全液壓動力頭式鉆機的設計

1、吉林大學建設工程學院 楊虎偉 文獻閱讀報告文獻閱讀綜述報告全液壓動力頭式鉆機學 院：建設工程學院專 業(yè)：地質工程學 號： 姓 名： 導 師： 從2010年9月進入了研究生的生活，在認真學習研究生開設課程的同時，我還有重點的閱讀了一些專業(yè)方面的書籍和文章，主要針對全液壓動力頭式鉆機及其在鉆井方面的應用。在豐富和增強自己專業(yè)知識的同時，也為即將開始的畢業(yè)論文的完成做下前期必要的知識儲備。通過這一段時間的閱讀和學習，將自己歸納的知識材料整理如下：全液壓動力頭式鉆機研究摘要動力頭式鉆機是目前鉆機三大主要機型之一，是近些年來發(fā)展最快、應用日益廣泛的鉆機。它以其移動式回轉器自帶動力液壓馬達、風動馬達或電動

2、機而得名。動力頭式鉆機傳動系統(tǒng)簡單，執(zhí)行機構各自獨立，主機重量小，因而布局靈活。在功能上可以打任何角度孔水平孔、下向孔乃至上向扇面孔，而且給進行程長，鉆壓控制平穩(wěn)、準確，從而能獲得更高的鉆效、鉆孔質量和巖心采取率。在總體結構方面，只有一個動力頭和一個給進導向機構，施工時不需要另立鉆塔，被稱為“無塔鉆機”。目前動力頭式鉆機在煤田地質勘探、礦井鉆探，建筑工程及地質工程中都有著廣泛的應用。隨著煤炭工業(yè)建設的發(fā)展，動力頭式鉆機在煤礦坑道鉆探上的應用將更加廣泛。關鍵詞:動力頭式鉆機；頂驅；傳動系統(tǒng)；給進機構；液壓系統(tǒng)； 一、國內外鉆機的研究現(xiàn)狀1、國外鉆機技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢國外鉆機逐漸向大型化及小型化

3、方向分化，既有適合于長期鉆探作業(yè)、鉆深能力大的鉆機，又有容易攜帶、自動化程度高的小型鉆機，這也突出了鉆機產(chǎn)品的發(fā)展方向。在鉆探技術方面，經(jīng)典鉆探方法和高效鉆探方法相結合，如孔底動力技術在國外鉆探中已經(jīng)得到了廣泛應用，反循環(huán)鉆進法對于復雜地層的鉆進方法也在實際應用當中，非開挖定向鉆進技術更是發(fā)展得如火如荼，這些都相對于國內的發(fā)展來說快很多。近年來，微電子技術也逐步應用到鉆機的設計中，并逐步實現(xiàn)鉆機的模塊化和自動化，出現(xiàn)了電子計算機輔助監(jiān)控鉆進過程的自動監(jiān)控系統(tǒng)。（1）、國外石油鉆機最新技術挪威akre陽公司可編程自動鉆井系統(tǒng)(cads)該公司的第一套可編程管子處理系統(tǒng)己在挪威海上鉆井平臺上使用。

4、操作該系統(tǒng)時，司鉆可以預先依次將起下鉆操作步驟程序化，不需要分別操作絞車、頂驅、管子處理裝置和卡瓦。鉆臺上除司鉆操作室內的司鉆外，不需要其它操作者。該系統(tǒng)總稱為可配置自動鉆井系統(tǒng)(cads)，根據(jù)承包商和操作者的要求，該公司可將各種操作程序化。系統(tǒng)除有一套可編程管子處理系統(tǒng)外，還包括一套先進的防碰系統(tǒng)，用來防止操作間的相互干擾。在司鉆操作室內，觸摸屏代替了按鈕和開關。同時配備有手動操作的備用系統(tǒng)。所有操作都是經(jīng)過優(yōu)化的，大大減少了起下鉆時間，每小時可以起下55柱立根。varoo公司鉆機在線監(jiān)視與診斷系統(tǒng)varco公司的e一drill是第一套可用于遠程監(jiān)視和診斷世界各地鉆機上的varc。監(jiān)測系統(tǒng)

5、，鉆機操作人員可以在h1以內和varco的技術人員取得聯(lián)系，各種參數(shù)可以直接從置于varco公司監(jiān)測系統(tǒng)內的智能系統(tǒng)取得，用于最大限度提高頂驅、排管系統(tǒng)和varoc集成控制和信息系統(tǒng)(v一cisi)的性能。rigserv鉆機集成控制系統(tǒng)rigserv鉆機集成控制系統(tǒng)是安裝在鉆臺上司鉆控制室內完整和最先進的鉆機集成控制系統(tǒng)其高度自動化能夠使司鉆能夠方便地操縱多功能絞車、頂驅和鐵鉆工、鉆桿操作器、交流動力和鉆井儀表系統(tǒng)。（2）、發(fā)展方向加速推廣成熟的新技術，不斷進行技術更新美國、加拿大和挪威等國的頂部驅動裝置的產(chǎn)品均己形成系列，己從海洋鉆機推向陸地鉆機(包括斜井鉆機)，從電驅動鉆機推向柴油機驅動鉆

6、機，并不斷地改善其性能與結構。美國、加拿大、德國和挪威等國的盤式剎車也已形成系列，美國和挪威還開發(fā)了計算機控制的氣動、多盤的盤式剎車。美國、德國和挪威等國的盤式剎車的鉆機一般都配備了自動送鉆裝置，有的還形成了一體化技術，在動力機出現(xiàn)故障停機時，慢速提起井下鉆具，以防止產(chǎn)生井下事故。適應用戶需求，提供多樣化產(chǎn)品一般都可根據(jù)用戶要求，提供不同驅動形式的鉆機。美國oime公司研制了不用大吊車和絞車，可低位安裝的分體式鉆機。大力開發(fā)高新技術的鉆機為了進一步提高鉆機的工藝性、經(jīng)濟性，德國的wirth公司和挪威的mh公司生產(chǎn)了液壓驅動絞車、轉盤和鉆井泵的全液壓鉆機，還開發(fā)了頂驅加升降液缸的液壓升降式鉆機;

7、意大利的drillmec公司也開發(fā)了類似的中型系列鉆機。發(fā)展用于深水鉆井的大功率海洋石油鉆機更加重視環(huán)境保護如盡量減少噪聲和排放產(chǎn)生的污染，采用低噪聲的柴油機和送輪傳動裝置。英國已研究出專門用于城市或居民區(qū)鉆井的密閉式低噪聲絞車。美、俄合資的llc公司生產(chǎn)的鉤載550t、鉆深655m0型的大型鉆機，也采用了防污染的鉆屑處理系統(tǒng)。2、國內鉆機發(fā)展水平我國石油鉆機技術發(fā)展的現(xiàn)狀1957年以來，我國石油鉆機技術大體上經(jīng)歷了仿制和在引進消化再創(chuàng)新兩個階段成套石油鉆機具備國際競爭力;國產(chǎn)電驅動鉆機發(fā)展迅速;鉆機在適應性、成套性、品種多樣性和系列化、自動化、智能化等方面與發(fā)達國家還有很大差距;國產(chǎn)鉆機特別

8、是機械鉆機的維修時間占生產(chǎn)總時間的5%一1%0，而美國只占2%一3%;適應沙漠、戈壁、沼澤等條件的鉆機研制才剛起步;需要加大發(fā)展小井眼石油鉆機、連續(xù)管石油鉆機、自動化石油鉆機等先進鉆井設備的投資，推廣車裝鉆機，發(fā)展撬裝鉆機。（2）國內鉆機的主要差距技術更新緩慢，先進技術不夠普及產(chǎn)品的可靠性差缺少競爭力強的名牌產(chǎn)品二、全液壓動力頭式鉆機1、鉆機的分類鉆機由于施工目的、要求和工作條件的不同，設計與制造水平的不斷發(fā)展，通常從不同角度對鉆機進行分類，主要劃分為以下類型：（1）按照傳動方式不同，鉆機可分為：機械傳動鉆機：結構簡單，傳動可靠，傳動效率高，易于加工制造；但整體性強，不便于運輸，在傳動中有較大

9、的振動和沖擊。半液壓傳動鉆機：采用機械傳動和液壓傳動相結合的鉆機；一般回轉和提升系統(tǒng)采用機械傳動、給進系統(tǒng)采用液壓傳動。全液壓傳動鉆機：傳動平穩(wěn)，便于實現(xiàn)順序動作和遠距離控制；增強了鉆機的功能，提高了操作的自動化。（2）按照鉆探目的和用途的不同，鉆機可分為：石油鉆機：用于陸地及海洋石油天然氣的普查、勘探和開采的鉆孔施工；這類鉆機由于鉆井的深度大，所以功率大，設備結構復雜龐大。固體礦產(chǎn)勘探鉆機：固體礦產(chǎn)勘探往往要提取巖心作為地質資料，因此這種鉆機也稱為巖心鉆機。水文地質調查和水井鉆機：用于地下水資源的調查、勘探和開采。工程地質勘探鉆機：用于橋梁、水壩、高層建筑及其它重要大型工程建筑基礎的地基勘察

10、。工程施工鉆機：用于大型工程建筑的基礎樁孔的施工。坑道鉆機：用于地下坑道各種鉆孔的施工。砂礦鉆機：用于砂礦礦床的勘探。（3）按照所采用的鉆進方法的不同，鉆機可分為：沖擊式鉆機：包括鋼繩沖擊式和鉆桿沖擊式鉆機，通過鉆頭周期性的上下運動沖擊破碎巖石?；剞D式鉆機：包括立軸式、轉盤式及動力頭（移動回轉器）式鉆機，通過鉆頭在孔底的回轉而破碎巖石。振動式鉆機：它是采用振動器迫使鉆具產(chǎn)生軸向周期性振動，依靠振動所產(chǎn)生的力使鉆頭吃入地層，實現(xiàn)鉆進，適用于松軟地層的鉆進。復合式鉆機：將振動、沖擊、回轉、靜壓等功能以不同方式組合在一起的鉆機。2、全液壓動力頭式鉆機的基本組成全液壓動力頭式鉆機是指回轉和給進機構都采

11、用液壓傳動的動力頭式鉆機。用于不同施工目的的全液壓動力頭式鉆機盡管在具體結構上差別較大，但從功能上講，通常包括以下幾個部分：（1）回轉機構：是驅動鉆具回轉，提供回轉速度和轉矩的裝置，又稱動力頭。（2）提升與給進機構：向鉆具施加軸向力，并能移動鉆具的機構，主要用于調節(jié)鉆頭載荷、控制給進速度，升降鉆具，當出現(xiàn)孔內事故時，還可用于強力起拔鉆具。（3）鉆桿擰卸、夾持裝置：有兩種方式，通常是直接用動力頭反轉來卸開鉆桿；但對于轉矩很大的鉆機，常要另配一個卸管裝置。無論哪種方式，在鉆機靠孔口的部位都要安裝一個承受擰卸鉆桿的反轉矩和鉆具重力的夾持器。（4）液壓傳動系統(tǒng)：用于產(chǎn)生并控制壓力油以實現(xiàn)各液壓部件所需

12、的速度、轉矩、運動方向等。（5）機架與底座：用于連接和支承鉆機各部件，使之成為一個整體并與地基相固定，在必要時還可使主機移位。3、全液壓動力頭式鉆機的幾個重要參數(shù)（1）動力頭主軸轉矩這是一項表明鉆機的鉆進能力和應用范圍的參數(shù)。小轉矩（幾百nm）的動力頭式鉆機只能用于小口徑淺鉆孔；大轉矩（幾千nm）的動力頭式鉆機才能用于大口徑或深鉆孔施工。（2）動力頭主軸轉速范圍這是一項說明鉆機的工藝適應性的參數(shù)，基本上可分為低轉速和高轉速兩大類，從而適用于不同的鉆進工藝和鉆孔直徑。此項參數(shù)在很大程度上決定了所選用的液壓馬達和液壓泵的類型。（3）給進行程這是代表給進系統(tǒng)性能的一項重要參數(shù)，其大小對起下鉆效率有一

13、定影響。（4）給進起拔力此項參數(shù)大小必須滿足正常鉆進和處理孔內事故的要求。（5）給進起拔速度這也是一項影響起下鉆效率的參數(shù)。（6）夾持器額定轉矩夾持器除了支持孔內鉆具重力之外，必須能承受旋緊和松開鉆具連接螺紋的正反兩個方向的轉矩。（7）卡盤額定轉矩這一項參數(shù)應大于正常鉆進和擰卸鉆桿時所需要的轉矩現(xiàn)在先進的全液壓鉆機的模型如下所示：圖 2-1 全液壓頂驅石油鉆機模型整機結構圖3、全液壓動力頭式鉆機的給進系統(tǒng)全液壓動力頭式鉆機給進系統(tǒng)由給進機構和控制給進機構的液壓系統(tǒng)組成。各種給進機構都有其優(yōu)缺點，而液壓系統(tǒng)的好壞則實際上反映了此種鉆機給進系統(tǒng)的先進性。給進機構按照傳動方式可分為兩大類：機械給進機

14、構和液壓給進機構。機械給進機構是依靠動力或人力通過機械傳動裝置施加力和運動。常用的結構形式有鋼絲繩加壓給進機構、主動鉆桿給進機構、螺旋差動給進機構、封閉鏈條給進機構和手把給進機構等。機械給進機構的主要特點是：多數(shù)結構較簡單，制造、維修、安裝都較方便；采用手動操作，可直接感覺孔內情況，但不能準確控制給進參數(shù)；功能較少；勞動強度大；工作安全可靠性差等。此類給進機構多用于純機械傳動式鉆機。液壓給進機構是利用油液的壓力能通過液動機（液壓缸或液壓馬達）實現(xiàn)加、減壓和給進鉆具。液壓給進機構常見的結構形式有單液壓缸給進機構、雙液壓缸給進機構、液壓缸鏈條（或鋼繩）給進機構和液壓馬達鏈條給進機構等。液壓給進機構

15、與機械給進機構相比，具有能較準確地控制和調節(jié)給進力和給進速度，能夠利用液壓儀表反映和顯示孔內情況，工作安全可靠，功能齊全，操作方便省力，便于集中控制和遠距離操作等優(yōu)點。但也存在結構復雜，零、部件加工較困難，野外維修不便等缺點。目前的全液壓動力頭式鉆機就是采用這種給進機構。4、液壓給進機構（1）單液壓缸給進機構單液壓缸給進機構采用液壓缸或活塞桿直接驅動動力頭，顯示出結構比較簡單的優(yōu)點。受活塞桿穩(wěn)定性的限制，單液壓缸給進機構的給進行程較小，適用于淺孔鉆機。（2）雙液壓缸給進機構雙液壓缸給進機構與單液壓缸給進機構相比，在系統(tǒng)壓力和液壓缸結構尺寸相同的情況下，能產(chǎn)生較大的給進力和起拔力，機構的剛性也大

16、，但結構較復雜，安裝不便。雙液壓缸給進機構又有短行程和長行程之分。長行程雙液壓缸給進機構的給進行程較長，有利于縮短輔助時間、提高鉆進效率，但機構的重量和尺寸較大。（3）液壓缸鏈條（或鋼繩）給進機構這種給進機構可實現(xiàn)兩倍于液壓缸活塞行程的長行程給進和提升鉆具，升降鉆具和給進鉆具的速度也為活塞運動速度的兩倍，因此，又稱為倍速給進機構，但給進力和起拔力要相應減半。按液壓缸的數(shù)量又分為單液壓缸鏈條（或鋼繩）給進機構和雙液壓缸鏈條（或鋼繩）給進機構。采用雙液壓缸能產(chǎn)生較大的提升力和給進力，因此雙液壓缸鏈條（或鋼繩）給進機構多用于較深孔或較大口徑鉆機。（4）液壓馬達鏈條給進機構液壓馬達鏈條給進機構用液壓馬

17、達帶動鏈輪直接驅動給進鏈條，使機構得以簡化，有利于減輕整機的重量。這種機構不受液壓缸活塞行程的限制，最長行程可達6-8m，并可獲得較快的運動速度，除可完成給進功能外，一般均可取代升降機完成起下鉆具作業(yè)。但液壓馬達維修困難，且壽命也不及液壓缸長。三、全液壓動力頭式鉆機給進系統(tǒng)的合理性分析1、鉆機給進系統(tǒng)的功用對全液壓動力頭式鉆機而言，其給進機構主要應具備以下功用：（1）向孔底鉆具提供合理的鉆壓，并恰當?shù)剡M給鉆具，以實現(xiàn)加壓及減壓鉆進。全液壓動力頭式鉆機的給進系統(tǒng)采用液壓給進，主要通過泵向液壓缸、馬達等執(zhí)行件提供高壓油，通過液壓缸、馬達輸出給進力，通過中間連接裝置（拖板）帶動動力頭再帶動鉆具實現(xiàn)鉆

18、具的給進或起拔。其中通常要采用溢流閥、減壓閥、節(jié)流閥等液壓件實現(xiàn)加壓或減壓鉆進，以調節(jié)給進壓力或速度，適應鉆頭在孔底鉆進時所需的壓力和速度。（2）實現(xiàn)倒桿，提動鉆具和懸掛鉆具。當動力頭帶動鉆走到鉆機最前端，需要先將動力頭后退到鉆機后端，再繼續(xù)鉆進，這個過程稱為倒桿。提鉆時也要倒桿，只是方向相反。有些全液壓動力頭式鉆機有起下鉆聯(lián)動功能，倒桿過程中給進液壓缸與卡盤和夾持器開合動作聯(lián)動，大大節(jié)省了輔助時間。提動鉆具是采用給進液壓缸或馬達提供給進/起拔力，通過動力頭帶動鉆具小范圍往復移動。在垂直或大角度鉆孔中鉆具在提離孔底后短時處于懸掛狀態(tài)，此時也要利用給進系統(tǒng)，可通過調節(jié)節(jié)流閥產(chǎn)生背壓以控制鉆具保持

19、懸掛狀態(tài)。（3）能夠強力起拔鉆具，具有一定的處理事故的能力。從給進機構輸出的最大起拔力應大于鉆具的重力，并有一定的富余量，以保證當出現(xiàn)孔內異常時鉆機能提動鉆具而不至于埋鉆。鉆機鉆進垂直孔時，鉆具的重力全部作用在鉆機上，而鉆進近水平孔或小角度孔時僅需克服鉆具與孔壁的摩擦力和鉆具在鉆孔方向上的分力。另外，起拔力也不能太大，以免增加液壓缸或給進馬達及鏈條的尺寸，導致給進機構的尺寸過大。（4）能夠稱量鉆具重量。當鉆進向下垂直孔時，鉆具自重超過鉆頭所需壓力后必須實行減壓鉆進。為了確定是否需要減壓以及減多少壓力，必須稱重鉆具重量。具體做法是：通過調節(jié)節(jié)流閥開口大小來調節(jié)背壓，使鉆具保持懸掛狀態(tài)，此時起拔端

20、壓力表所示壓力乘以液壓缸起拔端的截面面積就是鉆具的總重量。2、給進系統(tǒng)特性參數(shù)的設計原則（1）給進力g和起拔力q該兩項參數(shù)是給進機構正逆兩個方向的參數(shù)。給進力應滿足不同鉆進工藝鉆壓的需要。為了提動鉆具及有一定的處理事故能力，鉆機的給進機構應能提起全部鉆具重量，并有一定的儲備。（2）給進速度與起拔速度給進起拔速度包括正常鉆進時給進起拔速度和起下鉆時的給進起拔速度。對于單泵系統(tǒng)，正常鉆進時泵輸出的少部分液壓油進入給進液壓缸或給進馬達，為動力頭提供鉆進所需的給進起拔速度；起下鉆時，泵輸出的液壓油全部進入給進液壓缸或給進馬達，為動力頭提供所需較高的給進起拔速度。對于雙泵系統(tǒng)，相應的兩種工況是：正常鉆進

21、時副泵輸出的液壓油進入液壓缸或給進馬達，為動力頭提供所需的給進起拔速度；起下鉆時，主泵和副泵輸出的液壓油合流，共同進入給進液壓缸或給進馬達為動力頭提供所需的給進起拔速度。（3）給進行程給進行程指給進機構一次連續(xù)送進鉆具的最大長度。給進行程的大小影響鉆進效率、鉆機的尺寸、質量及鉆進時整機的穩(wěn)定性。給進行程大，可以減少倒桿次數(shù)，縮短鉆進中的輔助時間，有利于防止巖心堵塞及孔內事故的發(fā)生；能提高鉆孔的質量和鉆進效率。但給進行程過大，勢必會使鉆機尺寸、質量加大，鉆機重心增高，增加鉆機的工作不穩(wěn)定性。給進行程與給進機構的類型及鉆進的孔深有關。液壓缸直接給進時給進行程較小，帶鏈條給進時只要空間允許，給進行程

22、可以很長。在同類給進機構中，深孔鉆機給進行程要長些，淺孔鉆機給進行程短些。3、全液壓動力頭式鉆機給進系統(tǒng)應滿足的要求a.執(zhí)行機構的工作參數(shù)能夠隨鉆進工藝的變化進行一定范圍的調節(jié)隨著鉆孔深度和地層的變化，鉆進參數(shù)隨時都須相應地改變。其他一些操作工序，如快速倒鉆桿、掃孔、快速提升和下放鉆具等，也都要求鉆機的液壓傳動系統(tǒng)能根據(jù)工序的變化而調節(jié)，且有足夠的調節(jié)范圍。b.改變執(zhí)行機構的方向時不需改變動力機的運動方向鉆機的執(zhí)行機構較多，鉆機液壓系統(tǒng)的設計以開式回路為主。由于起下鉆具、擰卸鉆桿、倒鉆桿、前后移動鉆機、夾緊和松開鉆桿等工序的需要，鉆機的液壓系統(tǒng)必須保證回轉器、給進機構、卡夾機構及其他輔助裝置均

23、能在不改變動力機運動方向的情況下，實現(xiàn)正、反向運動，且換向迅速、準確、方便，無液壓沖擊。c.能實現(xiàn)一個機構多種功能全液壓動力頭式鉆機執(zhí)行機構的功能往往不止一個，例如給進機構的功能除了向孔內送鉆具、孔底加壓、懸掛鉆具和快速倒鉆桿等功能外，由于鉆機沒有單獨的鉆具升降機構，給進機構還兼作升降機構用，這就要求給進機構應具備快速提升和下放鉆具的功能，在發(fā)生卡鉆事故時還應滿足強力起拔鉆具的要求?？▕A機構(卡盤和夾持器)不僅要能使鉆頭在孔內回轉或停止工作時，分別卡緊或夾持鉆桿，而且還要相互配合擰卸鉆桿間的聯(lián)接螺紋。d.各執(zhí)行機構應運動準確、液壓系統(tǒng)中無流量和壓力的干涉動力頭式鉆機采用液壓驅動的執(zhí)行機構多，并

24、且各機構之間要配合密切，遵循一定的運動規(guī)律。在不同操作工序中的動作變化頻繁，且順序動作之間的間隔很短，這些都可能導致液壓系統(tǒng)中執(zhí)行機構之間的運動干涉。不同的工序中，執(zhí)行機構的工作負載也會發(fā)生較大的變化，各執(zhí)行機構的工作壓力可能出現(xiàn)相互干涉的現(xiàn)象，對于單泵系統(tǒng)，這種現(xiàn)象尤為明顯。在液壓系統(tǒng)設計時應避免出現(xiàn)執(zhí)行機構之間的干涉。e.液壓系統(tǒng)應操作簡單，控制準確全液壓動力頭式鉆機在工作時，每道工序都需要多個執(zhí)行機構配合動作，為提高工作效率、避免誤操作，使動作盡可能聯(lián)動，常通過單手把集中操作。各個執(zhí)行機構的工作要準確可靠，尤其是立孔鉆進時的懸掛鉆具、夾持鉆桿等工況，相應機構的液壓回路必須具備可靠的鎖緊和

25、保壓功能。f.具有較好的抗污染性能鉆機的工作環(huán)境主要是煤礦坑道，工作場所清潔度較差，鉆進時沖洗液和巖粉的污染也會影響鉆機液壓系統(tǒng)的清潔度，從而降低液壓回路的性能和使用壽命，因此鉆機的液壓系統(tǒng)必須采用有效的抗污染措施。g.液壓系統(tǒng)結構盡量簡單，體積小、重量輕坑道鉆機的搬遷、安裝較頻繁。由于工作場所通常都較狹窄，對于非自行式鉆機，靠人工搬遷較困難。這就要求鉆機液壓系統(tǒng)的構成盡可能簡單，外形尺寸和元件體積盡量小，以減輕質量、方便搬遷。h.液壓元件的標準化、通用化程度要求高為降低制造成本、方便設備維修，應盡量選擇標準化、通用化程度較高的液壓元件。四、液壓系統(tǒng)設計與一般工業(yè)生產(chǎn)設備相比，鉆探機械往往具有

26、工作環(huán)境惡劣、高速重載、能耗大、維護條件差并受重量和安裝空間限制等工況特點。液壓技術由于具有功率重量比大、配置柔性大、動力傳輸和控制方便等技術優(yōu)勢，因而在鉆機上特別是在中大功率鉆機上被廣泛采用。鉆機上應用液壓技術是在四十年代開始的，最初主要是用于給進機構。全液壓鉆機性能的優(yōu)劣，主要是取決于液壓系統(tǒng)性能的好壞。對工程機械液壓系統(tǒng)的評價，應該從液壓系統(tǒng)的功能和特性、效率、振動和噪聲等幾個方面加以分析對比。其中，液壓系統(tǒng)的功能是指通過對液體介質的流量和壓力進行控制，驅動執(zhí)行機構完成所要求動作的功用。液壓系統(tǒng)的功能與具體的設計要求有關，一方面取決于設計者所構思的回路組成，另一方面受限于組成系統(tǒng)的元件的

27、性能。液壓系統(tǒng)效率的高低則反映了能量利用率的高低。液壓系統(tǒng)中的無功能耗最終都變?yōu)闊崮?，使系統(tǒng)溫度升高。液壓系統(tǒng)溫度過高對性能有著嚴重的負面影響。首先工作液體的性質與溫度有密切的依賴關系，高溫會加速液體介質老化，資料表明：礦物油介質每升溫15，其穩(wěn)定使用壽命約降低90%；其次高溫會誘發(fā)各種故障、增大泄漏、降低元件使用壽命和系統(tǒng)工作的可靠性。目前，大部分液壓鉆機的液壓系統(tǒng)都是以手動控制閥、泵為基礎組成的液壓系統(tǒng)。受手動液壓元件功能所限，不僅系統(tǒng)組成較復雜，而且操作繁瑣，控制的自動化程度不高，更不能適應遙控及各種控制策略控制的要求。另一方面，以往全液壓鉆機液壓系統(tǒng)的設計，首先著眼于如何滿足控制和調節(jié)

28、的性能指標，并沒有把效率和能耗控制明確地作為設計目標之一。隨著鉆機功率的增大，系統(tǒng)的能耗和發(fā)熱問題越來越突出，成為制約和影響鉆機性能發(fā)揮的重要因素。因此，在全液壓鉆機設計中，迫切需要應用液壓技術和液壓元件發(fā)展的最新成果，對傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進行技術改造，達到完善功能、提高效率的目的。隨著科學技術的發(fā)展，機械裝備的整體水平都有所提高，特別是20世紀下半葉以來流體傳動與控制技術和電子技術、信息技術相結合，發(fā)展了機械電子液壓一體化的器件和系統(tǒng)，電液閥和電液控制系統(tǒng)在各類機械設備上獲得了廣泛應用，機械裝備迅速向機電液一體化方向發(fā)展。電液控制系統(tǒng)不僅具有液壓傳動的功率重量比大，響應速度快的特點，還兼有電子控

29、制的操作靈活和控制性能好的優(yōu)點，因此在冶金機械、輕工機械、工程機械、機械制造、大型實驗裝備、航空航天、艦船、雷達和火炮等部門得到了廣泛應用。1、液壓系統(tǒng)原理設計全液壓頂驅石油鉆機的執(zhí)行元件根據(jù)功能可分為普通執(zhí)行元件和特殊執(zhí)行元件：普通執(zhí)行元件的工作參數(shù)一經(jīng)設定以后基本上不再改變，其最高工作壓力由普通溢流閥限制、速度由普通節(jié)流閥或調速閥限制，并受壓力繼電器、行程開關控制；特殊執(zhí)行元件在工作過程中各種參數(shù)隨時間需要不斷調整以取得最佳工作效果，如頂驅油缸和鉆井馬達，其工作壓力、速度均由壓力傳感器、流量傳感器檢測，檢測結果傳送到plc，plc對其進行處理并與相應設定值進行比較，然后對電磁比例調速閥和電

30、磁比例壓力閥進行控制，使頂驅油缸和鉆井馬達處于合適的工作狀態(tài)。根據(jù)執(zhí)行元件功能的不同將液壓系統(tǒng)分為開關閥液壓系統(tǒng)和比例閥液壓系統(tǒng)。（1）開關閥液壓系統(tǒng)根據(jù)所設計全液壓頂驅石油鉆機的工作狀況，開關閥液壓系統(tǒng)如圖3-1所示，其執(zhí)行元件主要包括三大部分：頂驅系統(tǒng)的部分執(zhí)行元件、鐵鉆工和管子操縱系統(tǒng)的所有執(zhí)行元件。在工作過程中各個執(zhí)行單元由plc程序控制，無兩個或多個執(zhí)行單元同時工作的情況。液壓源為兩組相同規(guī)格的電機泵組，兩泵組交替工作，這樣即能夠提高泵的壽命，同時又能夠提高系統(tǒng)的可靠性。由液壓系統(tǒng)圖中可以看出，卸荷閥平時處于開啟狀態(tài)，泵工作在卸荷狀態(tài)，系統(tǒng)壓力接近于零，功率消耗??；當系統(tǒng)中有執(zhí)行元件

31、需要動作時，卸荷閥與控制執(zhí)行元件的電磁換向閥同時得電，卸荷閥關閉，泵工作在有壓狀態(tài)，其壓力由負載決定，系統(tǒng)最高壓力由溢流閥決定。當執(zhí)行元件工作完成時，卸荷閥與控制執(zhí)行元件的電磁換向閥同時失電，泵又回到卸荷工作狀態(tài)。（2）比例閥液壓系統(tǒng)比例閥液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件為頂驅油缸和鉆井馬達，它們是整臺鉆機的核心執(zhí)行單元，需要分別對它們的液壓系統(tǒng)進行設計。頂驅油缸液壓系統(tǒng)頂驅油缸是此全液壓頂驅鉆機的核心執(zhí)行單元之一，用于起吊重物、接立根、起下鉆和鉆進作業(yè)等。下面主要對起下鉆和鉆進作業(yè)的工況進行分析。a起下鉆作業(yè)鉆井過程中大致有2040的時間用于起下鉆具。起下鉆時間隨深度的增加而增加。雖然起下鉆對所有鉆井作業(yè)

32、都是必需的，但它只起輔助作用，因此，用于起下鉆的時間應減至最少。在起下鉆過程中很容易發(fā)生鉆井問題，這些問題主要表現(xiàn)為三種：地層問題如鍵槽、井壁粘卡、臺肩、架橋及起下鉆時發(fā)生的井噴等；機械設備問題如吊卡和卡瓦損壞、鋼絲繩跳槽、游動滑車故障和機組故障等；人為錯誤如扣合吊卡有誤，起下鉆過快或過慢，用過大的拉力把鉆桿拉入鍵槽或者拉入相似的障礙，用過大的重量（向下的力）把鉆頭下進架橋部位或者下入小尺寸井段，以及錯誤的灌漿步驟等。上述任何事故都可能引起重大的打撈作業(yè)或者停鉆檢修，甚至是作業(yè)人員的傷害和死亡。在起下鉆過程中，浪費30min或更多的時間是很平常的事，為節(jié)省時間可以在起下鉆之前預先把工具和設備找

33、到并且清洗好，并以最快的安全速度起下鉆具。過高的起下鉆速度會引起抽吸和壓力激動，可能導致嚴重的井眼問題或失去壓力控制。最大安全起下鉆速度需要參考起下鉆速度表。起下鉆速度表由泥漿服務公司提供或者提供繪制該表所必需的資料。泥漿的特性也是影響起下鉆作業(yè)的一個很重要的因素。如果泥漿比重明顯地超平衡于地層壓力，最后一次循環(huán)泥漿時，需要用有限量的水和特殊化學處理劑來稀釋。這種比較稀的，輕的泥漿對于相同的波動和抽吸壓力而言，允許以比較快的速度起下鉆。在下鉆后循環(huán)泥漿出井眼的時候，循環(huán)可以在低壓力下開始，同時泥漿具有良好的流動性能。保證采用良好的灌漿程序也是非常重要的，因為井噴的一個最常見的起因就是在起鉆時未

34、能保持灌漿。本設計中的全液壓頂驅石油鉆機起下鉆速度由頂驅油缸來控制。在起下鉆作業(yè)時，參照速度表，利用比例調速閥可以精確地控制頂驅油缸的速度，并且吊環(huán)和吊卡等執(zhí)行元件的動作由plc根據(jù)相應輸入信號嚴格控制，盡量減少人的參與，以保障作業(yè)安全。從節(jié)能方面考慮，下鉆時將鉆具的重力勢能轉化為液壓能儲存到蓄能器中，待頂驅裝置空載上行時釋放，可減少泵的工作時間。b鉆進作業(yè)工況分析鉆進過程是油井工程中的重要階段，影響鉆速的因素非常多，鉆壓是影響鉆進速度最直觀的、最明顯的因素之一。c液壓系統(tǒng)設計根據(jù)以上對起下鉆作業(yè)和鉆進作業(yè)工況的分析，頂驅油缸液壓系統(tǒng)如圖3-3所示。液壓泵選用比例流量壓力控制型變量軸向柱塞泵，在頂驅油缸不工作時，泵處于零排量卸荷狀態(tài)，功率消耗非常低。由于頂驅裝置在各工況下速度相差很大：鉆進速度大約為0.04516m/h，起下鉆速度一般為180225m/h，空載運行時速度最大為0.9m/s，即3240m/h，為此選用兩個比