FYD-型分体塔式全液压动力头钻机

“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目及其成果简介~

(一)项目来源及研究目的
安徽是资源储量的大省,具有得天独厚的成矿地质条件。它地处华北、扬子、大别山三个板块结合带,在华北、扬子两个板块结合缝上,驰名中外的郯庐断裂自北向南纵穿全省,是全国19个成矿带之一的长江中下游铜铁多金属成矿带。为了进一步加快深部找矿步伐,安徽省地矿局313地质队于2008年4月向安徽省国土资源厅、安徽省地矿局申请“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目立项,2009年被列入安徽省重点科技攻关项目(编号:09010301015)。
该项目的研究目的是提高深部矿体勘探速度、勘探靶区精度、地质成果的准确性,为加速我国寻找隐伏矿与开拓深部“第二找矿空间”提供技术支持。主要任务是通过研发钻探设备及机具、钻探方法、取心方法、钻孔护壁、高效长寿钻头等技术,解决深部钻探效率问题;通过研究受控定向钻探技术解决深部陡矿体和异型矿体、地表障碍物下部矿体勘探难题;通过钻孔摄像及定向取心技术完成钻孔地质信息采集,由单孔获取岩矿层参数的任务。历经近四年的研究、试验,再研究、试验与完善,于2012年底结题,通过鉴定验收。
(二)项目研究的主要内容
“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目由安徽省地矿局313地质队主持承担,合作单位有:中国地质装备总公司、中国地质大学、中国科学院武汉岩土力学研究所、无锡探矿工具厂、唐山市金石超硬材料有限公司、张家口探矿机械厂等,同时聘请了国内部分资深专家作项目指导。
“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目指导思想是,结合我国深部找矿技术需要,充分集成国内探矿技术优势,实行产、学、研、用相结合机制,以缩短研究周期,加速成果转化。项目的总体思路是:符合我国国情,以野外生产需求为中心,要求研究成果适用性好、可靠性强,易推广应用,且具有先进性、创新性,有自主知识产权。该项目共分4个课题:
课题一:分体塔式全液压动力头钻机及高强度绳索取心钻杆研制
(1)分体塔式全液压动力头钻机(FYD-2200型)
1)钻机实行分体结构设计,改变深孔钻探车载、桅杆式结构存在的弊端,以适应山区、丘陵、农田等道路较差的地区运输;
2)提升钻具设计为高塔形式,以增加立根长度;
3)钻机实现无级变速,增加调速范围;
4)钻机长行程(4.8m)设计,以增加回次进尺长度;
5)钻机动力头卡盘设计为卡瓦夹持和顶驱式两用结构;
6)钻机操作系统实现参数数字化,塔上操作可视化及钻探现场远程监控。
(2)高强度绳索取心钻杆
1)钻杆及接头优选国产高钢级无缝管材,进行特殊热处理,以增加强度和耐磨性满足3000m以内孔深钻探要求;
2)钻杆螺纹副设计为特殊形式,以增加抗扭、抗拉、防脱和密封性;
3)采用成型精密刀具加工钻杆接头螺纹,以提高螺纹加工精度。
课题二:钻孔摄像及定向取心技术在地质勘探中的应用研究
(1)钻孔摄像技术
1)实现360°孔壁数字成像、无缝拼接及高清晰度虚拟钻孔岩心图显示;
2)具有深孔内信息传输与数字分析处理功能;
3)运用钻孔摄像技术在单孔中解析岩矿层产状。
(2)定向取心技术
1)研究垂直孔、倾斜孔岩心定向系统,以扩大定向取心技术应用范围;
2)设计恒压岩心打印装置,保证可靠的导向钻进和平衡反扭矩效果;
3)研究水压力平衡,提高机械仓密封的可靠性;
4)研究孔底岩心打印控制装置,实现电机工作状态的自动控制;
5)研制微型金刚石钻头,以保证定向取心器孔底打印可靠性;
6)研究定向取心技术,在泥浆护壁钻孔中解析岩矿层产状。
课题三:钻孔设计与轨迹动态监控技术研究
1)钻孔弯曲规律分析,预测待钻钻孔的轨迹形态变化规律;
2)钻孔轨迹设计及钻孔轨迹形态绘制;
3)钻孔轨迹空间位置计算及中靶精度预测;
4)探矿、地质综合设计书编制;
5)钻孔综合资料整理及其电子文档自动生成;
6)钻孔轨迹三维可视化动态显示。
课题四:深部岩心钻探钻进工艺方法研究
1)关键装备优化选择与配置;
2)钻孔结构及套管设计;
3)特殊地层钻进取心技术;
4)高效、长寿命金刚石钻头研制与使用;
5)泥浆与护壁技术;
6)钻孔轨迹控制技术;
7)孔内事故预防与处理;
8)钻头成本与技术指标分析。
(三)项目研究主要成果
经过几年的研究与实践,“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目按任务书设计要求完成了FYD-2200型分体塔式全液压动力头钻机及配套机具、高强度绳索取心钻杆(N、H系列,施工深度3000m以内)、地质勘探钻孔摄像及定向取心技术、钻孔设计与轨迹动态监控技术、深部岩心钻探钻进工艺方法的研究与开发。完成了“江淮下游新生代晚期环境变化研究”与“湖北神农架晚期第四纪环境研究”不扰动样环境科学钻探孔、“汶川地震断裂带科学钻探”WFSD-3孔、“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”ZK1725孔等科学钻探试验孔,国家深部探测3000m科学钻探“华南于都 赣县矿集区科学钻探选址预研究”NLSD-1孔与“华东庐枞盆地科学钻探选址预研究”LZSD-1孔、安徽寿县正阳关铁及多金属潜力资源预查项目和滁州明光盐矿勘探孔等深部找矿钻孔的钻探任务,并在安徽霍邱铁矿、金寨沙坪沟钼矿、泥河铁矿、庐枞铁矿、琅琊山铜矿以及山东、浙江、江西、甘肃、四川、北京、上海等地不同地层、不同口径、不同钻进方法的深孔地质找矿和科学钻探中加以应用,取得了良好的效果。
项目研究共获得8项国家专利(其中发明专利3项)、1项国家计算机软件著作权。项目四个课题全部通过国内外科技查新及安徽省科学技术厅组织的专家技术鉴定。项目全面总结的小口径深部岩心钻探工艺及配套机具体系,对地质岩心钻探、科学钻探、环境地质勘探、水文地质水资源勘探施工等项目具有指导意义。项目研究成果总体评价为达到国际先进、国内领先水平。

矿产资源作为人类赖以生存和发展的重要物质基础,对可持续发展战略的实现起着关键性作用。据有关资料报道,我国“十一五”期间在矿产勘查方面总投入约3000亿人民币,钻探工作量累计达约9000×104m(图1-6,图1-7)。2010年钻探工作量比2000年上升39倍。在相关院校、科研院所、企业等单位探矿工作者的共同努力下,深部岩心钻探技术成果斐然,为深部地质找矿及国家科学钻探提供了重要技术保障。

图1-6 我国“十一五”地质勘查资金投入


图1-7 我国“十一五”地质钻探工作量

在地质找矿方面,“十一五”期间我国现已完工1000m以深的钻孔数百个,2000m以深的钻孔60余个(主要由山东、辽宁、河北、安徽、江西、河南等省完成)。继2010年6月安徽省地矿局313地质队完成了安徽霍邱铁矿区勘探2706.68m深钻孔(图1-8)首创国内小口径绳索取心钻进最深纪录后,孔深纪录不断被刷新。现全国已完成3000m以深的超深孔约10余个(含地热勘探井),最深地质岩心钻探小口径绳索取心钻孔为山东省地矿局第三地质矿产勘查院在山东莱州三山岛西岭金矿于2013年完成的ZK96-5孔,终孔孔深达4006.17m。宁夏煤田地质局第二工程处于2012年在甘肃省华池县完工了一口气探井(莲54井),终孔孔深达4220m,创煤田地质钻探最深纪录。

图1-8 安徽霍邱铁矿勘探ZK1725科学试验孔终孔庆典仪式

在科学钻探方面,四川汶川地震断裂带科学钻探完成了5个异常复杂地层大口径不扰动样取心钻孔,岩心采取率均达90%以上,最深孔深达2338m。东北松辽盆地的环境科学钻探完成了2口大直径(Φ216mm～Φ156mm)不扰动样取心钻孔,孔深分别为1810m和1915m。国家深部探测计划科学钻探在全国布置6个钻孔,完工最深孔深3008.29m。核工业地质局在江西相山完成了终孔口径Φ122mm、孔深2818.88m的全孔绳索取心科学钻探孔,创大口径绳索取心钻探纪录。
在设备、机具方面,“十一五”以来,我国在引进的基础上,研制了XD、YDX、HYDX和FYD-2200型分体塔式新一代国产全液压动力头钻机(施工孔深3000m)。同时根据科学钻探需要还研制了超深孔、大功率顶驱动力头钻机,如KZ3000型全液压顶驱钻机(施工能力5000m)、XD35DB交流变频电动顶驱岩心钻机和“地壳一号”万米科学钻探钻机(图1-9),其技术性能已达国际先进水平。立轴式钻机也发展至孔深达3000m的XY-8、XY-9型。重点研发了深孔绳索取心高强度薄壁系列钻杆、钻具及配套机具,可满足孔深4000m要求。

图1-9 “地壳一号”万米科学钻探钻机

在工艺技术方面,液动潜孔锤+螺杆马达+绳索取心“三合一”钻具已用于深部钻探;不同地层条件下的不扰动保真取样技术、复杂地层护壁与多功能复合环保型钻井液体系、自动垂直钻进及自动控制钻孔轨迹系统、高效长寿命金刚石钻头研究、超深地热井钻探及干热井施工技术等研究方面均取得良好应用成果,部分技术已达到国际领先和国际先进水平。

FYD-2200型分体塔式全液压动力头钻机由安徽省地矿局313地质队与中国地质装备总公司共同研制。该钻机集国内外全液压动力头钻机及立轴式钻机的优点于一体,钻机采取分体塔式结构设计,改变了车载、桅杆式结构在深部钻探中存在的弊端,适应于山区、丘陵、道路较差的地区施工;钻机采用无级变速,调速范围宽,操作方便;钻机采用长行程(4.8m)设计,减少了辅助时间;钻机动力头卡盘采取卡瓦夹持和顶驱式两用结构,避免单一结构存在的浅部与深部钻进钻具加压和悬吊卡盘的卡持能力问题;钻机操作系统实现了工作参数数字化、塔上塔下操作可视化及钻探现场网络远程监控,便于现场安全操作和管理者远程决策指挥;钻机自动化程度高,操作安全,作业环境好,劳动强度低。

(一)钻机主要结构

FYD-2200型分体塔式全液压动力头钻机由主机、动力站、钻塔、泥浆泵四大独立部件组成。钻机外形及结构布置如图2-6所示。

图2-6 钻机外形及结构布置

1.主机

钻机主机由夹持器、动力头、卡盘、动力头拖板、桅杆、桅杆上段、桅杆支架、底滑架、底架总成、主卷扬、液压系统、操作台等部件组成。钻机主机部分如图2-7所示。

2.动力站

动力站结构如图2-8所示,其功能是为主机提供液压动力源,它与主机之间用快换接头连接。动力站主要由动力站机架1、电控柜2、油温散热器3、油泵电机组4、油箱5、主泵6、联轴器7、主电机8组成。

图2-7 FYD-2200型钻机主机部分示意图

1—夹持器;2—动力头;3—卡盘;4—动力头拖板;5—桅杆;6—桅杆上段;7—桅杆支架;8—底滑架;9—底架总成;10—主卷扬;11—绳索卷扬;12—液压系统;13—操作台;14—动力站

图2-8 动力站实物图

1—动力站机架;2—电控柜;3—油温散热器;4—油泵电机组;5—油箱;6—主泵;7—联轴器;8—主电机

3.操作台及现场工作室

钻机操作系统实现了转速、压力、扭矩、泵压、流量等参数数字化显示,同时实现了塔上操作和现场工作状态视频化,现场配备了远程网络传输系统。操作台及现场工作室如图2-9所示。

4.钻塔

采用SG-24A四角钻塔,承载力550kN。

图2-9 操作台及现场工作室

(a)操作台;(b)现场工作室

5.泥浆泵

泥浆泵配置BW300/12型,实行分体电动机驱动。

6.绳索取心绞车

绳索取心绞车实行分体电动机驱动,打捞能力达孔深3000m。

7.钻杆拧卸系统

配置SQ114/8型液压动力钳。

(二)钻机主要技术参数

FYD-2200型分体塔式全液压动力头钻机主要技术参数见表2-6。

(三)钻机应用实例

FYD-2200型分体塔式全液压动力头钻机曾在安徽霍邱周集深部找矿ZK1725孔使用,完成了孔深2706.68m、终孔口径Ф77mm的钻孔。另外,在江西赣州于都南岭科学钻探NLSD-1孔施工,完成了孔深2967.83m、终孔口径Ф97mm的钻孔。经使用表明:该钻机具有以下性能特点:

1)钻机结构采用分体模块设计,布局合理。整套钻机分为主机、动力站、钻塔、泥浆泵四大独立部件,便于拆装搬迁运输。

2)采用重型24m四角管子钻塔,可提升18m立根,与桅杆式钻塔只能提9m、6m立根相比,起下钻时间节约1/2～2/3。

3)钻机给进行程长达4.8m,适用于长度4.5m绳索取心钻杆和普通钻杆使用,可节约回次钻进时间。与立轴式钻机相比,钻进同样回次长度,倒杆时间是立轴式钻机的1/5～1/7。

4)钻机动力头可纵向、横向移开孔口,孔口位置比较宽阔,方便提下钻和取心操作。

5)动力头回转调速范围宽泛,机械换挡和液压调速结合,可实现0～1200r/min的无级变速以及动力头转速的精确控制。

6)动力头夹持系统实现卡盘和顶驱两用式,解决了浅孔钻进加压和深孔钻进减压钻进时卡盘夹持力不足而打滑的问题。

7)钻机滑道上部可增加桅杆,实现有塔无塔两用,直斜孔两用。

8)在操作台上实现了主要钻进参数自动采集与显示,塔上塔下关键操作部位的视频图像显示,使作业班长对整个机台的运行状况一目了然,增强了机台操作的安全性。同时实现远程网络输送,便于管理者远程决策和指挥。

9)配置液压动力钳拧卸钻杆,减轻了工人的劳动强度,减少了钻杆的损坏,节约提下钻时间约1/3。

10)钻机、水泵、绳索取心绞车等设备实行与动力站分离单独驱动方式,可节约深孔钻探的能源消耗20%以上。

表2-6 FYD-2200型全液压动力头钻机主要技术参数表

---

盐都区15263006963： ZDY - 3200S型钻机代表什么? - ？
本莎孚亢： 全液压钻机型号含义 Z代表钻机,D代表动力头式,Y代表液压传动,数字代表最大额定转矩N.m

盐都区15263006963： 钻机型号怎样表示 - ？
本莎孚亢： 原发布者:jhytchenyangZJ40J钻机主要参数:钻机型号:ZJ40J名义钻深:4000m最大钩载:2500kN绞车最大功率:1100kw井架形式:＂K＂型井架有效高度:42m底座高度:4.8mZJ50J钻机主要参数:钻机型号:ZJ50J名义钻深:5000m最...

盐都区15263006963： 什么是全液压机械 - ？
本莎孚亢： 全液压钻机主要用于煤矿井下钻进瓦斯抽、排放孔、注浆灭火孔、煤层注水孔、防突卸压孔、地质勘探孔及其他工程孔.适用于岩石坚固系数f≤10的各种煤、岩层.要求巷道及钻场断面大于6.5㎡,高度≥2.5m,宽度≥2.8m.1、钻机整体结构由泵...

盐都区15263006963： 钻机种类及适用范围有哪些 - ？
本莎孚亢： (一)钻机 (1)钻探机械主要包括哪些?如何选用? 钻探机械主要包括钻机、泥浆泵、动力机(柴油机或电动机)和钻塔等. 选择钻探机械,应根据钻探目的、孔深、钻孔结构以及地形运输等条件.首先确定钻机类型, 其它设备随钻机类型...

盐都区15263006963： 全液压动力头式岩心钻机动力头结构与工作原理是什么? ？
本莎孚亢： 动力头是为钻机提供回转扭矩的核心部件.动力头主要由液压马达、变速箱及卡盘组成. 动力头液压马达一般为变量马达,能实现无级变速.马达将扭矩 输出至变速箱,...

盐都区15263006963： 柴油打桩机要用电吗 - ？
本莎孚亢： 目前使用较多的打桩机主要有两种:柴油锤打桩机和长螺旋钻机.徐州海格力斯是专业从事打桩机制造的企业,平时会有一些朋友问一些关于打桩机使用方面的问题,今天海格力斯就给大家说说关于.以下是海格力斯平时遇到的一个朋友的提问...

盐都区15263006963： 钻机的基本参数 - ？
本莎孚亢： 钻机的技术参数表明了钻机的规格和主要技术性能,因此需要在总体设计中确定.这些技术参数,用于设计,是确定钻机总体结构、选用液压件和部件结构的前提;用于生产,则是比较、评价和选用钻机主要依据之一. 钻机的技术特性参数很多...

盐都区15263006963： 全液压动力头系列的长螺旋钻机与普通长螺旋钻机有社么区别? - ？
本莎孚亢： 正弘桩工机械的全液压动力头式钻机的优势,随着国家对地质资源勘探力度不断加大,钻探作为地质找矿的主要手段,其工作量越来越大.钻探设备的使用和革新也不断加快,钻机由普通立轴式钻机向全液压动力头钻机发展.从2005年国内全液...