鉆塔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

摘要：結(jié)合XY系列立軸式巖心鉆機(jī)的特點(diǎn)，研制開發(fā)了與之配套的AY8-15m系列液壓起塔定向施工A型鉆塔，并獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利。介紹了定向施工液壓鉆塔的結(jié)構(gòu)形式、產(chǎn)品特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例 。

關(guān)鍵詞：立軸式巖心鉆機(jī)；AY系列鉆塔；液壓起塔；定向施工

XY系列立軸式巖心鉆機(jī)突出特點(diǎn)是便于解體和搬運(yùn)，可以實(shí)現(xiàn)0～90°任意角度斜孔鉆進(jìn)，特別適合于在交通不便，場(chǎng)地不充裕的山區(qū)工作。結(jié)合此系列鉆機(jī)特點(diǎn)，研制開發(fā)了與之配套的AY8～15m系列定向施工液壓鉆塔。該鉆塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，已獲國(guó)家實(shí)用新型專利。

基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

AY系列定向施工液壓鉆塔主要由底梁、塔梁、縱梁、龍門架、塔腿、二層臺(tái)、油缸、管路、塔頂、天輪組件、副腿、引導(dǎo)繩組成。

總體上有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）利用鉆機(jī)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓起塔，并與副腿配合使用，可以實(shí)現(xiàn)0～90°任意角度的固定，滿足0～90°任意角度的直斜孔鉆進(jìn)需要。

（2）在結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單的前提下保證各部約束有效，以滿足鉆塔在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性和足夠的強(qiáng)度。

（3）以可以滿足提升n根3米或n跟4.5米鉆桿的原則確定鉆塔的有效高度。

（4）與鉆機(jī)進(jìn)行充分結(jié)合，除滿足結(jié)構(gòu)尺寸和操作空間的要求外，盡量使操作人性化，安全舒適。

（5）對(duì)鉆塔各部分進(jìn)行了合理解體，使強(qiáng)度得到保證的同時(shí)，每件重量都控制在200kg以內(nèi)，便于復(fù)雜路況下的易于搬遷和沒(méi)有起重設(shè)備時(shí)的易于安裝。

系列鉆塔從結(jié)構(gòu)上分為單管兩腳塔、三角塔、四角塔、A型塔、K型塔、桅桿型塔、門字型塔、動(dòng)態(tài)型塔等；從起塔方式上分為液壓式、機(jī)械式、組裝式、伸縮式、折疊式等；從鉆塔工作角度上分為直立式和傾斜式；從選材上分為角鋼塔、管子塔、型鋼塔；從安裝型式分為散裝型、整體車裝型等；從用途上分為石油鉆井、水文鑿井、巖土工程、地質(zhì)找礦、煤田勘探、工程勘察等；從提升有效高度上分為8米~55米；從提升能力上分為5噸到1000噸等。

AY系列定向施工液壓鉆塔由五根底梁支撐，轉(zhuǎn)盤中心前面兩根底梁中間部分用活節(jié)聯(lián)接，當(dāng)鉆塔旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，可拆下妨礙作業(yè)的活節(jié)，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)0～90°任意角度斜孔鉆進(jìn)。

五根底梁上安裝龍門架組成完整的鉆塔底盤，由于XY系列鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)平面垂直于鉆機(jī)方向，所以鉆機(jī)要與一般習(xí)慣的前后安裝方向旋轉(zhuǎn)90°成左右安裝方向，以便于立軸搬轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)斜孔鉆進(jìn)，這樣在鉆機(jī)移出時(shí)要在鉆塔側(cè)面留有一定的側(cè)移空間。獨(dú)特的龍門架結(jié)構(gòu)，使鉆機(jī)順利實(shí)現(xiàn)側(cè)移，整機(jī)讓開孔口中心，解決了提放大徑鉆具的難題，而且鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)和鉆塔的傾斜組成定向施工的一個(gè)完整配置，順利實(shí)現(xiàn)了塔頂-回轉(zhuǎn)器-井孔三點(diǎn)一線0～90°的定向施工孔的鉆進(jìn)。

根據(jù)與鉆塔配套的XY-4、XY-44、XY-5、XY-6B等鉆機(jī)的不同，設(shè)計(jì)有兩種龍門架不同的龍門架跨度，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)側(cè)移后，鉆機(jī)仍能方便地進(jìn)行操作。

一般情況下，要實(shí)現(xiàn)液壓起塔必須附帶較復(fù)雜的液壓系統(tǒng)----動(dòng)力、油箱、油泵、壓力表、高壓油管、各種控制閥、各種接頭、密封件及附屬配件，很多使用場(chǎng)合都因使用繁瑣、實(shí)現(xiàn)困難和維護(hù)要求高放棄使用液壓而改用機(jī)械。而AY系列定向施工液壓鉆塔，借用XY系列鉆機(jī)本身的液壓系統(tǒng)進(jìn)行起落塔，充分發(fā)揮鉆機(jī)和鉆塔各自的優(yōu)勢(shì)，減輕了鉆機(jī)附件的重量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，使用安全可靠。油缸兩端的鉸接處設(shè)計(jì)有關(guān)節(jié)軸承，能有效克服在起塔的過(guò)程中隨著油缸活塞桿的伸長(zhǎng)而產(chǎn)生的不同心帶來(lái)的較勁現(xiàn)象 。

另外因?yàn)楠?dú)特的龍門架結(jié)構(gòu)，塔腿支點(diǎn)高，鉆塔安裝時(shí)塔腿如水平放置，那么每節(jié)塔腿都必須抬高進(jìn)行銷子聯(lián)接，這就需要吊車配合安裝或用許多人力抬高安裝，這成為在交通不便的山區(qū)工作時(shí)準(zhǔn)備工作中的一個(gè)難點(diǎn)。為此在原來(lái)單級(jí)油缸的基礎(chǔ)上改進(jìn)為用多級(jí)油缸起塔，使每節(jié)塔腿都可以底于水平位置安裝，一端放于地面上進(jìn)行安裝，節(jié)省了人力和物力。

副腿采用銷子連接，長(zhǎng)度可以調(diào)整，用來(lái)在鉆機(jī)任意角度斜孔鉆進(jìn)時(shí)支撐鉆塔。而且AY系列定向施工液壓鉆塔提供了兩種副腿聯(lián)接高度，鉆塔在傾斜鉆進(jìn)時(shí)選擇合適高度的副腿進(jìn)行支撐，會(huì)使鉆塔更加穩(wěn)定、可靠。AY系列定向施工液壓鉆塔利用油缸與可調(diào)副腿配合調(diào)整，使鉆塔可以固定在0～90°任何角度位置，再配合它的獨(dú)特結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傾斜固定角度的鉆進(jìn)工作。所以它可以根據(jù)地形和施工目的選擇經(jīng)濟(jì)適宜的場(chǎng)地和斜度進(jìn)行鉆進(jìn)，使其在進(jìn)行定向孔施工時(shí)，操作簡(jiǎn)便易行，工作效率高 。

天車的設(shè)計(jì)首先要保證強(qiáng)度要求，同時(shí)做到了盡量減輕重量，盡量采用通用件和標(biāo)準(zhǔn)件，做到了簡(jiǎn)單、靈活、耐用、易制作和易檢修 。

鉆塔是一種具有一定高度和跨度的金屬桁架，是鉆井設(shè)備的重要組成部分，分為天車、塔身主體、二層臺(tái)、起塔架、副腿、底盤（底座）六個(gè)主要部分（可以根據(jù)實(shí)際需要增減變化這些結(jié)構(gòu)部分），鉆塔在鉆井過(guò)程中，用于安放和懸掛提升系統(tǒng)，承受鉆具重量，存放鉆桿或鉆鋌等，必須具有足夠的承載能力、強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性和必要的操作使用空間 。

AY系列定向施工液壓鉆塔設(shè)計(jì)了引導(dǎo)繩裝置，保證鉆塔在斜孔鉆進(jìn)中，提吊系統(tǒng)沿引導(dǎo)繩運(yùn)動(dòng)，能夠使提吊系統(tǒng)和鉆具的傾斜方向保持不變，避免因提吊系統(tǒng)重量引起鉆具下垂從而影響鉆進(jìn)質(zhì)量。

基本參數(shù)

AY系列定向施工液壓鉆塔的基本參數(shù)見表1

表1 AY系列定向施工液壓鉆塔的基本參數(shù)

應(yīng)用實(shí)例

AY系列定向施工液壓鉆塔結(jié)合地質(zhì)勘探施工實(shí)際，力求做到結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)合理。已在北京、河北、山東、吉林、新疆、寧夏、湖北、湖南、福建等地的煤田地質(zhì)勘探、有色金屬礦勘探以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探方面得到廣泛應(yīng)用，并出口到蒙古國(guó)進(jìn)行煤礦、有色金屬礦的地質(zhì)勘探，鉆塔強(qiáng)度、承載能力、靈活性、各角度下鉆進(jìn)都滿足設(shè)計(jì)要求。

北京中資環(huán)公司、新疆有色706地質(zhì)大隊(duì)、新疆地礦四隊(duì)、中國(guó)煤田地質(zhì)局等配套XY-4、XY-44、XY-5 、XY-6鉆機(jī)，在新疆地區(qū)進(jìn)行煤礦和金礦等有色金屬勘探工程施工，鉆進(jìn)了25°～90°定向孔，深度500～1000米，鉆進(jìn)效率滿足了甲方設(shè)計(jì)要求，取得了較好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（1）定向施工、斜孔鉆進(jìn)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，它可以根據(jù)巖脈分布、地形和施工取芯目的來(lái)選擇經(jīng)濟(jì)適宜的場(chǎng)地和斜度進(jìn)行鉆進(jìn)，AY系列定向施工液壓鉆塔與XY系列鉆機(jī)配套使用，使鉆機(jī)的適用性、可靠性得到了進(jìn)一步驗(yàn)證，使其良好的使用性能得到更充分的發(fā)揮，是XY鉆機(jī)配套的良好設(shè)備。

（2）AY系列定向施工液壓鉆塔與XY系列鉆機(jī)配套使用，可以實(shí)現(xiàn)垂直于巖脈的定向施工鉆進(jìn)，可以準(zhǔn)確探明礦藏儲(chǔ)量，同時(shí)縮小鉆進(jìn)深度，降低施工成本，滿足探礦工程施工需要。

（3）XY系列鉆機(jī) 配套使用與AY系列定向施工液壓鉆塔配套使用，能夠節(jié)省人力、物力，提高施工效率，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

鉆塔的基本技術(shù)參數(shù)包括：有效高度、有效負(fù)荷、二層臺(tái)高度及立根容量、安裝鉆機(jī)設(shè)備的所需的基本尺寸等

鉆塔鉆塔有效高度

鉆塔有效高度決定于起下鉆時(shí)立根的長(zhǎng)度和總的立根數(shù)，鉆塔越高，一次起下鉆的擰卸立根次數(shù)就越少，起下鉆的時(shí)間和工人勞動(dòng)強(qiáng)度也相應(yīng)減少，但隨著鉆塔高度增大，不僅增加了鉆塔的構(gòu)件數(shù)量，還必須加大桿件和整體斷面尺寸，也就相應(yīng)地增大鉆塔的自重以及金屬材料的消耗和搬遷、安裝、拆卸的工作量。因此，根據(jù)鉆孔深度選配鉆桿立根長(zhǎng)度，合理地確定鉆塔高度具有重要意義。

鉆塔鉆塔額定負(fù)荷

鉆塔的額定負(fù)荷是鉆塔基本載荷的最重要因素，是鉆塔強(qiáng)度的重要標(biāo)志，它決定鉆塔最大提引載荷。

鉆塔基本載荷包括：鉆塔恒定載荷F_H、鉆塔最大提升載荷F_T、鉆塔工作繩載荷F_S、風(fēng)載F_F、立根載荷F_L、繃?yán)K載荷F_B和鉆塔額定負(fù)荷F_E。

二層平臺(tái)的作用一是安靠鉆桿,二是連接塔腿，增強(qiáng)鉆塔整體強(qiáng)度。二層平臺(tái)一般習(xí)慣安裝在鉆塔前面，用于安靠鉆桿，考慮到鉆塔傾斜后鉆桿的安放排列問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)把二層臺(tái)安裝到了鉆塔的后部，保證安放鉆具簡(jiǎn)單、方便、合理、安全。

在對(duì)各類型鉆塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工生產(chǎn)實(shí)際，淘汰S型四角鉆塔，優(yōu)先發(fā)展A型或K型鉆塔，積極開展頂驅(qū)鉆塔的理論研究，大力開發(fā)鉆塔配套的機(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)施，著手研究超深井大型鉆塔，應(yīng)該是鉆塔研制的發(fā)展趨勢(shì) 。

頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)鉆塔

自1982年頂驅(qū)系統(tǒng)問(wèn)世以來(lái)，鉆井效益大幅度提高，事故率和鉆井成本明顯下降，因此該項(xiàng)技術(shù)得到快速發(fā)展，預(yù)計(jì)十年內(nèi)我國(guó)鉆機(jī)配備頂驅(qū)系統(tǒng)將會(huì)有大幅度的增加。頂驅(qū)裝置的使用和發(fā)展勢(shì)必要求研制新的鉆塔或?qū)εf鉆塔進(jìn)行改造。配套頂驅(qū)系統(tǒng)的鉆塔是一門新技術(shù)，因此應(yīng)立即開展對(duì)該種鉆塔的研究工作。應(yīng)以K型鉆塔作為研究對(duì)象，分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立設(shè)計(jì)理論，而海洋鉆塔將主要是對(duì)舊鉆塔的改造，加大有效高度及頂部開檔尺寸等。

多種起塔型式鉆塔的研究

直斜兩用液壓鉆塔的研制及應(yīng)用的研究使鉆塔和鉆機(jī)有效結(jié)合，各自功能得到進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，可以安裝起塔方便并能安裝塔衣的鉆塔的研究也將為安全施工創(chuàng)造條件，要在多種起塔型式鉆塔和滿足多種鉆探工藝的鉆塔的研究方面加大力度，一定能有所收獲。

超深井鉆塔的研究

世界上最大的鉆機(jī)鉆井深度已達(dá)15000米，鉆塔最高達(dá)74米。我國(guó)在用的鉆機(jī)也有從美國(guó)引進(jìn)的9000米鉆機(jī)。國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)的最大鉆井深度為12000米，鉆塔高度為52米，底座高度12米，與國(guó)外相比尚有一定差距。因此對(duì)超高鉆塔在截面設(shè)計(jì)、起升機(jī)構(gòu)合理性研究及振動(dòng)研究等方面應(yīng)作更多的工作，使我國(guó)鉆塔的設(shè)計(jì)水平再上一個(gè)新臺(tái)階。

鉆塔自動(dòng)化配套研究

實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)化，如配備動(dòng)力大鉗、動(dòng)力卡瓦等，是提高鉆機(jī)工作效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的重要途徑。從鉆井作業(yè)情況來(lái)看，應(yīng)在鉆塔上配備小型機(jī)械化裝備，如自動(dòng)排放立根系統(tǒng)、自動(dòng)套管臺(tái)、二層臺(tái)逃生器及液壓緩沖器等，以提高鉆機(jī)作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化程度和安全可靠性。2100433B

桅桿型鉆塔與其他類型鉆塔相比，高度小、橫截面尺寸小，各橫截面面積相等，豎立起來(lái)后像船上的桅桿，故稱之為桅桿型鉆塔。

桅桿型鉆塔也稱為桅桿或鉆架，可以做成獨(dú)桿式、管式、板箱式、小斷面桁架式等多種型式,多數(shù)不能靠自重穩(wěn)定,必須采用繃?yán)K或支架、立放塔油缸等以加強(qiáng)其穩(wěn)定性。桅桿型鉆塔尺寸小、重量輕、立放簡(jiǎn)便迅速，特別適用于車裝鉆機(jī)或拖車裝鉆機(jī)。2100433B

用回轉(zhuǎn)方法作深井鉆進(jìn)時(shí)采用下列鉆塔：

1)預(yù)計(jì)能提升三個(gè)長(zhǎng)18-19公尺立根的，用于800-1200公尺鉆進(jìn)的鉆塔，此類塔高為28公尺。

2)預(yù)計(jì)提升長(zhǎng)25公尺的立根，用于鉆進(jìn)3000公尺以內(nèi)的鉆塔；在此情況下使用兩種型式的標(biāo)準(zhǔn)鉆塔：1.高37.3公尺的木板制鉆塔，2.高為41公尺的管子制鉆塔。

3)預(yù)計(jì)提升37公尺長(zhǎng)的立根(用于超深度鉆進(jìn))的高54公尺的鉆塔。

高37.3公尺的木板制鉆塔如圖3所示。這種鉆塔安在四個(gè)基礎(chǔ)支柱上。鉆塔下的基礎(chǔ)應(yīng)是很堅(jiān)固的，因此在不堅(jiān)固的基礎(chǔ)常會(huì)發(fā)生下沉、歪斜，有時(shí)會(huì)使塔架傾倒。在1000~1500公尺以下的回轉(zhuǎn)式鉆探大都采用本制的基礎(chǔ)。 2100433B

《地質(zhì)鉆探用鉆塔技術(shù)條件(DZ/T 0089-1993)》由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版。2100433B