試驗鉆機安裝關鍵技術研究

陳 云，管鳳花，張學剛

寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司 寧夏銀川 753004

在反井鉆機導孔施工過程中，鉆頭需要冷卻，同時鉆渣在鉆頭高壓冷卻水的作用下沿鉆桿排至地面[1]，導孔鉆頭始終處于高壓環(huán)境，隨著導孔深度的增加，導孔鉆頭承受的壓力不斷增加[2]。另外，由于缺少專業(yè)試驗設備，反井鉆機研究單位僅對單個滾刀機械擠壓破巖原理和機械擠壓破巖對井壁的影響進行了研究，沒有對大直徑擴孔全斷面多滾刀擠壓破巖進行系統(tǒng)研究[3]。

針對上述問題，寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司研制了全斷面機械破巖試驗鉆機，以模擬真實工況環(huán)境，從而對高壓環(huán)境下、全斷面多滾刀機械擠壓破巖原理和高壓環(huán)境對巖石本身的影響進行了系統(tǒng)研究。

全斷面機械破巖試驗鉆機在實驗室進行試驗，試驗鉆機的結(jié)構、鉆桿、安裝方式、鉆頭工作環(huán)境等與反井鉆機完全不同。為獲取與反井鉆機鉆井接近的數(shù)據(jù)，試驗鉆機鉆井直徑達到 3 m，試驗鉆機主機質(zhì)量達 20 t 以上，試驗鉆機的主機、底座等部件外形尺寸比較大，安裝難度也非常大。

1 試驗鉆機安裝關鍵技術難題分析

1.1 反井鉆機安裝

反井鉆機的安裝相對比較簡單，通常安裝在野外或峒室，地基用 300 mm 以上厚度的混凝土固化找平，根據(jù)反井鉆機連接鋼梁安裝尺寸預埋螺栓，將鉆機安裝在水泥固化地面上，并根據(jù)鉆井角度調(diào)整主機導向?qū)к壟c地基角度[4]。反井鉆機施工如圖 1 所示。

圖1 反井鉆機施工

1.2 試驗鉆機安裝技術難題分析

與反井鉆機不同，試驗鉆機安裝在室內(nèi)，吊裝設備是天車。試驗鉆機在安裝前，主機已完成裝配，包括底座、立柱導軌、頂梁、推力油缸組件、動力水龍頭以及連接附件，試驗鉆機的鉆桿、刀盤、基座、主機連接座、變徑圈等部件現(xiàn)場安裝。

試驗鉆機安裝如圖 2 所示。試驗鉆機要安裝在基1.密封座壓蓋 2.密封壓蓋 3.動力水龍頭輸出軸 4 試驗鉆機主機 5.多層鉆桿 6.試驗鉆機密封座 7.試驗鉆機主機連接座 8.變徑圈 9.動密封 10.試驗鉆機基座座上，通過連接座連接，鉆進試驗時，鉆頭在由連接座、鉆桿和基座形成的密封腔體中工作，其中充滿不高于 15 MPa 的洗井液。在鉆進過程中，鉆桿既要軸向移動又要軸向旋轉(zhuǎn)，在鉆桿與連接座之間安裝基于液壓缸密封結(jié)構設計的動密封。

圖2 試驗鉆機安裝

試驗鉆機安裝的核心技術難題是主機鉆桿中心以及連接座導向孔同軸度。由于試驗鉆機是在連接座、鉆桿和基座形成的腔體中工作，且腔體中有不高于 15 MPa 的洗井液，故試驗鉆機鉆桿類同于高壓液壓缸活塞桿。鉆桿外圓直徑 360 mm，根據(jù)高壓液壓缸活塞桿與缸體孔的同軸度要求，鉆桿中心和連接座導向孔同軸度不得大于 0.06 mm。要達到這一精度，首先要保證各零件的制造精度，同時保證鉆桿、連接座、主機和連接座的定位精度[5]。

試驗鉆機主機質(zhì)量達 20 t 以上，連接座和鉆桿的質(zhì)量均已超過 1 t，大型部件要通過天車吊裝找正安裝，安裝難度非常大。

2 試驗鉆機安裝工藝分析

試驗鉆機安裝工藝的核心是根據(jù)試驗鉆機整體設計結(jié)構，制定各大部件的裝配順序，降低裝配難度，保證主機與連接座的垂直度以及鉆桿與連接座導向孔的同軸度。

試驗鉆機安裝工藝研究是指主機及其相關部件在實驗平臺基座上的安裝工藝。從圖 2 可以看出，安裝前鉆桿、鉆頭、密封座、變徑圈、連接座未與主機裝配成一體。

試驗鉆機安裝工藝如下：

(1) 鉆桿和刀盤裝配成一體，并整體吊裝在已裝好的基座中；

(12) 將變徑圈吊裝在基座上，同時將變徑圈與基座之間的高壓靜密封件一同組裝，變徑圈組裝后，將連接座安裝在基座上；

(3) 密封件裝入密封座，整體套裝在鉆桿上，鉆桿上端法蘭安裝在鉆桿上；

(4) 主機安裝，保證主機架導軌與連接座斷面垂直，保證動力頭輸出軸中心與基座、變徑圈及連接座中心重合；

(5) 鉆桿與主機動力頭輸出主軸對正連接，密封座對正連接[6]。

3 試驗鉆機安裝技術研究

3.1 降低試驗鉆機定位精度控制難度

要控制鉆桿中心與導向孔連接座同軸度，涉及到主機、連接座、鉆桿和基座之間安裝定位精度。因此，需要通過結(jié)構設計、功能轉(zhuǎn)化以及裝配方法的改進，將主機、連接座、鉆桿和基座之間定位轉(zhuǎn)化成粗定位，降低定位精度；將鉆桿和連接座之間的密封精確配合轉(zhuǎn)化到質(zhì)量較輕的零件上，利用鉆桿與導向孔之間密封件自定心找正，降低定位調(diào)整難度。

3.2 降低主機安裝找正難度

鉆機主機安裝是最關鍵的工序，要整體安裝在連接座上，動力水龍頭輸出主軸與鉆桿連接，使鉆桿與變徑圈上安裝的密封座之間形成高壓動密封。因此，主機立柱導軌與基座的垂直度直接影響鉆桿與密封座導向孔的同軸度。

將連接座設計成連接座、變徑圈和密封座，將連接座功能分流，功能分流后的連接座只連接主機與基座，與鉆桿無同軸度要求，裝配過程中只控制主機立柱導軌與基座的垂直度，可直接通過調(diào)整主機底座與連接座的連接面調(diào)整墊實現(xiàn)。

安裝時用天車吊裝在連接座上后，通過主機與連接座連接面間加銅片調(diào)整主機立柱導軌與變徑圈斷面的垂直度；主機動力水龍頭輸出主軸與變徑圈內(nèi)孔同軸通過連接螺栓連接粗定位，同軸度小于 2 mm，調(diào)好后用螺栓緊固，降低定位難度。試驗鉆機主機安裝如圖 3 所示。

圖3 試驗鉆機主機安裝

3.3 設計專用工裝降低鉆具對中難度

機械破巖試驗鉆機是針對不同硬度的巖層，在不同轉(zhuǎn)速和鉆壓下，進行機械破巖模擬試驗。試驗鉆機的馬達通過動力水龍頭將轉(zhuǎn)矩傳遞給鉆具。鉆具由一根多層鉆桿和鉆頭組成。動力水龍頭和鉆具通過止口進行軸向定心，通過螺栓進行軸向緊固，通過銷軸傳遞轉(zhuǎn)矩，動力水龍頭和鉆具的對中要求較高。安裝調(diào)試試驗鉆機時要先安裝鉆具，再安裝主機。主機安裝后由于鉆具上部被遮擋，無法使用吊車吊裝鉆具；同時，由于鉆具質(zhì)量約 3 t，長度約 3 m，無法進行人工調(diào)節(jié)；且設計的輸送裝置復雜笨重，因此，試驗鉆機鉆具對中調(diào)節(jié)困難。

為降低鉆具與主機的對中難度，設計專用工裝——鉆具對中調(diào)節(jié)和緊固裝置。鉆具對中調(diào)節(jié)和緊固裝置由底座Ⅰ、4 個調(diào)節(jié)塊 A、4 個調(diào)節(jié)塊 B、調(diào)節(jié)螺釘、鎖緊螺母、底座Ⅱ和合箱螺釘組成。其中，4 個調(diào)節(jié)塊 A 為一組，在同一平面沿圓周方向均布；4 個調(diào)節(jié)塊 B 為一組，在同一平面沿圓周方向均布；4 個調(diào)節(jié)塊 A 與 4 個調(diào)節(jié)塊 B 沿軸向方向布置，并相隔一段距離；4 個調(diào)節(jié)塊 A 與 4 個調(diào)節(jié)塊 B 的內(nèi)圓弧半徑與鉆桿外圓半徑一致。底座Ⅰ和底座Ⅱ通過合箱螺釘緊固后形成一個整體進行對中調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成后拆卸合箱螺釘即可從鉆桿中拆下。通過該裝置止口與主機底座的止口進行圓周定心，通過螺栓孔進行軸向緊固。使用鉆具對中調(diào)節(jié)和緊固裝置進行調(diào)節(jié)的目的有二：一是保證鉆具與主機對中，二是保證主機底座和密封座中心同軸[7]。進行對中調(diào)節(jié)時，4 個調(diào)節(jié)塊 A 與 4 個調(diào)節(jié)塊 B 均可以單獨通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)，單獨徑向移動；調(diào)節(jié)完成后，通過鎖緊螺母鎖緊調(diào)節(jié)螺釘。因密封組件套裝于鉆桿外側(cè)，已和鉆桿同軸，當鉆具與主機對中調(diào)節(jié)完成時，密封座與主機底座的中心同軸也同時完成。鉆具調(diào)整對中工裝如圖 4 所示。

圖4 鉆具調(diào)整對中工裝

4 結(jié)語

通過分析反井鉆機和試驗鉆機結(jié)構功能和鉆井方式，結(jié)合實驗室試驗鉆確機安裝基礎條件，根據(jù)試驗鉆機與底座連接結(jié)構、主機動力水龍頭與鉆桿連接結(jié)構、鉆桿與底座高壓動密封裝配結(jié)構、各部件質(zhì)量和外形尺寸，分析了試驗鉆機安裝核心技術，研究試驗鉆機安裝工藝和安裝核心技術難題的解決措施，實現(xiàn)了試驗鉆機鉆頭在高壓腔體中的穩(wěn)定工作。