钻机导向钻塔高5700 mm,由28号型钢组成,前后两侧面设有导向面板,以保证动力头箱上下运动的平稳和顺利。导向钻塔利用钻塔撑杆与钻机机架形成三角形连接,增加了导向钻塔的稳定性。长行程导向钻塔如图6所示。

图6 长行程导向钻塔Fig.6 Long-stroke guided drilling tower

动力头箱安装在导向钻塔中间位置,箱体上装有导向滑轮,分布在导向钻塔前后的导向面板上,可以起到动力头箱在旋转时的反扭和上下运动时的导向等作用。动力头箱内部设有齿轮传动组,为改善箱体齿轮和轴承的润滑,设计了独立的润滑系统。

传动轴是一根长5000 mm经改制的六方主动钻杆,用于传递转速和扭矩,并辅助动力头箱的导向。上端有传动轴承座与导向钻塔相联,以保证传动轴的稳定性。

为节省安装空间,给进液压缸采用两根伸缩式套筒二级缸组成,起到升降钻杆和加减压钻进作用。为缩短倒杆时间,提高钻进效率,液压系统采用双液压泵合流技术,有效提高了倒杆速度。

带导向钻塔的长行程给进岩心钻机不但具有立轴钻机的结构成熟、性能稳定可靠、性价比高、操作简单、易于维护等优点,同时具有长行程给进钻机的优势,动力箱体给进行程大幅度提升,倒杆次数明显减少,缩短了辅助时间,提高了纯钻进时间,工作效率明显提高。该岩心钻机的研制是结合了市场需要和客户需求,不断地优化完善,丰富了岩心钻机的结构形式和功能,是对传统岩心钻机改造升级、功能提升的又一次尝试,是一次岩心钻机发展思路的新探索。