頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽的製造方法

2023-05-11 12:06:06

頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，平臺上設有井架和頂驅，還設有司鑽房、電控房、轉盤和主卷揚，平臺包括上下兩層設計的工作層和固控設備層，井架中部設有上部二層臺和下部二層臺；頂驅、轉盤和主卷揚分別由交流變頻電機驅動；頂驅由直驅電機直接驅動，轉盤由轉盤電機直接驅動；主卷揚的主電機通過主減速箱驅動捲筒進行下鑽，主卷揚的送鑽電機通過兩級減速箱驅動捲筒進行送鑽。該鑽機採用交流變頻電動機驅動作業，具備大扭矩轉盤鑽進或全面鑽進能力與高轉速頂驅取心鑽進的複合鑽進能力，由變頻器控制實現複合鑽進模式的高效低能耗運轉，能夠滿足科學鑽探的作業要求。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種科學鑽探用鑽探設備，具體涉及一種頂驅與轉盤複合鑽進模 式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機。 頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機

【背景技術】
[0002] 科學鑽探是獲取地球深部物質、了解地球內部信息的最直接、最有效、最可靠的方 法，對解決資源、災害和環境三大問題都十分重要，通過數千米甚至上萬米的大陸科學鑽 探，科學家可以揭示大陸地殼的物質組成與結構構造，探索地球深部流體系統，揭示地震發 生規律，研究全球氣候變化及環境變遷等等一系列重大基礎科學問題。
[0003] 國際大陸科學鑽探的目標：通過獨特的科學鑽探方法，精確地了解地殼成分、結構 構造和對地球資源與環境起著至關重要作用的各種地質過程。中國大陸科學鑽探涉及的重 大項目有：中國大陸科學鑽探工程1號孔、汶川地震斷裂帶科學鑽探、中國地殼探測計劃、 含油氣盆地超深科學鑽井(大於800(Tl0000m)等。
[0004] 科學鑽探有獨特的鑽探工藝方法及裝備要求，區別於傳統的地質取心鑽探技術裝 備、石油鑽探技術裝備。前者以小口徑金剛石取心鑽進為目的，一般進行全孔取心，鑽口徑 在130mm之內；後者以全面鑽進為目的，一般僅進行局部層段取心，鑽孔口徑大於215. 9mm ; 而科學鑽探往往有幾個基本特點要求：鑽孔深度較大，終孔口徑較大，取心長度較長，取心 難度較大。要求科學鑽探設備既要滿足石油鑽機大口徑全面鑽進以投放探測儀器的空間要 求，也要具備巖心鑽機高速金剛石鑽進長孔段快速取心的優勢特點。
[0005] 目前，應用於科學鑽探項目的有立軸式地質巖心鑽機和大型石油鑽機。立軸鑽機 通過電動機或者柴油機、離合器、變速箱、分動箱驅動鑽機的立軸、卷揚機工作，通過液壓油 缸驅動給進系統工作，立軸的通徑和輸出扭矩不滿足大口徑鑽進的要求；卷揚機的人工抱 閘型式不滿足提升深孔重載鑽具的要求；小於1000mm的給進行程不能滿足取心鑽進及復 雜地層掃孔的要求。立軸式鑽機以其緊湊性機型的設計理念適應於便於野外運輸的小口徑 淺孔至中深孔地質取心鑽探功能要求，不適用於深孔科學鑽孔在大口徑全面鑽進或擴孔鑽 進工藝和深部取心鑽進工藝兩方面的鑽進能力即口徑和深度的要求。
[0006] 石油鑽機一般通過柴油發動機、傳動箱、鏈條或萬向軸驅動絞車和轉盤，採用方鑽 杆進行全面鑽進，不滿足科學鑽探取心鑽進在迴轉速度、鑽壓、給進精度、泵量等方面的工 藝需要，而且在場地空間、取心鑽探工藝上存在不匹配、不適應的問題。石油頂驅由於轉速 低，也不滿足科學鑽探取心鑽進在迴轉速度、鑽壓、給進精度、泵量等方面的工藝需要。
[0007] 以上現有的兩種深孔鑽機，由於不適應科學鑽探特有的鑽進工藝方法，難以兼容 高轉速取心鑽進與深孔全面鑽進的複合鑽進模式，難以在科學鑽探較為複雜的地層條件下 實現長行程立根鑽進、掃孔、倒劃眼等操作，難以在科學鑽探有限的場地要求條件下，採用 兩種鑽杆鑽具，高效率、低能耗地實現科學鑽探既要放置探測儀器的口徑要求又要深部取 心的功能目的。 實用新型內容
[0008] 本實用新型需要解決的技術問題就在於克服現有技術的缺陷，提供一種頂驅與轉 盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，該鑽機採用交流變頻電動機實現頂驅、絞 車、轉盤、打撈等作業，同時具備大扭矩轉盤鑽進能力與高轉速頂驅取心鑽進的複合鑽進能 力，由變頻器控制實現複合鑽進模式的高效低能耗運轉，能夠滿足科學鑽探的作業要求。
[0009] 為解決上述問題，本實用新型採用技術方案為：
[0010] 頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，包括平臺，平臺上設有 堅向的井架，井架上設有頂驅，平臺上還設有司鑽房、電控房、轉盤和主卷揚，司鑽房操控和 監測鑽機的作業過程，電控房為鑽機作業提供動力，主卷揚進行送鑽和下鑽作業；
[0011] 平臺包括上下兩層設計的工作層和固控設備層，工作層位於上層，工作層為鑽井 平臺，進行鑽井作業，固控設備層位於下層；井架中部設有用於人工作業的上部二層臺和下 部二層臺，上部二層臺和下部二層臺便於作業人員使用不同長度的鑽杆進行鑽井作業；頂 驅、轉盤和主卷揚分別由交流變頻電機驅動；頂驅由直驅電機直接驅動，轉盤由轉盤電機直 接驅動，直驅電機和轉盤電機通過頂驅轉盤切換開關與電控房內的一號變頻器連接，頂驅 轉盤切換開關和一號變頻器由司鑽房內的控制臺控制，即直驅電機和轉盤電機均由一號變 頻器驅動，但是直驅電機和轉盤電機不同時工作；主卷揚的主電機通過主減速箱驅動捲筒 進行下鑽作業，主卷揚的送鑽電機通過兩級減速箱驅動捲筒進行送鑽作業，主電機和送鑽 電機分別通過離合器與捲筒配合，主電機和送鑽電機不同時驅動捲筒。
[0012] 本實用新型為了適應科學鑽探的場地空間要求，減小設備鋪設面積，較佳的技術 方案有，平臺的固控設備層鋪設固控設備，包括泥漿罐、振動篩、離心機、旋流器、攪拌器和 電控櫃；平臺的工作層為鑽井平臺，鑽井平臺包括位於轉盤前側和後側的前平臺與後平臺， 前平臺與後平臺連接為一體結構；後平臺鋪設主卷揚，前平臺鋪設司鑽房和工具房，司鑽房 內的控制臺操控鑽機的鑽井作業過程。
[0013] 本實用新型為了兼顧科學鑽探長19. 5?20m的石油鑽杆立根與長18m的取心鑽 杆立根的應用，滿足不同長度鑽杆的作業需求，較佳的技術方案還有，井架為K型井架，井 架的下部二層臺的高度為16. 5m，應用於對18m的取心鑽杆立根的高位操作；井架的上部二 層臺的高度為18. 5m，應用於對20m的石油鑽杆立根的高位操作；上部二層臺與下部二層臺 的高度差為2m，允許一個工人高度的操作空間。
[0014] 本實用新型為了適應科學鑽探高轉速取心鑽進的需求，較佳的技術方案還有，頂 驅的直驅電機直接驅動鑽杆迴轉；直驅電機的主軸為中空式的空心主軸，空心主軸上部通 過水龍頭與泥漿泵高壓膠管連接，空心主軸下部與鑽杆連接，鑽杆、頂驅主軸、水龍頭與高 壓膠管構成頂驅迴轉系統與泥漿循環系統。直驅電機採用特製的低頻大扭矩交流變頻電機 (電機的型號：YDQ425L-8-220kW-690V-IP55-H-ll. 2 ?23Hz)，額定轉速為 175m/min，最高 轉速為480m/min，最大扭矩為12000Nm，額定頻率11. 2Hz，滿足取心薄壁鑽杆的對於轉速及 扭矩的要求。
[0015] 本實用新型為了適應科學鑽探大口徑全面鑽進、擴孔鑽進的需求，較佳的技術方 案還有，轉盤電機通過萬向軸直接驅動轉盤迴轉。轉盤電機採用特製的低頻大扭矩交流變 頻電機（電機型號：YZP400L-12-180kW-690V-IP55-H-16 ?35Hz)，額定轉速為 157m/min， 最高轉速450m/min，最大扭矩為llOOONm，額定頻率為16Hz，經過ZP175轉盤自身的減速比 3. 75,可以得到轉盤自身的轉速和扭矩41250Nm，滿足使用石油鑽杆進行全面鑽進、擴孔鑽 進對於大扭矩的需要。
[0016] 本實用新型為了適應科學鑽探兼顧大口徑全面鑽進、擴孔鑽進及中小口徑高轉速 取心鑽進的複合鑽進模式的需求，較佳的技術方案還有，主電機和送鑽電機分別由電控房 內的二號變頻器和三號變頻器驅動；操控臺上設有操控按鈕，操控按鈕通過信號線路與司 鑽房內的邏輯控制櫃連接，邏輯控制櫃通過控制電纜分別與一號變頻器、二號變頻器、三號 變頻器和頂驅轉盤切換開關連接。直驅電機和轉盤電機均由一號變頻器驅動，一號變頻器 由司鑽房內的控制臺控制，可實現頂驅與轉盤複合鑽進模式的應用。
[0017] 本實用新型為了滿足科學鑽探兼顧深孔重載鑽具起下鑽過程中的高速高效與取 心、全面鑽進過程的鑽壓精確控制，較佳的技術方案還有，送鑽電機的兩級減速箱包括送鑽 減速箱和主減速箱，主減速箱設有一號輸入軸和二號輸入軸，一號輸入軸通過一號離合器 與主電機輸出軸連接；送鑽電機的輸出軸與送鑽減速箱輸入軸連接，送鑽減速箱的輸出軸 通過二號離合器與主減速箱的二號輸入軸連接。主卷揚的捲筒通過主電機與主減速箱實現 高速起下鑽功能，捲筒通過送鑽電機帶動送鑽減速箱和主減速箱實現自動送鑽功能，兩種 功能通過一號離合器和二號離合器切換，不同時使用。
[0018] 本實用新型為了滿足科學鑽探兼顧經濟性與安全性的要求，較佳的技術方案還 有，電控房採用柴油發電機組與工業網電雙動力源；將10千伏的工業網電變壓後作為鑽機 主要動力電源，可確保科學鑽探長期運轉的經濟性；柴油發電機組作為鑽機的備用動力電 源，在工業網電失電的情況下，柴油發電機組仍可保證科學鑽探運轉的安全性。
[0019] 本實用新型的鑽機用於進行深部科學鑽探作業。
[0020] 本實用新型頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機的工作過程 為：
[0021] 司鑽房操控和監測鑽機的作業過程，電控房為鑽機作業提供動力，主卷揚進行送 鑽和下鑽作業；平臺的上部二層臺和下部二層臺便於作業人員使用不同長度的鑽杆進行鑽 井作業；
[0022] 頂驅由直驅電機直接驅動，轉盤由轉盤電機直接驅動，直驅電機和轉盤電機通過 頂驅轉盤切換開關與電控房內的一號變頻器連接，頂驅轉盤切換開關和一號變頻器由司鑽 房內的控制臺控制，即直驅電機和轉盤電機均由一號變頻器驅動，但是直驅電機和轉盤電 機不同時工作；轉盤電機通過萬向軸直接驅動轉盤迴轉；直驅電機的空心主軸上部通過水 龍頭與泥漿泵高壓膠管連接，空心主軸下部與鑽杆連接，鑽杆、頂驅主軸、水龍頭與高壓膠 管構成頂驅迴轉系統與泥漿循環系統；
[0023] 主卷揚的主電機通過主減速箱驅動捲筒進行下鑽作業，主卷揚的送鑽電機通過兩 級減速箱驅動捲筒進行送鑽作業，主電機和送鑽電機分別通過離合器與捲筒配合，主電機 和送鑽電機不同時驅動捲筒。
[0024] 操控臺上的操控按鈕通過信號線路與司鑽房內的邏輯控制櫃連接，邏輯控制櫃通 過控制電纜分別控制一號變頻器、二號變頻器、三號變頻器和頂驅轉盤切換開關連接，從而 控制頂驅、轉盤、下鑽和送鑽作業。
[0025] 本實用新型的優點和有益效果為：本實用新型的鑽機的底座平臺設計為雙層，減 少了泥漿罐、固控設備的鋪設面積，抬高后平臺的高度，確保在有限的井場空間內提供足夠 大的鑽井作業平臺；K型井架為雙二層臺設計，兼顧石油鑽杆立根與取心鑽杆立根的應用； 高速頂驅、大扭矩轉盤二者共用同一套變頻驅動裝置和同一套操控元件，兼顧大口徑全面 鑽進及中小口徑高速取心鑽進的複合鑽進模式的需求；採用含有自動送鑽的主卷揚提升系 統，兼顧深孔重載鑽具起下鑽過程中的高效性與鑽進過程中鑽壓控制的精確性；整套設備 採用柴油發電機組與工業網電雙動力源輸入，兼顧科學鑽探的經濟性與安全性的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本實用新型頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽正視圖。
[0027] 圖2為本實用新型的轉盤與轉盤電機正視圖。
[0028] 圖3為本實用新型的主卷揚俯視圖。
[0029] 圖4為本實用新型的頂驅正視圖。
[0030] 圖5為本實用新型的直驅電機右視圖。
[0031] 圖6為本實用新型轉盤與頂驅功能切換電路圖。
[0032] 圖7為本實用新型柴油發電機組與工業網電切換操作電路圖。
[0033] 圖8為本實用新型的頂驅、轉盤與主絞車的驅動電路結構圖。
[0034] 圖9為本實用新型的送鑽電機與打撈絞車的驅動電路結構圖。
[0035] 圖中：1、上部二層臺；2、下部二層臺；3、頂驅；4、轉盤；5、前平臺；6、主卷揚；7、 後平臺；8、固控設備層；9、電控櫃；10、旋流器；11、離心機；12、振動篩；13、泥漿罐；14、工 作層；15、萬向軸；16、轉盤電機；17、送鑽電機；18、送鑽減速箱；19、主減速箱；20、主電機； 21、捲筒；22、盤剎；23、水龍頭；24、泥漿管；25、直驅電機；26、鑽杆接頭；27、空心主軸上 部；28、散熱風機；29、直驅電機殼體；30、空心主軸。

【具體實施方式】
[0036] 下列實施例將進一步說明本實用新型。
[0037] 實施例1
[0038] 本實用新型採用技術方案為頂驅3與轉盤4複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅 動鑽機，包括平臺，平臺上設有堅向的井架，井架上設有頂驅3,平臺上還設有司鑽房、電控 房、轉盤4和主卷揚6 ;
[0039] 平臺包括上下兩層設計的工作層14和固控設備層8,井架中部設有用於人工作業 的上部二層臺1和下部二層臺2 ;頂驅3、轉盤4和主卷揚6分別由交流變頻電機驅動；頂 驅3由直驅電機25直接驅動，轉盤4由轉盤電機16直接驅動，直驅電機25和轉盤電機16 通過頂驅轉盤切換開關與電控房內的一號變頻器連接，一號變頻器由司鑽房內的控制臺控 制；主卷揚6的卷揚變頻主電機20通過主減速箱19驅動捲筒21進行下鑽作業，主卷揚6 的變頻送鑽電機17通過兩級減速箱驅動捲筒21進行送鑽作業，主卷揚6即為主絞車，平臺 上還設有打撈絞車。卷揚21側面設有盤剎22。
[0040] 平臺的固控設備層8鋪設固控設備，包括泥漿罐13、振動篩12、離心機11、旋流器 10、攪拌器和電控櫃9 ;平臺的工作層14為鑽井平臺，鑽井平臺包括位於轉盤4前側和後側 的前平臺5與後平臺7,前平臺5與後平臺7連接為一體結構；後平臺7鋪設主卷揚6,前平 臺5鋪設司鑽房和工具房。井架為Κ型井架，井架的下部二層臺2的高度為16. 5m;井架的 上部二層臺1的高度為18. 5m ;上部二層臺1與下部二層臺2的高度差為2m。
[0041] 頂驅3的直驅電機25直接驅動鑽杆迴轉；直驅電機25的主軸為中空式的空心主 軸，空心主軸上部27通過水龍頭23與泥漿管24連接，空心主軸30的下部與鑽杆接頭26 連接，鑽杆接頭26、頂驅的空心主軸30、水龍頭23與高壓泥漿管24構成頂驅3迴轉系統與 泥漿循環系統；轉盤電機16通過萬向軸15直接驅動轉盤4迴轉。頂驅下端的鑽杆接頭26 與鑽杆連接。直驅電機殼體29上設有散熱風機28。
[0042] 主電機20和送鑽電機17分別由電控房內的二號變頻器和三號變頻器驅動；操控 臺上設有操控按鈕，操控按鈕通過信號線路與司鑽房內的邏輯控制櫃連接，邏輯控制櫃通 過控制電纜分別與一號變頻器、二號變頻器、三號變頻器和頂驅轉盤切換開關連接。
[0043] 送鑽電機17的兩級減速箱包括送鑽減速箱18和主減速箱19,主減速箱19設有一 號輸入軸和二號輸入軸，一號輸入軸通過一號離合器與主電機20輸出軸連接；送鑽電機17 的輸出軸與送鑽減速箱18輸入軸連接，送鑽減速箱18的輸出軸通過二號離合器與主減速 箱19的二號輸入軸連接。電控房採用柴油發電機組與工業網電雙動力源；將10千伏的工 業網電變壓後作為鑽機主要動力電源，柴油發電機組作為鑽機的備用動力電源。
[0044] 直驅電機25採用特製的低頻大扭矩交流變頻電機（電機的型號：YDQ425L-8-220 kW-690V-IP55-H-ll. 2?23Hz)，額定轉速為175r/min，最高轉速為480r/min，最大扭矩為 12000Nm，額定頻率11. 2Hz ;轉盤電機16採用特製的低頻大扭矩交流變頻電機（電機型號： YZP400L-12-180kW-690V-IP55-H-16 ?35Hz)，額定轉速為 157r/min，最高轉速 450r/min， 最大扭矩為llOOONm，額定頻率為16Hz，經過ZP175轉盤4自身的減速比3. 75,可以得到轉 盤4自身的轉速和扭矩41250Nm。
[0045] 最後應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例， 而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可 以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此 所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本實用新型的保護範圍之中。
[0046] 本實用新型涉及的邏輯控制櫃為常規的技術設備，其邏輯控制操作部分不屬於本 實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1. 頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，包括平臺，平臺上設有堅 向的井架，井架上設有頂驅，平臺上還設有司鑽房、電控房、轉盤和主卷揚，其特徵在於，平 臺包括上下兩層設計的工作層和固控設備層，井架中部設有用於人工作業的上部二層臺和 下部二層臺；頂驅、轉盤和主卷揚分別由交流變頻電機驅動；頂驅由直驅電機直接驅動，轉 盤由轉盤電機直接驅動，直驅電機和轉盤電機通過頂驅轉盤切換開關與電控房內的一號變 頻器連接，一號變頻器由司鑽房內的控制臺控制；主卷揚的主電機通過主減速箱驅動捲筒 進行下鑽作業，主卷揚的送鑽電機通過兩級減速箱驅動捲筒進行送鑽作業。
2. 如權利要求1所述的頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，其特 徵在於，平臺的固控設備層鋪設固控設備，包括泥漿罐、振動篩、離心機、旋流器、攪拌器和 電控櫃；平臺的工作層為鑽井平臺，鑽井平臺包括位於轉盤前側和後側的前平臺與後平臺， 前平臺與後平臺連接為一體結構；後平臺鋪設主卷揚，前平臺鋪設司鑽房和工具房。
3. 如權利要求2所述的頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，其特 徵在於，井架為K型井架，井架的下部二層臺的高度為16. 5m ;井架的上部二層臺的高度為 18. 5m ;上部二層臺與下部二層臺的高度差為2m。
4. 如權利要求3所述的頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，其特 徵在於，頂驅的直驅電機直接驅動鑽杆迴轉；直驅電機的主軸為中空式的空心主軸,空心主 軸上部通過水龍頭與泥漿泵高壓膠管連接，空心主軸下部與鑽杆連接，鑽杆、頂驅主軸、水 龍頭與高壓膠管構成頂驅迴轉系統與泥漿循環系統。
5. 如權利要求4所述的頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，其特 徵在於，轉盤電機通過萬向軸直接驅動轉盤迴轉。
6. 如權利要求5所述的頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，其特 徵在於，主電機和送鑽電機分別由電控房內的二號變頻器和三號變頻器驅動；操控臺上設 有操控按鈕，操控按鈕通過信號線路與司鑽房內的邏輯控制櫃連接，邏輯控制櫃通過控制 電纜分別與一號變頻器、二號變頻器、三號變頻器和頂驅轉盤切換開關連接。
7. 如權利要求6所述的頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，其特 徵在於，送鑽電機的兩級減速箱包括送鑽減速箱和主減速箱，主減速箱設有一號輸入軸和 二號輸入軸，一號輸入軸通過一號離合器與主電機輸出軸連接；送鑽電機的輸出軸與送鑽 減速箱輸入軸連接，送鑽減速箱的輸出軸通過二號離合器與主減速箱的二號輸入軸連接。
8. 如權利要求7所述的頂驅與轉盤複合鑽進模式的鑽探用交流變頻電驅動鑽機，其特 徵在於，電控房採用柴油發電機組與工業網電雙動力源；將10千伏的工業網電變壓後作為 鑽機主要動力電源，柴油發電機組作為鑽機的備用動力電源。
【文檔編號】E21B3/02GK203891757SQ201420210327
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】朱江龍, 劉躍進, 張偉, 樊臘生, 黃洪波, 潘飛, 李前貴, 李正前, 沈懷浦, 莊生明, 何磊, 臧臣坤, 薛智武, 楊碩 申請人:中國地質裝備集團有限公司, 中國地質科學院探礦工藝研究所