1500m全液压岩心钻机的研制及应用

2020/1/2111500m全液压岩心钻机研制及应用中国地质科学院勘探技术研究所2012年10月刘凡柏138316355132020/1/212提纲一、研究背景与项目来源二、国内外研究现状三、目标任务四、试验条件及方法五、主要成果六、野外生产试验及效果七、结语2020/1/213一、研究背景与项目来源立项背景：1、资源短缺已经成为制约我国经济发展的瓶颈。发现新的矿产地、拓展新的找矿空间是实现资源开发可持续发展的根本前提，资源勘查的重点之一是深部和隐伏区。2、岩心钻探，是深部地下信息推断与解释的惟一验证手段，也是最终圈定矿体、计算储量、评估品位惟一的技术手段。3、项目立项前，国内固体矿产岩心钻机主要是立轴式钻机，钻探深度在1500m以内，配套工艺方法以普通回转提钻取心为主，大大落后于先进工业国家的岩心钻探水平。2020/1/214一、研究背景与项目来源结合地质调查规划和工作部署,2008年年初中国地质调查局下达了工作项目：“1500m地质取心深孔钻探技术研究”，项目编码为1212010816011，该项目专题一为“1500m全液压岩心钻机的研制”，希望通过该专题的实施，使我国地质钻探技术装备向多功能化、机械化、自动化、国际通用化方向发展，提高我国的地质钻探装备现代化水平，满足我国深部矿产资源勘查的需要。项目来源2020/1/215二、国内外研究现状国外地质矿产勘查用钻机，除保留有一部分经改进的传统立轴式钻机外，已大量采用全液压顶驱式（动力头钻机）。其特点是回次进尺长、自动化、机械化程度高。2020/1/216二、国内外研究现状XY-4CD-3CD-32020/1/217进入21世纪，国内有关研究机构与钻探机械厂先后研发出了全液压的地表岩心钻机以满足市场的需求，主要产品有中国地质科学院勘探技术研究所与北北京天和众邦勘探技术有限公司联合研发成功的YDX—3型岩心钻机，山东省地质探矿机械厂研发的XD—3型，连云港黄海机械厂研制的HYDX—4型等，这些岩心钻机特点均顺应国际钻探设备的发展趋势，属于同一档次，钻深能力相差不多，具有全液压化、给进行程长、无级调速、机械化程度高等优点。二、国内外研究现状2020/1/218为我国深部矿产资源勘查提供现代化钻探装备。钻机设计钻深能力为NQ规格钻进深度1500m，可满足金刚石绳索取心、定向钻进、多介质反循环连续取心（样）等多种高效钻探工艺的需要。研究内容主要有：动力总功率、主要基本技术参数、模块化结构设计、液压系统原理及管路设计、给进提升装置设计、全液压主绞车选型及自动放绳液控原理、绳索取心绞车及其自动排绳、高速动力头结构、上下卡夹系统研究、桅杆结构设计、操纵台控制系统设计、提下钻机械化及移摆钻杆方式、配套钻具选型等。三、目标任务2020/1/219四、试验条件及方法外观检验、空载性能试验密封性能试验给进机构性能试验回转性能试验主卷扬机性能试验付卷扬机性能试验液压卡盘性能试验桅杆负载试验噪声试验安装质量检验2020/1/2110台架测试设备序号仪器设备名称型号量程数量精度1激光经纬仪J2-JDE1000m1±2”2砝码20kN40kN5153数位式噪音器892540~130dB11%4红外测温仪ST350-25~350℃12%5直尺500mm16卷尺5000mm17压力表0~40MPa31%8柴油机转速表0~3000rpm10.059智能型数字转速表DT2234C2.5~99999rpm10.05%10拉压传感器300kN12020/1/2111台架测试图片2020/1/2112五主要成果1、取得主要成果完成一套模块式、全液压、动力头式地表岩心钻机，其钻深能力为N规格钻杆钻进深度1500米，满足深部地质勘探，可满足金刚石绳索取心、冲击回转、定向钻进、反循环连续取心（样）等多种高效钻探工艺钻进需要。2020/1/2113钻深：BQ—2000m；NQ—1500m；HQ—1000m；PQ—700m动力：179kW/2200rpm给进力：8000kg；提升力：20000kg；立根长度：9m；给进行程：3.3m；滑移行程：1.5m；主绞车：最大13.6t，速度44——67m/min，容绳量60m×φ22mm付绞车：光毂提升力1400kg，光毂速度110m/min，容绳量2100m×φ6mm液压系统：主压力31MPa动力头：液压无级调速、手控4档转速范围：0——1200rpm；扭矩范围：688——5880Nm卡盘：通孔直径117mm，轴向夹持力22t履带速度：0——2.5km/h；爬坡度：30度；外形尺寸：6950mm×2300mm×3400mm（长×宽×高）总重量：14000公斤YDX-4钻机主要技术参数2020/1/2114全液压驱动，操作简单方便；模块化设计，各个部件模块便于组装分解，便于衍生系列产品，减小设计工作量，缩短生产周期；钻机配备4档手动变速箱和变量液压马达，转速在0－1200之间可无级调速，速度范围宽、扭矩大，有利于以金刚石钻进为主体的多种钻探工艺对转速的选择；卡盘为氮气弹簧夹紧、液压松开式，通孔直径大（117毫米）、轴向行程短、径向行程长、夹紧力大，补偿发表能好，变换卡瓦可用于国内外不同孔径的钻探施工；卡瓦采用硬质合金镶焊式结构，工作可靠，寿命长，更换简单方便；采用进口主绞车，工作性能可靠，安全性高，钻进过程中能够自动放绳；钻塔一次可提升9米长的立根，给进行程长（3300mm），机械化程度高，有利于提高钻进效率，减少孔内事故；给进控制有加压钻进、减压钻进、自重钻进、称重、快速给进提升等工作状态，可满足不同钻探施工工艺的需要；YDX-4钻机主要特点2020/1/2115铰接式上、下桅杆方便运输，钻塔可滑移直接支撑地面，大大增强了钻机工作时的稳定性；可变速履带行走系统极大地方便了设备移动，配备的无线控制行走手柄大大增加了操作人员的安全性；绳索取心绞车具有自动排绳功能，减少了钢丝绳的损耗；配备的平衡阀及静态制动器使下放重物及停车时更加安全可靠；钻机设计大量选用标准件、通用零部件，如卷扬机、液压系统元件、过滤器、各种弹簧等，使钻机设计的标准化、通用化程度高，有利于钻机组织生产，降低成本，便于管理；；钻机电、液仪表齐全，便于实时观察设备运行情况，并具有自动报警功能；配备液压孔口夹持器、液压驱动泥浆泵和液压驱动泥浆搅拌器，钻探过程中不再需要其他辅助动力；YDX-4钻机主要特点2020/1/2116五、取得主要成果2、获实用新型专利2项，一是孔口液压夹持器，专利号为：ZL201020291203.8，二是中空卡盘式动力头，专利号为：ZL201020291189.1，2020/1/2117五、主要成果3、技术创新1）将氮气弹簧应用在卡盘上，从而使卡盘的夹持能力特性变硬，内补偿性能好，使用寿命长，工作可靠；2）将大行程（3300mm）双油缸直接给进、提放长立根（9000mm）桅杆（2段铰接折叠式）、液压千斤顶机械锁紧机构、电子无线控制液压驱动履带行走功能于全液压地表岩心钻机上，从而提高了钻机的机械自动化水平，使钻机在钻进状态更加稳定，同时转场时方便、安全；3）高转速动力头的研制成功，挡位分布合理，换挡机构可靠，通过稀油强制润滑系统解决了变速箱在高转速下的发热与润滑问题；4）液压卡盘式孔口夹持器夹紧力大，卡瓦更换方便，使用可靠；5）液压系统的整体设计，可使回转系统、升降系统得到近似恒功率的输出，柴油机功率利用好。通过台架试验及实际生产验证，对比国内外全液压岩心钻机的主要技术参数，新研制的全液压岩心钻机达到国际先进水平。2020/1/2118六、野外生产试验及效果1、矿区地理、交通位置钻探生产试验区位于青海省都兰县沟里乡，交通尚属方便2020/1/21192、自然地理情况海拔3600-4612m，山势险峻，切割强烈，相对高差500-1000m。属半干旱高山草原景观，植被发育不均匀，工作区气候特征以寒冷、干旱、多风、昼夜温差大、冰冻期长、年平均气温-1.2℃，年平均降雨量为733.0mm，年平均蒸发量为1103.4mm，相对湿度为56%；每年2-5月为风季，风力一般6级；6-8月为雨季，降雨量占全年的80%。每年11月至翌年4月为冰冻期，平均气温-6℃，最低-26.3℃，最大日温差22.4℃。5-10月可开展野外作业，平均气温为5.5℃，最高气温19.7℃，最大温差25.1℃。六、野外生产试验及效果2020/1/21203、地质情况“东昆仑中央造山带”，是我国著名的成矿带之一，素有“金腰带”之称，区内蕴藏着丰富的铁及多金属、贵金属等矿产资源，以往矿区钻孔设计深度一般不超过1500m。从2001年，青海省有色地勘局八队在此进行了地表钻探施工。根据以往施工情况，勘查区部分地层破碎，漏水严重，其中2010年施工的2个钻孔坍塌严重，都是在钻进到400米左右时报废。钻探孔编号ZK63-6，设计方位角0°，设计倾角85°，设计深度1460m。岩石可钻性6到10级，局部研磨性特强，该区局部构造破碎带尤为发育，孔内坍塌严重，并且该孔位海拔高度为4200多米，空气稀薄，含氧量少，柴油机功率利用率低，所有这些客观条件对钻探工作提出了严格要求，同时也为试验钻机性能带来考验。六、野外生产试验及效果2020/1/21214、钻孔结构根据钻孔质量要求和1500m全液压钻机设计能力，生产试验钻孔终孔口径确定采用加强型NQ规格绳索取心钻探。钻具终孔钻头口径设计为76mm。六、野外生产试验及效果2020/1/2122序号名称研究或生产单位数量1YDX—4型全液压岩心钻机勘探技术研究所1台套2YWB-160型泥浆泵廊坊市雷克工程机械有限公司1台套3NBB280/8型泥浆泵山东中探机械有限公司1台套4JS-1500型绳索取心绞车唐山市金石超硬材料有限公司1台套512kW柴油发电机组福安发电机厂1台套6NQ绳索取心钻杆唐山市金石超硬材料有限公司1600米7HQ绳索取心钻杆无锡探矿机械厂1000米8PQ绳索取心钻杆唐山市金石超硬材料有限公司200米9NQ金刚石钻头唐山市金石超硬材料有限公司10只10HQ金刚石钻头无锡探矿机械厂10只1191mm套管山东探矿机械厂1000米12PQ、NQ绳索取心钻具总成唐山市金石超硬材料有限公司各2套13HQ绳索取心钻具总成无锡探矿机械厂2套14PQ绳索取心金刚石钻头唐山市金石超硬材料有限公司5只15Ⅲ型高速水龙头唐山市金石超硬材料有限公司2套16提引器唐山市金石超硬材料有限公司2套17交流电焊机1台18无齿锯切割机1台六、野外生产试验及效果2020/1/21236、生产试验应用情况：2010年6月13日开孔钻进，2010年11月2日终孔，终孔直径76毫米，完成1502.10m工作量，取得必要的数据和资料，由于施工夸度比较大，按施工时采取的钻孔口径级别划分，整个生产试验过程大致可分为以下3个阶段：第一阶段为P规格钻具钻进阶段（6-13～6-19），正循环，泥浆采用水+羧甲基纤维素钠＋0.5－1.0％GLUB（润滑剂）。钻具组合：〖SLD-60水龙头+转换接头1+PQ绳索取心钻杆+PQ绳索取心钻具+122mm金刚石钻头〗。钻孔直径122mm，到45.10米时下114套管六、野外生产试验及效果2020/1/2124第二阶段为H规格钻具钻进阶段（6-20～8-3），正循环，泥浆为水+羧甲基纤维素钠＋0.5－1.0％GLUB（润滑剂），遇微小漏失时，加入1—4％的随钻堵漏剂（GPC），漏失量大时，加入复合堵漏剂。钻具组合〖SLD-60水龙头+转换接头2+HQ绳索取心钻杆+HQ绳索取心钻具+96mm金刚石钻头〗。钻到519.5米时下91mm套管。第三阶段为N规格钻具钻进阶段（8-4～11-2），正循环，泥浆为水+聚丙烯酰胺＋0.5－1.0％GLUB（润滑剂），遇微小漏失时，加入1—4％的随钻堵漏剂（GPC）进行随钻堵漏。钻具组合〖SLD-60水龙头+转换接头3+NQ绳索取心钻杆+NQ绳索取心钻具+76mm金刚石钻头〗，1502.10米时终孔