全液压动力头式钻机的设计

吉林大学建设工程学院 杨虎伟 文献阅读报告文献阅读综述报告全液压动力头式钻机学 院：建设工程学院专 业：地质工程学 号： 姓 名： 导 师： 从2010年9月进入了研究生的生活，在认真学习研究生开设课程的同时，我还有重点的阅读了一些专业方面的书籍和文章，主要针对全液压动力头式钻机及其在钻井方面的应用。在丰富和增强自己专业知识的同时，也为即将开始的毕业论文的完成做下前期必要的知识储备。通过这一段时间的阅读和学习，将自己归纳的知识材料整理如下：全液压动力头式钻机研究摘要动力头式钻机是目前钻机三大主要机型之一，是近些年来发展最快、应用日益广泛的钻机。它以其移动式回转器自带动力液压马达、风动马达或电动机而得名。动力头式钻机传动系统简单，执行机构各自独立，主机重量小，因而布局灵活。在功能上可以打任何角度孔水平孔、下向孔乃至上向扇面孔，而且给进行程长，钻压控制平稳、准确，从而能获得更高的钻效、钻孔质量和岩心采取率。在总体结构方面，只有一个动力头和一个给进导向机构，施工时不需要另立钻塔，被称为“无塔钻机”。目前动力头式钻机在煤田地质勘探、矿井钻探，建筑工程及地质工程中都有着广泛的应用。随着煤炭工业建设的发展，动力头式钻机在煤矿坑道钻探上的应用将更加广泛。关键词:动力头式钻机；顶驱；传动系统；给进机构；液压系统； 一、国内外钻机的研究现状1、国外钻机技术的发展现状和趋势国外钻机逐渐向大型化及小型化方向分化，既有适合于长期钻探作业、钻深能力大的钻机，又有容易携带、自动化程度高的小型钻机，这也突出了钻机产品的发展方向。在钻探技术方面，经典钻探方法和高效钻探方法相结合，如孔底动力技术在国外钻探中已经得到了广泛应用，反循环钻进法对于复杂地层的钻进方法也在实际应用当中，非开挖定向钻进技术更是发展得如火如荼，这些都相对于国内的发展来说快很多。近年来，微电子技术也逐步应用到钻机的设计中，并逐步实现钻机的模块化和自动化，出现了电子计算机辅助监控钻进过程的自动监控系统。（1）、国外石油钻机最新技术挪威AKRE阳公司可编程自动钻井系统(CADS)该公司的第一套可编程管子处理系统己在挪威海上钻井平台上使用。操作该系统时，司钻可以预先依次将起下钻操作步骤程序化，不需要分别操作绞车、顶驱、管子处理装置和卡瓦。钻台上除司钻操作室内的司钻外，不需要其它操作者。该系统总称为可配置自动钻井系统(CADS)，根据承包商和操作者的要求，该公司可将各种操作程序化。系统除有一套可编程管子处理系统外，还包括一套先进的防碰系统，用来防止操作间的相互干扰。在司钻操作室内，触摸屏代替了按钮和开关。同时配备有手动操作的备用系统。所有操作都是经过优化的，大大减少了起下钻时间，每小时可以起下55柱立根。Varoo公司钻机在线监视与诊断系统Varco公司的E一Drill是第一套可用于远程监视和诊断世界各地钻机上的Varc。监测系统，钻机操作人员可以在h1以内和varco的技术人员取得联系，各种参数可以直接从置于Varco公司监测系统内的智能系统取得，用于最大限度提高顶驱、排管系统和Varoc集成控制和信息系统(V一cISI)的性能。RIGSERV钻机集成控制系统RIGSERv钻机集成控制系统是安装在钻台上司钻控制室内完整和最先进的钻机集成控制系统其高度自动化能够使司钻能够方便地操纵多功能绞车、顶驱和铁钻工、钻杆操作器、交流动力和钻井仪表系统。（2）、发展方向加速推广成熟的新技术，不断进行技术更新美国、加拿大和挪威等国的顶部驱动装置的产品均己形成系列，己从海洋钻机推向陆地钻机(包括斜井钻机)，从电驱动钻机推向柴油机驱动钻机，并不断地改善其性能与结构。美国、加拿大、德国和挪威等国的盘式刹车也已形成系列，美国和挪威还开发了计算机控制的气动、多盘的盘式刹车。美国、德国和挪威等国的盘式刹车的钻机一般都配备了自动送钻装置，有的还形成了一体化技术，在动力机出现故障停机时，慢速提起井下钻具，以防止产生井下事故。适应用户需求，提供多样化产品一般都可根据用户要求，提供不同驱动形式的钻机。美国OIME公司研制了不用大吊车和绞车，可低位安装的分体式钻机。大力开发高新技术的钻机为了进一步提高钻机的工艺性、经济性，德国的Wirth公司和挪威的MH公司生产了液压驱动绞车、转盘和钻井泵的全液压钻机，还开发了顶驱加升降液缸的液压升降式钻机;意大利的Drillmec公司也开发了类似的中型系列钻机。发展用于深水钻井的大功率海洋石油钻机更加重视环境保护如尽量减少噪声和排放产生的污染，采用低噪声的柴油机和送轮传动装置。英国已研究出专门用于城市或居民区钻井的密闭式低噪声绞车。美、俄合资的LLc公司生产的钩载550t、钻深655m0型的大型钻机，也采用了防污染的钻屑处理系统。2、国内钻机发展水平我国石油钻机技术发展的现状1957年以来，我国石油钻机技术大体上经历了仿制和在引进消化再创新两个阶段成套石油钻机具备国际竞争力;国产电驱动钻机发展迅速;钻机在适应性、成套性、品种多样性和系列化、自动化、智能化等方面与发达国家还有很大差距;国产钻机特别是机械钻机的维修时间占生产总时间的5%一1%0，而美国只占2%一3%;适应沙漠、戈壁、沼泽等条件的钻机研制才刚起步;需要加大发展小井眼石油钻机、连续管石油钻机、自动化石油钻机等先进钻井设备的投资，推广车装钻机，发展撬装钻机。（2）国内钻机的主要差距技术更新缓慢，先进技术不够普及产品的可靠性差缺少竞争力强的名牌产品二、全液压动力头式钻机1、钻机的分类钻机由于施工目的、要求和工作条件的不同，设计与制造水平的不断发展，通常从不同角度对钻机进行分类，主要划分为以下类型：（1）按照传动方式不同，钻机可分为：机械传动钻机：结构简单，传动可靠，传动效率高，易于加工制造；但整体性强，不便于运输，在传动中有较大的振动和冲击。半液压传动钻机：采用机械传动和液压传动相结合的钻机；一般回转和提升系统采用机械传动、给进系统采用液压传动。全液压传动钻机：传动平稳，便于实现顺序动作和远距离控制；增强了钻机的功能，提高了操作的自动化。（2）按照钻探目的和用途的不同，钻机可分为：石油钻机：用于陆地及海洋石油天然气的普查、勘探和开采的钻孔施工；这类钻机由于钻井的深度大，所以功率大，设备结构复杂庞大。固体矿产勘探钻机：固体矿产勘探往往要提取岩心作为地质资料，因此这种钻机也称为岩心钻机。水文地质调查和水井钻机：用于地下水资源的调查、勘探和开采。工程地质勘探钻机：用于桥梁、水坝、高层建筑及其它重要大型工程建筑基础的地基勘察。工程施工钻机：用于大型工程建筑的基础桩孔的施工。坑道钻机：用于地下坑道各种钻孔的施工。砂矿钻机：用于砂矿矿床的勘探。（3）按照所采用的钻进方法的不同，钻机可分为：冲击式钻机：包括钢绳冲击式和钻杆冲击式钻机，通过钻头周期性的上下运动冲击破碎岩石。回转式钻机：包括立轴式、转盘式及动力头（移动回转器）式钻机，通过钻头在孔底的回转而破碎岩石。振动式钻机：它是采用振动器迫使钻具产生轴向周期性振动，依靠振动所产生的力使钻头吃入地层，实现钻进，适用于松软地层的钻进。复合式钻机：将振动、冲击、回转、静压等功能以不同方式组合在一起的钻机。2、全液压动力头式钻机的基本组成全液压动力头式钻机是指回转和给进机构都采用液压传动的动力头式钻机。用于不同施工目的的全液压动力头式钻机尽管在具体结构上差别较大，但从功能上讲，通常包括以下几个部分：（1）回转机构：是驱动钻具回转，提供回转速度和转矩的装置，又称动力头。（2）提升与给进机构：向钻具施加轴向力，并能移动钻具的机构，主要用于调节钻头载荷、控制给进速度，升降钻具，当出现孔内事故时，还可用于强力起拔钻具。（3）钻杆拧卸、夹持装置：有两种方式，通常是直接用动力头反转来卸开钻杆；但对于转矩很大的钻机，常要另配一个卸管装置。无论哪种方式，在钻机靠孔口的部位都要安装一个承受拧卸钻杆的反转矩和钻具重力的夹持器。（4）液压传动系统：用于产生并控制压力油以实现各液压部件所需的速度、转矩、运动方向等。（5）机架与底座：用于连接和支承钻机各部件，使之成为一个整体并与地基相固定，在必要时还可使主机移位。3、全液压动力头式钻机的几个重要参数（1）动力头主轴转矩这是一项表明钻机的钻进能力和应用范围的参数。小转矩（几百Nm）的动力头式钻机只能用于小口径浅钻孔；大转矩（几千Nm）的动力头式钻机才能用于大口径或深钻孔施工。（2）动力头主轴转速范围这是一项说明钻机的工艺适应性的参数，基本上可分为低转速和高转速两大类，从而适用于不同的钻进工艺和钻孔直径。此项参数在很大程度上决定了所选用的液压马达和液压泵的类型。（3）给进行程这是代表给进系统性能的一项重要参数，其大小对起下钻效率有一定影响。（4）给进起拔力此项参数大小必须满足正常钻进和处理孔内事故的要求。（5）给进起拔速度这也是一项影响起下钻效率的参数。（6）夹持器额定转矩夹持器除了支持孔内钻具重力之外，必须能承受旋紧和松开钻具连接螺纹的正反两个方向的转矩。（7）卡盘额定转矩这一项参数应大于正常钻进和拧卸钻杆时所需要的转矩现在先进的全液压钻机的模型如下所示：图 2-1 全液压顶驱石油钻机模型整机结构图3、全液压动力头式钻机的给进系统全液压动力头式钻机给进系统由给进机构和控制给进机构的液压系统组成。各种给进机构都有其优缺点，而液压系统的好坏则实际上反映了此种钻机给进系统的先进性。给进机构按照传动方式可分为两大类：机械给进机构和液压给进机构。机械给进机构是依靠动力或人力通过机械传动装置施加力和运动。常用的结构形式有钢丝绳加压给进机构、主动钻杆给进机构、螺旋差动给进机构、封闭链条给进机构和手把给进机构等。机械给进机构的主要特点是：多数结构较简单，制造、维修、安装都较方便；采用手动操作，可直接感觉孔内情况，但不能准确控制给进参数；功能较少；劳动强度大；工作安全可靠性差等。此类给进机构多用于纯机械传动式钻机。液压给进机构是利用油液的压力能通过液动机（液压缸或液压马达）实现加、减压和给进钻具。液压给进机构常见的结构形式有单液压缸给进机构、双液压缸给进机构、液压缸链条（或钢绳）给进机构和液压马达链条给进机构等。液压给进机构与机械给进机构相比，具有能较准确地控制和调节给进力和给进速度，能够利用液压仪表反映和显示孔内情况，工作安全可靠，功能齐全，操作方便省力，便于集中控制和远距离操作等优点。但也存在结构复杂，零、部件加工较困难，野外维修不便等缺点。目前的全液压动力头式钻机就是采用这种给进机构。4、液压给进机构（1）单液压缸给进机构单液压缸给进机构采用液压缸或活塞杆直接驱动动力头，显示出结构比较简单的优点。受活塞杆稳定性的限制，单液压缸给进机构的给进行程较小，适用于浅孔钻机。（2）双液压缸给进机构双液压缸给进机构与单液压缸给进机构相比，在系统压力和液压缸结构尺寸相同的情况下，能产生较大的给进力和起拔力，机构的刚性也大，但结构较复杂，安装不便。双液压缸给进机构又有短行程和长行程之分。长行程双液压缸给进机构的给进行程较长，有利于缩短辅助时间、提高钻进效率，但机构的重量和尺寸较大。（3）液压缸链条（或钢绳）给进机构这种给进机构可实现两倍于液压缸活塞行程的长行程给进和提升钻具，升降钻具和给进钻具的速度也为活塞运动速度的两倍，因此，又称为倍速给进机构，但给进力和起拔力要相应减半。按液压缸的数量又分为单液压缸链条（或钢绳）给进机构和双液压缸链条（或钢绳）给进机构。采用双液压缸能产生较大的提升力和给进力，因此双液压缸链条（或钢绳）给进机构多用于较深孔或较大口径钻机。（4）液压马达链条给进机构液压马达链条给进机构用液压马达带动链轮直接驱动给进链条，使机构得以简化，有利于减轻整机的重量。这种机构不受液压缸活塞行程的限制，最长行程可达6-8m，并可获得较快的运动速度，除可完成给进功能外，一般均可取代升降机完成起下钻具作业。但液压马达维修困难，且寿命也不及液压缸长。三、全液压动力头式钻机给进系统的合理性分析1、钻机给进系统的功用对全液压动力头式钻机而言，其给进机构主要应具备以下功用：（1）向孔底钻具提供合理的钻压，并恰当地进给钻具，以实现加压及减压钻进。全液压动力头式钻机的给进系统采用液压给进，主要通过泵向液压缸、马达等执行件提供高压油，通过液压缸、马达输出给进力，通过中间连接装置（拖板）带动动力头再带动钻具实现钻具的给进或起拔。其中通常要采用溢流阀、减压阀、节流阀等液压件实现加压或减压钻进，以调节给进压力或速度，适应钻头在孔底钻进时所需的压力和速度。（2）实现倒杆，提动钻具和悬挂钻具。当动力头带动钻走到钻机最前端，需要先将动力头后退到钻机后端，再继续钻进，这个过程称为倒杆。提钻时也要倒杆，只是方向相反。有些全液压动力头式钻机有起下钻联动功能，倒杆过程中给进液压缸与卡盘和夹持器开合动作联动，大大节省了辅助时间。提动钻具是采用给进液压缸或马达提供给进/起拔力，通过动力头带动钻具小范围往复移动。在垂直或大角度钻孔中钻具在提离孔底后短时处于悬挂状态，此时也要利用给进系统，可通过调节节流阀产生背压以控制钻具保持悬挂状态。（3）能够强力起拔钻具，具有一定的处理事故的能力。从给进机构输出的最大起拔力应大于钻具的重力，并有一定的富余量，以保证当出现孔内异常时钻机能提动钻具而不至于埋钻。钻机钻进垂直孔时，钻具的重力全部作用在钻机上，而钻进近水平孔或小角度孔时仅需克服钻具与孔壁的摩擦力和钻具在钻孔方向上的分力。另外，起拔力也不能太大，以免增加液压缸或给进马达及链条的尺寸，导致给进机构的尺寸过大。（4）能够称量钻具重量。当钻进向下垂直孔时，钻具自重超过钻头所需压力后必须实行减压钻进。为了确定是否需要减压以及减多少压力，必须称重钻具重量。具体做法是：通过调节节流阀开口大小来调节背压，使钻具保持悬挂状态，此时起拔端压力表所示压力乘以液压缸起拔端的截面面积就是钻具的总重量。2、给进系统特性参数的设计原则（1）给进力G和起拔力Q该两项参数是给进机构正逆两个方向的参数。给进力应满足不同钻进工艺钻压的需要。为了提动钻具及有一定的处理事故能力，钻机的给进机构应能提起全部钻具重量，并有一定的储备。（2）给进速度与起拔速度给进起拔速度包括正常钻进时给进起拔速度和起下钻时的给进起拔速度。对于单泵系统，正常钻进时泵输出的少部分液压油进入给进液压缸或给进马达，为动力头提供钻进所需的给进起拔速度；起下钻时，泵输出的液压油全部进入给进液压缸或给进马达，为动力头提供所需较高的给进起拔速度。对于双泵系统，相应的两种工况是：正常钻进时副泵输出的液压油进入液压缸或给进马达，为动力头提供所需的给进起拔速度；起下钻时，主泵和副泵输出的液压油合流，共同进入给进液压缸或给进马达为动力头提供所需的给进起拔速度。（3）给进行程给进行程指给进机构一次连续送进钻具的最大长度。给进行程的大小影响钻进效率、钻机的尺寸、质量及钻进时整机的稳定性。给进行程大，可以减少倒杆次数，缩短钻进中的辅助时间，有利于防止岩心堵塞及孔内事故的发生；能提高钻孔的质量和钻进效率。但给进行程过大，势必会使钻机尺寸、质量加大，钻机重心增高，增加钻机的工作不稳定性。给进行程与给进机构的类型及钻进的孔深有关。液压缸直接给进时给进行程较小，带链条给进时只要空间允许，给进行程可以很长。在同类给进机构中，深孔钻机给进行程要长些，浅孔钻机给进行程短些。3、全液压动力头式钻机给进系统应满足的要求a.执行机构的工作参数能够随钻进工艺的变化进行一定范围的调节随着钻孔深度和地层的变化，钻进参数随时都须相应地改变。其他一些操作工序，如快速倒钻杆、扫孔、快速提升和下放钻具等，也都要求钻机的液压传动系统能根据工序的变化而调节，且有足够的调节范围。b.改变执行机构的方向时不需改变动力机的运动方向钻机的执行机构较多，钻机液压系统的设计以开式回路为主。由于起下钻具、拧卸钻杆、倒钻杆、前后移动钻机、夹紧和松开钻杆等工序的需要，钻机的液压系统必须保证回转器、给进机构、卡夹机构及其他辅助装置均能在不改变动力机运动方向的情况下，实现正、反向运动，且换向迅速、准确、方便，无液压冲击。c.能实现一个机构多种功能全液压动力头式钻机执行机构的功能往往不止一个，例如给进机构的功能除了向孔内送钻具、孔底加压、悬挂钻具和快速倒钻杆等功能外，由于钻机没有单独的钻具升降机构，给进机构还兼作升降机构用，这就要求给进机构应具备快速提升和下放钻具的功能，在发生卡钻事故时还应满足强力起拔钻具的要求。卡夹机构(卡盘和夹持器)不仅要能使钻头在孔内回转或停止工作时，分别卡紧或夹持钻杆，而且还要相互配合拧卸钻杆间的联接螺纹。d.各执行机构应运动准确、液压系统中无流量和压力的干涉动力头式钻机采用液压驱动的执行机构多，并且各机构之间要配合密切，遵循一定的运动规律。在不同操作工序中的动作变化频繁，且顺序动作之间的间隔很短，这些都可能导致液压系统中执行机构之间的运动干涉。不同的工序中，执行机构的工作负载也会发生较大的变化，各执行机构的工作压力可能出现相互干涉的现象，对于单泵系统，这种现象尤为明显。在液压系统设计时应避免出现执行机构之间的干涉。e.液压系统应操作简单，控制准确全液压动力头式钻机在工作时，每道工序都需要多个执行机构配合动作，为提高工作效率、避免误操作，使动作尽可能联动，常通过单手把集中操作。各个执行机构的工作要准确可靠，尤其是立孔钻进时的悬挂钻具、夹持钻杆等工况，相应机构的液压回路必须具备可靠的锁紧和保压功能。f.具有较好的抗污染性能钻机的工作环境主要是煤矿坑道，工作场所清洁度较差，钻进时冲洗液和岩粉的污染也会影响钻机液压系统的清洁度，从而降低液压回路的性能和使用寿命，因此钻机的液压系统必须采用有效的抗污染措施。g.液压系统结构尽量简单，体积小、重量轻坑道钻机的搬迁、安装较频繁。由于工作场所通常都较狭窄，对于非自行式钻机，靠人工搬迁较困难。这就要求钻机液压系统的构成尽可能简单，外形尺寸和元件体积尽量小，以减轻质量、方便搬迁。h.液压元件的标准化、通用化程度要求高为降低制造成本、方便设备维修，应尽量选择标准化、通用化程度较高的液压元件。四、液压系统设计与一般工业生产设备相比，钻探机械往往具有工作环境恶劣、高速重载、能耗大、维护条件差并受重量和安装空间限制等工况特点。液压技术由于具有功率重量比大、配置柔性大、动力传输和控制方便等技术优势，因而在钻机上特别是在中大功率钻机上被广泛采用。钻机上应用液压技术是在四十年代开始的，最初主要是用于给进机构。全液压钻机性能的优劣，主要是取决于液压系统性能的好坏。对工程机械液压系统的评价，应该从液压系统的功能和特性、效率、振动和噪声等几个方面加以分析对比。其中，液压系统的功能是指通过对液体介质的流量和压力进行控制，驱动执行机构完成所要求动作的功用。液压系统的功能与具体的设计要求有关，一方面取决于设计者所构思的回路组成，另一方面受限于组成系统的元件的性能。液压系统效率的高低则反映了能量利用率的高低。液压系统中的无功能耗最终都变为热能，使系统温度升高。液压系统温度过高对性能有着严重的负面影响。首先工作液体的性质与温度有密切的依赖关系，高温会加速液体介质老化，资料表明：矿物油介质每升温15，其稳定使用寿命约降低90%；其次高温会诱发各种故障、增大泄漏、降低元件使用寿命和系统工作的可靠性。目前，大部分液压钻机的液压系统都是以手动控制阀、泵为基础组成的液压系统。受手动液压元件功能所限，不仅系统组成较复杂，而且操作繁琐，控制的自动化程度不高，更不能适应遥控及各种控制策略控制的要求。另一方面，以往全液压钻机液压系统的设计，首先着眼于如何满足控制和调节的性能指标，并没有把效率和能耗控制明确地作为设计目标之一。随着钻机功率的增大，系统的能耗和发热问题越来越突出，成为制约和影响钻机性能发挥的重要因素。因此，在全液压钻机设计中，迫切需要应用液压技术和液压元件发展的最新成果，对传统的液压系统进行技术改造，达到完善功能、提高效率的目的。随着科学技术的发展，机械装备的整体水平都有所提高，特别是20世纪下半叶以来流体传动与控制技术和电子技术、信息技术相结合，发展了机械电子液压一体化的器件和系统，电液阀和电液控制系统在各类机械设备上获得了广泛应用，机械装备迅速向机电液一体化方向发展。电液控制系统不仅具有液压传动的功率重量比大，响应速度快的特点，还兼有电子控制的操作灵活和控制性能好的优点，因此在冶金机械、轻工机械、工程机械、机械制造、大型实验装备、航空航天、舰船、雷达和火炮等部门得到了广泛应用。1、液压系统原理设计全液压顶驱石油钻机的执行元件根据功能可分为普通执行元件和特殊执行元件：普通执行元件的工作参数一经设定以后基本上不再改变，其最高工作压力由普通溢流阀限制、速度由普通节流阀或调速阀限制，并受压力继电器、行程开关控制；特殊执行元件在工作过程中各种参数随时间需要不断调整以取得最佳工作效果，如顶驱油缸和钻井马达，其工作压力、速度均由压力传感器、流量传感器检测，检测结果传送到PLC，PLC对其进行处理并与相应设定值进行比较，然后对电磁比例调速阀和电磁比例压力阀进行控制，使顶驱油缸和钻井马达处于合适的工作状态。根据执行元件功能的不同将液压系统分为开关阀液压系统和比例阀液压系统。（1）开关阀液压系统根据所设计全液压顶驱石油钻机的工作状况，开关阀液压系统如图3-1所示，其执行元件主要包括三大部分：顶驱系统的部分执行元件、铁钻工和管子操纵系统的所有执行元件。在工作过程中各个执行单元由PLC程序控制，无两个或多个执行单元同时工作的情况。液压源为两组相同规格的电机泵组，两泵组交替工作，这样即能够提高泵的寿命，同时又能够提高系统的可靠性。由液压系统图中可以看出，卸荷阀平时处于开启状态，泵工作在卸荷状态，系统压力接近于零，功率消耗小；当系统中有执行元件需要动作时，卸荷阀与控制执行元件的电磁换向阀同时得电，卸荷阀关闭，泵工作在有压状态，其压力由负载决定，系统最高压力由溢流阀决定。当执行元件工作完成时，卸荷阀与控制执行元件的电磁换向阀同时失电，泵又回到卸荷工作状态。（2）比例阀液压系统比例阀液压系统的执行元件为顶驱油缸和钻井马达，它们是整台钻机的核心执行单元，需要分别对它们的液压系统进行设计。顶驱油缸液压系统顶驱油缸是此全液压顶驱钻机的核心执行单元之一，用于起吊重物、接立根、起下钻和钻进作业等。下面主要对起下钻和钻进作业的工况进行分析。a起下钻作业钻井过程中大致有2040的时间用于起下钻具。起下钻时间随深度的增加而增加。虽然起下钻对所有钻井作业都是必需的，但它只起辅助作用，因此，用于起下钻的时间应减至最少。在起下钻过程中很容易发生钻井问题，这些问题主要表现为三种：地层问题如键槽、井壁粘卡、台肩、架桥及起下钻时发生的井喷等；机械设备问题如吊卡和卡瓦损坏、钢丝绳跳槽、游动滑车故障和机组故障等；人为错误如扣合吊卡有误，起下钻过快或过慢，用过大的拉力把钻杆拉入键槽或者拉入相似的障碍，用过大的重量（向下的力）把钻头下进架桥部位或者下入小尺寸井段，以及错误的灌浆步骤等。上述任何事故都可能引起重大的打捞作业或者停钻检修，甚至是作业人员的伤害和死亡。在起下钻过程中，浪费30min或更多的时间是很平常的事，为节省时间可以在起下钻之前预先把工具和设备找到并且清洗好，并以最快的安全速度起下钻具。过高的起下钻速度会引起抽吸和压力激动，可能导致严重的井眼问题或失去压力控制。最大安全起下钻速度需要参考起下钻速度表。起下钻速度表由泥浆服务公司提供或者提供绘制该表所必需的资料。泥浆的特性也是影响起下钻作业的一个很重要的因素。如果泥浆比重明显地超平衡于地层压力，最后一次循环泥浆时，需要用有限量的水和特殊化学处理剂来稀释。这种比较稀的，轻的泥浆对于相同的波动和抽吸压力而言，允许以比较快的速度起下钻。在下钻后循环泥浆出井眼的时候，循环可以在低压力下开始，同时泥浆具有良好的流动性能。保证采用良好的灌浆程序也是非常重要的，因为井喷的一个最常见的起因就是在起钻时未能保持灌浆。本设计中的全液压顶驱石油钻机起下钻速度由顶驱油缸来控制。在起下钻作业时，参照速度表，利用比例调速阀可以精确地控制顶驱油缸的速度，并且吊环和吊卡等执行元件的动作由PLC根据相应输入信号严格控制，尽量减少人的参与，以保障作业安全。从节能方面考虑，下钻时将钻具的重力势能转化为液压能储存到蓄能器中，待顶驱装置空载上行时释放，可减少泵的工作时间。b钻进作业工况分析钻进过程是油井工程中的重要阶段，影响钻速的因素非常多，钻压是影响钻进速度最直观的、最明显的因素之一。c液压系统设计根据以上对起下钻作业和钻进作业工况的分析，顶驱油缸液压系统如图3-3所示。液压泵选用比例流量压力控制型变量轴向柱塞泵，在顶驱油缸不工作时，泵处于零排量卸荷状态，功率消耗非常低。由于顶驱装置在各工况下速度相差很大：钻进速度大约为0.04516m/h，起下钻速度一般为180225m/h，空载运行时速度最大为0.9m/s，即3240m/h，为此选用两个比例调速阀来控制顶驱油缸：一个调速阀专用于钻进作业，另一个调速阀用于起下钻作业和空载运行等其他工况。钻井马达液压系统钻井马达是此全液压顶驱石油钻机的另一核心执行单元，用于钻进作业、顶驱上卸扣、划眼下钻和倒划眼起钻等作业。除起下钻时钻井马达所需功率较小外，其余情况均处于满负荷工作状态。下面主要对钻进作业时钻井马达的工况进行分析。钻进过程是油井工程中的重要阶段，影响钻速的因素很多，转速是除钻压之外的另一重要影响因素。随着转速的提高，钻速是以指数函数关系变化的，但指数一般都小于1。这反映了岩石破碎时的时间效应问题。转速提高后，钻头工作刃与岩石接触时间缩短，不利于岩石的破碎，故转速与钻速成指数关系。参考文献1 冯德强.钻机设计M武汉:中国地质大学出版社,1993.181183,1952052 杨惠民.钻探设备M北京:地质出版社,1988.77843 鄢泰宁.岩土钻掘工程学M武汉:中国地质大学出版社,2001.25284 梁人祝.钻探设备M北京:地质出版社,1986.1251295 中国煤田地质总局.钻探设备.北京:煤炭工业出版社,1994.40496 姚爱国、彭金龙,钻探技术新进展J地质与勘探,2000,36(2):147 杨惠民卞编，钻探设备，北京，地质出版社，1988.H.8 屠厚泽主编，钻探工程学(上、中)，武汉，中国地质大学出版社，1988.8.9 韩广德主编，中国煤炭工业钻探工程学，北京，煤炭工业出版社，2000.12.10 徐挺相似方法及其应用北京：机械工业出版社，1995.9：10611 李生红，中国煤炭地质钻探技术发展五十年J，中国煤田地质.1004一9177.0.2003一06一022.12 胡少韵.我国煤矿坑道钻探技术发展及存在的问题J.煤田地质与勘探 .1998(S1)，59一62.13 石智军.我国沿煤层定向钻进技术的研究及应用前景J探矿工程.1997(5)，33一36.14 左汝强.“钻掘工程国内外发展水平与差距及建议(上)J探矿工程， 2003，1，1-8.15 李继志，陈荣振石油钻采设备及工艺概论山东省东营市：石油大学出版社，1992.5：164-17216 张连山国外液压驱动石油钻机的新进展J石油机械，2000；28（2）：52-5417 杨海学，张兆文，张强液压技术在钻机上的应用现状及发展建议J石油机械，2004；32（8）：72-7418 董怀荣，顾心怿一种新型液压蓄能器石油钻机设计J天然气工业， 2004.5；24（5）：61-6419 邱绪光实用相似理论北京：北京航空学院出版社，1988.7：17820 日江守一郎模型试验的理论和应用北京：科学出版社，1984：121 袁清鸿.顶驱钻机虚拟样机原型系统研究与实践D硕士论文.