一种地源热水井钻机的制作方法

本发明属于钻孔作业技术领域，尤其涉及一种地源热水井钻机。

背景技术：

我国已进入绿色能源、清洁能源冬季供暖的发展时代，其中之一的供暖方式是开发利用地下储集的热能，通过配套的热能提取、集聚和增温设备，使进入用户供暖设施的水温达到冬季供暖的要求。由于水在地下u型管中-地源热泵系统-用户供暖设施循环过程中，水是在封闭的u型管中循环、不与外界发生水-水、水-地联系，不需燃油生热、不需燃煤生热，因此，中深层地下热能是绿色能源和清洁能源的可持续、环境友好的利用。

在我国北方、尤其是寒区，冬季供热时间长达5-7个月之久，存在巨大的能源需求，而且，这些地区煤、油和电能源的分布与获取极不均衡。地源热能(主要表现为地表以下温度变化和随深度增温)则普遍存在。按照一般情况，自地表向地球内部，从温度角度可分为3个温度层，即变温层、恒温层和增温层；其中，恒温层埋深在我国北方一般在70-100m，自此层底部开始向地心方向即为增温层，深度每增加100m地温所增高的数值(x℃/100m)即所谓的地温梯度。一般情况下，x=2-4(也存在地温异常的特殊情况，x>>4)。

利用地源热泵系统采暖，已是一种较为成熟的技术；地源热泵系统采暖，离不开钻井，而钻井技术相对更加成熟。

仅在我国，就可钻进≥8000m的超深钻井，像普通的＞100m的水井钻井，更是普遍。

目前的问题在于，400-600m的中深钻井的专门钻机尚属少见。进行400-600m钻井，要么是大马(千米钻机)拉小车、成本高，要么是小马(百米钻机)拉大车、效率低。

此外，由于钻杆长度一般为6m，重500kg，600m深的钻井，需要约100根钻杆、总重量达5吨之多。在钻杆装接与拆卸时和在钻杆装运时，耗力费时、效率低成本高。

技术实现要素：

本发明就是针对上述问题，提供一种使用效果好的地源热水井钻机。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括用于支撑并带动地源热水井钻机主机3行走的钻机主机的行走总成4、用于储杆箱装置1的支撑并带动储杆箱装置1行走的储杆箱装置的行走平台19、钻架系统11、驾驶室8、泥浆系统9、钻杆输送架装置2、接杆器34、缓冲机构71-76、起吊架52；

其特征在于钻杆输送架装置2将钻杆由储杆箱装置1向主机3运输转移、为钻杆装接做准备，或相反由主机3向储杆箱装置1运输转移、完成钻杆拆卸与集储；

接杆器34位于动力头32下方，对钻杆的水平装卸与接卸杆进行辅助固定；

缓冲机构71-76位于钻铤43与钻杆42之间；

储杆箱装置1进行钻杆储集，进给装接钻杆，拆卸回收存放钻杆。

作为一种优选方案，本发明所述钻机主机的行走总成4为步进式行走装置。

作为另一种优选方案，本发明所述钻机主机的行走总成4包括用于驱动钻机主机3升降的主机支腿油缸6、主平台21、二平台36和三平台35；

主机支腿油缸6安装于主平台21侧面；

主平台21与二平台36之间通过主机拖轮45连接；

二平台36与三平台35之间一端由主机回转轴44连接，另一端由钻机回转油缸48连接和主机旋转轮46连接；

行走油缸47的两端分别与主平台21和二平台36连接。

作为另一种优选方案，本发明所述行走油缸47动作，活塞杆伸出，推动二平台36在主机拖轮45错位滚动，旋转主行走架37使之垂直于平台侧面；

主机支腿油缸6伸出，钻机主机3离开地面，推动主机旋转轮46进入二平台36与三平台35之间的滑道下，主机支腿油缸6缩回，钻机主机3压紧地面，

钻机回转油缸48伸出，三平台35沿主机旋转轮46滚动；三平台35在钻机回转油缸48伸缩下，进行顺时针或逆时针旋转；

行走油缸47动作，活塞杆缩回，拉动主平台21在主行走架37上滚动，进行步进式行走。

作为另一种优选方案，本发明所述主平台21与二平台36之间通过三对主机拖轮45连接。

作为另一种优选方案，本发明所述三平台35在钻机回转油缸48伸缩下，进行顺时针或逆时针每次3°步进式旋转。

作为另一种优选方案，本发明所述储杆箱装置的行走平台19为步进式行走装置。

作为另一种优选方案，本发明所述储杆箱装置的行走平台19包括第一平台54、第二平台56、第三平台59、储杆支腿油缸17、行走轮架55、前后行走油缸58、锁紧机构57、平台挂钩60、托轮64、旋转轮63、回转油缸62、旋转轮推杆61、滑座65、回转轴66，第一平台54与第二平台56由行走轮架55连接，通过储杆支腿油缸17与前后行走油缸58的相互配合进行步进式行走，第二平台56与第三平台59由回转轴66和旋转轮63连接，回转油缸62的两端分别连接第二平台56与第三平台59，通过回转油缸62与储杆支腿油缸17的配合进行旋转。

作为另一种优选方案，本发明所述储杆箱装置的行走平台19安装在第一平台54上的储杆支腿油缸17伸出，行走平台19脱离地面，旋转行走轮架55使之与第一平台54垂直，前后行走油缸58伸出，第二平台56在平台挂钩60上滚动使第一平台54和第二平台56在水平上错位位移，储杆支腿油缸17缩回，行走平台19压紧地面，前后行走油缸58缩回，第一平台54通过行走轮架55在第二平台56上滚动，进行步进式行走；

作为另一种优选方案，本发明所述第三平台59与第二平台56之间由回转轴66连接，回转油缸62两端分别连接于第二平台56和第三平台59，储杆支腿油缸17伸出，行走平台19脱离地面，推动旋转轮63进入第二平台56下方滑道，回转油缸62伸出，使第三平台59绕回转轴66转动，储杆支腿油缸17缩回，行走平台19压紧地面，回转油缸62缩回，进行旋转动作。

作为另一种优选方案，本发明所述储杆支腿油缸17为四组。

作为另一种优选方案，本发明钻架体31位于主平台21上部前端，作业时直立于主平台21之上，由a型架28与拉杆27连接；运输时放倒，平置于主支撑20和a形架28之上。

作为另一种优选方案，本发明所述钻架系统11包括动力头32、轨道轮33、提升系统26、定轮29、定滑轮组30、动滑轮组40、提升架41、钻架体31、辅助架38、接卸杆装置的接杆器34和卸杆夹钳39；所述动力头32置于钻架体31中间，由轨道轮33与钻架体31接触上下滑动，提供钻孔时动力头的固定；所述提升系统10包括卷扬机26、定轮29、定滑轮组30、动滑轮组40、提升架41、动力头32；提升架41用于提升动力头32和包括钻铤43在内的钻杆42，通过接杆器34与卸杆夹钳39进行钻杆的接装加长与拆卸，动力头32提供动力带动钻铤43和钻杆42旋转，钻头承受恒定的重力，使终孔时井孔竖直。

作为另一种优选方案，本发明所述驾驶室8位于泥浆系统9与水箱5之间。

作为另一种优选方案，本发明所述驾驶室8包括操作室框架25、操作室顶盖24、操作台23。

作为另一种优选方案，本发明所述泥浆系统9位于主平台21之上中部，包括泥浆泵、稳定泥浆流量、压力的稳压室、测试泥浆流量的电磁流量计、用于调配泥浆浓度的水箱5、提供泥浆泵工作时所需的泥浆的泥浆池，调节泥浆管路的压力的稳压室。

作为另一种优选方案，本发明所述泥浆泵为两台。

作为另一种优选方案，本发明所述钻杆输送架装置2位于储杆箱装置1和主机3之间，钻杆输送架装置2包括输送杆架体13、输送杆架12、运输小车69、小车架68、滚轮机构67、底支架70。

作为另一种优选方案，本发明所述接杆器34包括方轴杆77、接杆器上部78、接杆器下部79。

作为另一种优选方案，本发明所述缓冲机构71-76包括外套75、缓冲轴72、缓冲上接头76、缓冲下接头71、耐磨环73、密封圈74。

作为另一种优选方案，本发明所述储杆箱装置1包括独立行走机构54-66、储杆框架49、电动跑车50、提升机51、起吊架52、手动跑车53。

其次，本发明所述独立行走机构54-66包括第一平台54、第二平台56、第三平台59、行走轮架55、回转轴66、前后行走油缸58、旋转轮63、回转油缸62和储杆支腿油缸17；储杆支腿油缸17，升起形成底部空间。

另外，本发明所述起吊架52包括两组电动跑车50，安装在储杆框架49上，在储杆箱装置1内横向或纵横移动。

本发明有益效果。

在电控系统通过操作人员下达的指令下，启动液压系统控制钻机行走和必要时顺时针或逆时针每次3°步进式旋转、钻进、提升、通过储杆箱装置吊装进给钻杆、通过钻杆输送架装置装接钻杆和逆向过程的拆卸钻杆、接受集储钻杆于储杆箱装置内、以及钻进过程中泥浆循环。

本发明解决了中深层(地表以下400-600m)钻井成本高、效率低的问题，储杆箱装置、钻杆输送装置和钻杆缓冲器机构，保证钻杆装卸快捷、减轻劳动强度，进而保障生产和作业人员的安全。

缓冲机构71-76，位于钻铤43与钻杆42之间，能够起到减震作用，提高动力头32运行稳定性。钻进过程中，钻杆的冲击和震动会对动力头32的运行和使用寿命造成不良影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1、13为本发明优选实施例的地源热钻机装置的示意图；

图2为本发明优选实施例的地源热钻机装置、钻杆输送装置和储杆箱装置的结构主视图；

图3为本发明优选实施例的地源热钻机装置的结构主视图；

图4为本发明优选实施例的地源热钻机钻架总成的结构右视图；

图5为本发明优选实施例的地源热钻机行走总成的结构主视图；

图6为本发明优选实施例的地源热钻机装置的储杆箱结构主视图；

图7为本发明优选实施例的地源热钻机装置的储杆箱结构右视图；

图8为本发明优选实施例的地源热钻机装置的钻杆输送架装置的结构主视图；

图9为本发明优选实施例的地源热钻机装置的钻杆缓冲机构结构示意图；

图10为本发明优选实施例的地源热钻机装置的接杆器示意图。

图11、12为本发明储杆箱示意图。

图14、15为本发明接卸杆机构示意图。

1.储杆箱2.钻杆输送机构3.钻机主机4.主机行走总成5.水箱6.主机支腿油缸7.液压系统8.驾驶室9.泥浆系统10.提升系统11.钻架系统12.输送杆架13.输送杆架体14.箱体框架15.左右滑动跑车16.输送杆梁17.储杆支腿油缸18.前后滑动跑车19.储杆行走平台20.主支撑21.主平台22.控制系统23.操作台24.操作室顶盖25.操作室框架26.卷扬机27.拉杆28.a形架29.定轮30.定滑轮组31.钻架体

32.动力头33.轨道轮34.接杆器35.三平台36.二平台37.主行走架

38.辅助架39.卸杆夹钳40.动滑轮组41.提升架42.钻杆43.钻铤44.主机回转轴45.主机拖轮46.主机旋转轮47.主机行走油缸48.钻机回转油缸49.储杆框架50.电动跑车51.提升机52.起吊架53.手动跑车54.第一平台55.行走轮架

56.第二平台57.锁紧机构58.前后行走油缸59.第三平台60.平台挂钩61.旋转轮推杆

62.回转油缸63.旋转轮64.托轮65.滑座66.回转轴67.滚轮机构68.小车架69.运输小车70.底支架71.缓冲下接头72.缓冲轴73.耐磨环74.密封圈75.外套76.缓冲上接头77.方轴杆78.接杆器上部79.接杆器下部。

具体实施方式

如图所示，本发明包括用于支撑并带动地源热水井钻机主机3行走的钻机主机的行走总成4、用于储杆箱装置1的支撑并带动储杆箱装置1行走的储杆箱装置的行走平台19、钻架系统11、驾驶室8、泥浆系统9、钻杆输送架装置2、接杆器34、缓冲机构71-76、起吊架52；

钻杆输送架装置2将钻杆由储杆箱装置1向主机3运输转移、为钻杆装接做准备，或相反由主机3向储杆箱装置1运输转移、完成钻杆拆卸与集储；

接杆器34位于动力头32下方，对钻杆的水平装卸与接卸杆进行辅助固定；

缓冲机构71-76位于钻铤43与钻杆42之间；

储杆箱装置1进行钻杆储集，进给装接钻杆，拆卸回收存放钻杆。

所述钻机主机的行走总成4为步进式行走装置。

行走总成4通过液压油缸的伸缩，使第一平台54和第二平台56在水平上错位位移，实现行走。

所述第三层平台59在平台旋转液压油缸伸缩下，实现顺时针或逆时针每次3°步进式旋转。

所述钻机主机的行走总成4包括用于驱动钻机主机3升降的主机支腿油缸6、主平台21、二平台36和三平台35；

主机支腿油缸6安装于主平台21侧面；

主平台21与二平台36之间通过主机拖轮45连接；

二平台36与三平台35之间一端由主机回转轴44连接，另一端由钻机回转油缸48连接和主机旋转轮46连接；

行走油缸47的两端分别与主平台21和二平台36连接。

所述行走油缸47动作，活塞杆伸出，推动二平台36在主机拖轮45错位滚动，旋转主行走架37使之垂直于平台侧面；

主机支腿油缸6伸出，钻机主机3离开地面，推动主机旋转轮46进入二平台36与三平台35之间的滑道下，主机支腿油缸6缩回，钻机主机3压紧地面，

钻机回转油缸48伸出，三平台35沿主机旋转轮46滚动；三平台35在钻机回转油缸48伸缩下，进行顺时针或逆时针旋转；

行走油缸47动作，活塞杆缩回，拉动主平台21在主行走架37上滚动，进行步进式行走。主平台21安装于二平台36的滑槽内，二者滑动连接；行走油缸47的活塞杆的端部与主平台21相连，行走油缸47动作，行走油缸47活塞杆伸出，推动主平台21在二平台36上平移。

所述主平台21与二平台36之间通过三对主机拖轮45连接。

所述三平台35在钻机回转油缸48伸缩下，进行顺时针或逆时针每次3°步进式旋转。

所述储杆箱装置的行走平台19为步进式行走装置。

所述储杆箱装置的行走平台19包括第一平台54、第二平台56、第三平台59、储杆支腿油缸17、行走轮架55、前后行走油缸58、锁紧机构57、平台挂钩60、托轮64、旋转轮63、回转油缸62、旋转轮推杆61、滑座65、回转轴66，第一平台54与第二平台56由行走轮架55连接。第二平台56与第三平台59由回转轴66和旋转轮63连接，回转油缸62的两端分别连接第二平台56与第三平台59。

所述储杆箱装置的行走平台19安装在第一平台54上的储杆支腿油缸17伸出，行走平台19脱离地面，旋转行走轮架55与第一平台54垂直，前后行走油缸58伸出，第二平台56在平台挂钩60上滚动使第一平台54和第二平台56在水平上错位位移，储杆支腿油缸17缩回，行走平台19压紧地面，前后行走油缸58缩回，第一平台54通过行走轮架55在第二平台56上滚动，进行步进式行走；

所述第三平台59与第二平台56之间由回转轴66连接，回转油缸62两端分别连接于第二平台56和第三平台59，储杆支腿油缸17伸出，行走平台19脱离地面，推动旋转轮63进入第二平台56下方滑道，回转油缸62伸出，使第三平台59绕回转轴66转动，储杆支腿油缸17缩回，行走平台19压紧地面，回转油缸62缩回，进行旋转动作。

所述储杆支腿油缸17为四组。

钻架体31位于主平台21上部前端，作业时直立于主平台21之上，由a型架28与拉杆27连接；运输时放倒，平置于主支撑20和a形架28之上。

所述钻架系统11包括动力头32、轨道轮33、提升系统26、定轮29、定滑轮组30、动滑轮组40、提升架41、钻架体31、辅助架38、接卸杆装置的接杆器34和卸杆夹钳39；所述动力头32置于钻架体31中间，由轨道轮33与钻架体31接触上下滑动，提供钻孔时动力头的固定；所述提升系统10包括卷扬机26、定轮29、定滑轮组30、动滑轮组40、提升架41、动力头32；提升架41用于提升动力头32和包括钻铤43在内的钻杆42，通过接杆器34与卸杆夹钳39进行钻杆的接装加长与拆卸，动力头32提供动力带动钻铤43和钻杆42旋转，钻头承受恒定的重力，使钻孔垂直于水平面。

所述驾驶室8位于泥浆系统9与水箱5之间。

所述驾驶室8包括操作室框架25、操作室顶盖24、操作台23。

所述泥浆系统9位于主平台21之上中部，包括泥浆泵、稳定泥浆流量、压力的稳压室、测试泥浆流量的电磁流量计、用于调配泥浆浓度的水箱5、提供泥浆泵工作时所需的泥浆的泥浆池，调节泥浆管路的压力的稳压室。

所述泥浆泵为两台。

所述钻杆输送架装置2位于储杆箱装置1和主机3之间，钻杆输送架装置2包括输送杆架体13、输送杆架12、运输小车69、小车架68、滚轮机构67、底支架70。其中底支架70与输送杆架体13通过螺栓固定，输送杆架体13与输送杆架12通过滚轮机构67连接，运输小车69和小车架68可在输送杆架12上前后滑动。

所述接杆器34包括方轴杆77、接杆器上部78、接杆器下部79。

所述缓冲机构71-76包括外套75、缓冲轴72、缓冲上接头76、缓冲下接头71、耐磨环73、密封圈74，缓冲轴72穿过外套75，缓冲轴72外壁与外套75内壁之间设置有耐磨环73、密封圈74。

所述储杆箱装置1包括独立行走机构54-66、储杆框架49、电动跑车50、提升机51、起吊架52、手动跑车53，实现钻杆的进给吊装与拆卸收集，并具有独立行走功能；遥控(电控系统)操作下独立行走，方便快速；

电动跑车，两台跑车安装在起吊架上，起吊架52可以横向移动（起吊架52两端通过滚轮设置在主体结构上，起吊架52上设置有驱动滚轮旋转的电机），电动跑车50可以纵向移动，满足不同位置钻杆的吊装与拆卸；

储杆框架49用以支撑吊装机构和收集钻杆；

独立行走机构，包括第一层平台、第二层平台、第三层平台、行走轮架、回转轴、前后行走油缸、旋转轮、钻机回转油缸和四根液压支架；所述四根液压支架，同时升起形成底部空间，为装载和长途转运储杆箱装置创造方便条件。

储杆箱装置的行走结构与水井钻机主机的行走结构形式相同，区别在于二者旋转时旋转的角度大小不同，主机旋转每工步2.8°，储杆箱装置旋转每工步4°。

所述独立行走机构54-66包括第一平台54、第二平台56、第三平台59、行走轮架55、回转轴66、前后行走油缸58、旋转轮63、回转油缸62和储杆支腿油缸17；储杆支腿油缸17，升起形成底部空间。

所述起吊架52包括两组电动跑车50，安装在储杆框架49上，在储杆箱装置1内横向或纵横移动满足不同位置钻杆的吊装与拆卸。

本发明适用于地源热泵系统的中深层u型管下管的钻井钻机。

本发明液压系统总成包括包括水井钻机液压系统和储杆机构液压系统两部分；

钻机液压系统是包括1个液压泵站(提供动力)、1组九联电液多路阀(控制各种动作)和11个液压油缸(各种动作的执行元件)。

储杆机构液压系统包括1个液压泵站(提供动力)，1组六联电液多路阀(控制各种动作)和6个液压油缸(各种动作的执行元件)，分别控制钻机的行走与旋转和储杆箱装置。

接卸杆机构，包括接杆器、扳手座、扶杆器。接卸杆作业时，接杆器连接钻杆接头，扶杆器将钻杆扶正后通过扳手座固定钻杆，通过动力头提供动力进行接卸杆作业。

接杆器包括方轴杆77、接杆器上部78、接杆器下部79，接杆器位于动力头下方，能够实现钻杆的水平装卸与接卸杆的辅助固定作用；

扳手座包括扳手底座81、扳手座80，扳手座位于操作平台上，用于固定钻杆实现钻杆的装卸；

扶杆器包括液压油缸83、夹钳体82，位于操作平台下方，用于钻杆的扶正。

接杆作业时，接杆器下部79环形键槽与钻杆42上端键配合，使送杆机构2上的钻杆水平连接接杆器34，通过接杆器下部79旋转90°连接钻杆上端，动力头32提升使钻杆由水平方向靠自重到竖直方向，动力头32下移使钻杆下端进入扶杆器内，钻杆方口正对扳手座80位置，扶杆器中液压油缸83缩回使夹钳体82夹紧并扶正钻杆，人工将扳手放入钻杆42方口处，动力头32下移使扳手进入扳手座80卡住钻杆，通过动力头32提供旋转动力进行接杆（钻杆上端为公螺母，钻杆下端为母螺母，通过旋转完成钻杆上下端的连接）作业。卸杆作业时，逆向完成上述动作。

本发明适用于中深层(地表以下400-600m)地热抽取利用钻井钻机装置。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。