顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，平台上设有井架和顶驱，还设有司钻房、电控房、转盘和主卷扬，平台包括上下两层设计的工作层和固控设备层，井架中部设有上部二层台和下部二层台；顶驱、转盘和主卷扬分别由交流变频电机驱动；顶驱由直驱电机直接驱动，转盘由转盘电机直接驱动；主卷扬的主电机通过主减速箱驱动卷筒进行下钻，主卷扬的送钻电机通过两级减速箱驱动卷筒进行送钻。该钻机采用交流变频电动机驱动作业，具备大扭矩转盘钻进或全面钻进能力与高转速顶驱取心钻进的复合钻进能力，由变频器控制实现复合钻进模式的高效低能耗运转，能够满足科学钻探的作业要求。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种科学钻探用钻探设备，具体涉及一种顶驱与转盘复合钻进模 式的钻探用交流变频电驱动钻机。 顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机
【背景技术】
[0002] 科学钻探是获取地球深部物质、了解地球内部信息的最直接、最有效、最可靠的方 法，对解决资源、灾害和环境三大问题都十分重要，通过数千米甚至上万米的大陆科学钻 探，科学家可以揭示大陆地壳的物质组成与结构构造，探索地球深部流体系统，揭示地震发 生规律，研究全球气候变化及环境变迁等等一系列重大基础科学问题。
[0003] 国际大陆科学钻探的目标：通过独特的科学钻探方法，精确地了解地壳成分、结构 构造和对地球资源与环境起着至关重要作用的各种地质过程。中国大陆科学钻探涉及的重 大项目有：中国大陆科学钻探工程1号孔、汶川地震断裂带科学钻探、中国地壳探测计划、 含油气盆地超深科学钻井(大于800(Tl0000m)等。
[0004] 科学钻探有独特的钻探工艺方法及装备要求，区别于传统的地质取心钻探技术装 备、石油钻探技术装备。前者以小口径金刚石取心钻进为目的，一般进行全孔取心，钻口径 在130mm之内；后者以全面钻进为目的，一般仅进行局部层段取心，钻孔口径大于215. 9mm ; 而科学钻探往往有几个基本特点要求：钻孔深度较大，终孔口径较大，取心长度较长，取心 难度较大。要求科学钻探设备既要满足石油钻机大口径全面钻进以投放探测仪器的空间要 求，也要具备岩心钻机高速金刚石钻进长孔段快速取心的优势特点。
[0005] 目前，应用于科学钻探项目的有立轴式地质岩心钻机和大型石油钻机。立轴钻机 通过电动机或者柴油机、离合器、变速箱、分动箱驱动钻机的立轴、卷扬机工作，通过液压油 缸驱动给进系统工作，立轴的通径和输出扭矩不满足大口径钻进的要求；卷扬机的人工抱 闸型式不满足提升深孔重载钻具的要求；小于1000mm的给进行程不能满足取心钻进及复 杂地层扫孔的要求。立轴式钻机以其紧凑性机型的设计理念适应于便于野外运输的小口径 浅孔至中深孔地质取心钻探功能要求，不适用于深孔科学钻孔在大口径全面钻进或扩孔钻 进工艺和深部取心钻进工艺两方面的钻进能力即口径和深度的要求。
[0006] 石油钻机一般通过柴油发动机、传动箱、链条或万向轴驱动绞车和转盘，采用方钻 杆进行全面钻进，不满足科学钻探取心钻进在回转速度、钻压、给进精度、泵量等方面的工 艺需要，而且在场地空间、取心钻探工艺上存在不匹配、不适应的问题。石油顶驱由于转速 低，也不满足科学钻探取心钻进在回转速度、钻压、给进精度、泵量等方面的工艺需要。
[0007] 以上现有的两种深孔钻机，由于不适应科学钻探特有的钻进工艺方法，难以兼容 高转速取心钻进与深孔全面钻进的复合钻进模式，难以在科学钻探较为复杂的地层条件下 实现长行程立根钻进、扫孔、倒划眼等操作，难以在科学钻探有限的场地要求条件下，采用 两种钻杆钻具，高效率、低能耗地实现科学钻探既要放置探测仪器的口径要求又要深部取 心的功能目的。 实用新型内容
[0008] 本实用新型需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种顶驱与转 盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，该钻机采用交流变频电动机实现顶驱、绞 车、转盘、打捞等作业，同时具备大扭矩转盘钻进能力与高转速顶驱取心钻进的复合钻进能 力，由变频器控制实现复合钻进模式的高效低能耗运转，能够满足科学钻探的作业要求。
[0009] 为解决上述问题，本实用新型采用技术方案为：
[0010] 顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，包括平台，平台上设有 坚向的井架，井架上设有顶驱，平台上还设有司钻房、电控房、转盘和主卷扬，司钻房操控和 监测钻机的作业过程，电控房为钻机作业提供动力，主卷扬进行送钻和下钻作业；
[0011] 平台包括上下两层设计的工作层和固控设备层，工作层位于上层，工作层为钻井 平台，进行钻井作业，固控设备层位于下层；井架中部设有用于人工作业的上部二层台和下 部二层台，上部二层台和下部二层台便于作业人员使用不同长度的钻杆进行钻井作业；顶 驱、转盘和主卷扬分别由交流变频电机驱动；顶驱由直驱电机直接驱动，转盘由转盘电机直 接驱动，直驱电机和转盘电机通过顶驱转盘切换开关与电控房内的一号变频器连接，顶驱 转盘切换开关和一号变频器由司钻房内的控制台控制，即直驱电机和转盘电机均由一号变 频器驱动，但是直驱电机和转盘电机不同时工作；主卷扬的主电机通过主减速箱驱动卷筒 进行下钻作业，主卷扬的送钻电机通过两级减速箱驱动卷筒进行送钻作业，主电机和送钻 电机分别通过离合器与卷筒配合，主电机和送钻电机不同时驱动卷筒。
[0012] 本实用新型为了适应科学钻探的场地空间要求，减小设备铺设面积，较佳的技术 方案有，平台的固控设备层铺设固控设备，包括泥浆罐、振动筛、离心机、旋流器、搅拌器和 电控柜；平台的工作层为钻井平台，钻井平台包括位于转盘前侧和后侧的前平台与后平台， 前平台与后平台连接为一体结构；后平台铺设主卷扬，前平台铺设司钻房和工具房，司钻房 内的控制台操控钻机的钻井作业过程。
[0013] 本实用新型为了兼顾科学钻探长19. 5?20m的石油钻杆立根与长18m的取心钻 杆立根的应用，满足不同长度钻杆的作业需求，较佳的技术方案还有，井架为K型井架，井 架的下部二层台的高度为16. 5m，应用于对18m的取心钻杆立根的高位操作；井架的上部二 层台的高度为18. 5m，应用于对20m的石油钻杆立根的高位操作；上部二层台与下部二层台 的高度差为2m，允许一个工人高度的操作空间。
[0014] 本实用新型为了适应科学钻探高转速取心钻进的需求，较佳的技术方案还有，顶 驱的直驱电机直接驱动钻杆回转；直驱电机的主轴为中空式的空心主轴，空心主轴上部通 过水龙头与泥浆泵高压胶管连接，空心主轴下部与钻杆连接，钻杆、顶驱主轴、水龙头与高 压胶管构成顶驱回转系统与泥浆循环系统。直驱电机采用特制的低频大扭矩交流变频电机 (电机的型号：YDQ425L-8-220kW-690V-IP55-H-ll. 2 ?23Hz)，额定转速为 175m/min，最高 转速为480m/min，最大扭矩为12000Nm，额定频率11. 2Hz，满足取心薄壁钻杆的对于转速及 扭矩的要求。
[0015] 本实用新型为了适应科学钻探大口径全面钻进、扩孔钻进的需求，较佳的技术方 案还有，转盘电机通过万向轴直接驱动转盘回转。转盘电机采用特制的低频大扭矩交流变 频电机（电机型号：YZP400L-12-180kW-690V-IP55-H-16 ?35Hz)，额定转速为 157m/min， 最高转速450m/min，最大扭矩为llOOONm，额定频率为16Hz，经过ZP175转盘自身的减速比 3. 75,可以得到转盘自身的转速和扭矩41250Nm，满足使用石油钻杆进行全面钻进、扩孔钻 进对于大扭矩的需要。
[0016] 本实用新型为了适应科学钻探兼顾大口径全面钻进、扩孔钻进及中小口径高转速 取心钻进的复合钻进模式的需求，较佳的技术方案还有，主电机和送钻电机分别由电控房 内的二号变频器和三号变频器驱动；操控台上设有操控按钮，操控按钮通过信号线路与司 钻房内的逻辑控制柜连接，逻辑控制柜通过控制电缆分别与一号变频器、二号变频器、三号 变频器和顶驱转盘切换开关连接。直驱电机和转盘电机均由一号变频器驱动，一号变频器 由司钻房内的控制台控制，可实现顶驱与转盘复合钻进模式的应用。
[0017] 本实用新型为了满足科学钻探兼顾深孔重载钻具起下钻过程中的高速高效与取 心、全面钻进过程的钻压精确控制，较佳的技术方案还有，送钻电机的两级减速箱包括送钻 减速箱和主减速箱，主减速箱设有一号输入轴和二号输入轴，一号输入轴通过一号离合器 与主电机输出轴连接；送钻电机的输出轴与送钻减速箱输入轴连接，送钻减速箱的输出轴 通过二号离合器与主减速箱的二号输入轴连接。主卷扬的卷筒通过主电机与主减速箱实现 高速起下钻功能，卷筒通过送钻电机带动送钻减速箱和主减速箱实现自动送钻功能，两种 功能通过一号离合器和二号离合器切换，不同时使用。
[0018] 本实用新型为了满足科学钻探兼顾经济性与安全性的要求，较佳的技术方案还 有，电控房采用柴油发电机组与工业网电双动力源；将10千伏的工业网电变压后作为钻机 主要动力电源，可确保科学钻探长期运转的经济性；柴油发电机组作为钻机的备用动力电 源，在工业网电失电的情况下，柴油发电机组仍可保证科学钻探运转的安全性。
[0019] 本实用新型的钻机用于进行深部科学钻探作业。
[0020] 本实用新型顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机的工作过程 为：
[0021] 司钻房操控和监测钻机的作业过程，电控房为钻机作业提供动力，主卷扬进行送 钻和下钻作业；平台的上部二层台和下部二层台便于作业人员使用不同长度的钻杆进行钻 井作业；
[0022] 顶驱由直驱电机直接驱动，转盘由转盘电机直接驱动，直驱电机和转盘电机通过 顶驱转盘切换开关与电控房内的一号变频器连接，顶驱转盘切换开关和一号变频器由司钻 房内的控制台控制，即直驱电机和转盘电机均由一号变频器驱动，但是直驱电机和转盘电 机不同时工作；转盘电机通过万向轴直接驱动转盘回转；直驱电机的空心主轴上部通过水 龙头与泥浆泵高压胶管连接，空心主轴下部与钻杆连接，钻杆、顶驱主轴、水龙头与高压胶 管构成顶驱回转系统与泥浆循环系统；
[0023] 主卷扬的主电机通过主减速箱驱动卷筒进行下钻作业，主卷扬的送钻电机通过两 级减速箱驱动卷筒进行送钻作业，主电机和送钻电机分别通过离合器与卷筒配合，主电机 和送钻电机不同时驱动卷筒。
[0024] 操控台上的操控按钮通过信号线路与司钻房内的逻辑控制柜连接，逻辑控制柜通 过控制电缆分别控制一号变频器、二号变频器、三号变频器和顶驱转盘切换开关连接，从而 控制顶驱、转盘、下钻和送钻作业。
[0025] 本实用新型的优点和有益效果为：本实用新型的钻机的底座平台设计为双层，减 少了泥浆罐、固控设备的铺设面积，抬高后平台的高度，确保在有限的井场空间内提供足够 大的钻井作业平台；K型井架为双二层台设计，兼顾石油钻杆立根与取心钻杆立根的应用； 高速顶驱、大扭矩转盘二者共用同一套变频驱动装置和同一套操控元件，兼顾大口径全面 钻进及中小口径高速取心钻进的复合钻进模式的需求；采用含有自动送钻的主卷扬提升系 统，兼顾深孔重载钻具起下钻过程中的高效性与钻进过程中钻压控制的精确性；整套设备 采用柴油发电机组与工业网电双动力源输入，兼顾科学钻探的经济性与安全性的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为本实用新型顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻正视图。
[0027] 图2为本实用新型的转盘与转盘电机正视图。
[0028] 图3为本实用新型的主卷扬俯视图。
[0029] 图4为本实用新型的顶驱正视图。
[0030] 图5为本实用新型的直驱电机右视图。
[0031] 图6为本实用新型转盘与顶驱功能切换电路图。
[0032] 图7为本实用新型柴油发电机组与工业网电切换操作电路图。
[0033] 图8为本实用新型的顶驱、转盘与主绞车的驱动电路结构图。
[0034] 图9为本实用新型的送钻电机与打捞绞车的驱动电路结构图。
[0035] 图中：1、上部二层台；2、下部二层台；3、顶驱；4、转盘；5、前平台；6、主卷扬；7、 后平台；8、固控设备层；9、电控柜；10、旋流器；11、离心机；12、振动筛；13、泥浆罐；14、工 作层；15、万向轴；16、转盘电机；17、送钻电机；18、送钻减速箱；19、主减速箱；20、主电机； 21、卷筒；22、盘刹；23、水龙头；24、泥浆管；25、直驱电机；26、钻杆接头；27、空心主轴上 部；28、散热风机；29、直驱电机壳体；30、空心主轴。
【具体实施方式】
[0036] 下列实施例将进一步说明本实用新型。
[0037] 实施例1
[0038] 本实用新型采用技术方案为顶驱3与转盘4复合钻进模式的钻探用交流变频电驱 动钻机，包括平台，平台上设有坚向的井架，井架上设有顶驱3,平台上还设有司钻房、电控 房、转盘4和主卷扬6 ;
[0039] 平台包括上下两层设计的工作层14和固控设备层8,井架中部设有用于人工作业 的上部二层台1和下部二层台2 ;顶驱3、转盘4和主卷扬6分别由交流变频电机驱动；顶 驱3由直驱电机25直接驱动，转盘4由转盘电机16直接驱动，直驱电机25和转盘电机16 通过顶驱转盘切换开关与电控房内的一号变频器连接，一号变频器由司钻房内的控制台控 制；主卷扬6的卷扬变频主电机20通过主减速箱19驱动卷筒21进行下钻作业，主卷扬6 的变频送钻电机17通过两级减速箱驱动卷筒21进行送钻作业，主卷扬6即为主绞车，平台 上还设有打捞绞车。卷扬21侧面设有盘刹22。
[0040] 平台的固控设备层8铺设固控设备，包括泥浆罐13、振动筛12、离心机11、旋流器 10、搅拌器和电控柜9 ;平台的工作层14为钻井平台，钻井平台包括位于转盘4前侧和后侧 的前平台5与后平台7,前平台5与后平台7连接为一体结构；后平台7铺设主卷扬6,前平 台5铺设司钻房和工具房。井架为Κ型井架，井架的下部二层台2的高度为16. 5m;井架的 上部二层台1的高度为18. 5m ;上部二层台1与下部二层台2的高度差为2m。
[0041] 顶驱3的直驱电机25直接驱动钻杆回转；直驱电机25的主轴为中空式的空心主 轴，空心主轴上部27通过水龙头23与泥浆管24连接，空心主轴30的下部与钻杆接头26 连接，钻杆接头26、顶驱的空心主轴30、水龙头23与高压泥浆管24构成顶驱3回转系统与 泥浆循环系统；转盘电机16通过万向轴15直接驱动转盘4回转。顶驱下端的钻杆接头26 与钻杆连接。直驱电机壳体29上设有散热风机28。
[0042] 主电机20和送钻电机17分别由电控房内的二号变频器和三号变频器驱动；操控 台上设有操控按钮，操控按钮通过信号线路与司钻房内的逻辑控制柜连接，逻辑控制柜通 过控制电缆分别与一号变频器、二号变频器、三号变频器和顶驱转盘切换开关连接。
[0043] 送钻电机17的两级减速箱包括送钻减速箱18和主减速箱19,主减速箱19设有一 号输入轴和二号输入轴，一号输入轴通过一号离合器与主电机20输出轴连接；送钻电机17 的输出轴与送钻减速箱18输入轴连接，送钻减速箱18的输出轴通过二号离合器与主减速 箱19的二号输入轴连接。电控房采用柴油发电机组与工业网电双动力源；将10千伏的工 业网电变压后作为钻机主要动力电源，柴油发电机组作为钻机的备用动力电源。
[0044] 直驱电机25采用特制的低频大扭矩交流变频电机（电机的型号：YDQ425L-8-220 kW-690V-IP55-H-ll. 2?23Hz)，额定转速为175r/min，最高转速为480r/min，最大扭矩为 12000Nm，额定频率11. 2Hz ;转盘电机16采用特制的低频大扭矩交流变频电机（电机型号： YZP400L-12-180kW-690V-IP55-H-16 ?35Hz)，额定转速为 157r/min，最高转速 450r/min， 最大扭矩为llOOONm，额定频率为16Hz，经过ZP175转盘4自身的减速比3. 75,可以得到转 盘4自身的转速和扭矩41250Nm。
[0045] 最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例， 而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此 所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
[0046] 本实用新型涉及的逻辑控制柜为常规的技术设备，其逻辑控制操作部分不属于本 实用新型的保护范围。
【权利要求】
1. 顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，包括平台，平台上设有坚 向的井架，井架上设有顶驱，平台上还设有司钻房、电控房、转盘和主卷扬，其特征在于，平 台包括上下两层设计的工作层和固控设备层，井架中部设有用于人工作业的上部二层台和 下部二层台；顶驱、转盘和主卷扬分别由交流变频电机驱动；顶驱由直驱电机直接驱动，转 盘由转盘电机直接驱动，直驱电机和转盘电机通过顶驱转盘切换开关与电控房内的一号变 频器连接，一号变频器由司钻房内的控制台控制；主卷扬的主电机通过主减速箱驱动卷筒 进行下钻作业，主卷扬的送钻电机通过两级减速箱驱动卷筒进行送钻作业。
2. 如权利要求1所述的顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，其特 征在于，平台的固控设备层铺设固控设备，包括泥浆罐、振动筛、离心机、旋流器、搅拌器和 电控柜；平台的工作层为钻井平台，钻井平台包括位于转盘前侧和后侧的前平台与后平台， 前平台与后平台连接为一体结构；后平台铺设主卷扬，前平台铺设司钻房和工具房。
3. 如权利要求2所述的顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，其特 征在于，井架为K型井架，井架的下部二层台的高度为16. 5m ;井架的上部二层台的高度为 18. 5m ;上部二层台与下部二层台的高度差为2m。
4. 如权利要求3所述的顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，其特 征在于，顶驱的直驱电机直接驱动钻杆回转；直驱电机的主轴为中空式的空心主轴,空心主 轴上部通过水龙头与泥浆泵高压胶管连接，空心主轴下部与钻杆连接，钻杆、顶驱主轴、水 龙头与高压胶管构成顶驱回转系统与泥浆循环系统。
5. 如权利要求4所述的顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，其特 征在于，转盘电机通过万向轴直接驱动转盘回转。
6. 如权利要求5所述的顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，其特 征在于，主电机和送钻电机分别由电控房内的二号变频器和三号变频器驱动；操控台上设 有操控按钮，操控按钮通过信号线路与司钻房内的逻辑控制柜连接，逻辑控制柜通过控制 电缆分别与一号变频器、二号变频器、三号变频器和顶驱转盘切换开关连接。
7. 如权利要求6所述的顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，其特 征在于，送钻电机的两级减速箱包括送钻减速箱和主减速箱，主减速箱设有一号输入轴和 二号输入轴，一号输入轴通过一号离合器与主电机输出轴连接；送钻电机的输出轴与送钻 减速箱输入轴连接，送钻减速箱的输出轴通过二号离合器与主减速箱的二号输入轴连接。
8. 如权利要求7所述的顶驱与转盘复合钻进模式的钻探用交流变频电驱动钻机，其特 征在于，电控房采用柴油发电机组与工业网电双动力源；将10千伏的工业网电变压后作为 钻机主要动力电源，柴油发电机组作为钻机的备用动力电源。
【文档编号】E21B3/02GK203891757SQ201420210327
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】朱江龙, 刘跃进, 张伟, 樊腊生, 黄洪波, 潘飞, 李前贵, 李正前, 沈怀浦, 庄生明, 何磊, 臧臣坤, 薛智武, 杨硕 申请人:中国地质装备集团有限公司, 中国地质科学院探矿工艺研究所