钻机一体化（精选7篇）
钻机一体化 篇1
从国家科技部获悉,山河智能申报的一体化液压潜孔钻机产品被国家科学技术部、环境保护部等4部委联合授予“国家重点新产品”荣誉。一体化液压潜孔钻机设计中采用全新的设计理念,运用人性化、模块化设计和机电液一体化设计、人机与自然相融合的原则。同时参考国外先进同类机型,对各机型的优缺点进行取舍。集钻进系统、空压机、动力三位一体,方便、实用、高效;关键元器件采用国外最成熟、先进的液压系统技术、动力系统,稳定性与可靠性高。
本项目已获授权专利21项,其中发明专利1项,并且参编《履带式一体化潜孔钻机》国家标准,产品填补国内空白,经现场使用,技术性能达到国内领先、国际先进水平。
钻机一体化 篇2
1.1 工程概况
朝阳珠江斜拉桥位于朝阳市市区东部, 跨越大凌河。桥位处主河道宽度为480m。桥梁设计长度608m, 其中主桥为80+180+80=340m预应力混凝土双塔双索面半漂浮体系斜拉桥。桥梁下部结构为钻孔灌注桩基础, 其中主桥钻孔灌注桩64根, 桩径Φ1.8m, 桩长为41m。
1.2 地质概况
桥位地质结构较复杂, 包括杂填土层、砾砂层、圆砾层、卵石层、砂质泥岩层, 如表1所示。
2 钻机选型
主桥钻孔灌注桩实际钻孔长度在50m左右。地质层次变化频繁, 卵石层在不同深度重复出现, 卵石层中还夹有20～30cm粒径的漂石, 桩底为砂质泥岩。根据以往施工经验, 此类地质条件, 适合的钻孔机具为冲击钻。考虑施工工期、钻孔桩直径、钻孔深度等要求, 施工时采用CZ-8型冲击钻机和YCJF-25型液压冲击反循环钻机 (如图1所示) 两种钻孔形式, 并对其技术、经济指标进行分析比较。钻机性能指标见表2。
3 两种钻机成孔技术经济指标的对比与分析
3.1 成孔时间的比较
工程实践表明:从50m钻孔深度单桩钻孔成桩时间看, YCJF-25型冲击反循环钻机用时8d, CZ-8型冲击钻机用时15d, 效率提高接近1倍;而单从正常钻进时间比较看, YCJF-25型冲击反循环钻机用时6d, CZ-8型冲击钻机用时13d, 效率提高接近1.2倍;其余工作时间两种钻机用时大致相同, 大约为2d。从钻进时间上比较, YCJF-25型冲击反循环钻机远远优于CZ-8型冲击钻机。单桩钻孔成桩时间见表3。
冲击反循环钻机采用反循环泵进行排渣, 改变了普通冲击钻需要将钻头提出孔口后, 再用捞渣筒进行捞渣的方式。冲击反循环钻机不需要提出钻头, 在冲击状态下可以由反循环泵连续排渣, 由于排渣及时, 钻进效率得到了提高。采用反循环泵排渣, 在施工卵石层、岩石层时, 直径小于10cm的卵石、岩石可直接吸上来, 不需要像普通冲击钻施工时, 卵石、岩石需要打成粉末状再捞渣, 大大地提高了施工效率。
此外, YCJF-25型冲击反循环钻机重量19t, 底座面积较大, 钻机较稳定, 在钻进过程中不容易出现移位而导致桩基偏位。由于YCJF-25型冲击反循环钻采用反循环吸渣, 清孔较CZ-8型冲击钻机快且彻底。YCJF-25型冲击反循环钻机钻进速度快, 成桩时间短, 缩短了成孔段裸露时间, 加快进度的同时也降低了坍孔等风险。YCJF-25型冲击反循环钻机采用液压系统, 施工噪音低, 无挤土, 对邻近建筑物及周围环境影响小, 有利于文明施工。由于噪音低, 特别适合于对环保噪音要求高的地方施工。
3.2 泥浆指标的比较
YCJF-25型冲击反循环钻机因钻进快, 单位时间需要泥浆量大, 排渣量大, 所以泥浆循环系统需要更加完备。泥浆池设置在临时道路旁边5～10m左右, 以便造浆材料的运输和堆放。泥浆沉淀池设在两个桥墩的中间位置, 供两个钻机共同使用。泥浆循环系统包括造浆池、储浆池、钢护筒、泥浆沉淀池。泥浆循环系统设置如图2所示。两种钻机使用泥浆的技术指标如表4所示。
YCJF-25型冲击反循环钻机造浆池、储浆池相当于CZ-8型冲击钻机造浆池、储浆池的1.5倍。因YCJF-25型冲击反循环钻机连续性排渣, 排渣时夹杂水和泥浆比CZ-8型冲击钻机多, 所以泥浆沉淀池需要面积更大, 相当于CZ-8型冲击钻机泥浆沉淀池的2倍。造浆池与储浆池、沉淀池以及沉淀池与护筒之间采用泥浆沟相连, 泥浆沟过水断面面积应不小于0.4m2, 以保证泥浆正常循环。
本桥桩基钻孔施工, 总泥浆粘土用量YCJF-25型冲击反循环钻机是CZ-8型冲击钻机的1.2倍, 排放废弃泥浆和钻渣量为CZ-8型冲击钻机的1.2倍, 泥浆损耗率较CZ-8型冲击钻机高。因YCJF-25型冲击反循环钻机排放废弃泥浆和钻渣量快而且多, 沉淀池面积增大的同时还要及时清理, 以免外溢污染环境。YCJF-25型冲击反循环钻机钻进速度快, 对地层变化更为敏感, 应准确掌握钻机在不同地层钻进参数, 根据不同地层的特点, 在钻孔过程中及时调整钻机转速和钻进速度, 及时检测泥浆指标, 补充优质泥浆以保证泥浆指标符合要求, YCJF-25型冲击反循环钻机所需泥浆容重比CZ-8型冲击钻机大约提高0.1g/cm2。单桩钻孔泥浆指标见表4。
3.3 灌桩混凝土用量的比较
YCJF-25型冲击反循环钻机钻进方式为液压钻进, 比较稳定, 扩孔系数较小, 单桩混凝土用量平均为116m3。CZ-8型冲击钻机钻进方式为普通卷扬机提升进行冲击钻进, 晃动较大, 扩孔系数较大, 单桩混凝土用量平均为121m3, YCJF-25型冲击反循环钻机比CZ-8型冲击钻机单桩混凝土平均节约5m3, 节约率约为4%。
3.4 成桩成本的比较分析
直径1.8m单桩钻孔, 市场租赁价格CZ-8型冲击钻机1000元/m, YCJF-25型冲击反循环钻机1100元/m。YCJF-25型冲击反循环钻机功率为100kW, 单位时间耗电量大, 但其钻进速度快, 成桩时间短, 50m单桩耗电费用小于CZ-8型冲击钻机。单桩钻孔成本YCJF-25型冲击反循环钻机比CZ-8型冲击钻机节省。如果再考虑节约时间带来的效益, YCJF-25型冲击反循环钻机的优势更为明显。单桩成本分析见表5。
4 结束语
朝阳珠江斜拉桥桩基成孔施工实践表明:YCJF-25型冲击反循环钻机与常规CZ-8型冲击钻比较, 优势比较明显, 成孔速度快, 特别是超过40m的长桩钻孔更能体现其优势。在类似较为复杂的地质条件下, 应优先选用冲击反循环钻机钻孔。当然, 冲击反循环钻机采用泵吸排渣, 如果遇见大颗粒钻渣, 容易造成堵管, 这也是使用冲击反循环钻机需要进一步解决的问题。
摘要：根据朝阳珠江斜拉桥的地质条件, 对采用冲击反循环钻机和常规冲击钻机成孔技术, 在成孔时间、泥浆用量、成孔成本等方面进行了分析比较, 提出了在该类地质条件下应优先选用冲击反循环钻机成孔。
钻机一体化 篇3
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。
钻机一体化 篇4
钻具打滑通常和钻机的作业地质密切相关,一般而言,打滑现象多出现在泥岩、砂质泥岩、硬塑性黄土以及粘土地质中。前三者的打滑原因相似,旋挖钻机在钻进泥岩(或者砂质泥岩、硬塑性黄土)地层时,由于泥浆侵入了钻齿与原生岩层的接触面,从而降低了钻齿与原生岩层之间的摩擦力,致使钻齿在原生岩层的表面滑动而不能有效地切入岩层,于是就会出现钻具打滑难以进齿的现象。打滑现象是泥岩类地层钻进的一大难题,要提高施工效率就必须要必须解决好这一问题。
案例分析
南京市凤凰居民小区的桩基工程施工采用的是三一SR150C型旋挖钻机,配置摩擦杆和双底捞砂钻斗。成孔桩径为80 cm,桩深为24～26 m。地质情况从表层至终孔依次为杂填土层、淤泥层、淤泥质黏土层、黏土层和风化泥岩层。大部分施工地层从16 m深度开始进入泥岩层。虽然黏土层和泥岩层力学性质好,自身不容易塌孔,但由于其上层存在淤泥层,为防止淤泥层发生塌孔事故,则必须使用护筒和静浆护壁钻进。而泥岩遇水出现软化,表现出很强的黏性。施工过程中出现了泥岩层钻进打滑的现象,具体表现为泥岩在泥浆作用下软化,加压打滑、糊钻、卸土难。
打滑现象处理
泥岩钻进打滑有2种类型,即托底打滑和切削打滑。
托底打滑
钻进时,钻渣吸水后变成黏性很大的塑状黏土物质糊在钻齿和钻底上,使钻齿失去了切削作用而无法继续钻进。提钻前反转钻斗关闭斗底时,由于斗底已无任何阻力,斗底会与钻斗一起反转而无法关闭,在提钻过程中,斗内渣土掉出。二次下钻后,齿尖直接插入渣土内,钻斗底板面直接压在渣土上,随着钻斗旋转钻进,把掉下的渣土高低不平及缝隙完全压实,当渣土不能再压缩时,底板面被渣土托住,斗齿便在之前划出的沟槽内反复地旋转,形成托底打滑现象。
针对托底打滑的现象,一般采取的处理思路是这样的:①如果孔内虚土是软泥,可以快速反复操作动力头正转加压和反转加压,瞬间对钻斗有巨大的冲击力,使斗齿和虚土之间产生摩擦力,加压力在瞬间传递到虚土上,把虚土切削挤压进入钻斗。②如果孔内虚土较多,又是硬泥岩,可以换一个直径略小的短螺旋钻头解决打滑。小直径螺旋钻头与孔壁之间有一些间隙,掉下的泥土在钻杆钻头的重量和加压力的作用下被挤到旁边,钻头接触到实土即能正常钻进。提钻后,被挤压到旁边的虚土掉入小直径的孔内,没有掉入孔内的渣土被二次下钻的大直径钻斗挤压到孔内,从而大直径钻斗可以正常钻进。
硬泥岩打滑
硬度较大的泥岩在泥浆的润滑作用下,摩擦系数降低,钻杆提供的加压力不足,钻齿很难切削钻进,因此将在斗齿和泥层的接触面上形成一个光滑面,从而导致在硬泥岩层中出现打滑的现象。
针对硬泥岩打滑的工况,一般需要参考对地质的预先评估,采用“预防和处理并重”的思路:因为硬泥岩的经验承载力多在500 kPa以上,所以往往需要巨大的加压力才能被切削破碎,故要在施工之前就要给钻机配套装备上机锁钻杆以及短螺旋钻头和双底入岩钻斗,这样的装备在进行钻进时将会很好地克服和预防硬泥岩打滑的现象。
调整操作方法使用摩阻杆钻进时应持续加压,切入地层负载上升后,持续钻进,通过负载的大小来调整加压的幅度,使得钻齿切入原生岩层后能够始终维持切入的状态。使用机锁杆时也需要控制钻机的加压方式,当履带前方快被加压支起时,说明加压过急或者不进齿,此时不可以继续加压,而应当停止加压以确定原因,比如是否地层太硬、是否钻具存在缺陷、是否被糊住导致托底等。如果地层变化不大,每斗钻进的时间和深度也应该维持在一定的范围内,比如泥岩层中的单斗进齿深度在40 cm左右为宜。在钻进结束之后反转关闭斗底时,应当尽量在钻进有负荷时进行,此时斗底具有一定的阻力,能够防止斗底与钻筒一起反转。反转不宜超过2圈,反转过多会磨平孔的台阶,从而将会加大下次钻齿进入原生岩层的难度。
改制钻头一般而言,要遵循如下原则对钻头的斗齿进行布置:斗齿布置成犬牙交错状;钻齿之间相互的角度应设置在50°～53°之间;适当减小导向齿的长度。
在该工地上,对钻头进行改制的方式是:把钻斗齿数少的一侧齿座垫高,且掘进角增大3°～4°,另一侧维持原状不变,具体见附图。
解决效果
通过换用机锁钻杆并对钻斗进行改制之后,结合操作方式的调整,较好地杜绝了该工地上泥岩层钻进打滑的现象。使得钻进不再困难,平均成孔时间也提高到了每小时3颗。
工法小结
钻机一体化 篇5
由于厚回填土层稳定性很差,所以在旋挖钻机施工中,极易造成孔壁塌落,引起漏浆、塌孔、卡钻和埋钻等事故。此外,由于厚回填土排列无规则、组成较复杂,所以在旋挖钻机钻进时,常常会出现齿具受力不均匀、整机振动剧烈、钻杆跳跃和钻杆偏摆等不良工况,这对钻杆和钻具的伤害都很大。要解决以上不良工况,就要求操作手能够摸清地层分布规律,判定回填土的密实程度、块石的数量和位置。
案例分析
重庆丹回路滨江工程工地位于重庆南岸区,距离长江河岸500 m。施工地点为削山回填洼地,回填深度达到35 m左右,回填土中含有大量的岩块和建筑垃圾(混凝土块、砖块等),直径在30～60 cm之间,局部可达到100 cm。钻孔灌注桩设计桩径为1.3 m,桩深为40～45 m。现场使用的钻机为三一SR280R型入岩旋挖钻机。
据用户反映,由于回填土中含有大量的岩块,而且岩块直径较大,常规钻具提取困难;并且在成孔过程和成孔后都有不同程度的塌方。
解决措施
旋挖钻进
钻进中,要求钻齿能快速有效地嵌入碎石土缝隙,同时把碎石土扫进筒内。因此,钻齿需要足够锋利并有较大的强度和耐磨度。大块石、大混凝土块、砖块和瓦片等建筑垃圾,结构棱角分明,没有任何的磨圆度和分选性,容易和钻具的筒壁建立起一定的摩擦力。
由于三一SR280R型入岩旋挖钻机的动力头采用多挡控制,在不同地层、不同的施工工法下可以选用3种操作模式,所以钻进中如果正转有进尺,要通过点加压尽量保持转速均匀,如果正转不进尺或阻力过大钻不动,要在不加压状态下反转,然后再正传:能转动且有进尺,就钻进,否则继续反正转交替作业。如果长时间不进尺,需要把钻头提升一段,再次下放重新建立钻齿钻进路经,此操作可以帮助进尺和防止塌孔卡钻。在块石含量低的地层,有时负载低、转速快、进尺快,此时要通过换挡降低转速,防止遇到大漂石产生剧烈冲击,损坏钻杆钻头。操作时尽量多钻,把钻斗内的回填土以及大块石挤压密实,控制提钻速度,把钻渣带到孔外。
护壁
大块石、大混凝土块、砖块和瓦片等回填物种类繁多,结构松散,大小不均,稳定性差。因此在钻进过程中孔壁不稳定,极易发生漏浆或者塌孔。
常规的护壁方式主要有泥浆护壁和全护筒护壁2种。泥浆护壁操作较简单,施工成本较低,在石块不太大且有粘土充填的情况下,可以使用泥浆护壁。全护筒护壁操作较复杂,施工成本较高,施工效率低,在大石块广泛分布的情况下,全护筒护壁是较为理想和有效的方式。
泥浆护壁对泥浆的要求很高,泥浆比重达到1.3以上,黏度需达到30 S以上,同时要保证泥浆的水头压。搅拌泥浆时可向泥浆中加入锯末、纸浆、棉籽屑等物质,最好是在冲击钻形成的钻孔液中加入以上物质,用来形成高质量的泥浆。在钻进过程中要注意观察护筒周围是否发生松动或塌陷,以及护筒是否处在原位。同时注意泥浆上表面气泡的情况,用以判断内壁的稳定情况。
全护筒护壁采用预先埋设护筒的方法,即旋挖钻机将护筒先行埋入后,再行钻进。使用护筒驱动器可以实现此功能,对于厚回填土地层,钻进阻力很大,要一边钻进,一边埋设护筒,二者结合进行。
解决效果
使用三—SR280R型入岩旋挖钻机配合直径1.3 m的截齿筒钻钻进,具有很高的钻进效率,平均单斗进尺约60 cm,单斗平均钻进时间约10 min,钻进一根桩由原来的6 h缩短为3 h,塌方情况也大为改善。
工法小结
钻机一体化 篇6
案例分析
贵州六盘水帝都新城楼盘项目于2011年9月进行桩基础施工。工程地质主要为杂填土、中一弱风化石灰岩地层,溶洞强烈发育。石灰岩的单轴抗压强度为60～85 MPa。其桩孔孔径分别为1.0 m、1.2 m和1.5 m,孔深18～25 m。
该工地先后有冲击钻机和某品牌280型旋挖钻机在6号楼和7号楼施工,共打了11根桩,均未成孔,最后对这11根桩全部进行了填埋。冲击钻机宣告彻底失败而离场,而某品牌280型旋挖钻机也被转至地层较软的3号楼施工,平均每2天1根桩。三一钻机为SR360II型,配套钻杆为Φ580-4×15机锁钻杆。用户要求三一旋挖钻机首先要能把1 1根废桩处理好,然后再进入难度最大的7号楼进行施工。
问题分析
虽然冲击钻机撤场,某品牌280型旋挖钻机被迫转场,但是SR360II型旋挖钻机的结果也不容乐观。据施工现场反馈,三一SR360II竟然也打不动石灰岩地层,用户抱怨很大,急需解决旋挖钻机“有劲使不对”的问题。
三一工法工程师赶赴现场之后通过查看岩样,并详细分析地质勘察报告,判断了岩石的旋挖可钻性,认为该工程的主要地质难点在于灰岩、溶洞层的钻进,并且在回填土与石灰岩(伴生有溶洞)地层中,地层软硬不均,岩石面为偏斜面,形成了“半边岩”现象,这些正是给旋挖钻机施工造成困难的原因所在。作业中的SR360II型旋挖钻机,其所配钻具只有4个截齿捞砂斗,和地质的适配性较差。要提高施工效率,必须对钻具配置和操作方法做出针对性改进。
解决措施
改进钻具筒钻和捞砂钻头的改进原则是增加钻具的导向结构,预防卡钻和筋板变形,有利于保护钻具和预防卡钻。
选用合适的钻具岩溶地层较易出现斜孔事故,所以对钻具的导向能力和扶正性能要求较高。为了加强钻具的导向性和扶正作用,嵌岩筒钻、嵌岩双底捞砂斗以及土层双底捞砂斗必须使用直筒型式,切记不能选用锥形筒。对于直径小于1.8 m的钻具,其筒体高度至少1.5 m;直径大于1.8 m的钻具其筒体高度要在1.2 m以上。
使用加长筒钻在钻进深度距离接近“半边岩”的平面处0.5～1.0 m时,开始减慢钻进速度,并且要换钻具,使用特制加长筒钻。筒钻的高度需要加长到2.0 m以上,以加强导向和扶正的作用,有助于防止斜孔事故的发生。
使用清渣钻具工程要求钻孔沉渣厚度小于5 cm。在干成孔作业的情况下,清理孔底沉渣建议采用2种方式:一是清底钻具清孔,另一种方式为气举反循环方法。前者成本低,效率高;后者清孔效果好,但成本高。针对本工程采用了清渣钻具进行处理。成孔后,用清渣钻具捞取2斗,下钢筋笼之前再捞取2斗,效果较为理想。
操作方式的调整
在钻进过程中,要结合钻具的选用以及作业面的情况变化来相应地调整钻机的操作方式。
在选用嵌岩双底捞砂斗钻进时,操作采用轻加压钻进,禁止加大压力钻进以防出现斜孔而卡钻。操作注意事项如下。
第一,钻进深度距离人岩的平面处0.5～1.0 m时,开始减慢钻进速度,并且要换钻具,使用特制筒钻。筒钻的高度需要加长,最好做到2.0 m以上,加强导向和扶正的作用。第二,待钻进深度距离入岩的平面处0.5 m时,采用点浮动的加压方式,控制动力头输出大扭矩、低转速,通过感受负载和振动的情况,判断是否进入了岩石界面。如果进入了岩石界面,因为“半边岩”的存在,钻齿受力不均匀,钻机振动较大。第三,确定进入岩石界面之后,停止使用加压,关闭浮动,使用主卷扬吊着钻杆进行钻进,尽量减小加压力;动力头输出大扭矩、低转速,动力头转速控制在6～8 r/min。钻进入岩超过0.5 m以后,再使用点浮动加压方式钻进。然后,使用特制筒钻进尺1.5 m左右,然后使用直筒双底嵌岩捞砂斗再钻进1.0 m。之后按照上述方式使用特制筒钻继续钻进。
解决效果
在三一工法工程师进行现场支持的期间,SR360II型旋挖钻机共完成16根桩,包括前期由冲击钻机和某品牌280钻机打坏的11根废桩,以及7号楼工地上岩石硬度和溶洞分布较为复杂的5根桩。施工效率基本上稳定在一天3～4根桩,作业效益较高,满足了客户的期望。施工的成功证明了SR360II型旋挖钻机对于大型溶洞及偏岩地层的施工能力较为可靠。
工法小结
变频钻机能耗制动研究 篇7
钻井作业中，有一种工况为起下钻，其中下钻时由于钻具自身的重力作用，从猴台一定高度下放到钻台面过程中，钻具的势能转化为动能，大钩、绞车滚筒及游动系统的速度会越来越快。根据工艺要求，需要对此速度加以控制，同时希望钻具能精确停留在预定位置。钻井机械中常用带刹、盘刹、涡流刹车等辅助机械实现。随着变频技术在钻机中的应用，带有能耗制动的变频拖动装置，具有四象限运行特性、且机械能电能的转换非常容易，因此能耗制动是解决此问题比较理想的方法。这里的能耗制动是指在钻具下放过程中，势能通过绞车的游动系统转化为动能，再经过变频单元转化为直流电能后，通过制动电阻以热能方式耗散。
绞车能耗制动电路如图1所示。
2 电机工作过程
绞车电机工作时处于电动或制动状态，当定子的同步旋转磁场速度大于转子旋转速度时，电机工作于电动状态，此时电机绕组通过电磁感应吸收电源的能量，电机励磁能量及转子输出能量均由电源提供，电机输出的是拖动转矩;当转子的旋转速度大于定子的同步旋转速度(同方向)时，电机工作于制动状态，电机励磁能量仍由定子提供，转子的能量通过转定子绕组电磁感应输出给定子绕组，电机输出的是制动转矩。定子绕组的能量通过变频单元存储于电容器上，当这个能量不能回馈到电网时会使直流电压升高，直流电压高到变频单元关机阀值后，装置自动保护停止工作。
3 大钩起升和下放过程中电机工作状态
3.1 起升过程
大钩从钻台面开始提升到减速前，电机工作于电动状态，拖动滚筒旋转，电机扭矩与轴上负载扭矩方向相反;从减速瞬间开始到减速结束，由于给定的定子同步旋转磁场转速小于转子速度，电机工作于制动状态，阻止滚筒旋转，电机扭矩与轴上负载扭矩方向相同，当速度给定稳定后，通过变频单元的控制，电机从制动状态过渡到稳定的电动状态，电机扭矩与轴上负载扭矩方向相反。
3.2 下放过程
大钩从猴台附近一定高度开始下放时，给定子以固定同步下放速度，定子速度大于转子速度，电机工作于电动状态，拖动滚筒旋转，电机扭矩与轴上负载扭矩方向相同，在电动和位势负载作用下，转子转速将很快大于定子同步旋转磁场的速度，电机工作于制动状态，阻止滚筒旋转，电机扭矩与轴上负载扭矩方向相反，过渡过程结束后稳定运行于下放制动状态，当大钩接近钻台面开始减速直到为零时，定子同步旋转的给定速度进一步减小，电机从一种制动状态过渡到另一种制动状态，电机扭矩与轴上负载扭矩方向相反，阻止滚筒旋转直到转子速度为零。
4 制动转矩的计算
电机制动过程就是制动转矩TM克服钩载及滚筒折算到电机轴上的惯性(GD2)，在所要求的降速时间tm内，使大钩从某一转速n1迅速地下降至n2的过程。计算公式为：
电动机的飞轮力矩(N·m2);GDL2为负载折算到电机轴上的飞轮力矩(N·m2);TL为负载折算到电机轴上的力矩(N·m);n1为减速前的转速(rpm);n2为减速后的转速(rpm);tm要求的降速时间(s);由于电机本身的有功损耗也会产生制动转矩TM0，据有关文献[1]，其大小约为电机额定转矩TMN的20%，因此需要实际产生的制动转矩为TMB=TM-0.2TMN。
5 能耗制动设计计算
5.1 钻具下放一次的总能量
钻具下放一次的总能量是指钻具从猴台附近一定高度开始下放，到钻具下放到钻台面预定位置为止过程中的总能量，以势能形式表示为：E=mgh;以动能的形式表示为：。其中，m为钻具质量、g为重力加速度、h为下放的高度、v0为初始速度、vt为最终速度。
5.2 传递到制动电阻中的能量
钻具下放过程中能量的转换是通过变频电机、变频单元、直流储能电容器、制动斩波器实现的，由于钻机电网的特殊性，电容器上存储的能量有限且不能向电网回馈，只能以热能或其它方式耗散，变频钻机中一般用制动斩波器加制动电阻方式耗散此能量，在钻具一次下放过程中，游动系统的运动由钻具的重力拖动，由于摩擦力等原因，部分能量消耗于游动系统中，变频电机的能量转换也消耗部分能量，变频、制动单元能量转换也要消耗部分能量，因此传递到制动电阻中的能量为：EBR=η1*η2*η3*E=ηα*E，其中，η1为游动系统总效率，包括绞车滚筒总成、大钩滑轮组、天车滑轮组，η2为变频电机能量转换效率，η3为变频单元、制动单元能量转换效率，ηα为从钻具到制动电阻之间能量转换的总效率。电阻的选配必须在吸收这些能量后温升不超过允许值。如果自然冷却不能满足要求，必须采取其它措施，如强迫风冷。
5.3 钻具下放的功率
在制动过程中，从钻具下放到电阻耗能之间的单元，其主要作用为能量的转换与传递，能量为功率的积分，因此对这部分的要求就转化为对电功率传递的要求，即制动功率、冲击制动功率在满足作业要求的情况下，不能超过单元本身允许的最大电流、电压值。下放功率为：，其中，F为钩载，v为大钩速度，在一柱钻具下放过程中，F为定值，功率P随着v而变化。在制动单元上需要消耗的功率为：P=ηαFv，此功率不能超过变频单元允许的回馈功率及制动单元最大制动功率，因此必须对下放速度进行限制。为提高效率，充分利用机械能力(钩载---提升速度曲线)时，必须加大制动能力(但仍然不能超过变频单元允许的最大回馈功率)。
5.4 制动单元的选取
制动斩波器单元的功能是当直流回路的电压超过规定的限制值时，接通耗能电路使直流回路通过制动电阻释放能量，其中功率管V用于接通与关断制动电阻，它的选取根据文献[2]，按制动电流的两倍计算。由于其负载为电阻，在导通与关断过程中，如果布线得当，可以不考虑附加电动势，击穿电压可以适当低一些。
5.5 制动电阻值的确定
制动电阻是用来消耗回馈电能，限制直流母线电压升高的，按消耗功率不小于最大回馈功率的原则，计算公式为：，其中，UD为制动单元导通时直流电压，常数0.1047为与制动单元斩波比(占空比)及π有关的常系数，其它如上述。
6 能耗制动设计计算主要注意事项
由上所述，能耗制动设计时应注意以下主要事项：
(1）确定最大制动功率
由制动功率表达式P=ηαFv可知，最大制动功率不一定在最大钩载下产生，需要根据机械特性钩载----速度曲线确定，根据最大制动功率及单个制动单元能力可以确定制动单元的数量，制动单元功率总和必须满足变频单元对回馈功率的要求。
(2）确定最大冲击制动功率满足要求
最大冲击制动功率产生于最大钩载下钩速度允许的最高速制动到零速度的情况，此冲击功率将直接影响到变频单元、制动单元内电容器的运行寿命，因此必须对此进行限制，即对钩速从最高制动到零的时间进行限制或者限制最高钩速，以确定在最小周期反复冲击下制动单元满足要求。
(3）确定制动斩波电路
制动斩波器(制动单元)根据需要可以自己设计，也可以直接选取，从市场上选取的制动单元的功率特性与钻机工艺中需要制动的功率特性不一致。因此，需要根据选取单元本身的功率特性与需要制动的功率进行匹配折算，折算的原则是单元本身的功率(电流)与发热量不变且小于允许的最大值。如果单个单元能力不够，可以多个并联使用，并联使用时必须尽量功率均担(负载阻抗匹配)。
(4）确定制动电阻
如果以选取的单元作为制动斩波器，由单元本身确定的制动电阻与设计计算的电阻阻值会有差异，需要进行校正，一般取较大的阻值然后验证制动能力。制动电阻不但要满足阻值要求，而且必须要满足钻井作业中制动能力及最大冲击制动能力的要求，还要留有20%的余量。
(5）制动单元校核
不同的制动单元因其发热、散热条件不同，适应负载周期的能力不同，因此选定制动单元和电阻后，必须按负载周期进行校核，以保证在任何工况下，制动单元电压、电流、功率满足规定的要求。
7 小结
石油钻机电控系统，由于采用自备柴油发电机组，因而具有小电网电源特点，通常的回馈电网制动很难实现，从而使许多工艺要求不能得到满足，采用交流变频驱动，应用直接环节高频PWM调制实现绞车四象限运行，能够获得回馈电网制动一样的控制效果，在大容量频繁起制动工业应用中具有示范工程价值。
参考文献
[1]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].机械工业出版社, 2002, 5.