（机械工程专业论文）地面瓦斯欠平衡车装钻机的研究与开发.pdf

摘要 摘要 目前煤矿区地面瓦斯超前抽采是我国煤矿瓦斯综合治理的一项重大措施，而地 面瓦斯抽采欠平衡车装钻机是煤矿区地面瓦斯抽采的重要设备，国内还没有厂家生 产，一些施工企业不得不花费大量外汇从国外购进先进钻井设备。针对这一现状， 本文研究与开发适宜于我国煤层地质条件，满足瓦斯高效、低成本抽采井施工的地 面瓦斯抽采欠平衡车装钻机。 本文主要采用了归纳分析、优化设计、三维建模和有限元分析等研究方法，先 确定总体方案，然后分别对动力系统、伸缩桅杆式井架、液压顶部驱动装置和车辆 底盘进行研究，最后工业性试验验证，研究结果主要如下： 1 归纳总结了煤层气钻机国内外发展现状，从钻井工程技术角度和工程管理角 度分析地面瓦斯抽采钻井工程的特点。根据我国煤矿区瓦斯抽采井施工现状及对车 装钻机的性能要求，比对国外进口钻机，确定了本文研究的地面瓦斯抽采欠平衡车 装钻机的总体结构方案和性能参数。 2 对钻进负载特性进行理论分析，根据钻进对动力系统驱动特性的基本要求， 确定车装钻机的动力选型。 3 采用三维建模、有限元分析方法对伸缩桅杆式井架方案进行静态力学及模态 分析验证，得到满足强度要求和不与环境产生共振的设计模型。 4 采用数学建模和参数最优化设计方法确定液压顶部驱动装置的主要参数和结 构形式。 5 采用三维建模、有限元分析方法对所选底盘进行静态力学及模态分析验证， 确定底盘选型。 经过研究与开发，试制了国内首台地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机，并通过了中 国煤炭学会煤层气专业委员会组织的专家评议和工业性试验，本文的研究对生产适 应我国煤矿区瓦斯超前地面抽采的专用钻机具有一定的实际意义。 关键词瓦斯抽采；欠平衡钻井；车装钻机；全液压；动力头钻机 河北科技大学硕士学位论文 一_ - _ _ _ - a b s t r a c t c u r r e n t l y ，i ns y s t e m a t i cd i s p o s i n go fc o a lm i n eg a s ，o n g r o u n dg a sp r e 。d r a l n a g e h a s b e e na d o p t e da sa ni m p o r t a l l tm e t h o di nc o a l f i e l dt h e s ey e a r s a n dt h eu n d e r _ b a l a n c e dg a s d r a i n a 2 et m c k m o u m e dd r i l l i n gr i g i sm em a i ne q u i p m e n t b u t 也e r ei sn od o m e s t l c m a n u f a c t u r e r s o m ec o n s t m c t i o ne n t e 巾r i s e sh a v e t o c o s tm u c hf o r e i g ne x c h a n g et o i m p o na d v a n c e dd r i l l i n gm a c h i n e s 1 n t h i sc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e da n dd e v e l o p e dm e t m c k _ m o u n t e du n d e 卜b a l a n c e d 蹦l l i n gr i gt 0d r a i n a g eg a sm o r ee m c i e n t l y 谢t 1 1l o wc o s t o nt h eg r o u n d ，w h i c ha d a p t st ot h ec o a l1 a y e rc o n d i t i o no f o u rc o u n t r y i no r d e rt 0d e s i g nm em a c h i n e ， t h i sp a p e ra d o p t st h ed e s i g nm e t l l o d so fc o n c l u s i o n ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，3 dm o d e l i n ga i l df l n i t ee l e m e n ta 1 1 a l y s i se t c f i r s t ，d e c i d et l l et 1 1 e g e n e r a ld e s i g n ，t h e nr e s e a r c ht h ep o w e rs y s t e m ，t e l e s c 叩i cm a s t ，t o p - “v ed e v i c ea n d t r u c kc h a s s i s l a s t ，b ep r o v e nb yi n d u s 仃i a le x p e r i m e m t h er e s u l t sa r e a sf o l l o w e d ： 1 i tc o n c l u d e sa n ds u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to fg a sd r a i n a g e 蹦l l i n gr i g so f d o m e s t i ca n do v e r s e a s a n a l y s e st l l e f e a t u r e so fo n g r o u n dg 嬲 d r a i n a g ed r i l l i n g e n g i n e e r i n gf r o mt h ev i e wo fd r i l l i n gt e c h n i q l l ea r l de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t a c c o r d l n g t ot h es i t u a t i o no fc o a lm i n eg a sd r a i n a g ea n df u n c t i o n sr e q u i r e m e n to ft n l c k 。m o u m e d “1 l i n gr i g s ， c o m p a r i n gw i t ht h ei m p o n e dd r i l l i n gr i g s g e n e r a l c o n s t m c t i o na 1 1 d p a r a m e t e r so f t h er i gh a v eb e e nd e t e n n i n e d 2 t h e o r e t i c a l l ya 1 1 a l y z e st h e 嘶l l i n gl o a d i n gc h a r a c t e r ，a c c o r d i n gt o 也er e q u l r e m e n t o fd r i v i n gc h a r a c t e ro fd r i l l i n gp o w e rs y s t e m ， d e c i d e st l l ep o w e rm o d eo f 也em a c h i n e 3 a n a l y z e st h et e l e s c o p i cm a s tt h r o u g h 鼢t i cf o r c ea 1 1 a l y s i s a n dm o d e la n a l y s i s t h r o u g h3 dm o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a c q u i r e st h ed e s i g nm o d e lt 1 1 a t m e e t s t h e r e q u i r e m e n to fs t r e n g n la n dt 1 1 e r ei sn or e s o n a n c e 4 a d o p t sm a _ t l lm o d e la n dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o dt od e s i g nt h em a i n p a “u n e t e r sa n d c o n s t n l c t i o no ft 1 1 et o p 。缸v ed e v i c e 5 a d o p t s3 dm o d e l i n ga n df i n i t ee i e m e n ta i l a j y s i st 0p r 0 v et l l e s t a t i cf o r c ea 1 1 d m o d e la n a l y s i so ft h ec h a s s i s d e c i d et l l ec h a s s i sm o d e t h r o u g hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e r 虹，t h e f i r s to n g r o u n dg a sd r a i n a g eu n d e r b a l a n c e d t m c k m o u n t e dd r i l l i n gr i gh a sb e e nt r i a l 1 ) t o d u c e da 1 1 dh a sb e e na p p r a i s e db yt h ee x p e r t s o fc o a l - b e dm e t h a n ec o m m i t t e eo fc h i n ac o a l s o c i e t y t h i sr e s e a r c hg i v e sa c t u a l s ig n i f i c a n c et om a l l u f a c t u r i n gs p e c i a l 嘶l l i n gr i g 、) l ，h i c hm e e t 也en e e do fg a sp r e - d r a i n a g e o ng r o u n d t i 摘要 _ - _ - - - _ _ l l _ - - _ - - _ - - _ 一_ 一 k e yw o r d s ： g a sd r a i n a g e ；u n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g ；t 1 1 l c k - m o u n t e dd r i l l i n gr i g ； f u l l - h y d r a u l i c ；t o p d r i v ed r i l l i i l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景 煤炭工业作为国民经济发展的能源支柱产业，近几年发展迅速，但随着煤矿生 产效率的提高和开采深度的逐步增加，煤矿瓦斯灾害也越来越严重，严重制约着 我国煤炭工业的发展，同时给社会也造成严重危害。 瓦斯也称煤层气属于自生自储式的非常规天然气，是有机质在煤化作用过程中 生成的、主要以吸附状态赋存于煤层及其围岩中的可燃气体。其主要成分是c h 4 ，其 次为c 0 ：、n ：等，热值为3 5 8 0 0 k j m 3 ( 相当于1 2 2 k g m 3 标准煤) ，燃烧过程中基本无 烟尘，可以说是一种非常洁净、热值高、优质、安全、开发利用前景广阔的新能源n 2 t3 | ， 完全可以成为石油和天然气等常规能源的重要补充。面对瓦斯灾害对煤炭工业和社 会带来的极大影响，国家对煤炭行业提出必须采取一切措施去积极探索根治煤矿瓦 斯灾害的技术途径，在煤炭开发过程中，对于含煤层气大于一定程度的煤炭资源， 应按“先采气，后采煤”、“煤气共采”和“应抽尽抽 的原则，降低煤层中煤层气 的含量，使之达到安全标准后再采煤，治理灾害，综合利用瓦斯气，变害为宝，造 福社会，建设本质安全型绿色矿山h 3 。 中国是煤炭资源大国，煤层气资源也相当丰富。据最近一轮煤层气资源评价结 果( 2 0 0 5 年) ，我国埋深2 0 0 0 m 以浅的煤层气资源总量为3 6 8 1 万亿m 3 ，相当于5 2 0 亿t 标准煤，与陆上常规天然气资源量相当，位列世界前3 位，占世界前1 2 个国家煤层气 资源总量的1 3 拍3 。2 0 世纪5 0 年代，我国开始在辽宁抚顺、阜新和山西阳泉等煤矿区 进行煤层气( 瓦斯) 抽放研究，但多为井下抽放，属于被动抽采1 。2 0 世纪8 0 年代中期， 我国开始正式勘探与开发煤层气。近年来，在全社会的高度关注和政府的大力倡导 下，我国煤层气勘探开发研究取得跨越式进展。据统计，截止2 0 0 6 年底，全国共施 工先导性试验井组8 个，各类煤层气井6 1 5 口，其中多分支水平井7 口。现己建成柳林、 潘庄、大城、淮南等l o 余个煤层气开发试验井组，其中阜新刘家庄、晋城潘庄、沁 水柿庄等3 个井组已进行商业性煤层气生产 一3 。 从煤矿瓦斯综合治理的角度分析，半个世纪的煤矿瓦斯井下抽采和近一二十 年的地面抽采已充分证明，煤矿瓦斯地面抽采是煤矿瓦斯综合治理的一项行之有 效的重要措施。 欠平衡钻井技术是指在钻井过程钻井液循环体系井底压力低于井底孔隙压力， 使地层的流体有控制的进入井筒并将其循环到地面的钻井技术呻j 引。欠平衡钻井与常 规钻井相比，能减轻或消除钻井液直接对地层的侵入伤害n “1 剁。因为在欠平衡钻井中 河北科技大学硕士学位论文 是地层流体流入井筒而不是钻井液流入地层，从而可大大提高产层的初期产量；同 时还可延长有效储层的开采期和发现新的产层。近年来，由于水平井的数量急剧增 加，水平井在产层中钻进时间长，产层与钻井液接触面积成倍增加，造成无法有效 保护产层。而欠平衡钻井用于水平井的钻井中，能有效保护产层n 3 1 削。 美国2 0 世纪8 0 年代就实现了对煤矿瓦斯的商业性开发利用，建立起具有相当规 模的煤层气产业，是世界上煤层气商业化开发最为成功、产量最高的国家n 5 1 6 1 7 j 8 1 。 澳大利亚、加拿大等国家也纷纷开展煤矿瓦斯勘探开发试验并取得了巨大的成果。 我国的煤矿瓦斯地面开发总体上进展缓慢，造成我国煤矿瓦斯地面抽采进展缓慢的 原因很多，但缺少适宜于煤矿瓦斯地面抽采的专用钻机是其中最主要的原因之一。 因此，研究和开发地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机，对根治瓦斯灾害、加速我国煤炭 工业的发展有重大的意义。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 国内研究发展现状 目前国内用于煤层气开发的钻机主要是石油钻机、水源钻机和煤田钻机，极 少数为进口的空气钻机，尚无专用的国产车载钻井设备。从钻进能力分析，目前 的石油钻机和水源钻机及煤田钻机已全部覆盖了煤矿瓦斯地面抽采( 煤层气开 发) 的深度。然而由于石油钻机作业成本过高、对井场和道路要求较高( 因多数 煤矿区都是丘陵或山区，平整井场和修路成本较高) ，难以广泛应用于地面瓦斯 抽采。水源钻机和煤田钻机的主体结构( 因没有平台则无法安装防喷器、除砂除 泥器等设备) 和可配套性都无法按标准满足煤矿区地面瓦斯抽采钻井的需要。虽 然水源钻机和煤田钻机钻井成本较低而被广泛利用，但钻进效率极差，亟待改善。 实践表明，石油钻机、水源钻机和煤田钻机都不能很好地适用煤层气开发井的钻 井作业需要。进口钻机过于昂贵，导致钻井成本增高，与钻井工程低成本战略相背。 1 2 2 国外研究发展现状 国外用于煤层气地面抽采井钻进的钻机主要是钻进效率高的车载钻井设备， 主要有英格索兰车载钻机、雪姆车载钻机、钻科车载钻机等。这些车载全液压钻 机具有以下几方面的突出优点： ( 1 ) 模块化程度高。安装拆卸工作量小，动作协调，速度快，井架起放迅速， 钻进效率高。 ( 2 ) 钻台高度可调。钻台高度通过液压缸调节，可以方便地实现合适的钻台 高度，满足现代钻井对防喷系统的需要。 ( 3 ) 自动化程度高。钻柱的排放、连接和上卸全部可以实现自动化，降低了 劳动强度，减少操作人员，全液压动力头，可以实现自动控制钻井参数。 ( 4 ) 操作环境较好。采用全液压传动，安全、低噪音，对环境的污染少，更 2 第l 章绪论 符合h s e 的要求。 1 3 研究的目的和意义 面对我国煤矿瓦斯治理的严峻局势，井下抽采已经不能满足煤矿安全生产的需 要，必须采用瓦斯地面超前抽采。目前，不少大型煤矿已经开展这项工作，如晋煤 集团就采取了先采气后采煤，采煤采气一体化的煤矿瓦斯超前抽采技术。大量的瓦 斯气被预先抽采，不仅减轻了井下采煤安全压力，抽采的瓦斯气还可以制成水煤气 进行利用。 随着我国煤矿瓦斯超前地面预抽采技术的推广和煤层气地面开发范围的扩大， 对钻机的需求会越来越大。显然，目前我国拥有的可以用于煤矿瓦斯超前地面预抽 钻井和煤层气地面开发钻进的钻机除性能无法完全满足之外，其钻机数量也远不能 满足需求。在这种形势下，势必需要增加一批性能优越的专用钻机。据初步预测， 在未来五年内煤矿瓦斯超前地面预抽采或煤层气开发的专用钻机将有5 0 1 0 0 台的 市场份额。 鉴于以上情况，研制一种成本较低、钻进效率较高、能很好适合我国国情的并 满足煤矿瓦斯超前地面抽采要求采用顶驱技术的专用钻机成为必要。通过充分的市 场调研和分析，消化吸收国外同类产品先进经验的基础上，初步拟定开发钻井深度 i5 0 0 米左右，回转扭矩1 5k n m 左右，提升能力8 0 0k n ，全液压传动，国产汽车 底盘，各项性能不低于进口车装钻机指标的地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机。 地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机研制成功后，可以填补国内同类设备的空白， 使我国的煤矿瓦斯抽采钻机技术达到国际水平，替代进口煤层气钻机，节约设备投 入成本。该项目的推广将对治理煤矿瓦斯灾害、促进煤矿安全生产，加快煤层气开 发的产业化速度，建设本质安全型绿色矿山具有重要意义。 1 4 主要研究内容及方法 本文主要的研究内容是在消化吸收国外钻机先进技术的基础上进行国产化设 计，大幅度降低钻机成本。主要有以下研究内容： ( 1 ) 顶部驱动动力头。 顶驱技术作为一种先进的技术，在国外钻机和石油钻机中已被推广应用，因其 能实现加压钻进，自动送钻，能够很好的完成空气循环等欠平衡钻进、定向钻进等 工艺而备受青睐。 针对煤矿瓦斯地面抽采钻进工艺的要求，顶部驱动技术研发的主要内容包括： a 传动技术研发及配套装置研制。传动技术是顶部驱动的关键技术，将主要 侧重于驱动源方式和传动技术研发及装置研制。 b 加压钻进技术研发及配套装置研制。加压关键技术主要侧重于加压方式及 河北科技大学硕士学位论文 加压效率试验和加压钻进装置研制。 c 自动送钻技术研发及配套装置研制。充分借鉴国内外自动送钻的先进技术 优点，开展送钻方式、送钻控制、自动送钻配套装置的研制。 ( 2 ) 伸缩桅杆式井架。 该钻机的井架不仅要完成钻具提升、下放功能，摆动钻柱，还要作为顶驱的支 撑，安装有顶驱的滑道，因此其受力状况更加复杂，井架要达到安全可靠的目标， 需开展以下研究： a 井架结构。根据负载形式和状况，借助有限元分析软件进行受力分析，确定 最优化方案，并确定型钢型式； b 承载能力的分析，确保井架有足够的安全系数； c 起落方式的确定，采用液压油缸起落，可实现0 。9 0 。转动。 ( 3 ) 车装技术。 由于煤矿瓦斯地面抽采钻孔施工周期极短，钻机搬迁频繁，要求地面瓦斯钻机 必须采用车装式。 国外的车装钻机都是采用的专用底盘，考虑成本问题不准备进口汽车底盘，为 实现整机水平达到国际先进水平，本论文拟就车装技术重点研发以下几点关键技术。 a 钻机主体及配套设备与车载底盘的结构耦合 为确保车装钻机的结构稳定、移动灵活、性能优良，本项目拟开展钻机主体及 配套设备与车载底盘结构耦合关系分析，优化最佳的耦合关系。 b 底盘结构研究 为最优化车装钻机底盘，需根据钻机主体结构和配套装备，计算整车载荷，确 定载车最佳承载能力和安全系数，优化载荷分布：运用a n s y s 有限元分析软件，分 析不同结构的受力分布和载荷能力，分析各节点受力状况和承载能力。 c 车桥分布优化 根据载荷分布和运输的要求，优化载车车桥的数量、规格、分布和模式，分析 各桥承载状况及可靠性。 本论文主要采用模块化的研究方法，将课题分为顶部驱动动力头、伸缩桅杆式 井架、车装技术等几部分进行研制。 模块化研究方法的基本思想是将系统设计成相对独立、功能单一的模块，由于 模块之间是相对独立的，因而使复杂的研制工作得以简化。此外，模块的相对独立 性也能有效地防止错误在模块之间扩散蔓延，使错误的影响控制在最小范围内，从 而提高系统的可靠性。 1 5 本章小结 本章重点讲述了本文研究的背景，瓦斯抽采钻机国内外的研究发展现状，研究 第1 章绪论 的目的和意义，主要研究内容和方法，指出所要开发的钻机用于煤矿瓦斯超前地面 抽采，是在消化吸收国外先进煤矿瓦斯超前地面抽采车装钻机的基础上研制开发的 新产品，可满足压缩空气钻进，泡沫钻进和泥浆钻进的钻探工程的施工，具有机动 性好、作业效率高、钻孔质量好、低污染等特点，技术水平达到国内领先水平。 河北科技大学硕士学位论文 第2 章整体方案设计 2 1 地面瓦斯抽采钻井工程特点及其对钻机性能要求 从钻井工程技术角度和工程管理角度都可以将地面瓦斯抽采钻井工程的特点归 纳成以下几个主要方面： 1 、钻遇地层及储层的特点 地面瓦斯抽采钻井钻遇的所有地层中，最具特色的地层就是煤层。研究表明， 煤层具有质软性脆、天然裂隙发育等特点。 ( 1 ) 煤层的天然裂隙发育 大量的煤层观察结果发现，煤层是一种天然裂隙十分发育的双重孔隙储层，这 些裂隙相互交叉切割，形成煤储层复杂的割理裂隙系统，导致钻进过程中易垮塌、 扩径、卡钻、滤失、取芯困难等工程问题。从储集空间的角度，煤层气储层工程 ( c o a l b e dm e t h a n er e s e r v o i re n g i n e e r i n g ) 将煤层的储集空间分为孔隙和裂隙( 美 国称之为割理，英文为c 1 e a t ) n 钆矧。 ( 2 ) 煤层的机械强度低 试验证明，煤层的机械强度较低，钻井中煤层易坍塌，井壁稳定型差，并且易 产生煤屑和煤粉，造成采气通道堵塞。即使是晋城矿区典型的高变质无烟煤，属于 煤层中机械强度最高的煤类，其机械强度远低于砂岩、灰岩等岩层幢h 捌。模拟地层 应力条件下三轴岩石力学实验结果显示，晋城矿区寺河矿3 号煤层的杨氏模量一般 在2 0 0 0 6 0 0 0 m p a 之间，泊松比在o 3 0 左右，体积压缩系数比岩石的大一些，在9 1 0 叫m p a _ 1 左右瞳3 1 。从应力一应变曲线可看出，煤样破坏时属脆性破坏。 ( 3 ) 煤层水化膨胀敏感性强，吸附润湿性较差 煤层不仅富含粘土矿物易遇水膨胀，而且许多煤层其本身也往往易遇水膨胀甚 至水化。通过对山西晋城寺河矿3 号煤层煤样的水化膨胀敏感性实验表明，煤样遇 水后将发生较大的膨胀，吸附润湿性较差瞪4 垌。 2 、井身质量要求严格 由于煤层气井生产年限长( 1 5 2 0 年) ，排采过程中时有煤粉、粉砂产出，因此 对井身质量要求严格。经过对煤层气生产直井井身质量与排采工作状况分析，煤层 气井井身质量需要用全井最大井斜角、井底水平位移、全角变化率、井径扩大率等 指标来约束( 表2 1 ) 妲6 捌。 6 第2 章整体方案设计 表2 1 煤层气钻井井身质量验收评级标准 t a h 2 - lq u a l i a c c e p t a n c eg r a d i n gs t a n d a r do f t h ew e l lb o r ef o rc o a l b e dm e t h a n e d r i l l j n g 评级指 评级级别 标 优良 合 格基本合格不合格 达不到 ，i ：深 5 0 0l o o o1 5 0 05 0 0l o o o1 5 0 05 0 01 0 0 01 5 0 0 基本合 皿 格 全井最大井 斜角。 1 522 522 532 533 5 井底水平位 51 01 51 02 03 01 52 53 5 移m 全角变化率 1 2l _ 3 1 4 ( 。2 5m ) 并径全 扩大井 1 5 2 0 2 5 率 煤 层 2 5 3 5 4 0 段 2 2 车装钻机的性能定位及主要技术参数的确定 近几年来国内引进用于煤矿瓦斯地面抽采( 煤层气开发) 的车装钻机主要是美 国雪姆公司的t 6 8 5 w s 、t 1 3 0 钻机，美国英格索兰公司的i 2 0 钻机和意大利g 一5 5 s 钻机。这些钻机以其机动性好，钻进效率高，钻孔质量好等优点受到用户认可，也 为本论文研发树立了一个参照目标。 为保障自主研发的车装钻机更加完善，在剖析进口钻机优点的同时，还客观分 析了进口钻机存在的问题。以t 6 8 5 w s 钻机为例，则存在以下主要弱点： 1 ) 桅杆长度短，不能使用1 0 米以上的套管。 2 ) 动力头主轴通径为4 0 毫米左右，主轴压力损失大。 3 ) 提升能力小，处理孔内事故能力较低。 4 ) 钻机配置的空压机排量小，需另配置一台外挂式空压机。 事实上，美国雪姆公司在t 6 8 5 w s 钻机的基础上开发研制了t 1 3 0 钻机。将桅杆 改进为可伸缩桅杆，动力头行程增加到1 5 米；动力头主轴通径增加到7 6 毫米；提 7 河北科技大学硕士学位论文 升能力增加到5 9 0k n ，回转扭矩提高到1 2 k n m ；配置排量为3 8 米3 分的空压机。钻 机性能有了较大的提高，因此国内后期引进的主要是t 1 3 0 钻机。 随着国内煤层气预抽采钻探工程的迅速发展，钻孔深度增加，定向井工程增多， t 1 3 0 钻机的能力仍显不足，主要是提升能力和动力头回转扭矩仍然偏小。尤其在定 向钻进施工中，如果钻机提升力不足，一旦遇到坍塌、卡钻、埋钻等钻孔事故，不 能及时将钻具提出孔外，不仅会导致钻井报废，而且大量钻具及昂贵的导航定向系 统也会被埋在钻孔内，经济损失巨大。 由于采用定向钻进技术可大大减少钻孔数量，加快工程进度，降低成本，因而 在煤层气预抽采钻探工程中，定向钻进工程所占的比重越来越大。很多用户及专家 建议新研制的车装钻机应提高钻机的提升能力，以适应定向钻进施工要求。为此， 新研制的钻机的主要技术参数和基本性能经过理论计算、分析并和进口钻机对照定 位在以下水准： 最大钻进深度：煤矿区瓦斯地面抽采直井的完井深度一般不超过1 5 0 0 m 。为满 足井深的需求，地面瓦斯车装空气钻机的最大钻深能力应不小于1 5 0 0m 。 最大提升能力：8 0 0 k n ，基本满足煤层气钻井工程的定向孔钻进需要。 动力头回转扭矩：1 5 k n m ，可在深井泥浆钻进中提高钻进速度。 钻进效率：为大幅度提高地面抽采经济效益，缩短钻井周期，可采用空气钻进。 驱动系统：为满足不同地层和不同施工条件的需要，采用顶部驱动。 移动性能：为满足钻孔施工周期极短、钻机搬迁频繁，采用车装式或撬装式。 除上述主要技术参数外，其它主要技术参数达到或接近美国t 1 3 0 钻机的指标， 钻机性能达到国内领先水平( 见表2 2 ) 。 2 3 总体结构设计方案 根据我国目前煤矿区瓦斯抽采井施工现状及对车装钻机的性能要求，比对国外 进口钻机，经过反复论证，最终确定为钻井深度1 5 0 0 米左右，回转扭矩1 5k n m 左右，提升能力8 0 0k n ，全液压传动，国产汽车底盘，各项性能不低于进口车装钻 机指标晗刖。 8 第2 章整体方案设计 l i _ l - _ _ l _ - _ _ i _ _ - _ _ l _ _ - l _ l _ _ - _ - - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ l _ - i 一 表2 2 主要技术参数对照表 t a b 2 2l m p o r t a n tp 踟e t e r sc o m p 盯i s o nt a b l e 9 河北科技大学硕士学位论文 钻机 s m j 5 5 1 0 t z j l 5 8 0 0 y t 1 3 0 x dt 6 8 5 w s r d 2 0 i lg 5 5 s 参数 ( 本项目研发样机)美国雪姆美固雪姆美国( 意大利1 最大扭矩牛米 1 5 0 0 01 2 0 4 51 2 0 4 51 0 8 4 82 4 0 0 07 9 0 0 0 1 4 3 转速范围转分0 1 5 00 1 4 30 1 2 00 4 0o 1 5 3 中空心轴规格毫米7 6 27 6 27 6 27 6 26 英寸 1 3 4 3 缩回状态 1 31 0 桅杆高度米1 2 0 41 5 5 7 2 1 5 仲h ；状态2 1 6 5 1 7 3 9 动力头行程米 1 5 1 5 2 49 11 4 6 31 2 4 提升能力 吨8 05 9 0 94 45 06 0 伙透提丌速度米分 3 1 83 5 93 1 4 2 5 3 3 1 2 上部缆绳直径英寸3 9 毫米 1 5 重型板链1 1 4 ( 3 2 m m )3 0 毫米 给进速度( 慢速) 米分 7 17 9 26 7 给进速度( 伙速) 米分 5 95 9 5 33 8 85 3 63 3 6 下部缆绳直径英寸2 0 毫米 3 4 重型板链7 8( 2 2 m m ) 绞下提升能力千克 3 8 0 03 9 5 03 4 4 73 4 2 04 0 0 0 使用钻杆规格 11 4 毫米9 1 米 1 1 4 毫米9 1 米6 米或7 6 米1 1 4 毫米9 1 米 套管最大长度米 1 5 1 5 l l1 l 1 5 动力头回转制动机构有有无无有 空气压缩机 外挂寿力空压机，寿力空压机 寿力空压机 外挂式 1 1 5 0 3 5 0 1 2 5 0 3 5 0 寿力空压机 排量米3 分 1 3 5 0 5 0 01 3 5 0 5 0 0 3 2 61 8 0 0 3 8 3 21 8 0 0r 肿3 8 1 8 0 0 巾m 3 5 4 1 8 0 0 r p m 压力兆帕 r p m 2 4 3 4 52 4 3 42 4 2 4 水泵型号 c a t 3 5 2 0c a t 2 5 2 0c t 2 5 2 0 c a t w l l 2 2 b 型式液压三联活塞泵液压三联活塞泵三联活塞泵 液压三联活寨 最大流量升分 8 79 59 5 泵 1 4 0 9 5 托力磅英寸2 5 5 05 5 0 ( 3 8 m p a )5 5 01 0 0 0 5 5 0 泡沫泵型式电动隔膜式电动隔膜式电动隔膜式任选一种现有 最大流量升，j 、时 6 05 05 0 的泡沫泵 气驱动活塞电动注油器 钻具润滑器气驱动活塞泵气驱动活塞泵油雾器 泵 钻机柴油机康明斯d e t r o i t康明斯d e u t z 型号 0 s x l5 6 0 0l2 v 二2 0 0 0 t a d d c q s k l 9q s k l 9 c b f 8 m 1 0 l5 c p 功率千瓦4 4 75 6 75 6 35 6 34 0 0 转速 转分2 1 0 0r m i n1 8 0 01 8 0 01 8 0 01 9 0 0 m a n 车辆型号 中国三江瓦力特卡特彼勒c 1 2 卡特彼勒 t g a 4 1 4 6 0 1 0 6 8 4 加第三轴 c 1 2 8 4 8 4 功率马力 2 7 63 8 0 6 4 3 5 5 挡位9 正挡，1 倒挡l o 正挡，3 倒挡1 0 正挡，3 倒挡 3 8 0 运输状态外形尺寸： 1 3 7 2 8 5 4 1 91 3 2 6 4 1 1 2 0 4 2 4 41 5 7 2 2 5 l 1 1 8 4 2 5 4 长宽i 矗( 米) 3 6 84 0 4 标配钻机重量千克 5 1 0 0 04 1 7 3 03 0 0 0 03 4 0 0 0 4 1 0 0 0 第2 章整体方案设计 1 底盘。在满足载荷、尺寸条件限制的前提下，选用国产专用底盘。采用多档 变速，1 0 6 及以上驱动形式，最高车速7 0 k m h 左右，国家i i i 级排放标准。必须具 有较强的爬坡能力，能适应在比较恶劣的路况条件下行驶。 2 车装钻机配备独立的柴油发动机。选用既要满足功率要求、和液压系统相匹 配，又要具备良好经济性、动力性、低排放的高性能发动机。 3 液压马达驱动的顶驱装置( 动力头) 采用多马达复合驱动、焊接传动箱体结 构，马达采用低速大扭矩马达，一级行星减速，实现o 一1 5 0r m i n 无极调速。动力 头中心轴通径7 6 咖。动力头下端配备浮动式接头与钻柱连接并安装有液压盘式制动 器，以便满足定向井钻探工程的要求洲。 4 可伸缩桅杆式井架。钻机采用可伸缩桅杆式井架，刚性好，承载能力强的全 钢板箱式结构。伸缩桅杆最大行程7 5 m 。为便利车辆运输，伸缩桅杆在缩回状态下， 桅杆总长度控制在1 3 5m 。伸缩桅杆在完全伸出状态下，桅杆总长度可达到2 1m ， 为方便的使用长度为1 5 m 以下的钻具和套管，动力头最大行程1 5m 。桅杆底部有伸 缩腿，可将提升负荷直接传递于地面。 两个提升油缸安装在井架固定桅杆内部，靠推动伸缩桅杆并通过桅杆项部滑轮 及钢丝绳拉动动力头上下运动，最大提升力为8 0 0 k n 。与目前国内引进的同类钻机相 比提升能力最大。 井架的固定臂可在油缸的推动下在滑移托架上移动，在需要将桅杆倾斜，钻定 向孔时，可向下移动固定臂，使桅杆底部伸缩腿能有效支承于地面。 为保证足够的行程并尽量减小油缸的加工难度、控制油缸长度，采用钢丝绳和 滑轮组成的倍速机构。 5 起重吊臂和辅助绞车。在钻机桅杆的右侧上方设置起重吊臂和辅助绞车。主 要用于起吊钻具和其它机具。辅助绞车为液压绞车，具有停车制动功能。液压马达 经涡轮减速机构带动吊臂回转，液压油缸可推动吊臂的伸缩臂在固定臂内伸缩。 吊臂最大回转半径为1 9 米。吊臂行程为1 米。当吊臂回转到与动力头升降动 作干涉时，电液控制钻机桅杆的伸缩臂不能升降。在主操纵台和副操纵台都可以操 纵起重吊臂及辅助绞车。 6 单臂换杆机构。为实现了上下钻具机械化作业，钻机设置单臂换杆机构。换杆机 构主要由支承轴、回转装置、夹持装置和牙钳等组成。工作时，钻机辅助绞车将钻 杆起吊放入换杆机构上下两个夹持器中，液压缸推动卡瓦将钻杆夹紧，回转机构转 动支承轴将钻杆送入动力头中心轴下方，旋转动力头中心轴，将钻杆与浮动接头联 结，用液压缸拉动牙钳对钻杆施加力矩将钻柱紧固。卸钻杆时反向工作即可。在主 操纵台和副操纵台都可以操纵换杆机构。 7 全液压开式液压系统。钻机采用开式液压系统，由三组八个液压泵装于柴油 河北科技大学硕士学位论文 机动力输出端的传动箱上，为全部钻机功能提供液压动力。液压泵及液压阀选用美 国派克公司产品。主液压系统( 包括动力头液压马达回转和快速升降) 由四台大排 量变量柱塞泵并联合流供油，比例负载反馈调速。辅助液压系统由四台定量齿轮油 泵分别为辅助绞车，冷却风扇，慢速正常给进，支撑油缸和单臂换杆器等供油。相 对独立的液压系统使钻机具有工作性能可靠，维修方便等优点。 液压操作阀及各种仪表集中在操作控制台上，操作方便，安全。液压油路设有 过滤器、油温控制装置，安全保护装置和电动加油装置。 8 其他。钻机配有液压驱动可变流量和压力的三联活塞水泵，电动隔膜式泡沫 泵、泡沫存储箱，以满足泡沫钻井工艺的要求。钻机配有气动润滑泵，可为潜孔锤 提供可靠的润滑。 钻机配有独立的泥浆管路，外接泥浆泵可满足泥浆或清水钻进工艺要求。 柴油机驱动发电机和电池为钻机作业照明和操作台指示照明提供2 4 v 直流电源 功率。 2 4 本章小结 本章重点从钻井工程技术角度和工程管理角度归纳了地面瓦斯抽采钻井工程的 特点，剖析了进口钻机优点和存在的问题，确定了车装钻机的性能定位和主要技术 参数，提出了总体结构设计方案。 1 2 第3 章动力系统优化及配套 第3 章动力系统优化设计及配套 动力装置是整个钻机的核心，其可靠与否、燃油经济性如何，都将直接关系到 钻机的性能和施工单位的经济效益口。 车装钻机的动力系统，既要满足地质工作的特殊需要，又要符合国家的相关环 保标准。因此在车装钻机的动力系统设计中，需要在满足车辆排放达标的前提下考 虑其动力性，经济性和可靠性等因素口驯。 3 1 钻进负载特性的理论分析 车装钻机设计时，需要根据岩石的种类，性质和钻进工艺的要求，确定所凿岩 石的坚固性参数，钻孔直径，钻孔深度和钻孔方向，来设计动力系统旧驯。 选择发动机时要考虑钻进能力和钻进过程消耗的功率。 1 回转钻进过程的功率消耗： 钻进过程中总功率消耗主要由四部分组成： 破碎孔底岩石所需功率n ，； n l = om n h丌( r2 r2 ) 3 0 0 ( 3 1 ) 式中：x ，y 为经验系数，x = 1 3 3 1 9 1 ，y = o 6 8 1 1 ；o 为岩石抗压强度，一 般最硬的岩石o = 2 0 3 0 0 p a ；m 为钻头上切削具组数；h 为钻刃每分钟进尺( 切削深 度) ；n 为钻头转速，r m i n ；r 为钻头外半径，m ；r 为钻头内半径，m 。 克服钻头同孔底，孔壁，岩心之间摩擦的功率n ：； n ：= 竖铲 仔2 ) 式中：b 为钻孔弯曲系数，由钻孔倾斜度，下部钻杆弯曲适度，钻头质量等决 定，一般d1 1 1 3 ；p 为钻压，m p a ；f 为切削具与岩石间摩擦系数，与钻头转速， 单位压力，切削刃磨损程度有关，一般花岗岩f = 0 3 0 4 ，粘土f = o 1 2 o 3 ，r 为 钻头外半径，咖；r 为钻头内半径，姗。 钻杆回转所需功率n = l ： n ，= 0 cl 丫d2 n 。 ( 3 3 ) q 为经验系数，q = 1 2 5 ：l 钻杆长度，m ；d 为钻杆直径，咖；y 为冲洗液比重。 孔底形成轴载时的附加功耗n 4 。 n 。= 7 5 1 0 。n f 式中：f 为轴向载荷。 1 3 ( 3 4 ) 河北科技大学硕士学位论文 f = ( 6 0 7 0 ) d f 。 ( 3 5 ) 式中：f ，为普氏岩石坚固系数，最软岩石f 。= 2 4 ，最硬岩石f 产1 6 2 0 ；d 为钻 孔直径。 钻进过程中所需要总的功率为： n o = n l + n 2 + n 3 + n 4 ( 3 6 ) 由上述功率的理论计算公式可以看出： n 3o cn 。；n l 。ch ；n 4 n f ； n ：与转速n 近似正比关系，与孔深无关；n ，和n 。由转速和孔深决定。 根据本车装钻机的具体情况，钻头外径7 1 1 唧，内径取1 6 8 咖，钻头进尺7 1 m ， 钻压为1 0 m p a ，钻杆直径为1 6 8 衄，单根长度4 5 f t ( 1 3 7 1 6 m ) ，此时可以求得： n ，= 111 7 2 9 w ，n 2 = 3 8 7 2 5 w ，n 3 = 6 8 2 6 1 1 w ，n 3 = 1 2 5 4 1 4 1 w ，n = 111 9 8 w 所以总有效功率为：n 0 - 2 0 9 8 4 0 4 w 。 2 回转负载特性： 由功耗构成分析可知，浅孔钻进时，钻杆比较短，其回转功耗占总功耗的比重 较小，总功耗与转速近似正比关系。功率等于转速乘以转矩，回转负载为近似恒转 矩特性。深孔钻进时，钻杆空转功耗随孔深增加而增大，一般可达总功耗的7 0 9 0 以上，钻杆空转功耗与转速间为幂函数关系口4 1 。 回转负载随时间的变化特点： 钻杆属于细长的弹性杆件，回转钻进时，钻杆既绕孔心公转又绕钻杆轴心自转。 钻杆产生扭转变形并沿钻杆向下传递变形能，具有弹性体不断储能和释能特点，表 现在钻杆上各点转速的周期性波动。转速的波动必然引起回转阻力矩的周期性变化。 因此，钻进回转负载阻力矩具有随时间变化或在某一值附近波动的特点。在某些特 殊工况下( 如卡钻等) ，负载转矩瞬时可能增到很大，甚至产生突变现象，因而对发 动机要求有一定的超载能力，最大扭矩范围内有软的输出特性，还要有较大的调速 范围。 3 提升过程的功率消耗： n = v f = o 3 5 8 0 0 = 2 8 0 k w( 3 7 ) 式中：f = 8 0 0k n 为提升载荷；提升速度v 取o 3 5 m s ( 提升力达到8 0 吨只 会出现在极端情况下，此时的提升速度会很低，不会超过0 3 一o 4m s ) ； 4 提升过程的负载特性： 提升负载的值等于钻杆的总重量乘以附加阻力系数( 1 5 2 ) 。考虑到提升过程 加、减速动载和孔内钻杆与孔壁间的摩擦力的影响，附加阻力系数实际是一个变数。 提升负载也具有随机波动特性，但其波动幅度应比回转负载小得多。提升负载也有 1 4 第3 章动力系统优化及配套 出现突变的可能。提升一立管过程一般包括加速、匀速和减速三个提升阶段，提升负 载在三个提升阶段的值是依次减小的，且每提升起一立柱，负荷依次减少。因此在提 升过程中，立根数目变化时，需要相应的改变提升速度以充分利用发动机的功率。过 程中可能出现“提升遇阻”甚至强力起拔的情况，这种负载特性要求：发动机的“软 特性保证提升过程平稳及遇阻超载的能力；有较大的调速特性以期获得高的功率 利用率。 3 2 钻进对动力系统驱动特性的基本要求 根据负载特性和钻探工作的技术特点，对动力