钻机设计论文（精选12篇）
钻机设计论文 篇1
摘要：G-125钻机是一种专为边际油田研制开发的经济实用型钻机, 它的设计是油田钻机设计的又一次革命。该钻机采用学习曲线和互补技术 (联合井口和CT完井) , 大幅度地提高了经济效益。此外, 它具有易于快速移运和复位的特点。因此, 当钻一口井的钻进时间较钻机移运时间短时, 采用G-125钻机尤为适宜。
关键词：钻机,技术特点,自动钻进,顶驱
在许多工作环境中，利用好“成本—效果分析法”已成为当今世界人们所面临的一个新课题。几年来，随着技术日新月异的发展，人们面临的挑战不仅仅与“极端措施”或边缘技术有关，而且还与一些目前不引起媒体注意的市场休戚相关。因为这一市场对能源工业起着十分重要的作用。
目前，众多的石油公司已将目光瞄准了海滨边际油田开采和高风险勘探冒险。因此，研制并设计一种满足要求的钻机迫在眉睫。本文介绍了新型钻机G-125设计标准，该钻机特别适用于边际油田的开采。此外，本文还对该钻机工作22个月的情况进行了总结。
该种钻机通常在意大利作业，它是一种适应于特殊油田要求而设计制造钻机。
液压操作:G-125液压钻机, 它具有操作简便、工作平稳等特点。管子装卸、钻柱旋转、井架和钻台起升均靠液压传动来实现。由于液压油缸控制井架的起升，结果大幅度地降低了高度和重量，此外可在标准路面上运输该钻机。钻机到施工现场，四个液压油缸将钻台顶起。(最大高度为6.1m)钻机的大钳和卡瓦可自动和液动装卸。
1 设计前提
在意大利，有大量的小远景构造，由于它们的预计储量有限，因此这些矿区以前从未开采。
一般说来，油层含有丰富的天然气。天然气垂直深度范围通常为1 200m～3 000m，预计产量为20 000～70 000 m3/天。
开采这些远景构造，通常不仅需要小型钻机，而且还要求钻机具有较强的机动性和较少的操作人员。这样，可减少资金和对环境的不良影响.
评估这些要求后, 在THERMIE计划范围内，“欧共体”提供了部分资金以支持新方案的实施。
该计划分以下几步骤：
1)设立专门的石油公司设计队伍、钻井承包商和钻机制造商。
2)选择一台合适的液压驱动钻机。选用Soilmec研制的小型钻机，该钻机专用于钻水井。
3)成套使用，使投资最小，并借此验证最初概念的正确性。第一代钻机命名为G-100，并打算把它作为源于工程需要而设计的现行钻机样机。
4)现场测试，通过钻三口井(两口垂直井和一口斜井)，来评估钻机的技术状况和可靠性并获取设备效率和设备极限指标、技术规格等，作为以后设计G-125钻机作参考。测试之后，G-125于1996年7月开始投入使用。迄今为止已在意大利完成了一系列陆上钻井作业。目前Saitre钻机作业队正在使用G-125钻机。“艾德科”钻井承包方与Saign和Trevi (Soilmec's母公司)已达成国际性协议。
2 技术特征
该钻机由液压驱动，所有部件装在一个自行封闭的结构内，该结构一般不用拆卸。由于液压动力易于操作且运行平稳，因此人们更愿意用液压作为动力。用液压作为动力可伸缩钻台和竖起井架，装卸管子，旋转钻柱等。用液压油缸来控制井架伸缩，可大大地减少钻机的重量和长度，这样就可在标准公路上运输这种钻机。
现场施工时，在拖车上，由4个液压油缸实现钻台的升降，使钻台达到合适的高度(高度可达6.1m)。井架的起升由另外的一对油缸实现，上述操作只需45分钟。
同常规的钻机比较，这种钻机的升降操作容易并快捷。在钻机升降的同时，所有液压控制管线均安装完毕。井架能自动竖起，而无须防风绷绳。
竖直的管架系统和一个与钻机配套的摇臂吊车是该钻机的另一个新颖设计。所有管子都能用集装箱从基地贮运到井场。钻机周围共有12个集装箱，每个集装箱均装有3排，累计18根3-1/2″的钻杆。钻井深度可超过3 000m。钻机配有自动液压卡瓦和动力大钳。
由于井架配有钢丝绳和滑轮系统，从而使油缸的冲次增倍。井架起升高度可达16m, 可装卸3排套管和钻杆。此时最大的起升速度为1m/s.
装卸管子时，通常只需要2个人。
3 顶驱系统
顶驱由4个液压马达来完成，当转速为60rpm时，扭矩为3 600Kg/m。连接钻杆时，延伸并倾斜斜撑让顶驱与单根(从小鼠洞引出)相连，随后提升顶驱并与钻杆相连。
顶驱有一个用于提升并上紧套管的专用装置，确保钻机能独立安装套管。
套管插入井中同时充满泥浆。整个系统(钻盘和井架)的额定承载能力为160吨。液压系统的特征是“下推”等作用等效20吨的力。
钻机运行时, 噪音小。在施工现场测量最大合成噪音级为82db，更低的噪音级正在研究之中。4套隔音柴油发电机能提供1 600kW的电能。此外，液压钻机不要求标准刹车，标准刹车是典型的噪音来源且不容易消除。钻机装在一个3轴半拖挂上，重量为42吨。该钻机配有：11"×5000 PSI环形防喷器(BOP);11"×5000 PSI封闭/全封闭单闸板防喷器;11"×5000 PSI双闸板防喷器;13-5/8"×5000 PSI分流池。
钻井时，3台600马力的泵工作，充分保证钻机的最佳性能，第3台泵一般作为备用泵(因此缩短了停机时间)，同时也用于固井作业。上述作业需要1个散装水泥缓冲罐和2个混砂罐(容积分别为18m3和7 m3)，该钻机可单独进行固井作业。
钻机还集泥浆系统于一体，泥浆系统由3个泥浆罐(泥浆罐理论容积为122m3)和一个容积为50 m3辅助罐组成。该辅助罐既可作水泥罐也可作蓄水池。
泥浆清洗系统包括2个Brandt ATL1000振动筛，一个除气器和一个细岩屑联机M/V CD350离心机。
4 自动钻进
由于采用液压设计，钻井时很容易实现自动钻进。此外，从控制盘上可选择恒定或可变钻压、预设钻井速度或恒定扭矩。
司钻应保证设定参数的正确性。可设定报警和自动停止钻进以防异常情况发生。卡钻时，超载提升的预定值和，或扭矩能防止钻柱意外损坏。
一整套传感器控制主钻机功能，联机钻进参数数据采集系统在司钻控制台上显示实时信息，也能报警。钻进数据能在钻井办公室里显示并储存，钻井参数的硬拷贝可从回放或实时数据中复制。相同的数据可实时地反馈到公司钻进数据库中。
钻井队至少由10人组成，每天4人(钻井技师1名、机械工1名、电工1名、装卸工1名)，实行3人(司钻1名、助理司钻2名)2班制。
目前，该钻机正按合同要求在钻井。该合同还包括额外的服务项目(固井和上紧套管)。
5 主要设计优点
1)移运快捷
钻机安装和拆卸能节约时间35%～40%。如果搬移100000m, G-125在6天即可完成钻机的拆卸。搬移并安装钻机到新的施工地点。搬移时，需要28个标准装车。
2)结构紧凑
由于钻机较低，钻机外形尺寸可减小到30m×30m, 垂直管架系统能将包装好的管材从基地运输到井场。将需要的陆地空间减到最小，并缩短在钻机施工现场下套管和油管检测和准备时间。
3)良好的顶驱工作性能
在快钻进期间，液压保持良好工作性能，由于充分利用背部扩孔潜能，所以将起下钻时间降低到最短。
6 现场经验
1996年5月，新型G-125钻机已在意大利北部米兰附近完成了一系列7AGIP油井的作业任务，这标志着该钻机的工作性能达到了设计要求。Gisolo 1#为该钻机所钻的第一口井，该井也是一口丘林地区的垂向探井。总深度设计为3000m, 井眼尺寸为4-1/8″。使用A 3-1/2″的钻柱。就地理原因而言，6-1/8″相位加深从2 400m-2 510m。经测井后，确定停止钻进。各种阶段(相位)12-1/4″、8-1/2″和6-1/8″的钻进参数是满意的。下套管时间和井口操作和常规钻机性能相同。
San Gervasion 2 Dir井是一口斜井，最大偏斜度为53o。即使是最好的地面，完成钻进总深度为2 400m, 包括下3个套管钻柱这一任务，计划需要13天(309h), 然而，该钻机仅用了8天 (190h) ，就圆满地完成了任务。
钻井时间差不多缩短了40%。钻该井时，采用了一个紧凑型(组合型)井口，双层同心管开采时采用2″挠性油管完井。
开采第4口井(Cortemaggiore 57)和第5口井(Barzaniga 1)同开采其它井相比，有较大差别。因为不同的井眼直径和采用了其它的试验钻具。
钻第6口井时，机械钻速(Rate Of Penetration)从15m/h增加到35m/h，钻机深度从75m/天增加到300m/天。
此外，法定时间由钻第一口井的450h，而钻最后一口井仅要120h。(包括安装井口/防喷器装置、下套管和固井操作、起下钻、停机时间等等。)
同用常规钻机钻井估计成本相比，钻井成倍可下降12%～24%。
目前，G-125钻机正在Sicily作业，迄今该钻机已钻了3口井(Monteferrante 1和Acquavena, Fiume Salso 1Dir), 第四口井，Comunelli 1将于1998年3月31日开钻。
7 前景与展望
在操作性能、人事培训和现场等方面正在进行连续优化过程。由于第一台精密的样机良好的工作性能和设计经验。Saitre已经承担一个开发更好钻机的任务，该新型钻机叫G-200，到1998年第三季度将投入使用。
“G”型钻机的海上应用正处于评估中，它们可能从整体结构的修井机到安装在中间结构和多功能的船上。
8 结论
G-125型钻机能满足设计要求、并超过了所要求的技术指标。G-125型钻机设计的关键是减少重量和体积、增加自动化程度并减少施工人员。
操作方和承包方优势互补的协作，为发展新型钻机提供了良好的契机，该钻机能经济有效地钻浅井和中深井。
钻机设计论文 篇2
JDY-1500型全液压钻机卡盘的仿真分析及设计
对全液压动力头式钻机卡盘进行系统分析,给出了动力头卡盘的仿真参数之间的关系;提出了提高动力头卡盘精度的`建议;设计出了动力头卡盘的最佳方案.
作 者：于雪林 于萍 朱玉江 YU Xue-lin YU Ping ZHU Yu-jiang 作者单位：于雪林,于萍,YU Xue-lin,YU Ping(吉林大学机械科学与工程学院,吉林,长春,130061)朱玉江,ZHU Yu-jiang(兵器工业第五研究所,吉林,长春,130000)
刊 名：探矿工程-岩土钻掘工程 ISTIC英文刊名：EXPLORATION ENGINEERING(ROCK & SOIL DRILLING AND TUNNELING) 年，卷(期)：2008 35(5) 分类号：P634.3 关键词：全液压钻机 卡盘 仿真分析钻机设计论文 篇3
关键词：工况分析；主要参数；结构特点
中图分类号：TH137文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0178-03
1ZDY3200S全液压钻机的主要参数
根据市场调研，用户需求 ZDY3200S全液压钻机的主要技术参数为：
①回转参数。转速范围：50～175 r/ min； 扭矩范围：2300～850 N·m；主轴内径：75 mm。
②进给参数。给进行程：600 mm；给进力：102 kN；给进速度：0～0.22 m/s； 起拔力：70 kN；起拔速度：0～0.32 m/s。
③使用范围。钻孔深度：350/100 m；终孔直径：150/200 mm；钻杆直径：63.5/73 mm。
2液压系统的工况分析 （负载与运动）
ZDY3200S钻机的液压系统需执行三个功能回转、给进、夹持，三个功能分别由三个执行元件。一个执行元件是液压马达，为钻机提供回转部分的转速和转矩；一个执行元件是液压油缸，为钻机提供给进部分的给进力和起拔钻具的起拔力；另一个执行元件也是液压油缸，是夹持器、卡盘部分，提供夹持钻杆的夹紧力。
①钻机的回转部分。ZDY3200S钻机的回转为一档无级变速50～175 r/min，最大扭矩为3200 N·m。在变量泵—定量马达的回路中液压马达的输出转矩为：
Tm=Vm?驻pm?浊mm=Kml?驻pm=T （1）
式中：Tm为液压马达输出转矩；?浊mm为液压马达机械效率；Vm为液压马达排量；?驻pm为液压马达进、出口压力差；Km1=Vm?浊mm常数（认为?浊mm是常数）。
式（1）为变量泵—定量马达容积调速回路的转矩特性方程。因此在液压马达的输出部分连接了变速箱，回转传动经变速后输出。参考西安ZDY3200S钻机可知，变速箱部分是无级一档变速，齿轮箱部分的传动比初步设计分别为i1=2.535和i2=2.56，所以i=i1×i2=6.489，则取i=6.489。推算油马达输出的转速n和最大的转矩T。
n油马达输出=175×6.489=1 135.57 r/min （2）
T最大=3200÷6.489=493.14 N·m （3）
②钻机的给进部分。液压缸的负载，随着钻头的回转供给相应的给进力102 kN，给进速度为0～0.22 m/s；随着钻孔深度的增加,添加钻杆时快速回升卡盘时，所需的起拔速度0.32 m/s，起拔钻具时提供最大的起拔力70 kN。
③钻机的夹持部分。夹持结构为液压打开，碟弹夹紧。液压打开方式为油缸活塞形式。夹持油缸有一定的结构限制，油压只需打开碟形弹簧即可。
3液压系统主要参数
压力和流量是液压系统最主要的两个参数。根据这两个参数来计算和选择液压元件、辅助件和原动机的规格型号。
3.1初选系系统压力
初选系系统压力选定的是否合理，直接关系到整个系统压力统设计的合理性。在液压系统功率一定的情况下，若系统压力选得过低，则液压元、辅件的尺寸和重量就增加，系统造价也相应增加；若系统压力选得较高，则液压设备的重量、尺寸和造价会相应降低。然而,若系统压力选用过高，由于对制造液压元、辅件的材质、密封、制造精度等要求的提高，反而会增大或增加液压设备的尺寸、重量和造价，其系统效率和使用寿命也会相应下降，因此也不能一味追求高压。根据经验本钻机的液压系统工作压力选定为21 MPa。
3.2计算液压马达排量和液压缸尺寸
①计算液压马达排量。
（7）
式中：P1为液压缸的工作腔压力；P2为液压缸的回油腔压力；A1为液压缸无杆腔的有效面积，A1=?仔D2/4；A2为液压缸有杆腔的有效面积，A2=?仔（D2-d2）/4；D为液压缸内径；d为活塞杆直径；F0为液压缸的最大工作力；F为液压缸的最大外负载，无杆腔为工作腔时（起拔），F=70 kN，有杆腔为工作腔时（给进），F=102 kN；?浊nm为液压缸的机械效率，一般取（0.9～0.97），选取?浊nm=0.95。
为调节给进及起拔的速度，本钻机的液压系统回路上分别设有减压阀和节流阀。
根据液压回路特点选取背压的经验数据如表1所示。
选取本钻机的液压缸回路的背压为1 MPa。
杆径比（即活塞杆直径与活塞直径的比）d/D。
一般按下述原则选取：
当活塞杆受拉时，一般取d/D=0.3~0.5，当活塞杆受压时，为保证压杆的稳定性，一般取d/D=0.5~0.7。杆径比d/D还常常按液压缸的往返速比 i=v2 / v1（其中v2 、v1分别为液压缸正反行程速度）的要求来选取。其经验数据如表2所示。
由钻机的给进参数可知：
D=81.3 mm，d=44.7 mm。
参考表3、表4液压缸内径和活塞直径系列，选取本钻机的液压缸D/d为：
D=80 mm，d=50 mm （8）
4计算液压马达和液压缸所需流量
液压马达的最大流量为：
qmax=Vm nm max（9）
式中：qmax为液压马达最大流量，单位ml/min；Vm为液压马达排量，单位ml/r；nm max为液压马达最高转速参考工况分析部分，单位r/min。
由式（2）和（5）可得：
qmax=1135.57×163.95=185 767.9 ml/min
液压缸的最大流量为：
qmax=AVmax （10）
式中：A为液压缸的有效面积，A=?仔D2/4（m2）；Vmax为液压缸的最大速度（起拔钻杆时），此时回转器不工作，Vmax=0.32 m/s。
qmax=?仔×0.082/4×0.32=1.608×10-3m3/s
=96509.6 ml/min
在本钻机工作时，液压马达和液压缸是并联连接，而且液压马达和液压缸的流量不是同时达到最大。
在本钻机的液压系统中，由于变量泵产生的流量还将消耗于液压泵、液压马达、液压缸和阀等的内泄上，因而变量泵产生的流量，只有在满足泄漏外尚有多余时，才能使液压马达、液压缸建立起足够的压力、输出转矩和压力。以此来确定液压系统的最小流量qmin。
由于液压缸的最大流量大于液压马达的最大流量，选取液压执行元件的最大流量为96509.6 ml/min。
液压系统的最小流量，根据经验公式可算出：
qmax=96509.6 ml/min×（1+5％）=101335.1 ml/min （11）
5计算出液压马达和液压缸的总功率
液压马达和液压缸在钻机打孔时，给进和回转同时进行。液压系统的功率为：
（12）
式中：P为液压系统压力kgf / cm2；qmin为液压系统的最小流量m3/h。
P总功率=210×101 335.1×1×10-6×60/36.7=34.79 kW。
需要指出的是，式中的P仅是系统的静态压力。系统工作过程中存在过渡过程中的动态压力，其最大值往往比静态压力要大很多。所以选取液压泵的额定压力时应比系统最高压力大25%～60%，使液压泵有一定的压力储备。最高系统的压力储备宜取小值。中、低压系统的压力储备应取大值,本系统压力储备取大值。
6主要液压元件的选择
6.1液压马达
根据式（3）和（5）的计算结果需满足钻机的最大转矩，以液压马达的性能参数转矩、转速、工作压力等为依据进行选择。本钻机选用液压马达的参数为：V=160 ml/r。此马达为斜轴式变量马达。
6.2液压缸
根据式（8）的计算结果，参考液压缸的基本参数（负载、运动方式等）为依据进行选择。本钻机的液压缸选用80/50的车用液压油缸。
6.3液压泵
本钻机采用双泵系统，电动机直接带动主泵，主泵在经过皮带轮带动副泵，为整个系统提供油压。变量油泵和变量马达组合进行无级调速，转速和扭矩可在大范围内调整，提高了钻机对不同钻进工艺的适应能力。
①确定液压泵的工作压力。
PP=P1+?驻P
式中：P1为执行元件（液压马达）的最大工作压力；?驻P为液压泵出口到执行元件入口之间的压力损失。
?驻P=21+1=22 MPa。
②确定液压泵的流量。本钻机液压系统的执行元件液压马达和液压缸同时动作，但流量不同时达到最大。液压马达随着转矩的增大，工作压差随着增大，流量减小。
为液压系统最大工作压力；qp为液压泵流量；?浊P为液压泵总效率；容积效率与机械效率的乘积取0.86。
PP=220×89×10-3×60/46×0.86=26.69 kW
由转速及功率确定电动机的型号：YBK2-225S-4；电动机功率：37 kW；额定转速：1 480 r/min，验算符合假设电机转速的设定值。
7结论
按照选定型号的液压泵、液压马达、液压缸样本上的技术参数进行验算，能够达到本钻机要求的性能参数，系统温升可以得到控制。
参考文献:
正反循环钻机总体思路设计 篇4
1 总体功能原理设计
1.1 设计题目分析
1.2 功能模块分析
1.3 总体功能原理
2 总体技术任务拟定
2.1 非量化指标
2.2 量化指标
类比同类产品, 按照国家标准, 应当实现以下参数。
3 总体驱动方案设计
3.1 发动机选型
选用BF-V142柴油发电机组, 参数如下:
频率:50Hz;主用功率:104k W;备用功率:114k W;
尺寸:;柴油机:VOLVO TD520GE
3.2 总体驱动方案
1) 可选驱动方案
(1) 内燃机——机械驱动
(2) 内燃机——电力驱动
(3) 内燃机——液压驱动
(4) 内燃机——液力——机械驱动
2) 确定驱动方案
(1) 钻进作业驱动方案
内燃机——电力——机械驱动
(2) 起升作业驱动方案
内燃机——电力——机械驱动
(3) 底盘驱动方案
内燃机——电力——液力——机械驱动
3) 总体驱动原理
(1) 总体驱动框图[4]
(2) 总体驱动原理描述
该驱动方案的动力传动分钻进作业、卷扬提升和底盘驱动系统三部分, 以及泥浆泵和真空泵辅助系统。所有的系统均由电动机来驱动。
4 结束语
笔者总体思路上设计了一台正反循环钻机, 对钻机的钻进性能进行了很好的改进。
参考文献
[1]李振亚.我国冲击反循环桩孔钻机的现状与发展[J].探矿工程, 2001, (1) .
[2]曾国辉, 沈培, 岳鸿, 等.浅谈S-500泵吸反循环钻机的施工工艺[J].西部探矿工程, 2006, (9) .
[3]胡定成.CFZ-1500型冲击反循环钻机研制中的几个问题.探矿工程[J].2000, (2) .
钻机设计论文 篇5
摘要：旋挖钻机是钻土及破碎基层成孔施工效率高，但对于较完整、裂隙不发育的中～硬质的岩层，旋挖钻机效率低。长螺旋潜孔锤钻机“吃硬不吃软”，钻岩快，钻土慢。文章着重介绍用长螺旋潜孔锤钻机与旋挖钻机组合在硬质岩地区施工，较好地克服了两种机械的不足，施工工艺技术完善，施工质量可靠，缩短工期，节约施工成本。
关键词：旋挖钻机;长螺旋潜孔锤;硬质岩
旋挖钻机是国内广泛应用在桩基础成孔作业中的一种施工机械，在土层及破碎岩层中成孔施工效率高，但对于较完整、裂隙不发育的中～硬质的岩层，旋挖钻机效率低，钻头更换频繁，钻齿磨损严重，进尺慢，钻进过程中需要很大的.钻压和输出扭矩，对钻机的损耗大，成本高，施工经济性较差。长螺旋潜孔锤钻机利用压缩空气驱动潜孔锤缸体内的活塞，高频冲击潜孔锤钻头，使之产生较大的冲击力，从而对岩石施以粉碎性破坏，是破碎岩石的最有效手段，但潜孔锤“吃硬不吃软”，钻粘质土层时粘土容易堵塞底部气孔，造成钻土效率低。因此，长螺旋潜孔锤钻机与旋挖钻机组合在硬质岩地区施工较好地克服了两种机械的不足，提高施工质量、效率，节约施工成本。
1.特点
1.1施工效率高。目前国内遇坚硬岩成孔方法主要为旋挖钻机、冲孔桩机和长螺旋潜孔锤钻机成孔三种。冲孔桩机成孔施工效率低，需要的泥浆多，环境污染严重，旋挖机钻坚硬岩石效率低，钻头磨损大，成本高，但钻土效率高，而长螺旋潜孔锤钻机钻土效率低，但破碎较完整、裂隙不发育的中、硬质的岩石的效率高，因此，将长螺旋潜孔锤钻机与旋挖钻机两种成孔工艺相结合，扬长避短，联合施工，综合利用施工场地，提高施工效率。
1.2成本低。潜孔锤的球齿采用硬质合金钻头，在坚硬岩石中使用，既有利于破岩，又有比金刚石钻头寿命高的适应性，大大降低了钻头成本。
1.3质量保证。长螺旋潜孔锤钻机因钻具转速低，钻具对孔壁的碰撞机会较少，而且钻进方法是以高频对孔底冲击，消除了岩石或倾斜地层产生孔斜的影响，从而提高钻孔的垂直度，同时，也可减少孔壁岩石坍塌。
1.4环保。潜孔锤钻进采用的无循环干式作业，空气既作为动力又作为排渣介质，不污染环境。
2.适用范围
2.1适用于各类房建及桥梁工程桩、各类支护桩、各类地基改良处理及山体滑坡防治等工程领域，范围涵盖大部分广西硬质岩地区，适用范围相当广。
2.2适用于桩径中1200以下，岩石抗压强度60Mpa以上，钻岩石深度3m以上。
3.工艺原理
长螺旋潜孔锤钻机与旋挖钻机组合在硬质岩地区施工是将旋挖钻孔和长螺旋潜孔锤成孔两种成孔工艺相配合，根据项目岩土工程勘察资料，旋挖钻孔主要用于填土、粘土、粉土、砂性土、砂卵砾石层等软土，可较大程度提高成孔速度;长螺旋潜孔锤成孔主要用于较完整、裂隙不发育的中、硬质的灰岩。两种成孔工艺配合使用，扬长避短，处理效果好，节约成本和工期。
4.操作要点
4.1旋挖钻机钻孔。钻机钻头对准十字线交点，符合要求后开始钻进，采取隔二、三个桩的跳桩且大于3倍桩直径钻孔方式。开始钻进时，适当控制进尺，低档慢速钻进。钻至护壁刃脚下1m后，可按土质以正常速度钻进。在钻进过程中，不可进尺太快，尤其碰到孔内一边土，一边孤石时，不能加压钻进，以免钻头偏离，以致偏孔。在粘土中钻进，钻锥所受阻力大，则选用尖底钻锥、中等转速、大泵量钻进。钻进过程中，每进尺2～3m，检查钻孔直径和垂直度，当钻至岩石层面时停钻。
4.2螺杆式压缩机与潜孔锤的连接。螺杆式压缩机采用高压胶管与配气装置――空气储气罐(下图中红色装置)连接，空气储气罐通过胶管连接至长螺旋钻机顶部动力头，通过动力头下放胶管至潜孑L锤底部，要求连接部位密封，避免因风量的下降而影响潜孔锤正常工作。
4.3潜孔锤钻孔。(1)风压。启动空气压缩机，风压控制在0.8Mpa-1.5Mpa，潜孑L锤旋转振动，开动钻机内外动力头进行冲钻。为防止偏孔，开始时慢速冲击。(2)钻压。长螺旋潜孔锤全面钻进时，钻压在41-68N/cm2。钻压是为保证钻头齿与岩石紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹力，以便有效地传递来自冲击器的冲击力。(3)钻速。长螺旋潜孔锤钻进是以冲击岩石成孔，钻进时，控制回转速度，改变钻头合金的冲击破岩位置，避免重复破碎，转速过高会造成钻头严重磨损和钻进效率降低。因此，钻速选择在20-50转，分，岩石强度高的选用低转速，岩石强度偏低的选用较高转速。(4)钻进。冲钻过程中采用匀速慢进，遇阻力大时潜孔锤向上提升，提升距离约0.30-0.50m，再次随旋转振动冲击进尺。潜孔锤一面冲击钻进，一面同时排渣，直至孔深达到设计要求。(5)排渣清孔。长螺旋潜孔锤钻至终孔条件后，经业主、监理、勘察及设计等单位验收确认。空压机气压达到8-12Mpa压力清孔2-3分钟，随螺旋杆提升排除沉渣。在放钢筋笼之前，若发现有掉渣或塌孔，需再用旋挖钻机清孔钻具对孔底沉渣进行反复捞取。采用标定测绳，测绳采用钢丝测绳，20m以内测锤重2Kg，20m以上测锤重3Kg，测绳上附有刻度，通过测绳来测定孔深及沉渣厚度。
5.材料与设备
5.1材料。截齿捞沙钻具、清孔钻具、高压气管、钢丝测绳等。
5.2施工机械设备。螺杆式压缩机(JF-200A 20.5/1.3)、长螺旋潜孔锤钻机、旋挖钻机、空气储气罐、反铲挖掘机等。
6.质量控制
6.1成孔质量控制要点。(1)成孔前为保证桩的垂直度，需前后、左右调整钻机的水平度。(2)为控制桩位偏差，成孔前用仪器精确定出桩位中心点，每个桩位上插上标记，开钻时，钻头中心对准标记方可开钻。
6.2旋挖机钻孔质量控制。通过钻机本身自带的仪器，从X-Y两个方向对钻孔的垂直度进行检查较正，倾斜度不得大于1%。
6.3潜孔锤钻孔垂直度控制。(1)安装钻机时，要使转盘、底座水平，起重滑轮、固定钻杆的卡孔和护筒中心三者在一条竖直线上，钻杆、接头逐个检查，及时调正。(2)每次移机就位后，根据场地软硬情况，调整千斤顶、底座，机械调平调直后开时钻进。钻孔过程中，随时量测吊线与桩机塔架上的垂直度标识角度，发现垂直度偏差大于1%时，调整四个立脚千斤顶，使垂直度标识回位到标记点。(3)启对螺杆式压缩机驱动潜孔锤开钻时，应低速钻进，并经常复核钻杆的垂直度，及时调整。(4)桩孔垂直度控制在1%内。
6.4沉渣控制。钻进至桩孔深度后，使用截齿捞沙斗在不加压的情况下空转数圈，使得桩底尽量平坦，便于清渣。然后采用平底清孔钻具反复清渣，直至沉渣达到设计要求。沉渣验收合格后，立刻下放钢筋笼灌，减少悬浮颗粒下沉。
7.结语
钻机设计论文 篇6
【关键词】旋挖钻机；冲击钻机；泥浆
【Abstract】Bored piles in the construction process because of more links， environment， climate， equipment and operation of any one or several aspects of improper handling can cause very serious consequences. Analysis often problems and prevention， treatment measures for the early identification and prevention of all aspects of the quality of hidden dangers， and ultimately ensure the quality of piles， plays a very important role.
【Key words】Rotary drilling rig；Impact drill
1. 前言
有些鉆孔灌注桩工程由于地质原因，仅用冲击钻机成孔，即耗费材料又延长了工期；仅用旋挖钻机成孔，还难以完成，这样用旋挖钻机和冲击钻机合成孔，弥补了单独用一种设备施工的缺点，即节省了施工成本又缩短了工期，大大提高了施工效率。两种设备成孔增大了出现质量问题的风险，分析常出现的问题及预防处理措施，对于提前查明并预防各个环节的质量隐患，最终保证成桩质量，起到非常重要的作用。
2. 旋挖钻机成孔中常出现的问题及预防处理
2.1 塌孔。
2.1.1 产生的原因：泥浆比重不够及其性能指标不符合要求，使孔壁未形成坚实泥皮；护筒埋置太浅，下端孔口漏水；由于掏渣后未及时补充泥浆，沙砾等强渣地层，泥浆流失造成水头高度不够；松散砂层中进度太快；提钻头、下放钢筋笼碰撞孔壁。
2.1.2 预防和处理措施：在松散沙层中钻进时要严格控制进尺，投入粘土膏等挤入孔壁起护壁作用；发生孔口坍塌时，拔出护筒用粘土回填，重新埋设再钻；发生孔内坍塌时，判明其位置，用砂和粘土回填到塌孔处以上1～2米，沉淀物密实后再钻；清孔指定专人补浆，吊入钢筋笼时应对准钻孔中心竖直放入。
2.2 钻孔倾斜。
2.2.1 产生原因：钻孔中遇到较大孤石；扩孔较大处，钻头摆动偏向一方；在有倾斜度的软硬交界处钻头受力不均；钻机底座不水平，钻杆弯曲。
2.2.2 预防和处理措施：遇到孤石或倾斜的软硬地层钻进时，低速钻进，控制进尺；经常检查钻机底座水平，钻杆接头，并及时调整。
2.3 扩径。
2.3.1 产生原因：孔壁坍塌。
2.3.2 预防和处理措施：局部扩径不影响钻进至设计标高可不处理；若扩径后继续坍塌，按塌孔处理。
2.4 缩径。
2.4.1 产生原因：钻头严重磨损或软塑土遇水膨胀；
2.4.2 预防和处理措施：及时焊补钻头，上下反复扫孔以至扩大孔径。
2.5 掉钻落物。
2.5.1 产生原因：卡钻时强扭；钻杆疲劳断裂；操作不当，使不应反转的钻机反转，钻杆松脱。
2.5.2 预防和处理措施：开钻前清除孔内杂物，用电磁铁或其它方法；经常检查钻具、钻杆、钢丝绳和连接装置；采用打捞钩、打捞叉吊出。
3. 冲击钻机成孔中常出现的问题及预防处理办法
3.1 塌孔。
3.1.1 产生原因：泥浆比重不当，水头高度不高，冲程较大等，都容易引起塌孔。
3.1.2 预防和处理办法：选用高质量的粘土泥浆，如果是砂层宜用比重大，黏度高的泥浆。在钻进中孔内应保持足够的水头高度，埋设护筒要符合规定要求，终孔后应仍保持一定的水头，并及时灌注水下砼。如发生孔口坍塌时，应立即拆除护筒，并回填钻孔，重新埋设护筒后再钻进。发生孔内坍塌时，可向孔内投入土块夹小片石重新钻孔，采用低锤冲击将土块和小片石挤入孔壁制止塌孔。
3.2 钻孔倾斜弯曲。
3.2.1 产生原因：产生偏斜原因主要有地质条件、技术措施和操作方法三个方面的问题。
3.2.2 预防方法：安装钻机时，钻机支架要水平，钢丝绳中心同桩中心在同一垂直线上；钻进过程中应经常检查钢丝绳中心、桩中心和钻机中心是否在同一直线上；遇到倾斜的软硬地质特别是有软到硬地段应吊住冲击锤控制进尺；加强技术管理，经常检查钻孔情况，发现偏斜立即纠正。
3.2.3 处理方法：应采用回填粘土加硬质小石块到倾斜的位置上，待沉积密实后，小冲程缓缓重新钻孔校正。
4. 钻孔漏浆
4.1 漏浆原因：透水性强的砾砂或流沙层中，过稀的泥浆向孔壁外漏失严重；埋设护筒时，回填土夯实不够或护筒制作不好，接缝不严密或焊缝有砂眼等造成漏浆。
4.2 处理方法：发现漏浆时，首先应集中力量加浆，保持必要水头，然后根据漏浆原因决定处理方法。
5. 水下混凝土灌注容易出现的问题及预防处理方法
5.1 钢筋笼上浮 ：在浇筑混凝土时，有时钢筋笼会发生上浮，其原因及相应对策如下。
5.1.1 由于混凝土灌注过钢筋笼且导管埋深较大时，其上层混凝土因浇注时间较长，已接近初凝，表面形成硬壳，混凝土与钢筋笼有一定的握裹力，如此时导管底端未及时提到钢筋笼底部以上，混凝土在导管流出后将以一定的速度向上顶升，同时也带动钢筋笼上升。当此类现象发生时，应立即停止灌注混凝土，并准确计算导管埋深和已浇混凝土面的标高，提升导管后再进行浇注，上浮现象即可消失。
5.1.2 钢筋笼放置初始位置过高，混凝土流动性过小，导管在混凝土中埋置深度过大钢筋笼被混凝土拖顶上升。 钢筋笼初始位置应定位准确，并与孔口固定牢固。加快混凝土灌注速度，缩短灌注时间，或掺外加剂，防止混凝土顶层进入钢筋笼时流动性变小，混凝土接近笼时，控制导管埋深在1.5～2.0m。
5.2 桩底沉渣量过多。
5.2.1 清孔是灌注桩施工中保证成桩质量的重要环节，通过清孔应尽可能的使桩孔中的沉渣全部清除，使混凝土与岩基结合完好，提高桩基的承载力。施工中发生桩底沉渣的主要原因及处理的措施如下：渣过多主要由于施工中违犯操作规定，清孔不干净或未进行二次清孔造成的；施工中应保证灌注桩成孔后，等待一段时间，当沉渣沉入孔底，用撈砂钻慢慢放入孔底，捞出孔底的沉渣。
5.2.2 当使用的泥浆比重过小或泥浆注入量不足时，桩底的沉渣浮起困难，沉渣将堆积在桩底，影响桩与持力层的结合。工程中需采用性能较好的泥浆，控制泥浆的比重和粘度，不能用清水进行置换。
5.2.3 钢筋笼吊放过程中，如果钢筋笼的轴向位置未对准孔位，将会发生碰撞孔壁的事故，孔壁的泥土会坍落在桩底；因此，钢筋笼吊放时，务必使钢筋笼的中心与桩中心保持一致，避免碰撞孔壁。在钢筋笼的加工工艺上，可选用冷压接头工艺加快对接钢筋笼速度，减少空孔时间，从而减少沉渣。下完钢筋笼后，检查沉渣量，如沉渣量超过规范要求，则应利用导管进行二次清孔。
5.2.4 清孔后，待灌时间过长，致使泥浆沉积。开始灌注混凝土时，导管底部至孔底的距离宜为30～40mm，应有足够的混凝土储备量，使导管一次埋入混凝土面以下1.0m以上，以利用混凝土的巨大冲击力溅除孔底沉渣，达到清除孔底沉渣的目的。
5.3 导管进水。
（1）在浇注混凝土过程中，有时会发生由于过量上提导管，使接头部分产生漏水等情况，将造成混凝土离析、流动等质量事故，在桩身上留下致命的质量隐患。因此要严格施工管理，不得发生泥浆水进入导管的质量事故。一旦生发上述事故，可采取如下的处理措施：
（2）浇筑混凝土之前，若发现导管口出现漏水现象时，应立即提起到导管进行检查，对漏水部位进行严格的防水处理后，再重新放入桩孔中，建筑混凝土。
（3）在任何情况下，都应该尽可能的将导管底部深深的埋在混凝土中，当发现导管上提明显过量时，应迅速将导管插到混凝土中，利用小型水泵或小口径的抽水设备，将导管中的水抽到之后，再继续浇筑混凝土。
5.4 断桩 ：由于混凝土凝固后不连续，中间被冲洗液等疏松体及泥土填充形成间断桩。造成原因及防治措施如下。
5.4.1 施工中若发生导管底端距孔底过远，则混凝土被冲洗液稀释，使水灰比增大，造成混凝土不凝固，形成混凝土桩体与基岩之间被不凝固的混凝土填充。事故的发生，桩孔钻成后，必须认真清孔，一般是采用冲洗液清孔，冲孔时间应根据孔内沉渣情况而定，冲孔后要及时灌注混凝土，避免孔底沉渣超过规范规定。这就要求在灌注混凝土前，应认真进行孔径测量，准确算出全孔及首次混凝土灌注量。
5.4.2 在浇注混凝土时，由于导管提升和起拔过多，露出混凝土面，或因停电、待料等原因造成夹渣，出现桩身中岩渣沉积成层，将混凝土桩上下分开的现象。
施工中应明确规定，混凝土浇注过程中，一旦开始浇筑工序，一定要连续完成改作业，确保在混凝土初凝时间内连续浇注，在灌注混凝土过程中应避免停电、停水。并随时控制混凝土面的标高和导管的埋深，提升导管要准确可靠，严格遵守操作规程。
5.4.3 施工中还会发生浇注混凝土时，没有从导管内灌入，而采用从孔口直接倒入的办法灌注混凝土，产生混凝土离析造成凝固后不密实坚硬，个别孔段出现疏松、空洞的现象。
因此，施工要求中要严格确定混凝土的配合比，使混凝土有良好的和易性和流动性，坍落度亦满足灌注要求。灌注混凝土应从导管内灌入，要求灌注过程连续、快速，准备灌注的混凝土要足量， 避免埋下质量事故的隐患。
6. 结束语
钻孔灌注桩的整个施工过程都是隐蔽工作，每道工序都必须从严要求，保证施工质量， 任何一道工序出现问题都将带来严重的后果。因此，要保证钻孔灌注桩的施工质量，必须选择先进的设备，合格的施工人员，严格把握每道工序质量，现场指挥人员具有周密的组织协调能力，有高度的责任心，各部门全面配合，做到精益求精，才能保证结构工程质量。
参考文献
[1] 《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011.
[2] 《建筑地基处理计术规范》JGJ79-2012.
[3] 《建筑桩基计术规范》JGJ94-2008.
[4] 《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG_D63-2007.
[5] 《道路桥梁工程施工手册》（中国建筑工程出版社）.
[6] 《地基处理手册》（中国建筑工业出版社）.
石油钻机井架防雷系统设计研究 篇7
石油钻机作业场所大多处于平原、戈壁、沙漠等旷野地带, 且钻机井架 (连同钻台、天车) 高度都超过30 m, 矗立在野外, 相对孤立, 在雷雨天很容易遭受雷击。钻井作业时大部分工作人员都处于钻台、固控系统上, 雷击对作业人员的人身安全风险很高;还有井架等钢结构件通常与钻机所有的电气设备外壳作等电位联接, 如果井架防雷做得不好, 雷击电磁脉冲和雷电波有可能会对钻机的供配电、仪表及通讯等系统造成危害, 这会严重影响钻井正常的作业。因此, 为钻机井架设计一套安全可靠的防雷系统势在必行。
1 概述
石油钻机井架防雷系统是整个钻机防雷的重要部分, 主要是防止击雷, 系统由接闪器 (独立的避雷针) 、接地引下线和接地极三部分串联组成。接闪器安装在井架顶部的天车上, 通过接地引下线将接闪器与接地极联接起来。接闪器的顶尖必须高于天车最高点一定的高度, 这样才能吸引雷电, 使雷云向接闪器放电, 这时强大的雷电流会通过接地引下线和接地极流散到大地, 使被保护的钻机相关设备免遭雷击。
2 系统设计
2.1 防雷要求分类
钻井作业时, 钻机井架、底座附近个别区域存在一定的危险气体, 但周围敞开, 通风良好, 危险气体混合物容易扩散, 发生雷击时, 一旦点燃, 爆压很低, 不易造成大的危害。因此, 参考《石油化工装置防雷设计规范》 (GB50650-2011) 和《建筑物防雷设计规范》 (GB50057-2010) , 本文将钻机井架认定为第二类防雷建筑物。
2.2 避雷针选型
避雷针的防雷原理为:在雷雨天气, 被保护物上空出现带电云层时, 避雷针和被保护物顶部都被感应上大量电荷, 静电感应时, 避雷针尖端就聚集了大部分电荷;当云层上电荷较多时, 避雷针与云层之间的空气很容易被击穿, 成为导体, 这样就使带电云层与避雷针形成通路, 而避雷针通过引下线接入地下, 就可以把云层上的电荷导入大地, 使其不对被保护物构成危险, 保证了保护对象的安全。
传统的避雷针有以下缺陷:1) 保护范围不确定, 有绕击发生;2) 有反击发生;3) 产生较高的接触电压及跨步电压;4) 在引雷过程中会形成较高的感应过电压, 因此对钻机的通讯装置、控制系统、仪表等弱电设备危害较大。
本设计选用具有提前放电功能的避雷针作为接闪器, 由接闪针、触发器、绝缘连接管等部分组成。提前放电避雷针在传统避雷针的基础上增加了一个主动触发系统, 这个触发系统能建立起重复的高压脉冲信号, 在放电过程中适时产生一个连续的放电路径与雷云的下行先导会合, 把雷电流引入大地。提前放电避雷针通过一个脉冲变压器和振荡器的结合实现了以严格控制的频率和幅度发射高压信号的技术;它的能量来自静电场与电磁场并转化成高压信号送到针尖, 产生大量的电离子, 这种功能使提前放电避雷针发出的一行先导提前行至远离避雷针数十米甚至上百米处与来自雷云的下行先导接闪, 从而扩大了避雷针的保护范围。一次引发也可能是不成功的, 多次引发总是可以成功的。在一个不成功的向上先导发展停止以后, 储能装置立即恢复到接收能量的状态, 放电留下的残余电荷在停歇的瞬间迅速消失, 在外界电场没有减弱的情况下, 下一次动作又继续。整个过程极短, 而且在电场愈高时, 动作频率愈高, 保证了引发的可靠性。所选避雷针具体参数为:接闪针材料为不锈钢, 尺寸为Φ14×270 mm;通流量为300 k A (10/350μs) ;提前接闪时间△TB=45μs;幅值衰减率幅值不小于82%;陡度衰减倍率不小于35;限流阻抗值不大于2Ω;抗风等级为12级。
2.3 避雷针保护范围计算
“滚球法”是国际电工委员会 (IEC) 推荐的计算避雷针保护范围的方法之一, 《建筑物防雷设计规范》 (GB50057-2010) 也把“滚球法”强制作为计算避雷针保护范围的方法。“滚球法”是以hr为半径的一个球体沿需要防止雷击的部位滚动, 当球体只触及接闪器 (包括被用作接闪器的金属物) 或只触及接闪器及地面 (包括与大地接触并能承受雷击的金属物) , 而不触及需要保护的部位时, 则该部分就得到了接闪器的保护。当采用避雷针作为接闪器时, 应按表1规定的不同建筑防雷级别的滚球半径计算避雷针的保护范围。
按照滚球法, 单支避雷针 (接闪器) 的保护范围应该按照以下方法确定:
1) 当避雷针的高度h小于或等于滚球半径hr时, 避雷针在被保护物高度hx平面上的保护半径rx由式 (1) 确定, 在地面的保护半径r0由式 (2) 确定:
2) 当避雷针的高度h大于滚球半径hr时, 避雷针在被保护物高度hx平面上的保护半径rx由式 (3) 确定, 在地面的保护半径r0由式 (4) 确定:
以5000 m钻机为例计算避雷针的保护范围。钻台高度为9 m, 井架 (连同天车) 高度为49.5 m, 总高度为58.5 m, 即hx=58.5 m;假设避雷针尖高出天车2 m, 那么避雷针的高度h=60.5 m。由于井架避雷系统按第二类防雷建筑考虑, 所以hr=45 m[2]。显然h>hr, 适合用式 (3) 、式 (4) 分别确定rx和r0, 于是由式 (3) 可得由式 (4) 可得r0=45 m。
由钻机结构可知, 井架及底座所有部分没有超出保护半径的范围, 也就是说在避雷针的保护范围内, 所以是安全的。
根据上述公式以及假设条件, 计算了不同规格钻机的rx和r0, 如表2所示。
从表2可以看出, 3000和4000两个型号钻机, 井架总高度接近滚球半径45 m, 故rx较小, 保护范围不能完全覆盖天车。要想扩大保护范围, 需要采用双支避雷针或在天车上增加避雷带。
2.4 接地引下线设计
井架防雷系统不能直接用钢结构的井架体作为引下线, 因为钻井作业时作业人员有可能触碰井架, 一旦发生雷击, 对人可造成电位反击, 所以必须设计专门的引下线。根据《建筑物防雷设计规范》 (GB50057-2010) , 引下线可以采用准15 mm的热浸镀锌圆钢, 左右井架每段各设置一条引下线[1]。为了方便拆装, 井架各段之间的引下线间通过1×50 mm2的铜电缆连接 (如图2所示) ;为了使引下线与井架彻底绝缘, 井架上安装绝缘卡箍 (带特制的防雷绝缘子) 用于固定引下线 (放大图如图3所示) 。在最上端, 引下线通过1×50 mm2的铜电缆与避雷针管连接;在钻机底座附近距地面0.3~1.8 m处设断接卡[2], 通过1×50 mm2的铜电缆与接地极连接。
2.5 接地极设计
接地极的作用是承载避雷针系统引导的雷电流并尽快通过低阻抗通道进入大地, 减少因雷电流流过地面使得地电位升高, 产生跨步电压或地电位反击。钻机接地体的设计要考虑钻井作业流动性大和工期短, 野外山区埋设困难, 土壤电阻率高等因素, 能方便安装和循环使用。具体的做法是, 在钻机底座两侧地面, 分别设菱形接地网作为接地极。菱形接地网如图4所示, 采用4根准14 mm×2500 mm热镀锌圆钢垂直埋设, 间距5 m[2], 之间用1×50 mm2的铜电缆互相连接, 埋入地下的深度不得小于0.5 m[2], 降阻剂使用饱和浓度的盐水, 确保接地电阻在10Ω之内。接地极通过1×50 mm2的铜电缆最终与钻机井场公共接地网连接, 以减少作业区域内的跨步电压, 防止地电位反击。
3 井架防雷系统的安装
3.1 防雷系统在井架及天车上安装示意图 (如图1)
3.2 接地极安装布置示意图 (如图4)
4 系统特点
1) 用提前放电功能的避雷针作为接闪器, 保护范围更大, 防雷效果更可靠。
2) 使用双引下线, 引流效果明显;并且能做到与井架金属构件的完全绝缘, 能有效避免雷电流可能对人造成的电位反击, 安全系数高。
3) 整套装置经济实用, 安装、拆卸简单。目前已经在上百套钻机井架上进行了安装, 现场反映效果良好。
5 井架避雷系统安装注意事项
1) 提前在天车上预留避雷针安装接口, 避雷针应垂直安装牢固, 垂直度允许偏差为3/1000;在一些风大的区域, 避雷针管要配备安全绳, 与天车本体可靠联接, 能预防意外坠落。
2) 避雷针顶尖高出天车最高点2 m为宜[1], 能确保避雷针有最大的保护角。
3) 在接地极附近, 10 m的范围内, 由于跨步电压甚高, 雷电天气人员接近时有触电的危险, 所以接地极的埋设位置必须选择在没有人员活动的区域。接地极埋设得尽量深些, 地面裸露的部分要套上绝缘橡胶管。
6 结语
石油钻机作为大型设备, 集各种强弱电、机械设备于一体, 对雷电的防护是个系统工程, 井架防雷只是其中一个重要方面, 除了安装必要的防雷装置外, 还需要加强对钻机井场作业人员雷电防护知识培训, 定期对防雷装置进行检测、维护, 才能使防雷装置发挥很好的作用, 确保人员和设备安全。
摘要：介绍了石油钻机井架避雷针防雷原理, 根据相关标准对常见的钻机井架避雷系统进行了设计, 利用滚球法对避雷针的保护范围进行了详细计算, 给出了钻机井架避雷系统安装的结构示意图, 并指出了相关注意事项。
石油钻机防砂棚的设计 篇8
为了抵抗沙尘暴, 抵御寒风与烈日, 遮挡大雪与暴雨, 实现野外钻井的持续作业, 设计制造石油钻机防砂棚。该防砂棚针对钻机设备摆放的具体位置分为钻台上围、钻台下围, 循环罐区三部分。主要部件采用适宜的方钢管作为骨架材料, 采用具有耐油, 耐腐蚀质地结实, 轻巧柔软的蓬布作为骨架外围, 将井架及循环井场包围起来, 形成一个野外工房。这样就给工人创造了个良好工作环境, 在室内操作, 大大降低了劳动强度, 同时也对钻井设备进行了有效的保护, 防止设备的老化。
2 整体布局设计
防砂棚要尽量将循环灌区形成个密封的室内空间, 所以整体布局采用类似古建筑的“人字型”房屋造型, 在立柱顶部插接人字梁, 人字梁具有三角形的稳固性, 而且适合雨水流淌。由于井队长期在野外流动式作业, 所以防砂棚在安全可靠的基础上要保证安装简单, 拆卸方便, 能重复多次使用, 零部件少, 易损件少, 所以整体骨架的立柱采用方钢管, 立柱与立柱之间, 人字梁与人字梁之间也用插接式拉筋连接, 使整个防砂棚连为一体. (见附图) 根据现场循环池子高度循环罐区立柱为6m高。
根据井架底座及钻台的结构, 钻台下围立柱为8.5m高, 将井架底座抱住, 不需要搭建屋顶, 蓬布低部留有门窗, 方便出进和光线透入。钻台上游车经常上下活动, 也不需要搭建屋顶, 立柱高度比偏房多出一定高度, 使烈风难以直接吹入或高压气旋难以透入, 根据现场经验及现场安全设计高为4m。
2.1 基础处理
为了使防砂棚具有稳固的基础, 就必须进行预先基础处理, 保证所有的立柱立在同一水平面上。以前许多厂家采用水泥预制块基础, 安装稳定性, 水平高度均能保证, 但仅仅水泥预制块随井队设备搬家托运, 非常笨重, 运费昂贵。所以吸取前人的教训, 结合井队实际我们采用一次性水泥基础, 按照井队设备基础图和设备摆放图放线淤埋预埋件, 再在预埋件平面上焊接方形丝母座, 要求所有预埋件顶面在同一平面, 且平面度不小于3mm。钻台上围直接在钻台平面上焊接与法兰连接的方形丝母座, 用以固定立柱。
2.2 立柱、拉筋结构设计
立柱相当于构造房屋的柱子, 承受整个屋顶的重量。因为立柱与拉筋采用插接式连接, 实现了快速安装、拆卸并能多次重复使用, 所以立柱选料为方钢管, 在其低部焊接与预埋件连接的方形配套法兰, 在中间适当位置焊接插套。在焊接时必须保证插套与立柱的垂直度。为了便于安装, 不会导致造成错误安装, 对立柱拉筋进行编号X (循环) —※※。拉筋也设计成与立柱插接方便的形状, 便于现场安装拆卸。在泵房与循环池子之间, 循环池子与备用灌区之间人字梁屋沿相重合, 采用公用立柱, 这样减少了立柱数量, 使结构更加简单。立柱与人字梁的连接除了在立柱顶部插接外, 还要用斜拉筋连接, 保障其更加稳固。根据拉筋方钢管的承受能力立柱与立柱的间距为三米比较适宜, 但是在实际操作中, 要避开与高架槽子发生冲突, 可尽量立柱保持间距分布均匀在三米左右。
拉筋采用与立柱插接式配套的结构, 虽然特别简单, 但是为了保证装配的配合间隙, 拉筋在焊接时必须采用专用模具, 克服人为误差, 将拉筋主体按照图纸尺寸卡在模具之内, 然后再焊接两端的插管, 保证长短尺寸及拉筋主体与插管的垂直度。
2.3 屋顶人字梁的设计
屋顶人字梁是防砂棚的关键部件之一, 相当于房屋的大梁。人字梁将整个立柱拉在一起形成了有机的整体。人字梁采用整体三角型与局部三角形使得有更好的稳定性能。虽然人字梁紧承受自重和蓬布的自重, 但是跨距较大, 很容易弯曲变形甚至剪断, 所以选料与跨距的设计要特别注意。
3 关键部位相关设计计算
3.1 人字梁设计计算
人字梁是关键部件之一, 起着承上启下的作用, 也是危险点, 所以启受力分析有为重要。最大跨距人字梁为13米, 其重量:
P=8.129×13×9.8=1035.6N, 剪力Q=P/2=517.8N
其剪力图:
弯矩图如下:
3.1.1 弯曲正应力强度校核
最大弯矩为:
弯曲正应力为:
满足弯曲正应力强度条件。
W Z为抗弯截面系数, 可查《机械设计手册》得知, 也可通过计算得知。
W Z= (B H³-b h³) /H, 对于方钢管, WZ= (B·B³-b·b³) /H
B为方钢管边长, h为方钢管内方孔边长。
[δ]为许用弯曲正应力, 可查《机械设计手册》得知。
3.1.2 弯曲剪应力强度校核
满足弯曲剪应力强度条件。
Q—人字梁截面上的剪力
S﹡—横截面对中性轴的静矩 (可查手册, 也可通过计算获得)
I z—横截面队中性轴的惯性矩 (可查手册, 也可通过计算获得)
b—横截面要求剪应力处的宽度
人字梁既满足弯曲正应力强度条件又满足弯曲剪应力强度条件, 所以是安全的。
3.2 防砂棚风载计算
钻井队一般在野外作业, 工作环境相对恶劣, 气候变化异常, 多出现暴风, 防砂棚在空中就成为风运动的明显障碍物, 而使空气运动受阻, 此时运动着的空气部分动能转变为对防砂棚承风面积的压力。压力的强度取决于风速, 空气的质量密度及防砂棚的结构形状及风向。结合防砂棚的形状, 只对钻台上围计算校核, 而钻台上围A面迎风面积最大, 所以只校核A面。根据《工业与民用建筑结构荷载规范》承受的风载P可按照下式计算:
P风=W·f=W0K0Kgkβ·f
W—作用在井架上的计算风压, Pa
K0—工作风压系数, 一般取0.3~0.4
K g—风压高度变化系数, 每10m为一个等压段, 防砂棚高度为14m, Kg取1.52.
K—风压体型系数, 根据风载体型系数表K取1.3
β—风振系数, 风振系数取1
f—承风面积, 使垂直与风向的外廓作用面积, 钻台上围A面面积为12×4=48㎡
根据结构用冷弯方钢管的机械性能, 钻台上围A面有四根80mm的方钢管 (壁厚5mm) , 足以承受30.5KN的均匀载荷, 所以也是安全的。
3.3 外围蓬布要求
防砂棚外围蓬布要经受风吹日晒, 要求用耐油、耐腐蚀, 防火, 质地结实, 重量轻的帆布作成。蓬布四周边作成镶铝边的小眼用以穿尼龙绳子, 捆绑在立柱或拉筋上。门窗位置除了铝边的小眼外, 还用塑料粘胶扣连接, 方便简单。此外在振动筛侧面和顶面蓬布上多开窗户, 便于振动筛上泥浆中的水蒸气, 有害气体迅速排出。
4 特点
(1) 结构简单、布局合理, 美观实用。
(2) 各骨架总成的立柱、拉筋及斜拉筋均采用矩形方钢管, 具有强度高工艺性好, 重量轻等优点。
(3) 屋顶人字梁与立柱、拉筋之间采取插接式连接, 可实现简单、快速安装拆卸, 并重复使用。
钻机泥浆固控系统的设计 篇9
1 固控系统的工作原理
在钻井施工中,钻头在高压泥浆的辅助冲刷中不断钻进, 岩屑被返出的泥浆带到地面以上,此时的泥浆中含有大量的较大颗粒岩石,无法重复利用。为了节约钻井成本,就要将此时泥浆中含有的固体按照其颗粒的大小,逐一地去除,并对净化后的泥浆成份再次配比,使其最终达到可以重复利用的性能,固控系统就是将此过程实现的装备。
固控系统由密闭罐、净化设备、辅助设备、各种功能型管线等构成,通过各部的联合使用,使从井口返出的带有钻屑的泥浆经过逐级净化、配药、加重等程序,使达到重复利用的性能。
1.1 泥浆净化流程
从井口返出的带有大量钻屑的泥浆经过井口返流管线依次经过振动筛、除气器、除砂器、除泥器、中速离心机、高速离心机的处理,对泥浆进行逐级净化,可以较好的去除其中的有害固相,达到泥浆再循环利用的程度。此时泥浆泵可以直接吸入泥浆,打入高压管汇,进入井口,为钻机进行正常的钻井施工提供保证。
1.2 剪切配药流程
若泥浆成份需要再次配比,则剪切泵从配药仓吸入泥浆,对从配药漏斗加入的药品进行反复剪切混合,再将混合后的药品注入配药仓,需要使用的时候,可以将剪切混合后的药品可以打入总泥浆管线,或任意泥浆仓,再经泥桨泵直接打入高压管汇进井口。
1.3 加重流程
若需要增加泥浆的比重,则加重砂泵从加重仓吸入泥浆,将从加重漏斗加入的重晶石等配入泥浆中,并将加重后的泥浆送至加重仓,或是其他的泥浆储备仓中,再由泥桨泵打入高压管汇进井口。
1.4 泥浆泵上水流程
各种型号钻机泥浆固控系统中泥浆泵的上水管线贯穿除沉砂仓、除气仓之外的各个泥浆仓,在每个仓内,布置一套罐底阀,此阀可在罐面操作其开关,使泥浆泵根据施工的实际情况,可以从任意一个仓吸入泥浆。
2 固控系统的设计内容[1,2]
2.1 容积的确定
泥浆固控系统的容积应是容纳钻井过程中泥浆的最大量,并应有足够的储备能力。因此,根据不同的钻机,设计不同的固控系统容积,再根据吊装、运输、井场布置等方面的限制,确定泥桨密闭罐的尺寸及数量。
2.2 固控流程的设计
泥浆固控系统的净化设备依次为:振动筛、除气器、除砂器、除泥器、中速离心机、高速离心机。辅助设备包括:除砂泵、搅拌器、灌注泵、加药加重漏斗、泥浆枪等。净化设备与辅助设备通过管线的连接,实现泥浆的净化、配药、加重等功能。
通常,对于5 000 m以上的钻机,振动筛、除气器、除砂器、除泥器、中速离心机、高速离心机这几种净化设备需要配备齐全,对于3 000 m 、4 000 m钻机,可以不配备高速离心机,对于3 000 m以下钻机或是修井机,可以只需依次配备振动筛、除砂器、中速离心机。
在固控系统的左端(以井口中心为定位基准),布置泥浆配药、加重功能流程,4 000 m以下钻机可以将配药、加重布置在一起,对于4 000 m以及其以上钻机,由于密闭罐数量较多,可以将配药、加重分开布置。
对于泥浆泵的上水流程,考虑到钻机在不同的井深对泥浆量需求不同,或是钻地层的性质、钻头类型、工艺措施、泥浆体系等的不同对固控设备的选择使用不同,泥浆泵的上水管线伸至除砂仓。从除砂仓以后的各个泥浆仓,均布置有泥浆泵的上水管线上水口,此种设计,可以保证泥浆泵能够从除砂仓以后的各个仓吸入泥浆。
2.3 固控设备的选择
目前,已投入使用的固控设备主要有:振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机等。由于这些设备的作用原理和结构的不同,因此所分离的固相颗粒的粒度都有一定的范围。
泥浆中固相颗粒的大小与所钻地层的性质、钻头类型、工艺措施、泥浆体系等的不同而有较大差别,因此,在选用设备之前必须对泥桨中的固相进行粒度分析。
为了满足不同地区的钻井施工,在设计固控系统时,通常会考虑到可以应用到各种不同的钻井工况,因而选用所有的可用的固控设备,在使用过程中,使用者只需根据对井口返出的泥桨的分析结果,来调整确定使用哪种或是哪几种固控设备。
2.4 密闭罐及固控设备布置
密闭罐的布置要根据整套钻机的井场大小、其它装备的布置、以及泥浆配浆材料的运输、排污坑的合理位置等因素而确定。
固控设备布置在密闭罐的罐面上,根据净化颗粒大小的能力不同,依次布置的固控设备有:振动筛、除气器、除砂器、除泥器、中速离心机、高速离心机,并相应的布置这些固控设备的辅助供浆砂泵、搅拌器等。在布置这些固控设备及其辅助设备时,需要考虑固控设备的处理能力、设备本身的外形尺寸、密闭罐罐面及底座上面各种辅助设备的布置等因素。
2.5 固控设备、辅助设备的固定及管线连接设计
各种固控设备及搅拌器、配浆漏斗、供浆砂泵等辅助设备的安装固定原则是:设备必须安装可靠、拆卸方便、且与罐面接触的部位必须坐落在拉筋上,具有着力点。与设备连接的管线或是罐间的连接管线的安装原则是:避免完全的硬连接,以防拆装困难。
2.6 其它安全操作及使用方面的设计
为了固控系统的安全方便使用,每套系统均布置上罐梯子、进罐梯子、周边护栏、罐间平台、罐前后飘台等装置。并根据用户的要求,可配备罐区遮阳防雨篷。
在罐面设置安全通道,1m宽的范围内不存在任何设备及突起部件,且罐面平整,便于逃生。
2.7 防腐设计
由于泥浆为具有一定腐蚀性的液体,因此固控系统中的泥浆密闭罐及各部件均有防腐功能。较为有效且成本相对较低的方法是:在密闭罐内部与泥浆接触的表面涂富锌底漆及重防腐沥青漆,罐面外喷防锈底漆及面漆。
3 特色技术
3.1 多处泥浆泵上水口
钻机泥浆固控系统均具有多处泥浆泵上水口,即自除砂仓开始,其后的每个泥浆仓均设有一条泥浆泵上水管线,每个仓的管线上设置一个泥浆泵的上水开口,此开口由一个可以单独开关、阀体在仓内、操作手柄置于罐面的罐底阀控制,泥浆泵可以通过阀门的开关从任意一个泥浆仓吸入泥浆。此种设计的采用,可以根据钻机的实际施工工况,避免泥浆必须通过各个泥浆仓,到达最后一个连接泥浆泵的密闭罐后,才可以使用,减少了泥浆用量、多种设备的使用等。
3.2 隐蔽电缆槽
利用罐底面与底座之间的空间,设计布置罐上用电设备的电缆通道,此电缆槽内的电缆两端均设计有快速插接头,运输时,不必拆下,只需挂在罐皮上即可。此种设计可以避免罐皮上挂电缆槽,不仅降低制造成本,又可以防止电缆槽在运输或安装时易被磕碰变形,从而损坏电缆。
4 使用现状
目前,泥浆固控系统已经广泛的应用到各种类型钻机、修井机的施工中,而且对固控系统的使用要求、HSE方面的要求也不断的提升。具备功能齐全、使用安全、操作方便等优点的固控系统随着老式钻机的不断更新、新钻机的生产、老式固控系统的淘汰必将更广泛的应用到各种类型的钻机配套中。
5 结论及建议
根据当前固控设备的要求,减少固控级数、降低成本、提高可靠性已经成为一种趋势。为此,要想使固控效率更高、费用更低,今后固控科研的主攻方向是研究处理量大、可靠性高、分离效率高的多筛系统,减少除砂器的开机时间甚至不再使用旋流除泥器。发展多筛-离心机固控系统,如果超细目振动筛与大处理量离心机的研制工作取得突破,无疑对固控系统将是一场大的革命,不但可以去掉除砂器和除泥器,因而降低了能耗、简化了系统、提高了可靠性,而且对泥浆的黏度、固相含量和密度的控制提供了强有力的手段。
摘要：钻机泥浆固控系统,是指振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机等泥浆净化设备、及与其相配合使用搅拌器、供浆砂泵、配浆漏斗等辅助设备、安装在密闭罐上而组成的一套钻井施工装备,在钻机的施工过程中:将从井口返出的带有钻屑的泥浆逐级净化,去除有害固相,并对泥浆的成份、黏度、比重等进行再次配比,使其达到可再循环利用的性能。
关键词：钻机,固控,泥浆,净化,流程
参考文献
[1]龚伟安.钻井液固相控制技术与设备[M].北京:石油工业出版社,1995.
钻机设计论文 篇10
应用游梁式深井泵装置是国内外目前的机械式采油的主要方法, 但其缺点明显:采油的条件复杂、机械经常出现事故、机械质量较大等。目前解决这些问题的主要方法是采用螺旋钻杆, 并且被广泛应用[1,2,3]。螺旋钻杆作为抽油机的最关键传动部件, 在运行过程中承受的载荷非常大, 螺旋钻杆的可靠性直接影响抽油机的安全性, 为此, 对抽油机的螺旋钻杆进行受力及可靠性分析, 为螺旋钻杆的设计提供技术依据。
1 螺旋钻杆的受力分析
螺旋钻杆抽油机主要由动力、换向、平衡、悬挂系统以及机架系统组成。螺旋钻杆抽油机示意图如图1所示, 应用软件对螺旋钻杆的受力及可靠度进行分析, 其受力情况与普通钻头的受力基本相同。
图中, L为导程 (L=πDtanα, 叶片平均处直径D= (d2+d3) /2) ;m为叶片头数;h为叶片厚度;α为平均螺旋升角 (α= (α0+α1) /2, α0、α1分别为叶片内外沿升角) ;d1为钻杆内径;d2为叶片内沿直径;d3为叶片外沿直径。
根据螺旋钻杆的结构与工作环境, 在运动过程中不考虑摩擦的情况下, 螺旋叶片上微粒在运动过程中的受力情况如下:
式中, φ为摩擦角;F1为水平推力;F2为气体推力;F0为轴向力。
1.1 平衡螺旋钻杆模型的建立
螺旋钻杆主要参数[4]如表1所示。
根据尺寸参数建立螺旋钻杆三维模型, 对螺旋钻杆用体扫瞄和六面体SOLID95单元进行网格划分[5], 划分结果为:28658个节点, 有7724个单元, 其中螺旋钻杆的材料35 Cr Mo[6,7], 泊松比0.28, 抗拉极限924MPa, 疲劳屈服极限432MPa, 弹性模量213GPa。
1.2 螺旋钻杆孔载荷的施加
应用软件对平衡螺旋钻杆分析, 螺旋钻杆在受力变形时, 其受力可以简化为节点之间的位移表示, Workbench在分析过程中不能施加动态载荷, 只能按照静力学分析。
1.3 螺旋钻杆受力结果分析
合金钢失效判定主要采用Von Mises材料屈服条件, 因此抽油机螺旋钻杆的屈服情况采用这种方法作为判断, Von Mises应力计算公式:
式中, σe为有效应力;σ1为最大主应力;σ2为中间主应力;σ3为最小主应力。
应用ANSYS软件分析出不同叶片厚度螺旋钻杆平均有效应力云图, 在施加不同载荷之后观察螺旋钻杆的受力情况, 螺旋钻杆受力小的情况中螺旋钻杆孔最大应力为322.240MPa, 螺旋钻杆受力大的情况中螺旋钻杆最大应力为378.34 MPa。通过ANSYS分析出螺旋钻杆平均有效应变云图, 螺旋钻杆在载荷的作用下, 受力较小最大变形量为0.030mm, 受力较大最大变形量为0.036mm, 在变形上受力大的螺旋钻杆变形比较受力小的相对较大, 但整体变形量较小。
2 螺旋钻杆的可靠度计算
对两种不同叶片厚度的螺旋钻杆进行可靠度计算, 其方法见参考文献[8]。根据应力分析, 可以得出厚度小于厚度较大的螺旋钻杆应力均值分别为μs1=322.24MPa, μs2=378.34MPa, 且应力s与强度r服从正态分布, 螺旋钻杆的应力干涉模型如图2所示。
变差系数的计算[8]公式:
式中, Cx为变差系数;σ为标准差;μ为均值。Cx值小于0.1, 这里取0.075。不同厚度的螺旋钻杆的应力与强度分别服从s1~ (322.24, 24.172) , s2~ (378.34, 28.382) , r~ (432, 32.42) 的正态分布, 应力与强度曲线的干涉面积即为危险概率, 可靠度的计算公式:
式中, R为可靠度;Ф为正态分布的概率。厚度较大螺旋钻杆R1=0.9965, 厚度较小螺旋钻杆R2=0.8925, 因此厚度大螺旋钻杆的可靠度比厚度小螺旋钻杆可靠度要大, 也就相对安全。
3 结语
受力大的螺旋钻杆比受力小的螺旋钻杆可靠度小, 螺旋钻杆厚度越大, 可靠度越高, 同时, 受力大小的影响大于螺旋钻杆厚度对螺旋钻杆可靠度的影响。
参考文献
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旋挖钻机施工条件及工法 篇11
摘要：旋挖钻机施工法在施工过程中发挥着重要作用，本文通过分析旋挖钻机施工法的特点、适用范围、工艺原理以及操作要点等，同时提出相应的政策建议，为施工现场采用旋挖钻机提供参考依据。
关键词：旋挖钻机 施工环境 施工工艺
1 概述
在桩基施工工艺中，旋挖钻机施工作为一种先进的工艺，在我国公路、铁路、桥梁，以及大型建筑的基础桩施工中得到广泛的应用。该工艺在施工过程中，采用短螺旋钻头进行作业，或者在泥浆护臂的情况下，用回转钻头进行湿挖作业。同时，旋挖机与冲锤相互配合，钻碎坚硬地层进行挖孔作业。在施工过程中，旋挖桩机施工速度快，借助筒式钻头回转破碎岩土，不是将岩土搅碎靠泥浆返出孔外，而是将岩土装入钻斗运至地面，在进尺方面，每分钟可达50cm。在适合的地层中，与钻、冲孔桩机相比，其施工效率同比提高5～6倍。在泥浆用量方面，旋挖桩机用量比较少，泥浆的作用，在施工过程中主要是增加孔壁的稳定性，在稳定性比较好的土层区域中，可以使用清水代替泥浆实施钻孔，降低了泥浆的排放量，减少对周围环境的影响，同时节省了施工成本。在同等条件下，与钻孔灌注桩相比，单桩承载力比较高。
2 工法特点
由于旋挖钻机本身具有机、电、液一体化高度集中，且能够独立行走，操作简单，自动化程度高，一人操作，伸缩式钻杆可以节省普通回转钻机钻进过程中的拆卸钻杆的时间和人力，桅杆可以360度旋转，可以快速的自行完成钻机对位，同时，还能够在钻进过程中通过驾驶室内的电子设备设定工作角度，保证过程中的钻头就位，钻进过程中通过钻机本身的三向垂直控制系统反复检查孔的垂直度。当旋挖钻机本身遇到不同的地层时还可以根据经验通过液压系统控制钻机速度。钻机通过低液限时采用4-6m/h的钻进速度，通过稍密细沙层时采用6-8m/h钻进速度，通过中密或密实的砾卵石及砾石层时采用8-10m/h钻进速度。
3 适用范围
旋挖钻机适用范围广泛，可使用的地层有：粘土、亚粘土、砂土、砾石（含量在30%以内），根据实际情况可采用干钻成孔、清水成孔、泥浆成孔，旋挖钻机钻孔深度通常在50-60m深度范围内。
4 工艺原理
旋挖钻机大多为履带自行式，其组成主要包括：主机、履带式地盘、钻架动力头、加压油缸、主副卷扬等，并且在履带式底盘上进行安装组合，工作原理为：扭矩由全液压动力头产生，钻压力由安装在钻架上的油缸产生，借助伸缩式钻杆传递给钻头，在旋转式钻渣的作用下，通过主卷扬提出孔外。
5 施工工艺流程及操作要点
按照旋挖钻机的钻进过程，旋挖钻机的施工工艺流程为：
①旋挖钻机的就位；②在钻头外侧安置铰刀，将钻头着地，旋转，开孔；③土、砂充满钻头后，提升钻头，在提钻过程中，一方面注意地下水位的变化情况，另一方面进行灌水；④提升钻头，将钻头中的土倾泻到孔旁，并由装载机运走；⑤将钻头的活门关闭，将钻头转回钻进地点，同时固定旋转体的上部；⑥降落钻头；⑦埋置导向护筒，灌入稳定液，根据施工现场的土质情况，在辅助钢丝绳的作用下，埋设一定长度的护筒，与桩径相比，护筒直径要大10cm，在孔内便于钻头升降；⑧将侧面的铰刀安装在钻头内侧，开始钻进，并由装载机配合将钻机倾倒在外面的铲土运至弃土场；⑨钻孔完成后，进行孔底沉渣的第一次处理，并测定深度；⑩测定孔壁；■放入钢筋笼；■下放导管，并进行二次清孔；■灌注水下混凝土，边灌注边拔除导管，灌注完混凝土后，将导管拔出；■拔出导向护筒，成桩。
■
施工工艺流程图
在稳定液的保护下，旋挖钻机进行成孔作业，但是钻头在钻进过程中，每孔都需要进行往复作业，对于护壁来说，如果对其稳定液管理不到位，甚至会造成塌孔，在旋挖钻机施工过程中，一旦采用循环泥浆作业，稳定液中含有大量的沉渣，直到成孔也很难排出。
由于旋挖钻机在钻进过程中其钻头要往复于导向护筒间，稳定液的液面在孔内上下浮动，对孔壁的稳定有一定的影响，因此，导向护筒的底沿应低于稳定液最低液面1.5m为适合。
旋挖钻机一般自重都在60t以上，因其自重大，钻孔过程中机器本身距离孔深较近，地基的稳固对其孔深的成孔质量及钻机本身的安全都有着重要的意义。
在钻进过程中钻头一般磨损较为严重，在施工过程中应经常检查钻头直径，及时在钻筒下部焊接铁块以保证桩径。
操作过程中还应经常检查钢绳断丝断股及磨损程度，操作手应该进行技术培训，考核上岗。
施工中钻杆断裂事故时有发生，最好的预防方法是制定行业章程，对机锁式钻杆必须在提钻前（钻头尚未离开孔底）完全解锁（不能部分解锁）严禁提升后解锁或边提升边解锁。
6 劳动组织
旋挖钻机钻孔施工具有机械化程度高的特点，为了保证其发挥最大的经济潜能，需25t级吊车一台，45型以上装载机一台与其相匹配，钻机操作手两名，钻机就位协助人员3名，混凝土灌注3名，稳定液配比2名。电工一名，管理人员2名，机械修理人员2名。
7 质量控制
①旋挖成孔工艺，特别是用于土层、沙层、胶结较松散粒径小于10mm的卵砾石层，不适宜粒径大于10mm的卵砾石层，也不适宜承载桩施工。
②旋挖成孔质量的好坏关键在于稳定液的配比，稳定液应具有良好的物理性能、流变性能、稳定性。主要指标为：密度、黏度、PH值、含沙量等。其中澎润土的质量标准参见《钻井液用澎润土》SY5060-85。控制稳定液的粘土应选择黏粒含量大于50%，塑性指标大于20，含沙量小于5%，二氧化硅与三氧化二铝含量的比值为3-4倍的黏土为宜。启动时，应先让发动机怠速运转2分钟（冬季5分钟），检查仪器各仪表，指示灯是否正常，如无异常，方可正常钻进。
③成孔后应立即下放钢筋笼，尽量缩短成孔与灌注之间的时间，有效防止因贻误灌注而发生不必要的断桩、夹泥、堵管等现象。必须强调禁止在操作中盲目加压。
④旋挖转机施工时在含有淤泥质的亚粘土地层易发生缩径现象，在含有小颗粒骨架的亚粘土地层易发生扩孔现象，因此在施工过程中，必须准确地掌握地质构造，并根据成孔特点确定钻进速度。
因此，在旋挖桩的施工工程中，相关的每一个程序及相关步骤必须予以高度的重视，并且制定积极有效、科学的措施，保证施工的进度及质量。
参考文献：
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坐底式钻井船钻机挡风墙设计 篇12
DZ450/9-XD底座是宝鸡石油机械有限责任公司为韩国大宇公司坐底式钻井船设计和制造的箱叠式底座,它为井架和钻井设备在高寒的里海地区打井作业提供了重要基础支撑。单层的底座钻台面空间上根本满足不了各种钻井设备的放置,结合常规钻机挡风墙的作用,这种挡风墙与钻台面上层支撑平台的一体化设计应运而生,这不仅满足了钻台上所有设备的摆放和使用,也为钻台操作人员提供了较为保温的环境。因此,钻台面挡风墙与上层支撑平台的一体化设计是DZ450/9-XD底座实现其基本功能的关键。
1总体技术分析
1.1钻台设备总体布局分析
除常规钻机钻台面所布设备外,DZ450/9-XD底座为了节省钻井船甲板空间,将原本放置于底座周边的设备均布置到钻台面上,这不得不拓展有限的钻台空间。最终在绞车后方和司钻房左侧设计上层“L形”支撑平台,以提供更多的设备放置空间。同时利用钻台面四周的挡风墙与支撑平台连为一体,构成了底座钻台面上部空间拓展的独特设计。为方便这些设备的操作,经过合理布局,最终确定钻台面设备布局如图1所示;上层支撑平台设备布局如图2所示。
图2中的人孔梯A口1和人孔梯B口12是钻台面到上层支撑平台的两个人员通道。每个设备的位置都充分考虑了设备的使用和维护。这就解决了钻井设备繁多、没有空间放置的难题。
1.2挡风墙技术方案设计
1)钻台四周设置了挡风墙,考虑到钻台面一些设备的高度,确定与上层支撑平台相连的绞车后方和钻台左侧的挡风墙高度设为5 m,钻台前方和右侧挡风墙高度设为3 m。外形结构见图3。
2)钻台四周挡风墙单片采用足够强度的龙骨(H型钢)与瓦楞板组焊成一体的结构,单片之间和与钻台面之间均用销轴、耳板进行连接,在墙体合适位置设置门窗。
3)上层支撑平台下设置2根主承载立柱,立柱之间和立柱与挡风墙单片龙骨之间上部采用桁架式结构,用螺栓连接方式紧固,同时桁架与立柱、龙骨间均设置有销轴连接的斜撑杆,以加强对上层设备的承载。上层支撑平台结构如图4所示。
4)上层支撑平台由3大块铺台构成,架设于桁架之上,用销轴支撑定位。各设备下均有安装接口将设备连接牢固。
5)挡风墙各单片、桁架体和铺台栏杆均设有单独的包装架,并设有安装吊耳,满足整个产品的运输和安装。
2挡风墙承载能力分析
2.1计算遵循的标准规范及钢材选型
在计算分析中,挡风墙强度和稳定性设计计算、钢材性能和选型以及计算结果校核分别需要遵循以下标准规范:API 4F《钻井和修井井架、底座》、GB/T 1591-2008《低合金高强度结构钢》、AISC(335-89)《钢结构设计规范》。
上层平台和挡风墙材料选用Q345,根据GB/T 1591-2008《低合金高强度结构钢》,材料的力学性能如表1所示。
2.2挡风墙和上层平台的建模
在ANSYS软件中,以钻台面井口中心为坐标原点,X轴正向指向底座正前方(坡道方向),Y轴正向指向司钻对侧,Z轴正向指向上方,建立全局直角坐标系下的挡风墙模型。主结构(风墙立柱、龙骨及二层平台)采用梁单元进行模拟,设备通过质量单元予以施加。模型主要模拟了结构和设备自重以及风暴载荷(风速40 m/s)联合作用下挡风墙和上层平台的受力和变形情况。
2.3结果分析
上层平台和挡风墙有限元分析的等效应力、位移云图如图5、图6所示。由图5可以看出:最大等效应力值为117.886 MPa,小于材料的许用应力200.6 MPa,说明设计的上层平台和挡风墙选材合理,满足设备载荷和风载荷共同作用的施工工况。由图6可以看出:最大位移发生在上层平台下的两主承载立柱间,最大位移8.786 86 mm,小于立柱间允许的位移量30.4 mm(两立柱间距尺寸为10 960 mm,根据AISC335-89,允许位移量=10 960/360=30.4),说明设计的上层平台位移变形量符合标准要求。
3上层平台的污水收集设计
为了有效地减少环境污染,便于清洁钻台,DZ450/9-XD底座钻台面均设计了污水收集装置,上层平台也将污水收集纳入其中,这不仅便于清洗,也使上层平台下部不会有污水洒落至钻台面,保证下部空间整洁。上层平台的污水收集也成为此次一体化设计的亮点。
在设计时,特别把上层平台上平面做成前高后低,便于将其上的污水自然地流到后端最低处的网格板里,通过导流槽和管线把污水导入钻台面的排污设备内,这样使得上层平台和钻台面的污水都进入设计好的污水罐中,达到理想的收集效果。上层平台污水收集如图7所示。
图8中A、B铺台后端的网格板下均设有收集槽,连同铺台间的导流槽收集的污水一起通过排污口及导流钢管4输送至钻台面的收集装置内,实现整个上层平台的污水收集。
4现场应用情况
DZ450/9-XD底座钻台面上的挡风墙各单片均设有吊耳,与钻台面采用销轴连接,安装、拆卸都非常方便。挡风墙装完后,再安装上层支撑平台下的2根承载立柱及桁架单片、斜撑,最后将上层的3大块铺台安装于立柱和桁架之上。整个安装过程方便、快捷。
底座交付使用至今,用户反映钻台面和上层平台上的钻井设备布局合理,操作空间充足,空间利用率高。钻台面挡风墙起到了较好的保温效果。污水收集设计非常便于清理、清洗上层平台的油污,使用方便。
5结论
钻台面挡风墙和上层平台的一体化设计,不论从理论上的有限元计算结果,还是从现场安装和使用的实际情况,都表明这样的一体化设计在强度和功能上都能满足坐底式钻井船的总体设计要求。为解决底座承载设备繁多、优化空间的问题,提供了一种一体化的设计思路,也为海洋钻井底座挡风墙设计甚至是陆地钻机底座挡风墙设计拓展了一种新的方法。
摘要：由于坐底式钻井船钻机主体外围设备较多,特别在底座钻台面挡风墙上部设计了支撑平台,这种一体化的设计实现了钻井设备的合理布局,节省了有限空间。文中通过ANSYS建立有限元模型,校核了挡风墙的强度和刚度。同时设计了污水收集装置,以满足现场使用要求。
关键词：挡风墙,支撑平台,一体化,有限元,污水收集
参考文献
[1]张东涛,秦晓峰,廖昌建,等.ZJ50/3150DB型低温石油钻机设计[J].石油矿场机械,2009,38(9):84-87.