YSJ3000型深孔繩索取心液壓絞車的研制

何磊,沈懷浦,杜江

(中國地質(zhì)裝備總公司技術(shù)中心,北京100102)

YSJ3000型深孔繩索取心液壓絞車的研制

何磊,沈懷浦,杜江

(中國地質(zhì)裝備總公司技術(shù)中心,北京100102)

本文闡述了研制新型3000m深孔繩索取心液壓驅(qū)動(dòng)絞車的必要性及設(shè)計(jì)要點(diǎn),并通過各種檢測手段實(shí)現(xiàn)對(duì)于巖心打撈各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控,目的在于提高巖心打撈的成功率,提高了金剛石繩索取心鉆探工藝的綜合效率。

液壓繩索取心絞車 排繩裝置 張力檢測 深度控制

1 有必要研制深孔繩索取心絞車

提取地質(zhì)巖心,揭示地球內(nèi)部信息,獲取人類賴以生存的能源和資源,是地質(zhì)工作者的神圣職責(zé)。21世紀(jì)以來,我國每年的機(jī)械巖心鉆探工作量激增,2008～2009連續(xù)兩年突破1500萬米大關(guān)。當(dāng)前國內(nèi)勘探單位80%以上所采用的鉆探技術(shù)為金剛石繩索取心,而作為繩索取心關(guān)鍵工序的巖心打撈是核心環(huán)節(jié),也是所有施工單位最為關(guān)注的目標(biāo)作業(yè)點(diǎn)。

由于能源危機(jī)和資源匱乏,我國制定了“攻深找盲”的找礦方針,固體礦床勘探深度的不斷推進(jìn),地質(zhì)小口徑繩索取心鉆探孔深的全國紀(jì)錄不斷更新,截至2010年6月,我國S75繩索取心鉆探的國內(nèi)紀(jì)錄已經(jīng)達(dá)到2706.68m,一些地勘單位已向“突破3000m,覆蓋全疆域”取心的目標(biāo)邁進(jìn);另外,國家地殼探測計(jì)劃、科學(xué)鉆探等重大科研項(xiàng)目的實(shí)施,都需要具備相應(yīng)能力和水平的取心裝備的支撐,實(shí)現(xiàn)3000m巖心打撈功能的絞車則是成套設(shè)備中的核心部件。

深孔取心,尤其是連續(xù)取心3000m,打撈尤其重要。因?yàn)槊恳淮未驌茙r心的不成功,就意味著一次深孔高強(qiáng)度的提鉆作業(yè),數(shù)十噸鉆桿柱頻繁的提起、放下需要消耗巨大的動(dòng)力和人員勞動(dòng),徒增毫無用處的輔助時(shí)間,增加孔內(nèi)事故率,嚴(yán)重降低鉆探效率,增加施工的危險(xiǎn)性。雖然巖心打撈不成功有很多因素,如:巖心脫落、內(nèi)管頂死、鉆具配置等,但繩索取心絞車本身的技術(shù)不過關(guān)或不易操作而造成的打撈失敗,仍是主因之一。目前,地勘單位大多使用上世紀(jì)六、七十年代研發(fā)的1000～1500m深的機(jī)械傳動(dòng)、無排繩、無監(jiān)測裝置的繩索絞車,在深度、操控、監(jiān)測、穩(wěn)定性等方面非常滯后,事故頻發(fā),尤其在深孔鉆探過程中與繩索取心的工藝要求很不協(xié)調(diào),不能滿足當(dāng)前地質(zhì)取心鉆探發(fā)展的需要。因此,研制滿足深孔繩索取心工藝要求的新型絞車是必要的。本篇文章簡要介紹中國地質(zhì)裝備總公司新研制的 YSJ3000型深孔繩索取心液壓絞車(見圖1)。

圖1 YSJ3000型絞車外形

2 YSJ3000型絞車設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

2.1 最大拉力和最大速度的設(shè)計(jì)

YSJ3000型絞車最大拉力的設(shè)定,考慮巖心直徑,巖心管長度,打撈矛及內(nèi)管重量,3000m鋼絲繩自身重量,內(nèi)管提升時(shí)的沿程阻力以及泥漿柱的壓力等因素,繩索絞車最大需要提拉的凈重接近25kN,選用6×36SW-FC(麻芯)鉆探用8mm的鋼絲繩F(破斷拉力)=直徑 ×直徑 ×1770/1000×0.33=37.40 kN,繩索絞車設(shè)計(jì)的最大拉力為37.4kN,安全系數(shù)為1.5,基本滿足施工要求。

YSJ3000型絞車最大速度的設(shè)定,根據(jù)巖心鉆探規(guī)程的要求,繩索絞車提升速度1～1.5m/s較為合適,設(shè)計(jì)第二層單繩在最大提升力3.74kN時(shí)的最大提升速度為1.43m/s,滿足常規(guī)施工要求。由于下放過程需要較高的速度,最外層繩的最大下放速度可達(dá)到4.25m/s,提供了寬泛的下放選擇速度空間(0～4.25m/s)。

類比美國夏威夷科學(xué)鉆探施工用繩索取心絞車,取心鉆進(jìn) 6,096m,使用 12.1mm鋼絲繩,最大拉力設(shè)定為80kN噸,安全系數(shù)為1.6。光轂提升速度為1.64m/s,滿轂提升速度為2.235m/s.

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以確定,YSJ3000型絞車的最大拉力和最高繩速能夠確保3000m井下的巖心能夠被拉得動(dòng)、拉得快。

2.2 速度和力量的控制

然而,僅僅能夠快速提動(dòng)巖心,并不能保證3000米巖心打撈過程的平穩(wěn)、可靠、安全。因?yàn)榇驌茙r心的的過程需要起步慢拉,中間平穩(wěn),調(diào)速柔和。力量太大,容易造成拉斷鋼絲繩,內(nèi)管脫落,速度太高,容易產(chǎn)生打撈事故,容易造成跳繩、亂繩。傳統(tǒng)的SJ系列機(jī)械傳動(dòng)繩索絞車依靠剎車制帶人工操作,起步不柔和,平穩(wěn)性不好,制動(dòng)過猛,人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。而 YSJ3000型絞車是液壓手柄操作(圖2),從0～255m/min可以無級(jí)調(diào)速,調(diào)速柔和,運(yùn)行平穩(wěn),制動(dòng)平緩(圖3),最大拉力可以自由調(diào)定,也大大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2 調(diào)速旋鈕及手柄

圖3 運(yùn)行狀態(tài)

2.3 投放深度位置的監(jiān)測

僅僅解決力量、速度及其控制的環(huán)節(jié),仍然不能確定每次投放時(shí)打撈矛是否到達(dá)內(nèi)管位置,YSJ3000型絞車在自動(dòng)排繩裝置上安裝了計(jì)數(shù)輪、光碼盤(1000個(gè)脈沖/轉(zhuǎn))、絞車深度和速度傳感器和控制器(圖 4、5),深度測量范圍 0000.00～4999.99m,深度誤差≤±0.2‰,可以隨時(shí)觀測監(jiān)控鋼絲繩投放打撈矛的線速度和深度位置,為司鉆人員確認(rèn)打撈矛是否到達(dá)內(nèi)管位置提供可靠的數(shù)據(jù)。

圖4 光碼盤

圖5 控制器

2.4 判斷打撈矛是否懸掛上內(nèi)管

根據(jù)深度控制器判斷打撈矛已經(jīng)到達(dá)內(nèi)管位置后,需要緩慢下放打撈矛以懸掛內(nèi)管撈矛頭,如何判斷打撈矛懸掛上撈矛頭,YSJ3000型絞車安裝了張力傳感器和張力監(jiān)測顯示儀(圖6、7),張力傳感器測量范圍為00.00～99.99kN,張力監(jiān)測顯示儀的測量誤差為≤±0.3‰,即30N。根據(jù)下放到內(nèi)管位置的張力顯示(鋼絲繩和打撈矛的重量)與提升內(nèi)管的張力顯示(鋼絲繩、打撈矛、內(nèi)管及巖心的重量)進(jìn)行對(duì)比,可以十分明確地確定內(nèi)管是否打撈成功。并且在內(nèi)管頂死或者卡死在外管的特殊情況下,張力顯示成倍增大,可以明確判斷內(nèi)管的卡阻狀態(tài),為司鉆者是否解卡并決定是否提鉆提供數(shù)據(jù)支持。

2.5 超長鋼絲繩的排繩是否有序

要打撈 3000m深度位置的巖心,必須配備3800m以上長度的鋼絲繩,既要保證一定的拉力、速度,也要保證超長的鋼絲繩如何能夠避免亂繩、咬繩,爬繩,跳繩等問題,這是傳統(tǒng)的1000m以上深度繩索絞車最棘手的問題,也是施工單位最頭疼的問題。YSJ3000型絞車采用石油測井絞車常用的雙頭螺線自動(dòng)掉頭排繩機(jī)構(gòu),并設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)功能(圖8、9),實(shí)踐證明,使用該絞車的自動(dòng)排繩機(jī)構(gòu),極少出現(xiàn)亂繩、咬繩,爬繩等現(xiàn)象,3000多米直徑8mm的細(xì)鋼絲繩排列整齊有序。另外,本絞車設(shè)置了高精度攝像頭,以方便司鉆者隨時(shí)觀察絞車內(nèi)、外鋼絲繩的運(yùn)行狀態(tài),確保不發(fā)生意外。

圖6 張力傳感器

圖7 張力檢測顯示儀

3 YSJ3000型絞車主要參數(shù)及特點(diǎn)

①液壓系統(tǒng)

工作壓差:30MPa

最大流量:110L/min

②減速機(jī)

最大輸入/輸出速度:4527/99.7r/min

最大輸入/輸出扭矩:243/11032N·m

③絞車卷筒

卷筒直徑:600mm

卷筒長度:1000m

④鋼絲繩

鋼絲繩直徑:8mm

鋼絲繩層數(shù):14層

鋼絲繩繩長:3800m

⑤拉力/速度

第二層單繩最大速度:193m/min

隨著產(chǎn)量和質(zhì)量水平的提升，中國塑料管道加工企業(yè)“走出去”的愿望強(qiáng)烈，也出現(xiàn)了一些出口主導(dǎo)型的企業(yè)，使近年產(chǎn)品出口呈增長勢頭，出口量和出口額不斷增加，并且出口單價(jià)和占總產(chǎn)量的比重均呈上升趨勢，產(chǎn)品主要銷往東南亞、中東、非洲、美洲以及歐洲等國家和地區(qū)。而國內(nèi)市場的擴(kuò)大和行業(yè)的發(fā)展也吸引國外一些同行以各種方式加入了國內(nèi)塑料管道行業(yè)的競爭中，加大了國內(nèi)行業(yè)的創(chuàng)新力度，促進(jìn)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。國內(nèi)塑料管道行業(yè)在積極參與國際交流、學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)與管理理念的同時(shí)，也向國外展示了中國塑料行業(yè)的發(fā)展情況。

第二層單繩最大拉力:3.6t

第十四層單繩最大速度:255m/min

第十四層單繩最大拉力:2.7t

⑥YSJ3000型絞車的特點(diǎn)

液壓驅(qū)動(dòng),速度變化平滑緩和,張弛有度;

排繩裝置,自動(dòng)掉頭亦步亦趨,整齊有序;

張力傳感,提、下放界限清晰,打撈準(zhǔn)確。

4 YSJ3000型絞車需要完善的地方

4.1 自由落鉤功能

在 YSJ3000型絞車下放打撈矛的過程中,雖然設(shè)計(jì)了0～255m/min的寬泛而無級(jí)的下放速度,但是,由于泥漿比重以及孔內(nèi)情況比較復(fù)雜,打撈矛在下放較慢操作時(shí),浪費(fèi)時(shí)間;下放較快時(shí),鋼絲繩的下放速度超過打撈矛在鉆桿中的下放速度,會(huì)引起8毫米鋼絲繩松弛打扭,雖然該絞車在附近設(shè)置了攝像頭,司鉆者可以監(jiān)控繩索絞車和鋼絲繩的即時(shí)運(yùn)行狀態(tài),但是仍然無法避免操作者的一時(shí)疏忽。如果具備無動(dòng)力可控自由落鉤,繩索取心絞車將會(huì)隨著打撈矛自由下放的速度自由旋轉(zhuǎn),不用提著打撈矛下放,既節(jié)省動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)快速下放,又不會(huì)因鋼絲繩的下放速度過快而產(chǎn)生松弛及跳繩打扭的現(xiàn)象。

4.2 可更換不同直徑鋼絲繩的排繩機(jī)構(gòu)

由于在3000m以內(nèi)的取心施工項(xiàng)目,不同的取心深度,不同的取心直徑,不同的地層情況,不同的泥漿比重,都有可能需要配備不同直徑(Φ6～10)的鋼絲繩,而雙線螺旋的排繩主軸螺距(YSJ3000型絞車的螺距為32mm)的固定,必然會(huì)造成排繩裝置只適用于一種鋼絲繩直徑,要更換不同直徑的鋼絲繩,就需要更換不同雙螺線主軸,這會(huì)造成一定的不方便。雖然目前可以通過更換鏈輪以調(diào)整排繩機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比來更換大直徑的鋼絲繩而不必更換螺旋線主軸,但是需要在設(shè)計(jì)之初就要對(duì)于可能要涉及的幾種規(guī)格的鋼絲繩的直徑與相對(duì)應(yīng)的鏈輪齒數(shù)進(jìn)行計(jì)算和實(shí)驗(yàn),做到有備無患。

YSJ3000型繩索取心液壓絞車,正在汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探二號(hào)孔(WFSD-2)項(xiàng)目中接受深孔取心實(shí)踐的檢驗(yàn),目前運(yùn)行狀態(tài)良好,中國地質(zhì)裝備總公司正在對(duì)于該絞車作進(jìn)一步的完善,并形成YSJ1500型、YSJ2000型、YSJ2500型等一系列化產(chǎn)品。我們也希望該絞車的設(shè)計(jì)理念能夠?qū)τ谀壳按罅窟\(yùn)行的1500m以深的機(jī)械傳動(dòng)繩索取心絞車能夠提供一些借鑒,希望批評(píng)指正。

P634.35

A

1009-282X(2011)01-0014-03

2010-08-10

何磊(1979-),男(漢族),江蘇人,畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè),主要從事各種鉆探設(shè)備的研發(fā)工作,北京市朝陽區(qū)望京西園221號(hào)博泰大廈15層,E-mail:helei@cgeg.com.cn。