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岩心钻机定义
发布时间:22-09-15 来源:东北矿业网

定义:利用管状钻头的回转作用切削、磨碎岩石,并不断向深部钻进以提取岩心的机械。应用学科:水利科技(一级学科);水利工程施工(二级学科);施工机械(水利)(三级学科)
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KZDB、XD-DB型交流变频电驱动顶驱式岩心钻机

KZ30DB、XD-35DB型交流变频电驱动顶驱式岩心钻机,由中国地质装备总公司和汶川科学钻探工程中心、核工业地质局等单位合作研制,是一种具有我国自主知识产权的新型电动顶驱式岩心钻机。钻探施工能力N口径分别为5000m、3500m。该钻机由工业电网提供动力源,采用模块化交流变频电驱动单元作为提升、回转、送钻、打捞等执行系统,采用全转矩控制、全机械化作业、全数字化操作的工作模式,融合机、电、液、气、电子及信息化技术为一体,服务于孔深3500m的矿产勘探及能源钻采深部钻探作业。

(一)钻机系统设计

1)采用重载K型钻塔,承载1350kN,导轨行程25m,实现18m立根钻进。

2)顶部驱动钻井系统直接在井架上部驱动钻柱,并沿井架内导轨上下移动,通过交流变频绞车实现减压钻进功能,完成回转钻进、钻井液循环、接立根/单根、上卸扣、倒划眼等操作。

3)采用以AC-VFD-AC交流变频方式驱动钻机主要执行部件(绞车、顶驱、绳索卷扬、转盘)的电机。实现顶驱、绞车等部件全程无级调速,取消机械换挡,传动简单、可靠。

4)采用全数字化交流变频控制技术,通过电传系统PLC、触摸屏和气、电、液及仪表参数一体化设计,实现顶驱、绞车、绳索卷扬、转盘等部件的智能化控制,并可实现远程钻进参数的监控。

(二)钻机主要结构

钻机主要结构部件包括K135钻塔、2.0钻井平台、电驱顶驱系统、电驱主绞车(含盘刹)、电驱绳索绞车(含盘刹)、电控系统、司钻房、井口自动化装置、泥浆泵及固控装置等。

1.钻塔、平台

采用K型钻塔,钻塔净空高度31m,最大钩载1350kN(5×6游车绳系),平台高度2.0m,立根盒容量4000m。钻塔结构如图2-14所示。

图2-14 K型钻塔结构示意图

2.顶驱系统

直驱电驱动高速顶驱作为核心部件(图2-15),具备回转、泥浆循环、加接单根、起下立根、拧卸丝扣等功能。该顶驱获国家发明专利,专利号:ZL.4。机械部分包括以下3部分:

图2-15 顶驱结构

1)托架-滑车总成,由托架与多组滚子组成。确保顶驱沿着导轨高速运动或者慢速给进的运动限制及抗扭功能。

2)电机-水龙头总成,由变频电机组件与水龙头组件组成。

3)自动摆管装置,由提吊侧摆机构与背钳拧卸机构组成。侧摆机构负责从平台拾取钻杆单根,或从二层台抓取立根;背钳拧卸机构负责单根钻杆或钻杆立根与顶驱主轴之间的丝扣拧卸。

3.主绞车

主绞车采用300kW交流变频电机,通过减速机、卷筒离合器输出扭矩与速度到卷筒,再通过天车、游车实现对顶驱的提升与下放;主卷筒通过电机编码器、制动单元实现能耗制动及零速悬停,通过液压盘刹实现安全制动;通过卷筒编码器可以精确测定顶驱系统在钻塔净空内的运行位置;通过过卷防碰、井架防碰实现对卷筒的安全制动。主绞车结构如图2-16所示。

图2-16 主绞车结构示意图

送钻装置包含:送钻变频电机通过大速比送钻减速机、送钻离合器、减速机、卷筒离合器输出扭矩与转速给主绞车卷筒。

主绞车具有以下特点:

1)传动方式:交流变频电驱动,气胎离合。

2)控制方式:闭环控制,可实现零位悬停。

3)安全模式:过卷防碰,井架钢丝绳防碰,电子防碰。

4)刹车模式:主刹车为液压盘刹,辅助刹车能耗制动。

5)制动形式:驻车制动、工作制动、紧急制动(失电)。

6)送钻控制:小功率变频电机实现自动送钻,可实现3000N调压精度。

7)控制显示:气源、润滑油压力、游车位置与游车速度的显示与报警。

8)互锁功能:主电机与送钻电机启动互锁。

4.绳索取心绞车

绳索取心绞车(图2-17)最大拉力:25000N;最高绳速:200m/min;钢丝绳直径:8mm;容绳量:4000m。该型绞车获国家发明专利,专利号:ZL.2,其设计特点及功能优势如下。

图2-17 绳索取心绞车

(1)设计特点

1)传动方式:交流变频电驱动,电磁离合器;

2)控制方式:闭环控制,可实现零位悬停;

3)刹车模式:主刹为液压盘刹,辅刹为能耗制动;

4)排列方式:自动排绳、自动换向;

5)控制显示:可检测绳长、绳速、张力。

(2)功能优势

1)具有电磁离合,可实现无动力自由下放;

2)具有液压盘刹,可实现安全制动;

3)具有排绳、张力、绳长等装置,提高打捞成功率。

5.电控系统(AC-VF-AC)

电控系统由动力部分、变频驱动部分以及各执行单元三部分组成。动力装置为网电变压器或柴油发电机组;变频驱动装置为VFD房(Variable-frequency Drive),包含顶驱电机、绞车电机、送钻电机、绳索绞车电机、转盘电机的变频器以及综合控制装置(包含可编程逻辑控制器PLC);执行单元包含各部件的变频电机、传感器、编码器、动力电缆及控制电缆。控制系统布局图如图2-18所示。

6.钻机操作间

钻机操作间是整个钻井现场的“司令部”,如图2-19所示。主要组成部分为电气控制部分和数字化操控界面。除此之外,包含现场多点视频监控、独立检测系统、现场通信装置等。

操作间实现了集中、智能、舒适、安全操控的功能。电气控制部分(元件面板)完成回转、升降转速、扭矩设定,加杆、拧卸、刹车等启停及作业流程;数字化界面包括触摸屏、显示屏等,其功能是在各个人机界面中显示工艺参数及设备运行参数并可进行设定。

7.工作室

除操作间的人机操作界面外,还配有远程监控工作室,设置了钻进参数工控机,可实时监视钻机各个部件的运行状态及主要的钻进工艺参数,包括钻进界面、网络布局、装置布局、趋势图、操作记录、数据记录等,不仅可以实时记录设备运行参数、工艺参数、操作记录等,而且可以存储备份并远程传输。

图2-18 电控系统布局图

图2-19 钻机操作间

8.辅助装置

为配合顶驱取心钻进工艺和单吊卡作业的完整流程,配备了液压吊卡、动力钳、气动卡盘三个机械化井口作业专用辅助装置,以提高作业效率、降低人工劳动强度。

1)液压吊卡(图2-20):用于提吊大直径绳索取心钻杆加接单根、立根,协助起下钻作业,可实现自动开合、自动插销、自动锁紧。该吊卡获国家发明专利,专利号:ZL.9;

2)动力钳:用于大直径大扭矩绳索钻杆自动拧卸的动力装置;

3)气动卡盘:用于孔口自动夹持大吨位大直径绳索钻杆的装置(图2-21)。

图2-20 液压吊卡

图2-21 气动卡盘

(三)钻机主要技术参数

KZ30DB、XD-35DB型电动顶驱钻机主要技术参数见表2-8。

表2-8 KZ30DB、XD-35DB型电动顶驱钻机主要技术参数

续表

(四)钻机应用实例

XD35DB型钻机,于2012年8月~2013年5月,在江西崇仁相山大型铀矿田为“中国铀矿地质第一科学深钻”提供装备支撑,实现全孔连续取心2818.88m,终孔口径Ф122mm;创造了国内S114大口径绳索取心钻深纪录。

自2012年7月起,KZ30DB型钻机用于设计孔深3350m的四川绵阳汶川科学钻探四号孔(WFSD-4)施工,采用电驱动转盘钻进工艺。