钻探设备概论.ppt

*1 钻探设备概论 地勘钻探设备地勘钻探设备 *2 钻探技术方法分类钻探技术方法分类1 1 按钻进方式分 冲击钻进 回转钻进 古时：竹篾、绳索古时：竹篾、绳索 现代：钢绳、气动液动冲击器现代：钢绳、气动液动冲击器 钢粒钻进钢粒钻进 合金钻进合金钻进 牙轮钻进牙轮钻进 金刚石钻进金刚石钻进 *3 钻探技术方法分类钻探技术方法分类2 2 按循环介质分按循环介质分 空气钻进空气钻进 泡沫钻进泡沫钻进 充气泥浆钻进充气泥浆钻进 泥浆钻进泥浆钻进 无固相泥浆无固相泥浆 低固相泥浆低固相泥浆 油基泥浆油基泥浆 水基泥浆水基泥浆 加重泥浆加重泥浆 淡水泥浆淡水泥浆 盐水泥浆盐水泥浆 *4 钻探技术方法分类钻探技术方法分类3 3 按循环方式分 正循环 反循环 泵吸反循环 射流反循环 气举反循环 csr反循环 设备：专业化？多样性？多功能？设备：专业化？多样性？多功能？ *5 一一. .钻机的分类钻机的分类 1 1、按用途分类、按用途分类 （1 1）岩心钻机）岩心钻机 （2 2）工程钻机）工程钻机 （4 4）水文水井钻机）水文水井钻机 （3 3）石油钻机）石油钻机 （5 5）特种钻机）特种钻机 *6 （1 1）冲击式钻机）冲击式钻机 （4 4）复合式钻机）复合式钻机 （2 2）回转式钻机）回转式钻机 （3 3）振动式钻机）振动式钻机 一一. .钻机的分类钻机的分类 2 2、按钻进方法分类、按钻进方法分类 *7 3 3、按结构特征分类、按结构特征分类 回转式钻机按照回转器的类回转式钻机按照回转器的类 型划分为：型划分为： （1 1）立轴式钻机）立轴式钻机 （2 2）转盘式钻机）转盘式钻机 （3 3）移动回转式钻机（动力头式）移动回转式钻机（动力头式） *8 设备如何满足工艺要求？设备如何满足工艺要求？ 钻探设备必须满足不同钻进工艺方法，但随着工艺钻探设备必须满足不同钻进工艺方法，但随着工艺 方法的变化，钻探设备通常只是就设备的某一部分进行方法的变化，钻探设备通常只是就设备的某一部分进行 改造即可满足新工法的要求，而考虑到工艺方法的多样改造即可满足新工法的要求，而考虑到工艺方法的多样 性，钻探设备的多功能性，钻探设备的多功能/ /多用途已经越来越成为新型钻机多用途已经越来越成为新型钻机 设计时所重点考虑的技术关键。设计时所重点考虑的技术关键。 例如在地勘岩心钻机设计中，由于考虑到探矿工作例如在地勘岩心钻机设计中，由于考虑到探矿工作 的不景气，工作量严重不足，如岩心钻机只能用于取心的不景气，工作量严重不足，如岩心钻机只能用于取心 钻进，则设备利用率低将是不可避免的。为此，最近推钻进，则设备利用率低将是不可避免的。为此，最近推 出的新型岩心钻机如出的新型岩心钻机如xy-4-2xy-4-2、xy-4-3xy-4-3、gsc-08gsc-08等均考虑等均考虑 了将其用于水文水井施工及基桩施工，采用了大通孔设了将其用于水文水井施工及基桩施工，采用了大通孔设 计。计。 *9 第一个发展阶段-手把给进式钻机 1862年，瑞士首先发明了手镶金刚石 钻头，并设计制造了世界上最早的手动操作立轴 式岩心钻机；1899年，出现了廉价的钢粒钻进， 代替了昂贵的金刚石钻进；1916年硬质合金应用 于钻探，产生了合金钻探技术。随着这两种钻进 方法的采用，相应地出现了萌芽状态的立轴式回 转钻进钻机，并由这种钻机逐步发展成性能比较 完善的手把给进式钻机。 钻机的发展概况钻机的发展概况 *10 早期钻探设备集锦早期钻探设备集锦 *11 我国早期岩心钻机状况我国早期岩心钻机状况 我国解放初期，为解决地勘工作急需我国解放初期，为解决地勘工作急需 ，曾经引进一批这类钻机，随后又大量仿制，曾经引进一批这类钻机，随后又大量仿制， 其代表型号其代表型号xb-300xb-300、xb-500xb-500及及xb-1000axb-1000a等。这等。这 类钻机的主要特点是：类钻机的主要特点是： l l 结构简单，制造容易，成本低；结构简单，制造容易，成本低； l l 坚固耐用，易于掌握，解体性好，拆装、坚固耐用，易于掌握，解体性好，拆装、 搬运方便；搬运方便； l l 机构笨重，机械化程度低，劳动强度大，机构笨重，机械化程度低，劳动强度大， 操作分散，安全性、可靠性差；操作分散，安全性、可靠性差； l l 特性参数落后，且难以准确控制，钻进效特性参数落后，且难以准确控制，钻进效 率低。率低。 *12 第二个发展阶段 油压给进式钻机油压给进式钻机 随着合金钻进技术进一步成熟和发展，钻随着合金钻进技术进一步成熟和发展，钻 头类型增多，规程强化，手把给进式钻机已经头类型增多，规程强化，手把给进式钻机已经 明显地不能适应钻进工艺发展要求。与此同时明显地不能适应钻进工艺发展要求。与此同时 ，由于粉末冶金技术的发展，导致铸镶金刚石，由于粉末冶金技术的发展，导致铸镶金刚石 钻头新工艺的出现，而金刚石钻进工艺对钻机钻头新工艺的出现，而金刚石钻进工艺对钻机 提出了新的要求，如精确控制钻压、高的回转提出了新的要求，如精确控制钻压、高的回转 速度及良好的调速特性等，加之当时的液压技速度及良好的调速特性等，加之当时的液压技 术也有了长足的发展与应用，在这种条件下，术也有了长足的发展与应用，在这种条件下， 油压给进式钻机应运而生。油压给进式钻机应运而生。 *13 xu-1000xu-1000立轴钻机立轴钻机 *14 油压给进立轴式钻机的特点 uu给进工序与部分辅助工序给进工序与部分辅助工序( (松紧卡盘松紧卡盘 、移动钻机、拧卸钻具等、移动钻机、拧卸钻具等) )实现了液实现了液 压控制；压控制； uu性能较为先进，并且易于控制，因此性能较为先进，并且易于控制，因此 钻进效率高；钻进效率高； uu工作平稳，操作集中、灵便、安全，工作平稳，操作集中、灵便、安全， 劳动强度有所降低；劳动强度有所降低； uu机械传动，纵向布局，结构紧凑，但机械传动，纵向布局，结构紧凑，但 解体性能较手把钻机差。解体性能较手把钻机差。 *15 第三个发展阶段-全液压动力头钻机 随着工业技术主随着工业技术主 要是液压技术的逐步发展要是液压技术的逐步发展 与完善，同时，也由于在与完善，同时，也由于在 西方工业发达国家的劳动西方工业发达国家的劳动 成本构成中工资成本所占成本构成中工资成本所占 比重越来越大，国外开始比重越来越大，国外开始 在岩心钻机的高度机械化在岩心钻机的高度机械化 上投入力量进行研究，其上投入力量进行研究，其 结果，全液压动力头钻机结果，全液压动力头钻机 应运而生。应运而生。 *16 全液压钻机的特点全液压钻机的特点 所谓全液压钻机是指钻机的回转、给进和升降钻具 等机构均用液压驱动，与常规机械岩心钻机相比，全液 压动力头钻机具有以下特点： 钻机工作过程中的所有动作均由液压系统中的液压元钻机工作过程中的所有动作均由液压系统中的液压元 件完成，大大减轻了操作者的劳动强度，操作人员数件完成，大大减轻了操作者的劳动强度，操作人员数 量大幅度减少；量大幅度减少； 实现了无级调速及钻压的精确控制，可根据地层条件实现了无级调速及钻压的精确控制，可根据地层条件 、机具情况优选钻进参数，更适合金刚石钻进；、机具情况优选钻进参数，更适合金刚石钻进； 回转器可沿桅杆移动回转器可沿桅杆移动( (故称动力头故称动力头) )，实现了长行程给，实现了长行程给 进，不仅大幅度增加了纯钻进时间，还由于钻进过程进，不仅大幅度增加了纯钻进时间，还由于钻进过程 连续，可大幅度减少孔内事故发生的几率并提高岩心连续，可大幅度减少孔内事故发生的几率并提高岩心 采取率。采取率。 *17 *18 钻探设备设计基础知识钻探设备设计基础知识 *19 钻机技术特性参数钻机技术特性参数 钻机技术特性参数，用于设计，是确定钻机总钻机技术特性参数，用于设计，是确定钻机总 体结构和部件结构的前提；用于生产，则是比较、评价体结构和部件结构的前提；用于生产，则是比较、评价 和选用钻机的主要依据。和选用钻机的主要依据。 钻机技术特性参数很多，以岩心钻机为例，有钻进钻机技术特性参数很多，以岩心钻机为例，有钻进 深度、钻孔直径与钻孔倾角；回转器转速、立轴通孔直深度、钻孔直径与钻孔倾角；回转器转速、立轴通孔直 径与让开孔口距离、立轴最大上顶力、立轴最大给进力径与让开孔口距离、立轴最大上顶力、立轴最大给进力 、给进速度、给进行程与倒杆速度；升降机最大起重量、给进速度、给进行程与倒杆速度；升降机最大起重量 、提升速度、钢绳直径、卷筒直径与容量；钻机重量与、提升速度、钢绳直径、卷筒直径与容量；钻机重量与 外廓尺寸；以及动力机类型、功率与转速等。而这些参外廓尺寸；以及动力机类型、功率与转速等。而这些参 数按主次可分为三类，即基本参数、主要参数和一般参数按主次可分为三类，即基本参数、主要参数和一般参 数。数。 *20 钻机基本参数钻机基本参数 基本参数是反映钻机钻进能力的最稳定的参基本参数是反映钻机钻进能力的最稳定的参 数。它是由国家或部门根据一定时期社会生产发数。它是由国家或部门根据一定时期社会生产发 展需要，在编制展需要，在编制“ “标准系列标准系列” ”( (如国标、部标时确定如国标、部标时确定 的，不能随意改变，因此又称为不变参数。至今的，不能随意改变，因此又称为不变参数。至今 岩心钻机仍以钻进孔深为基本参数，如我国岩心岩心钻机仍以钻进孔深为基本参数，如我国岩心 钻机系列标准为钻机系列标准为100100、300300、600600、10001000、15001500、 2000m2000m等。当然，其他应用领域的钻机根据该行业等。当然，其他应用领域的钻机根据该行业 的长期习惯，有以孔深为基本参数的如石油钻机的长期习惯，有以孔深为基本参数的如石油钻机 、水井钻机、工勘钻机等，有以钻进孔径为基本、水井钻机、工勘钻机等，有以钻进孔径为基本 参数的如工程钻机等，有以提升能力为基本参数参数的如工程钻机等，有以提升能力为基本参数 的如非开挖铺管钻机等。的如非开挖铺管钻机等。 *21 钻机主要参数与一般参数钻机主要参数与一般参数 主要参数是反映钻机整体或部件的主要技术主要参数是反映钻机整体或部件的主要技术 经济性能的参数，它取决于基本参数。岩心钻机经济性能的参数，它取决于基本参数。岩心钻机 的主要参数有：回转器转速、上顶力与给进力、的主要参数有：回转器转速、上顶力与给进力、 给进速度与行程、卷扬机提升能力与提升速度、给进速度与行程、卷扬机提升能力与提升速度、 钻机的重量与外廓尺寸以及动力机的功率和转速钻机的重量与外廓尺寸以及动力机的功率和转速 等。等。 一般参数则从属于基本参数和主要参数。如一般参数则从属于基本参数和主要参数。如 钢丝绳直径、卷筒直径与容量等。钢丝绳直径、卷筒直径与容量等。 *22 确定主要参数的主要因素确定主要参数的主要因素 通常，对于岩心钻机来说，通常，对于岩心钻机来说，钻进能力钻进能力 参数参数取决于：钻进深度、钻孔直径、钻杆取决于：钻进深度、钻孔直径、钻杆 直径以及钻孔倾角；直径以及钻孔倾角；回转系统参数回转系统参数取决于取决于 ：回转器速度、立轴通孔直径与让开孔口：回转器速度、立轴通孔直径与让开孔口 距离等；距离等；给进系统参数给进系统参数取决于：立轴最大取决于：立轴最大 上顶力与给进力、给进速度、给进行程与上顶力与给进力、给进速度、给进行程与 倒杆速度等；倒杆速度等；升降系统主要参数升降系统主要参数取决于：取决于： 最大提升重量与提升速度等。最大提升重量与提升速度等。 *23 设计钻探设备所涉及的专业基础知识 钻探设备根据其应用领域不同而种类繁多，小到可以钻探设备根据其应用领域不同而种类繁多，小到可以 手持、重量仅十余公斤的薄壁钻机（墙上打孔用于安装管手持、重量仅十余公斤的薄壁钻机（墙上打孔用于安装管 道如上下水管道、空调管道等），大到需要整列火车装载道如上下水管道、空调管道等），大到需要整列火车装载 重达上千吨的超深孔钻机（如重达上千吨的超深孔钻机（如90009000电动石油钻机等），电动石油钻机等）， 五花八门，不一而足，但其最终使命均归结于钻孔，当然五花八门，不一而足，但其最终使命均归结于钻孔，当然 ，根据其用途的不同，钻探设备的结构也自然由极简单到，根据其用途的不同，钻探设备的结构也自然由极简单到 极复杂。最简单的可能仅仅就是一个单速的回转器或冲击极复杂。最简单的可能仅仅就是一个单速的回转器或冲击 机构，复杂的如海洋科学钻探船则几乎将现代科学技术完机构，复杂的如海洋科学钻探船则几乎将现代科学技术完 全包容，但就我们目前最常见的岩心钻机、水文水井钻机全包容，但就我们目前最常见的岩心钻机、水文水井钻机 、工程钻机、石油钻机等来说，基本上都是机电一体化的、工程钻机、石油钻机等来说，基本上都是机电一体化的 产物，所涉及到的专业基础知识概括来讲有以下几方面：产物，所涉及到的专业基础知识概括来讲有以下几方面： *24 uu理论力学理论力学 uu材料力学材料力学 uu弹塑性力学弹塑性力学 uu断裂力学断裂力学 uu机械制图、机械零机械制图、机械零 件、机械制造等件、机械制造等 uu材料学材料学 uu流体力学与流体机流体力学与流体机 械械 uu电工学、电子学等电工学、电子学等 uu仪器与仪表仪器与仪表 uu自动化控制自动化控制 uu *25 钻探设备钻探设备 是指用于钻探是指用于钻探 施工这种特定施工这种特定 工况的机械装工况的机械装 置和设备，主置和设备，主 要由钻机、泥要由钻机、泥 浆泵及泥浆搅浆泵及泥浆搅 拌机泥浆净化拌机泥浆净化 设备、钻塔等设备、钻塔等 组成组成 *26 钻探设备型号的表示方法如下：钻探设备型号的表示方法如下： x x xx x xa a 主参数主参数 （或序号，用数字表示）（或序号，用数字表示） 第二特征代号（用字母表示）第二特征代号（用字母表示） 第一特征代号（用字母表示）第一特征代号（用字母表示） 类别标志（用字母表示）。类别标志（用字母表示）。 类别标志：表示属于哪类产品。类别标志：表示属于哪类产品。 第一特征代号：表示结构特点。第一特征代号：表示结构特点。 第二特征代号：第二特征代号用来表第二特征代号：第二特征代号用来表 示同类产品的类型特点或其他特征。示同类产品的类型特点或其他特征。 第一特征代号、第二特征代号必要的第一特征代号、第二特征代号必要的 情况下，可以省略。情况下，可以省略。 设备主参数：对于已形成系列的定型产品，用系列中的序号构成产设备主参数：对于已形成系列的定型产品，用系列中的序号构成产 品型号，不标出主参数，未形成系列的产品，主参数只选用一个，用数品型号，不标出主参数，未形成系列的产品，主参数只选用一个，用数 字字1 1，2 2，3 3表示。表示。 钻机多以最大孔深表示，单位钻机多以最大孔深表示，单位m m，泥浆泵多以额定泥浆泵多以额定 压力下的最大流量表示，单位压力下的最大流量表示，单位l/minl/min。钻塔以名义塔高表示，单位钻塔以名义塔高表示，单位m m。搅搅 拌机以容积表示，单位拌机以容积表示，单位m m 3 3 。拧管机用最大扭矩表示。拧管机用最大扭矩表示。 钻探设备的表示方法 *27 类类 别别 类别代号类别代号 第一特征代号第一特征代号 （传动结构）（传动结构） 第二特征代号（第二特征代号（ 装载、其它）装载、其它） 钻钻 机机 岩心钻机岩心钻机 砂矿钻机砂矿钻机 水文钻机水文钻机 工程钻机工程钻机 坑道钻机坑道钻机 浅孔钻机浅孔钻机 地热钻机地热钻机 x x（岩心）岩心） szsz（砂钻）砂钻） s s（水文）水文） g g（工程）工程） k k（坑道）坑道） q q（浅钻）浅钻） r r（地热地热 ） y y（液压操纵机械传动）液压操纵机械传动） d d（全液压动力头）（全液压动力头） p p（转盘）转盘） c c（车装）车装） 泥泥 浆浆 泵泵 b b w w（往复）往复）l l（螺杆）螺杆） m m（隔膜）隔膜） 钻钻 塔塔 t t x x（斜塔）斜塔） 搅搅 拌拌 机机 j j l l（立式）立式） w w（卧式）卧式） 拧拧 管管 机机 型号的类型标志和特征代号编制原则型号的类型标志和特征代号编制原则 *28 例例 spcspc300300 全称：钻进深度为全称：钻进深度为300m300m的车装转盘式水井钻机的车装转盘式水井钻机 钻进深度钻进深度300m300m 车装式车装式 转盘式转盘式 水井水井 钻机型号的编制原则钻机型号的编制原则 xxx-a 主参数或系列序号主参数或系列序号 第二结构特征第二结构特征 第一结构特征第一结构特征 类别标志类别标志 *29 例例 bwbw250250 全称：额定排量全称：额定排量250l/min 250l/min 的往复式泥浆泵的往复式泥浆泵 额定排量额定排量250l250l/min/min 往复式往复式 泥浆泵泥浆泵 泥浆泵型号的编制原则泥浆泵型号的编制原则 xx-a 主参数或系列序号主参数或系列序号 第一结构特征第一结构特征 类别标志类别标志 *30 钻探设备的基本构成 通常，主要类型的钻探设备均由通常，主要类型的钻探设备均由 钻机、钻塔桅杆、泥浆泵等三部分构成钻机、钻塔桅杆、泥浆泵等三部分构成 。 当然，对于一些大型钻探设备来当然，对于一些大型钻探设备来 讲，划分得可能会更细一点，如石油钻机讲，划分