DB30型多功能电驱动钻机的研发与应用

1、第44卷第5期2017年5月探矿丁程(岩土钻掘T程)Exploration Engineering ( Rock & Soil Drilling and Tunneling)Vo). 44 No. 5May. 2017：4S-52金钻进及水源钻井，曲正实现了一机多用的目的。图I DB30型多功能钻机（小口（5钻逬模式）图2 DB30型多功能钻机（大口径钻逬模式）DB30型多功能电驱动钻机的研发与应用胡向阳，左立胡（河北永明地质工程机械有限公司河北邢台055150）摘要：以XY-8空钻机为甚础采川模块化设计研发了既可以进行小口径深孔取心钻探乂可以进行大口径硬质 合金钻进及水源钻井的DIB

2、0型影功能钻机，该钻机便用变频电机K接骡动.简化传动链，捉舟传动效率配套先 进、成熟的电控技术大大提鬲了钻机的I动化程度。简要介绍该钻机的技术方案、技术参数、结构设计'技术优势 以及实际应用悄况。关键词:电驱动钻机;岩心钻机;水井钻机:多功能钻机中图分类号：P6343文献标识码:A 文章编号：1072-742S(2017)05 -004S-05Development and Application of Multifunctional Electric Drive Drilling Rig/ Xiangaiifi. ZUO hhao ( II<4mm Yongniing (Geo

3、logical Engineering Machinery (Io. t Ltd. t Xingtai llelx-i 055150> Chinn)Abstract: BumhI on XY - S drilling rig9 modular design was a<lopt<ft(l to develop DB30 multifunction drilling rig, which can l)e used not only for small diameter deep hole coring drilling but al>o for large diamete

4、r cemented carbide drilling and water drilling This drilling machine is driven l>y frc<|u<*iicy c'onvrrsion motor with siinplifir<l transmission chain t the lransnii>sion efTiciency is improved； by the advanced supjiorting technologies and nuiture electronic control technology, th

5、e rig automation degree is greally imp roved. The paper briefly introduces this rig alx)ul its technical scheme, technical panimeten, stnirturetechnical advantages and pracliciil applicationKey words: electric drivr drilling rig； core drilling rig； well drilling rig； multifunction drilling rig当前地质勘探

6、、水井等钻探行业持续低迷传统 的机械传动钻机门动化程度低、劳动强度大、钻探成 本高。各施丁单位迫切希望通过引进先进技术提 高钻机的口动化程度以实现减轻劳动强度、降低钻 探成本的目的。近些年国内陆续从国外引进了多款 桅杆式全液压钻机.其门动化程度较高，在1500 m 以内的浅孔钻探施丁中显示出优越的钻探效率和良 好的机动性能。但是随着钻孔加深尤苴在大于 2000 m的深孔钻探过程中，提I、钻在整个钻探过程 屮所占用时间和工作量的比例越来越大，全液压钻 机的钻探效率大打折扣:一工，另外全液压钻机购世 成本、使用成本、维护成本祁较高传动效率却很 低乂的缺点影响了其进一步的推广应用。2014年我公可尝

7、试将石油钻机先进、成熟的电 控技术引入到水源钻机上，成功开发出国内第一款水 源电动钻机一DB3000和电动钻机。借此成功经 验.2015年应客户的要求.开发一款新旳电动钻 机一DB30型多功能钻机（见图1、图2）。该钻机既 可用丁小【I径深孔取心钻探.亦可用丁大11径硕质合收槁日期：2016-12 -1S：修回日期：2017 -03 -30作者简介湖向阳，男汉族朗5年生.从爭钻探设侖的研发I作.河北省邢台市任县河头I业K ,gaoxing324® 。第44卷第5期胡向阳等:DB30型多功能庖嘛动钻机的研发与应用401钻机的总体方案设计在设计钻机的总体方案时充分考虑了客户的 建议,钻机

8、在具备基本钻探能力的同时兼具可靠、 简单、实用、节能、高效和便丁维修等优点。（1）以XY - 8型钻机为基础，取消其原来的摩 擦式离合器、变速箱、链条传动箱、行星减速机构、抱 闸、水刹车等装置，直接使用变频电机骡动,通过简 化传动链提高传动效率、降低设备故障率和维护I： 作量，减少能源和易损件消耗展终实现降低钻探总 成本的目的。（2）将整个钻机分为主绞乍、绳索绞车、立轴冋 转器、电动转盘、电控房、司钻房6大模块。其中主 绞车、绳索绞车、立轴回转器、电控房与司钻房5个 模块组合用丁小口径深孔取心钻探;主绞车、绳索绞 乍（作为丁具绞车）、电动转盘、电控房、司钻房5个 模块组合用于大II径锁质合金钻

9、进及水源钻井。通 过上述模块化设计来实现一机多用的目的。2钻机的基本技术参数DB30型多功能钻机的技术参数见衣1。3钻机的结构设计3.1 DB -10型主绞车模块如图3所示，主绞车动力源为1台90 kV变频 电机，电机通过一台减速比为16： 1的减速机后直 接驳动滚筒无离合器、变速机构、行星齿轮机构。超宽滚筒设计减少钢丝绳缠绕层数.滚筒农面加 T.世巴斯折线绳槽多方而改善钢丝绳的缠绳效果。主绞车电机的能耗制动作为主刹车替代机械 钻机的抱闸和水刹车配合钻机完成起卜钻作。滚筒轴末端安装液压盘刹主绞车电机配电磁 吸盘刹车，这两道刹车为蓄能式安全刹车。当钻机 电源或液压系统出现故障后，两套刹乍迅速启动

10、确 保刹车的安全可靠。主绞车电机配合电控系统可以实现口动送钻、 零速悬停以及无冲击的正反转切换功能。主绞车配应急提升装呂，该提升装融山I台 7. 5 kV电机与1台减速机组成，与司钻房、电控房 完全脱离，可独立提升或下放全部钻柱，电机内置电 磁刹车，可刹住全钻柱巫力。当钻机出现主电机损 坏、电力不足等问题造成主绞车无法正常丁作时.仅 需给应急电机提供7.5kW普通三相电源.即I>1提表I IM3O型多功能钻机基本参数養项 BI参数值钻探能 力/mS95绳索取心S75绳索取心250030000C9 mm钻杆2000（终处大钩戟/沐600游乍大钩提升速度/（m- s '）0- 0-6

11、67 （无级河速）最大钻住蛋力/kN400游动系统绳数6（3x4）钻井钢丝绳血轻/mm022廉大快绳拉力/kN100快绳速度/（m> s-1）04（无级调速）加大快绳拉力/kN100DB -10 屋主纹卷简绳容址/m总容绳比300作绳容比200车送钻速度/（m- s-1） 豐 X&ttWffi/kN 送钻送钻模式0-0 01（游钩速度<3忸斥或忸速DB-2 显绳索 絞车快绳速度/（!» a*1）0-4（无级刮速）啟大快绳拉力/kN20卷筒绳容扯/m总容绳M3200作绳容试3000钻机后移距离/mm690行程/mm笊大加压力/kN1000岩心 模式300142的转立

12、轴转速/" min1）拓档osa）（无级明速） 低档0阿（无级罔速）立轴通5/mm01ISZP175额定静负荷/kN1350水源卫电转速/（r min'1）0-190（无级调速）秋动帧处扭Mi/（kX- m）11转盘通轮Zmm0292设备总功率/kw195（岩心模式）210（水潑模式）外形尺寸（长X寛X爲）/mm4310 x2240 x 2660（岩心模式）4000 x 2320x2400（水源模式）主机总©tt/t16.5起井中全部钻柱。3.2DB-2型绳索绞车模块如图4所示绳索绞车动力源为1台22 k变频电机与主绞车一样电机通过一台减速机也接驳 动滚筒，无离合益

13、、变速机构、行星齿轮机构。图3 DR-10型主绞车模块图4 PB -2 8?绳索绞车模块第44卷第5期胡向阳等:DB30型多功能电驱动钻机的研发打应用53电机具备冬扭矩启动、无级调速、冬速恳停等功 能。电机配电磁吸盘刹车，电源出现故障时,电磁刹 车会立即启动刹车安全可靠。DB-2型绳索绞车安装了口动排绳器如图5 所示，口动排绳器主要山链传动机构、正反螺纹丝 杠、导正机构和钢丝绳导正滑轮等组成。绞车卷筒 通过链传动机构H接骡动正反螺纹丝杠转动正反 丝杠上加有2条相向的大螺距旋线槽槽内设置 右双头导向船形块，可以随正反螺纹丝杠转动在螺 旋槽中滑动.随丝杠做直线运动。双头导向船形块 上方的导正杆与滑

14、套配合共同化正反螺纹丝村上 做也线运动。滑套连接看钢丝绳导正滚轮一起移 动,钢丝绳导正滚轮牵引着钢丝绳均匀整齐排列。 当双头导向船形块滑到正反螺纹丝杠端点时受到丝 杠描套的阻描，双头导向船形块“船头”方向发生反 向进入反螺纹;钢丝绳同时在卷筒上反向排列如 此周而复始,实现自动排绳工作。滚筒轴上安装了旋转编码器实现了对取心钢 丝绳绳长的实时监控。通过PLC对电机扭矩的计 算实现了对钢丝绳张力的实时监控。3.3立轴回转器模块如图6所示，立轴回转器模块包括变频电机、回 转器、传动箱、上卡盘、下卡盘、液压系统、滑架、底朋 等。除变频电机以外具它部件皋本沿用f XY-8 型钻机的结构。1台90 k

15、65;变频电机通过传动箱直接驳动回转 器。取消了摩擦式离合器、变速箱，简化传动链，提 高了传动效率。冋转器采用渐开线花健立轴相比传统的六方 立轴，其承载能力更大，口泄孔心效來更好。上卡盘图6立轴回转器模块为液压卡盘，下卡盘为门动定心手动卡盘。液压系 统包括油箱、给进油缸、移车油缸、控制阀、液压管线 等。滑架和底燥是主绞车、绳索绞车以及冋转器模 块等其它部件的载体。3.4 ZP- 175型电动转盘模块如图7所示,转盘使用石油ZP-175型转盘动 力源为1台75 kW变频电机,与主绞车一样电机 通过一台链条减速箱也接骡动转盘无离合器和变 速机构。图7 ZP-175型电动转盘模块ZP-175 m转盘

16、由一对锥齿轮副减速锥齿轮 副采用螺旋锥为轮传动平稳，接触力小承载能力 髙,大小锥齿轮均由合金结构钢经热处理制造何成。 小锥!4i轮装在水平输入轴上，大锭齿轮直接固联于 冋转套上并带动补芯及钻杆旋转实现钻进承载及 冋转部分由一套何转轴承固定在转盘说体内。转台 与底座之间的动密封采用迷宫式密封以防止泥浆进 入回转箱.输入轴与轴承盖之间的动密対采用弹赞 密封圈密封，梵余静密封均采用（）形密封圈。3.5电器控制系统钻机主动力电源采用三相交流380 V电源，控 制电源采用直流24 V,辅助电源采用交流220 V。 全钻机动力包括2台90 kVJ台75 kWJ台22 kW 变频电机和1台75 kW J台5

17、.5 kW、1台1. 1 kW 电机,它们分别驱动DB - 10型主绞车、立轴冋转 器、ZP -175型电动转盘、DB - 2型绳索绞车、应急 提升装就、钻进液斥系统和盘刹液斥系统。电机、过 卷保护、编码器、电磁阀等安装在钻机各模块本体 上,控制电器集中安装在电控房（见图S）和司钻房 （见图9）内。图3 DB30型多功能钻机电控房0BO DB30型多功能钻机司钻房与司钻操作台电控房是整套钻机的控制核心里面包倉PLC 控制系统、变频器、M CC系统、变压器等各种控制 柜整个牛产和牛活用电郁经过电控房來控制和转 换。电控房听冇进出线均在房体的前端右侧除与 发电机连接的主动力线缆以外其余所有电缆接头

18、 均采用快换航空插头.所冇电缆、接头都右统一名 称，安装拆御方便。DII30盘多功能钻机配套的井场数据信息采集 传输系统可以实时采集和显示钻圧、转速、扭矩、孔 深、钻头位置、游钩高度、泵量、泵压、钩戟等参数;可 以识别出钻探过程中孔内當见的典型T.况:卡钻、钻 貝刺穿、断钻具、埋钻.并进行声光报警;可以实现钻 进参数的存贮、回放和打印,系统不仅可以保存当日 的数据，形成数据文件,还可以把存贮的历史数据文 件导入软件，以表格和曲线的形式进行回放和打印; 系统可以实现钻井现场的远程视频监控，通过红外 夜视高清数字实时摄像仪24 h对钻井现场情况进 行监控视频数据实时储存到网络硕盘机，通过无线 发射

19、器传送到远程终端;系统可以实现数据的近距 离和远距离无线传输.通过无线数据发射器可将系 统界面实时显示的数据无线发送到近距离接收器或 互联网上5。4钻机的技术优势4.1改善丁作环境,降低劳动强度DB30型多功能钻机所有司钻操作均可在司钻 房内完成更冇恒圧与恒速2种门动送钻模式可供 操作人员选择。改善了作环境、降低J'劳动强度。 4.2安全可靠DB30型多功能钻机配有液压盘刹、电磁吸盘、 电机能耗制动3道刹车装世。前2种为机械蓄能式 制动绝対安全可鼎。半出现主电机故障、液压系统 故障等紧急情况时电磁吸盘刹车或液压盘刹会立 即启动，刹住井中钻具,确保人员和设备安全c钻机有游车防上碰下砸、绞

20、车于柄限幅、反扭矩 低速释放、电机过载、电机失速等保护功能避免出 现人为因素造成的事故。钻机操作设计了 3种控制模式,正常悄况匚司 钻人员使用司钻台上的丁柄和按钮操作钻机c 一旦 于柄或按钮出故障司钻人员可以通过触挾屏操控 钻机。触摸屏或PU：出现故障时还可以使用旁路 临时操控钻机（在变频器上山接操控钻机）。4.3降低钻探成本DB30型多功能钻机的冋转器、转盘、绞车等丁 作机使用变频电机直接驳动无离合器、皮带传动装 世、变速装世等传动链大大简化，相比普通机械钻 机,传动效率提高15% ,节省能源，降低钻探成本。钻机无皮帯传动装世、机械摩擦式离合益、抱 闸、水刹车等高故障率部件.减少了易损件.降

21、低了 维护丁作量，降低钻探成本。钻机使用恒压钻进模式可以合理控制井底钻 压.提奇钻头寿命.减少起钻换钻头次数提高纯钻 进时间，降低钻探成本。绳索绞车安装有口动排绳器无需人为排列钢 丝绳通过实时监测取心钢丝绳的绳长和张力町以 快速、准确地把测斜仪、绳索内低总成等5IJ仪器、 机具暮下放到准确位?S,保证岩心采取率.减少了脱 落岩心造成的提大钻次数,减少了钻探辅助时间提 高了纯钻进时间.降低钻探成本。钻机多种保护功能可以避免人为因素适成的少 故数据采集系统配套数字化仪表可以显示大钩恳 币:、钻压、井深、转盘转速、扭矩、大钩位世、泵冲以及 衍牛的其它钻井参数实现J'钻探过程连续监测和 孔内界

22、常T.况的提前预报°,大大降低井中事故发 牛概率。即使发牛事故司钻人员也可以通过各钻 井参数的历史曲线以及报警记录第一时间判断M故 的原因作出快速反应，降低事故造成的拥失降低 钻探成本。4.4迎接期探大数据时代DIB0型多功能钻机配套的数字信息采集及传 输系统町以实现対孔深、钻头位'置、钩载、钻斥、游车 高度、泵压、泵量、转速、扭矩等数据的远程实时监控 和存储c根据以上数据，基站后台处理器还可以衍 生关于钻井的其他数据如钻速、纯钻进时间、高效 时间段、低效时间段、地层结构等数据，并且可以用 报表、图饼、曲线图等形式显示出来。可利用互联网平台建立勘探大数据系统.通过 分析某一区

23、域的历史钻井数据判定该区域的地质条 件为再次施丁提供有利参考依据。为勘探进入大 数据时代奠定基础。5实践应用效果2016年8月26 H.湖北省地质局第八地质大 队使用DB30型多功能钻机在湖北省钟祥市镜月湖 边进行地热井施工（见图10）c该井设计井深2000 终孔深度达到2600叭期间为提高施丁进 度在孔深1000 m左右时施丁艺山泥浆正循环 钻进改为气举反循环钻进。图10 DR30型多功能钻机在湖北省钟样市施工地热井第八地质大队是一个以中深孔施工为主的岩心 钻探施丁队伍完全没有大n径井的施丁经验.气举 反循环钻进【.艺也是第一次应用。新队伍、新设备、 新匚艺，这给DB30型多功能钻机的第一次

24、实践应 用带來了不少困难。例如气举反循环丁艺应用初 期.大量泥浆喷溅在井口附近的主绞车刹车盘上，泥 浆中的大就油脂造成液斥盘刹刹车力明就降低。我 公司T.作人员发现该问题厉，迅速做出反应,通过给 主绞伍刹乍盘安装护罩的方法彻底解决了该间题。DB30別多功能钻机设计钻探能力为089 mm 钻杆2000 «n用大钻柱«R力为400 kN，但是此次施 丁钻孔终孔深度达到2600叫钻柱巫力高达560 kN,超出钻机设计能力40%。由于钻机的提升、承 载能力设计安全系数高数据采集系统配套数字化 仪表町以対钻探过程连续实时监控得以确保该钻 孔能够顺利完工。6结语DB30熨多功能钻机安全町靠，既町以降低钻探 成本,乂可以降低劳动强度、改售匸作环境更収要 的足为勘探进入大数据时代奠定了皋础。该钻机的