适用于覆盖层钻探的便携式钻机改型设计

姚震桐,项洋,曾立新,王昶宇,朱看远,薛向宇,尚丽

(1.长江岩土工程有限公司,武汉 430015;2.陕西太合智能钻探有限公司,西安 710016)

0 引言

随着以川藏铁路、西南诸河水电开发等典型工程为代表的新一批重大工程项目启动。为探明工程建设必需的地质情况,工程勘察人员往往需要在地貌复杂、交通不便和高陡险峻的环境中开展勘察作业。目前工程勘察仍主要采用XY系列立轴式岩心钻机[1],立轴式钻机在上述地区的搬迁运移十分困难。而在城市工程地质勘察中,小型立轴钻机的给进行程短,不利于快速完成岩心取样;在水上钻探中,立轴钻机显得笨重,不利于快速安装轻便钻探平台[2];在隧道掘进超前地质预报中,立轴式钻机不适用于近水平定向孔施工[3]。此外,从钻机产品的发展角度来看,立轴式钻机处于从成熟期向衰退期过渡的阶段,过去二十年间,有关立轴式钻机的改进升级主要集中在个性化改造和钻机运行参数检测上,并没有对钻机系统的根本性改进。

在此背景下,近年来国内各钻机厂家纷纷借鉴国外先进厂家的经验,采用模块组合设计方法,开发了多种结构型式、不同装载方式、不同钻进深度的全液压岩心钻机,并逐渐形成系列产品,促进了地质岩心钻探设备的更新换代。

1 便携式钻机

1.1 便携式钻机简介

便携式钻机是近年来国内主要钻机厂家相继推出的一个系列产品,是采用模块化设计的全液压钻机。模块化设计是在对产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合,构成不同的产品,以实现不同功能或不同性能的设计方法[4]。

便携式钻机在继承了全液压钻机无级调速、长给进行程等优势的同时,首先体现了轻便性,是对常规钻探设备的有益补充。便携式钻机主要部件采用模块化概念,将笨重的整体划分为多各独立的单元,可在钻机进场时现场组装,转场时拆卸运输[5]。一方面,减轻了原整机设备转场时造成的沿途损坏,降低了修建施工便道和毁坏青苗的成本;另一方面,便携式钻机特别适用于野外作业,特别是在高山深谷等地形地貌复杂的环境下具有优势,钻机搬迁方便,可以节省大量的辅助工作时间,从而减少项目生产成本。

以中国地质装备集团有限公司(中地装集团)XD系列便携式钻机为例,图1是其安装过程[6]。其平台面积为4 m×4 m,依次安装桅杆、动力头滑架、动力头、副桅杆和液压缸等模块组件后,摆放动力总成(动力机是质量最大的模块),之后起塔、安装绞车和泥浆循环池,将机架固定在平台上,最后打入地锚(孔口套管),即可完成钻机的安装。

图1 XD系列便携式钻机组装过程Fig.1 The assembly process of XD series portable drill

便携式钻机普遍采用桅杆式钻塔,液压起落,不用安装钻塔,极大地减少了高空作业时间,提高了安全性。钻机的动力机可以视现场情况灵活选配柴油机和电动机,便于实现钻探信息化和控制自动化。便携式钻机可根据需求添加各种工程勘察测试模块,孔口活动范围大,便于配合孔内综合测试的展开。由于上述的优势,近年来便携式钻机逐渐被勘察单位认知并应用于工程施工中。

目前国内便携式钻机的制造厂家众多,如中地装集团、四川诺克、珠海英格尔、天合众邦、山东智强和无锡锡钻等等,代表性产品如图2所示。

1.2 便携式钻机的缺陷

在取心钻探领域,便携式钻机目前主要应用在矿产勘查中,钻进地层多为孔壁稳定的坚硬岩层。为追求轻便化和高钻进效率,便携式钻机厂家普遍采用高转速液压马达、薄壁金刚石钻头和配套绳索取心工艺的设计方案,所设计的钻机产品在山地、高原等偏远地区开展钻探作业时,相较于传统立轴钻机,既能在钻机搬迁过程中节省大量辅助作业时间,又能在硬岩地层中打出高钻进速度,因此便携式钻机能取得很好的经济效益。

同时,受便携性要求的限制,便携式钻机配备的液压马达往往功率较小,因此在输出高转速的同时扭矩较小,而绳索钻具属于满眼钻具,环空间隙小,孔壁摩阻大[7-8],现场常常采用提高泥浆的润滑性能或向绳索钻杆外壁涂抹润滑脂等方法来减小管柱回转中受到的摩擦阻力。但是,以市政、水利水电、公路及铁路为代表的工程地质勘察往往钻遇埋深浅、厚度大的第四纪松散覆盖层,这类地层孔壁稳定性问题突出,缩径、卡钻现象严重,对钻机能力的要求较高[9-11]。便携式钻机受扭矩限制,应对孔内复杂情况的能力差,所以在这类地层中其优势难以发挥。

2 改型设计方案

为解决当前便携式钻机难以应用于第四纪松散覆盖层的难题,在原有便携式钻机设计方案的基础上,结合第四纪松散覆盖层的钻探特点,采用模块化设计方法,对便携式钻机进行改型设计,拓展便携式钻机的应用领域。

2.1 钻机组成

在岩心钻探中,针对孔壁稳定性问题主要有两种解决办法:一是泥浆护壁,即充分发挥泥浆材料堵漏、降滤失、润滑和平衡地层压力的作用,维持孔壁的稳定性;二是套管护壁,通过成孔后下入套管,或者采用跟管钻进的方法,在孔内形成套管柱,从而达到隔绝孔壁的目的。改型设计方案从套管护壁技术出发,使其具有跟管钻进能力。拟定改型钻机的基本组成如图3所示。

图3 改型钻机的基本组成Fig.3 Basic composition of the modified drill

1.钻机底架;2.搓管机;3.动力头总成;4.给进液压缸;5.导轨;6.桅杆变幅结构;7.滑轮组图4 改型钻机的总体结构Fig.4 Overall structure of the modified drill

1.液压马达;2、5、8.传动轴;3.花键连接;4、7.向心推力轴承;6.冲击活塞;9.液压控制阀;10.钻杆连接螺纹图5 动力头传动系统原理图Fig.5 Transmission system diagram of power head

改型钻机主要由特殊动力头、桅杆变幅机构、搓管机、卷扬机、泥浆泵、给进机构和其他辅助装置组成。其中,主要对钻机的动力头进行了改进,将原夹持器替换成了搓管机。特殊动力头在具备原回转功能的同时,兼具了振动冲击功能,可以在浅部松散地层实现无循环振动取样,也可以锤击套管端部,将套管柱持续压入地层。搓管机可以实现压入、起拔、搓摆、夹持和拧卸孔内管具的功能。特殊动力头和搓管机联合工作,既不干扰钻机进行常规的回转钻进作业,又能实现高效跟管钻进。改型钻机的总体结构如图4所示。

2.2 特殊动力头

钻机采用带液压振动器的动力头式回转器,即动力头本身既是回转器,又带水龙头,还是激振器、拧管机和提引器,其结构较为复杂。图5是其传动系统原理图,钻机由单个液压马达驱动,液压马达1带动传动轴2回转,通过花键连接3及传动轴2将回转运动依次传递给传动轴5和8,传动轴8的端部是钻杆连接螺纹10,三根传动轴受到的轴向载荷和径向载荷均传递给向心推力轴承。冲击活塞9套在传动轴5上,可沿轴向滑动,冲击活塞9在液压控制阀10的控制下,以一定频率冲击传动轴8,传递冲击功。

由受力分析可知,传动轴8在三根传动轴中最为接近孔口位置,也是受力环境最为复杂的一根传动轴,它既要传递来自液压马达的转矩,又要承受冲击活塞的冲击功,同时还受到孔内管柱的拉力作用。因此,对传动轴8进行结构分析是钻机安全性评价的一个重要环节,传动轴8结构模型如图6所示。

图6 传动轴8的模型Fig.6 Model of transmission shaft 8

传动轴8材料为42CrMo,属于超高强度钢,具有高强度和韧性,经调质处理后具有较高的疲劳寿命极限和抗冲击能力,其材料参数见表1。将材料赋予模型,利用有限元分析软件对模型添加极限工况下的边界条件和施加载荷后,求解得到传动轴8的应力、位移和安全系数分布云图等数据。图7为传动轴8的应力分布云图,可知传动轴8绝大部分区域的应力不超过60 MPa,远低于材料的强度极限,仅在轴肩、配合面等结构突变位置处发生应力集中,最大应力约200 MPa,发生在传动轴和钻杆接头配合面的边缘位置,小于材料930 MPa的屈服极限。

图7 传动轴8应力分布云图Fig.7 Stress distribution pattern of transmission shaft 8

2.3 搓管机

搓管机在不同的钻进过程中的功能不同。常规回转钻进时,主要作为夹持器使用;跟管钻进时,充当连续跟管装置;处理卡钻等孔内复杂工况时,主要作为强力起拔机构使用。搓管机的结构如图8所示,主要由搓摆液压缸、上夹持器、压拔液压缸和下夹持器组成。其工作原理如图9所示,上、下夹持器内部设置有夹持液压缸,用于夹紧套管。上夹持器安装有搓摆液压缸,搓摆液压缸通过活塞杆的伸缩,带动其绕回转中心O1旋转,同时搓摆液压缸的活塞杆端部与上夹持器外壳铰接,随着搓摆液压缸活塞杆的推出,上夹持器和套管绕回转中心O2转动,上、下夹持器间产生相对转动,实现拧卸套管的功能。压拔液压缸缸筒固定安装在下夹持器外壳上,活塞杆与上夹持器固定外壳铰接,随着压拔液压缸的伸缩,上夹持器带动套管上下位移,从而实现跟管功能。

1.搓摆液压缸;2.上夹持器;3.压拔液压缸;4.下夹持器图8 搓管机Fig.8 Casing oscillator

1.套管;2.上夹持器外壳;3.夹持液压缸;4.搓摆液压缸图9 搓管机的工作原理Fig.9 Working principle of casing oscillator

2.4 钻机主要参数(表2)

表2 改型钻机的主要参数

3 结语

工程钻探设备种类众多,在不同领域均已都已得到长足的发展,总的来看,工程钻孔机械在向着绿色化、模块化和多功能化方向发展。“绿色”代表了设备对环境影响小,质量轻,自动化程度高和减少能量消耗;“模块化”代表易迁移、易组合,对不同的工况有不同的功能和参数组合应对。“多功能”体现在能适应不同的钻进工艺,能实施垂直孔、定向孔和水平孔等不同类型的钻孔。

本文对便携式钻机进行了改型设计,增添了振动冲击和跟管钻进模块,改进后的钻机将能有效应对近地表松散覆盖层,拓展便携式钻机在工程地质勘察领域中的应用前景。