SMJ5510地面瓦斯抽采的欠平衡车装钻机的研制

摘要：近年来，我国煤层气地面瓦斯开发技术迅速发展，但是因缺乏适宜于煤矿瓦斯地面抽采的专用车载式钻机，很大程度上造成我国煤矿瓦斯地面抽采进展缓慢；研制国产地面瓦斯抽采的欠平衡车装钻机，提高地面瓦斯抽采孔施工效率和成孔率，降低工人劳动强度是十分必要的。详细介绍了SMJ5510TZJ15/800Y地面瓦斯抽采的欠平衡车装钻机研制中的总体方案及主要机构设计的思路，并介绍了钻机试验和推广情况，测试结果表明各项技术指标达到了设计要求。

关键词：瓦斯抽采；欠平衡车装钻机；钻机车

近年来，国内一些单位从国外进口了一些车载式空气钻机。该类钻井设备以其钻井效率高、对煤层的伤害等优点小备受青睐。但进口钻机过于昂贵，间接导致钻井成本增高，与钻井低成本战略背道而驰，所以国内并没有大规模引进国外车载钻机。因此，尽快发展国产煤层气钻机是解决我国煤层气开发进程缓慢的重要因素之一。为此，国家发改委下达了一批煤矿瓦斯综合治理与利用关键技术研发和装备研制项目，其中“地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机（以下简称车载钻机）研制”委托石家庄煤矿机械有限责任公司承担，中国石油大学（北京）煤层气研究中心参加。

1.总体方案设计

1.1钻进能力的确定

根据煤层渗透率与煤层埋深的关系，煤矿区瓦斯地面抽采直井的完井深度一般不超过300～1500m。为满足井深的需求，钻机的最大钻深能力应不小于1500 m。

1.2钻进工艺的选择

根据地面施工煤层气抽采孔的需要，该钻机应该能够满足压缩空气钻进（正、反循环）、泥浆钻进、泡沫钻进、水平定向钻进等不同工艺的要求，以提高钻进效率。

1.3驱动方式的确定

为满足不同地层和不同施工条件的钻井需要，要求该钻机应具备顶部驱动功能，为减小顶驱装置的体积和重量，采用液压顶驱方式。

1.4传动方式的确定

目前，世界上车载钻机普遍采用液压传动的方式。采用全液压系统可以方便的进行起、下钻具，工作安全可靠，而且可以无级调速，通过油压表随时监视各执行机构工作负载的大小并及时调整，工艺适应性较强。因此本钻机也采用全液压传动方式，又因该钻机大多在野外工作，电力供应不方便，所有其动力源采用柴油发动机。

1.5移动方式的确定

为满足煤矿瓦斯地面抽采钻孔施工周期极短、钻机搬迁频繁的工况，要求地面瓦斯抽采钻机必须采用车装式或撬装式，为了实现钻机搬迁的快速、方便，本钻机采用车载式结构。

1.7整机结构布局的确定

为了满足钻机移动方便，响应快速的要求，整机采用专用汽车底盘作为整机的平台，将整机的动力装置、液压系统、井架、顶驱装置、电控系统都集中安置在汽车底盘平台上；空压机因体积大，散热量高，采用外挂式。整机结构见图1。

2.主要结构设计

2.1 顶部驱动装置

顶驱技术在国外钻机和石油钻井中已被推广应用，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。

要实现加压钻进，满足空气循环等欠平衡钻进、定向钻进等要求，顶驱装置即要承担传递扭矩又要承担传递拉力的任务，即同时承受着拉伸载荷和扭转载荷，其必须具有足够的强度和刚度。该装置采用了多马达联合驱动技术和硬齿面齿轮传动技术。即采用了三个低速大扭矩马达并联，再经过齿轮减速的结构。 为方便接管作业，该装置在顶驱的中空中心管采用了浮动管技术，密封结构上采用了多重V型密封圈旋转密封技术。为满足定向钻孔造斜时对钻机的锁定钻具的要求，顶驱装置中还采用了盘式制动技术，设计了盘式制动器，靠油缸推动制动块夹紧制动盘。

2.2空气循环系统

瓦斯地面抽采的实践证明，由于煤层的渗透性较差，因此钻井液对煤层的污染也非常敏感。为提高钻进效率、降低钻井成本和保护储层，最佳的钻井循环介质是雾化空气或欠平衡泥浆。空气钻井是欠平衡压力钻井的一种，其循环介质为压缩空气。为实现这一功能，在多方论证和考察调研的基础上，最终选择了外挂空气压缩机的方案。外挂空气压缩机即简化车载钻机主机结构，减轻了主机重量，便于设备的维修与保养。钻机车除外接压缩空气外，也可外接泥浆，分别进行空气和泥浆钻进和泡沫钻进。

2.3伸缩式井架

要实现钻机车的灵活性和高效率，就必须采用车载自行起落井架。由于受到运输尺寸的限制，要很好的满足施工即动力头行程的要求（15米），尤其是下长套管的要求，只有采用伸缩式井架。目前国内的伸缩式井架都为珩架式结构，主要承受压力，结构比较简单。但其无法具备动力头的导向功能，而且不能承受较大的扭矩。为此，该钻机的井架采用了箱式伸缩井架技术，即无论是固定部分，还是伸缩活动部分都采用了箱型桅杆式结构。伸缩井架的最大行程为7.5m。伸缩井架在缩回状态下，总长度为13.5 m，便利车辆运输。在完全伸出状态下，总长度可达21 m，顶驱动力头最大行程为15 m，可很方便的使用长度为15m以下的套管。 桅杆底部有伸缩腿，可将提升负荷直接作用于地面。井架的起落和伸缩都由液压油缸完成。为满足井架能90°起落并适应空间限制，起落油缸采用了两级伸缩技术。

2.4液压系统

为满足灵活、高效的瓦斯地面抽采孔钻孔需要，钻机要集各种功能和动作于一身，很多执行元件离动力源很远，因此整机采用了液压和机械联合驱动技术。液压系统作为钻机的主要传动和控制系统，要完成三十多个执行元件和四十余种动作，而且这些元件和动作有的要独立运行，有的要联合动作，同时又不能相互影响或干扰。为此，液压系统采用了目前液压传动和控制中先进的变量系统和负载传感比例控制技术。同时，为满足各种工况和适应各元件对压力和流量的要求，还采用了多泵合流技术。液压系统冷却器采用了恒温控制技术。液压操作阀及各种仪表集中在操作控制台上，对各执行元件（液压马达，油缸）的速度、方向和压力实现有效地控制。

2.5车装底盘和动力装置

车装技术也是本项目的重要研究内容之一。钻机的载车底盘既要适用于瓦斯钻孔野外施工的道路条件，又要满足钻机的载荷要求。目前，国外钻机既有采用专用底盘的，也有采用通用汽车底盘的。根据钻机方案设计中对工作稳定性和载荷分布要求及野外施工条件、运输尺寸的限制等综合因素的分析，最终选择了选用了专用汽车底盘。

动力装置是整个钻机的核心，钻机的动力有独立的柴油发动机提供，由于钻机的液压系统采用了多泵驱动方式，所以必须设计分动箱。由于整体结构限制，分动箱要求紧凑，一进多出驱动多个油泵，因此把八个油泵进行合理组合成三组分别安装在传动箱输出端。由于结构紧凑传动件多，转速又高，为了防止过热，分动箱采用了喷淋式强制润滑技术。

2.6电控系统的研制

电控系统主要完成对电喷发动机的控制。电喷柴油喷射系统由传感器、电子控制单元（ECU）和执行机构三部分组成。实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。并将检测到的转速、油门旋钮位置、进气温度、进气压力、柴油机转速、冷却水温、机油压力、燃油温度、燃油压力、冷却水温度等参数同时输入ECU，进行分析记算，按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU指令控制喷油量、控制喷油压力、喷油时间同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机达到最佳运行状态。并将检测的一些参数及故障信息传送到总表显示报警。

3.试验及应用推广情况

3.1试验情况

2008年9月，SMJ5510钻机车在晋城工业区煤层气开发井进行工业性试验。该井设计井深1450米，其中：一开井深60m，孔径φ311.15mm；二开孔径φ215.9mm，潜空锤冲击钻进至570m后改用螺杆马达进行造斜定向钻进至1460m。钻进从9月15日开始，到完井历时半个月。施工过程顺利，成本低，效率高，钻井周期缩短10天左右。试验表明钻机车各项性能指标均能满足地面煤层气抽采孔施工的要求。

3.2推广情况

河南省焦作市神龙水文地质工程公司使用该钻机车在焦作煤业集团进行煤矿输浆孔施工，共钻23个孔（孔径φ311mm），累计进尺12655m，平均单孔钻深550m，平均钻速10m/h，最快可达1m/min。

黑龙江煤田地质局204队使用该钻机车在七台河勃利县参与了恒泰煤矿8.23透水事故的抢险救援，充分体现了其快速响应的能力。

截止到目前为止，SMJ5510钻机车还在内蒙古地质工程有限责任公司、河北煤田地质局、黑龙江煤田地质局108队、新疆煤炭地质局、西安煤科院等单位成功推广使用。

4.结论

SMJ5510TZJ15/800Y地面瓦斯抽采的欠平衡车载钻机通过试验和推广表明：其主要技术指标达到或超过国外同类钻机，整机性能达到国外同类钻机的先进水平，使我国的煤矿地面瓦斯抽采钻机技术达到国际水平，从而满足国内煤层气开发的需要，促进我国煤矿瓦斯地面抽采的商业化进程和煤层气开发的产业化速度。

5.参考文献：

[1]燕南飞，冯达晖.泡沫钻进车载钻机的设计[J].煤矿机电，2006（02）.

[2]高宏亮.车载钻机在地质勘探工程中的应用[J].地址质备，2009（02）.

[3]1000型全液压动力头式车载钻机的技术研究[J].地质装备，2010（06）.

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