煤层气钻机整体移动装置的优化研究

煤层气作为一种清洁能源,其开发利用对于优化能源结构、促进环境保护具有重要意义。然而,煤层气钻机在整体移动过程中的效率和安全性问题,一直是制约煤层气高效开发的关键因素。针对煤层气钻机整体移动装置的现有不足,提出了一系列优化措施,旨在提高其同步性、移动效率和作业安全性。通过理论分析和实际应用验证,本文的优化方案能够不仅提高了钻机的移动同步性和效率,还降低了维护成本和作业风险,显著提升了煤层气钻机的整体性能,为煤层气产业的可持续发展提供技术支持。

车载钻机电液控制系统优化设计

针对煤层气车载钻机电液控方式布线乱、故障多、控制执行偏差大、误动作、操控失灵等问题,进行车载钻机电液控制系统优化设计。系统从两方面出发:一是优化系统通信方式,控制端与控制箱采用无线通信,控制箱与机身传感器、电磁阀采用CAN总线通信,解决布线乱、故障多问题;二是优化控制方法,传感器信号采集方面运用控制器端口滤波方法,钻进控制方面运用比例时线法,解决控制执行偏差大、误动作、操控失灵问题。通过工业性试验,系统安全、高效、稳定运行累计时间2236 h,表明该控制系统可靠性高、实用性强。

车载救援钻机电控系统设计

为了解决传统车载救援钻机电控系统布线繁琐、故障点难以定位、施工效率低及可靠性不足等问题,设计了一种车载救援钻机电控系统。现场试验结果表明,车载救援钻机控制系统实现了钻进参数及状态监测参数的准确显示,实现了钻机的钻进以及上卸扣的逻辑控制,为车载钻机安全施工提供了保障。

100T分体型车载钻机穿越采空区试验研究

100T分体型车载钻机由钻机车和动力泵站组成,动力泵站采用标准集装箱吊装规范,方便运输吊装,其封闭箱式的设计隔音降噪,克服了元部件过去因直接暴露在外部环境下导致的寿命缩短和后期维护工作量增加的问题,同时100T分体型车载钻机技术性能先进、制造精良、质量可靠,具有工艺适应性强、移动搬迁迅速、占地面积小的特点,具备施工孔深500 m(孔径Ф711 mm)和孔深2500 m(孔径Ф153 mm)的钻孔能力,能够满足地面矿山应急救援和煤层气开发需要。在山西晋城寺河矿区进行了现场工业性试验,顺利完成了一口终孔直径Ф171.5 mm、井深1096 m穿越采空区的L形煤层气生产井。试验中未发生任何机械故障,试验结果验证该100T分体型车载钻机具备较强的工艺适应性和稳定性。

TSJ-3000型水源钻机在煤层气L型井施工的改进应用

L型水平井是煤层气开发的主力井型,目前国内煤层气L型水平井施工设备均为标准石油钻机,但石油钻机设备配置和安迁移运成本较高。而水源钻机购置成本低,且很多地勘单位原来都配备有水源钻机。为此,本文在研究总结常规水源钻机、石油钻机的设备原理、主要参数、差别特点的基础上,对TSJ-3000型水源钻机进行了4项改进设计,以达到标准石油钻机性能。同时,结合煤层气水平井地质条件、作业环境、施工工艺等特点,对改进TSJ-3000型水源钻机进行了4项提升设计,对随钻录井装置、液压大钳、潜水排污设备、气动绞车等进行改进,以满足煤层气L型水平井施工要求。应用改进TSJ-3000型水源钻机有效提高了钻完井工作效率和经济效益。

煤层气钻机与井控装备现状及发展方向

分析了国内外煤层气钻机的发展现状,详细介绍了国外主要钻机生产厂商所研制的煤层气钻机的结构特点、应用情况及国内煤层气钻机的研制开发情况。分析认为,国外煤层气钻机发展成熟,结构紧凑、自动化程度高、效率高,其产品已经形成系列化;而国内则主要借用常规油气钻机、煤田钻机和水文钻机等,钻井成本高、效率低,阻碍了煤层气产业的快速发展。同时,对国内外煤层气井井控设备的发展进行了分析,指出了国内煤层气井井口防喷器和旋转控制头在设计、制造和配套应用方面存在的问题和发展方向。然后,对国内煤层气钻井装备研制开发中存在的问题进行了归纳总结,提出了解决这些问题的具体建议,并指出我国应该抓住机遇研制开发高效的煤层气钻井装备,加快我国煤层气产业的发展,以优化我国的能源结构。

矿山灾害生命保障救援通道快速安全构建关键技术与装备

矿山发生重大灾害事故导致井筒、巷道破坏,人员被困井下时,通过安全、高效地构建救援通道是最有效的救援方式。救援通道包括井下、地面2种形式,井下具备施工条件时,构建穿过坍塌段的大直径救援通道,是最直接的方式;井下不具备施工条件或易发生次生灾害时,则需先在地面快速、精准钻进小直径搜救孔,确定井下被困人员位置及身体状况,并及时输送给养,再构建大直径救援井,采用专用救援提升装备保障被困人员升井脱困。研究涵盖机械工程、钻井工程、电气工程、软件工程、流体力学、岩土力学、动力学、先进控制技术等多学科多领域,将理论分析、数值模拟、实验研究、型式试验、工程示范相结合,以“救援通道构建装备研制—生命保障通道构建技术开发—大直径救援通道构建技术开发—地面提升救援装备开发—技术与装备集成及工程试验”为主线,开发钻孔救援关键技术与装备。研制了3套应急救援集成装备,ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机最大提升力1200 kN、最大转矩50000 N·m,开发了钻机与配套机具的一体化集中控制系统,单根起下钻效率小于3 min/根;XZJ5240JQZ30型救援提升车开发了多传感器信息融合的通信监测控制系统,提升系统最大救援深度848 m;ZDG1500型井下大直径顶管机直径1630 mm,最大顶推力8541.2 kN。开发了复杂地层生命保障孔快速、精准钻进技术,地面大直径救援井精准、安全、高效钻进及透巷技术,井下大断面救援通道顶管快速施工技术3项矿山应急救援通道构建技术。在宁夏宁煤梅花井矿开展了国内首次生命保障孔及大直径救援井施工、救援提升的集成研究和工程示范,完成井径215.9 mm、井深670.5 m生命保障孔,用时46.83 h,井底水平位移偏移0.27 m,满足72 h黄金救援时间内成孔要求;完成井径830 mm、井深654.1 m救援井,井底水平位移0.19 m,介质溃入井下约7.5 m~3,并在救援井内成功进行了救援提升技术与装备试验。在广东省基础工程集团有限公司碎石场开展了顶管钻进工程模拟坍塌条件下的试验,施工长度102.5 m,日进尺43.92 m,顶进误差0.35 m。相关成果在湖南源江山煤矿、山东栖霞金矿、新疆丰源煤矿等5次矿山灾害应急救援中进行了应用。开发的3项救援通道施工技术及3套救援装备,构成了具有自主知识产权的矿山井上井下联合救援技术与装备体系,可满足600 m深度的矿山应急救援需求,为我国矿山灾害救援提供技术装备支撑。

ZMK5530TZJ100型车载钻机的研制

为解决车载钻机以往主要依赖进口,使用和维护成本高的问题,亟需研制高性价比且适宜于煤层气钻孔施工的国产车载钻机。在分析地面煤层气开发方式的基础上,总结出钻机应具备2 000 m深的钻进能力,在直井施工时应通过提高工艺适应性来提高钻进效率,定向井应满足孔底钻具角度的精确控制。在此基础上研发了ZMK5530TZJ100型车载钻机,将柴油机动力系统、电液控制系统和钻进系统等集成于车辆底盘之上,结构紧凑;设计了主轴制动功能,实现孔底钻具角度的精确控制;采用伸缩式桅杆结构的给进机构,结构紧凑,行程长;设计了具有多种电液联动保护功能,系统冷却采用恒温闭式控制。ZMK5530TZJ100型车载钻机在晋城寺河矿进行工业性试验结果表明,最大钻孔深度1 675 m,钻机具有较好的工艺适应性和可靠性。

基于AWE的车装钻机桅杆滑移机构设计研究

国产的全液压车装钻机均不具备桅杆滑移功能,因此设计了一种SDC-1500型全液压车装钻机独有的桅杆滑移机构。首先应用简便设计原则,确立了一种不同于国际上流行的Telemast伸缩桅杆形式;然后根据现有桅杆设计形式,确定滑移机构的尺寸与装配关系;最后应用AWE软件对滑移机构进行静力学和模态分析。现场应用结果表明,该滑移机构设计方案能够适用于大提升力、大扭矩的全液压车装钻机,在不大幅增加设计复杂性和钻机整体质量的同时,能够提供足够的强度保证钻机正常施工;滑移机构不会在钻探过程中与动力头和绞车马达产生共振效应,能够保证钻机整体的稳定性;滑移机构设计合理,能够应用于实际生产。

全液压车载钻机给进回路负载特性分析及设计

给进装置是车载钻机的主要执行机构之一,其性能直接影响钻机技术性能的发挥。目前,全液压车载钻机的给进装置大多采用的是两根油缸通过钢丝绳带动动力头运动的伸缩桅杆式结构,结构紧凑,给进行程长。在分析全液压车载钻机给进装置主要工序和负载特性的基础上,ZMK5530TZJ100型车载钻机设计了双泵、双回路控制的液压控制系统,满足快速起下钻及精确钻压控制的正常钻进需求;通过油缸无杆腔贴装防爆阀实现给进装置的可靠悬停功能,避免管路破裂或误操作时钻具自由下落造成的顿钻事故,两个防爆阀可以同步控制油口,并联在一起使两个给进油缸的无杆腔压力相等,保证两油缸同步运行。ZMK5530TZJ100型车载钻机在晋城寺河矿完成了1 675 m的"L"形试验钻孔,验证了给进回路设计的合理性和可靠性。

SDC-2500型煤层气车载钻机桅杆支架的模态分析

煤层气车载钻机桅杆是重要的执行机构,桅杆支架是桅杆的重要支撑,其工作振动的稳定性直接决定着桅杆工作的可靠性。采用有限元模态分析方法,对桅杆支架自由振动状态和预应力状态进行模态模拟分析,得到此两种状态下固有频率和模态振型数值结果及变化规律,通过对比分析,说明二者的结果很相近,但也存在细微差别,结果表明预应力对桅杆支架的振动影响很小,同时验证了桅杆支架不会产生共振,为支架结构设计提供了支撑,为拓扑优化设计和更深入的动力学分析提供了理论基础,具有十分重要的意义。

车装式全液压钻机伸缩桅杆的结构强度分析

阐述了自主设计的SDC-2500车装式全液压钻机伸缩桅杆的结构形式和工作原理,并建立了受力分析模型,应用Workbench有限元分析软件通过对内桅杆不同受力位置和外桅杆、整体桅杆的结构强度进行分析,确定了桅杆顶部为最大变形位置,举升钢丝绳固定端为最大应力集中位置,为后续桅杆的优化设计提供了重要的理论依据,同时为同类型桅杆的分析研究提供参考。

斜直井钻机在煤层气水平井中的应用

为实现高瓦斯矿井受采动卸压影响的下伏煤层瓦斯地面抽采,根据寺河矿5303工作面复杂工程地质条件,基于采动引起的底板岩层应力变化分区,通过对比常规直井和斜直井轨迹模拟结果,结合斜直井钻机参数特点,提出了使用斜直井钻机地面施工水平井抽放采动卸压瓦斯工艺技术;在此基础上,优化了斜直井钻井轨迹设计方法,有效指导了钻井施工,满足了地质目标要求。完井后自喷生产表明,使用斜直井钻机在复杂工程地质条件下施工煤层气水平井的技术是可行的。

M-700型煤层气抽放钻机的研制

Ｍ－７００型煤层气抽放钻机，是国家９７新技术开发研究项目《矿用煤层气抽放长钻孔水平钻机成套设备及钻进工艺技术的开发研究》的一项主要内容。本文着重介绍了钻机的结构特点、试验情况、主要技术参数等。

修井机、车载钻机二级井架控制系统研究

针对修井机、车载钻机二级井架在立放时是否伸出到位、二级井架承载块是否打开和收井架时承载块是否被钩住等问题,研制了一套用于油田修井机、车载钻机二级井架的控制系统。该系统可以根据监控情况做出相应的控制动作,对操作人员进行语音提示,保证立放井架作业过程安全,同时提高作业效率。该控制系统在现场已使用了0.5 a,运行情况良好,既能安全生产,又能提高作业工效,具有明显的社会效益和经济效益。

ZJ30自紧绷绳钻机的研制

在XJ550自紧绷绳修井机的基础上,对ZJ30钻机进行了自紧绷绳创新设计。取消了传统的4根防风载绷绳设计,其风载绷绳固定在井架基础及折叠钻台绷绳支座上、内负荷绷绳固定在车架上、二层台交叉绷绳固定在折叠钻台绷绳支座上。主要优点是不再需要设置锚坑锚桩,因而占用的作业区域小,实现了钻井作业环保、安全、快捷、高效的目标。

ZJ40CZ车装钻机的研制

采用液压盘式刹车和顶驱等先进技术而开发设计的ZJ40CZ车装钻机,选用高速柴油发动机为行车系统和作业系统提供动力;绞车和转盘采用液力+机械传动方式驱动,绞车为双滚筒,采用液压盘式刹车作为主刹车;井架采用液压油缸起升和伸缩。ZJ40CZ车装钻机可用于复杂地形地区的油井、气井的钻探施工作业,其优越的底盘越野性、较高的作业效率,特别是高移运性,实现了钻机的快速搬家和组装,降低了钻井成本,大大提高了钻机的整体性能,能够满足中深井原油钻探开发的需要。

车载钻机ATB260角齿轮传动箱的输出轴结构优化设计

车载钻机需要大功率、大转矩且高转速的输出,这就要求齿轮箱能够满足这样的要求,除对齿轮有严格的要求之外,还需对轴进行分析,轴的好坏直接关系着齿轮箱传动质量的好坏,而以往传统的ATB260车载钻机角齿轮箱直齿传动的输出轴,习惯性地设计成在轴上有一段凹处,这就大大降低了轴的强度以及轴的安全系数,并且使轴的变形量增加,本文在Solidworks Simulation的环境下,对输出轴进行分析,对比传统设计上的轴和经过优化之后的轴在应力、合位移及应变上的区别。

煤层气开发精确对接井钻进技术装备研发与应用

针对煤矿区煤层气地面开发面临的井型及成井方法单一、配套国产化钻井装备不足等难题,提出了一种基于精确对接井钻进技术的煤层气开发新模式,研制了配套全液压车载钻机,集成了成套钻进装备系统;研究发展了精确对接井钻进工艺,总结形成了系列完井技术,在晋城矿区建成了我国煤矿区第一个高产的远端精确对接井。精确对接井钻进技术装备已推广应用于多个煤层气勘探开发工程,相继建成10个不同类型的精确对接井组,施工水平连通井16口,最大对接距离1 065 m,最大位垂比3.7,最高日产气量3.28万m^3(晋城矿区15号煤层),为实现煤矿区煤层气地面高效开发提供了技术装备支持。

内蒙古草原半干旱浅覆盖区地质调查钻探取样工艺

在草原半干旱浅覆盖区开展区域地质矿产调查工作时因地表露头少而受限,钻探是进行地表揭露和采样的有效方法之一。采用干钻法在内蒙古阿巴嘎旗北部白音图嘎幅(L50E019003)、哈沙图幅(L50E019004)、甘珠庙幅(L50E020003)、明图庙幅(L50E020004)开展了浅覆盖区钻探地质填图工作,结果表明:(1)在交通与地形允许的条件下,采用车载式钻机能够有效提高工作效率;(2)硬质合金单管钻进工艺可适用于浅覆盖地区各类地层钻进,岩芯采取率可达95%以上,技术钻速平均可达36.8 m/(台·班),最高可达52.33 m/(台·班),随着平均孔深的增加,技术钻速降低,但孔深小于35 m时,仍可达9 m/(台·班),具有较好的推广应用价值。上述分析表明,采用干钻法能够钻取目的层位并实现浅覆盖层的连续取芯钻进。