CN103711431B - 一种用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机，该钻机包括平台及平台上的竖直井架，平台上设有用于收放绳索的电驱绞车和打捞绞车，井架下端的平台上还设有电驱转盘；井架上设有与井架平行的导轨，导轨通过托架滑车与顶驱连接；顶驱采用顶驱变频电机通过连接轴直接与钻杆连接；顶驱、电驱绞车、打捞绞车和电驱转盘的电机由电控房中的变频器驱动，在司钻房中控制电机；钻机还设有用于监控钻机作业的工程师房；井架顶端还设有绳索张力与绳速检测装置。钻机采用交流变频电动机驱动实现回转、提升、给进、打捞等作业，具备长行程导轨和绳速与张力检测功能，由变频器控制实现高效低能耗钻探作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种地质钻探设备，具体涉及一种用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机。
背景技术
随着国民经济的快速发展，社会对各种资源的需求相应提高，而随着自然资源的不断减少，深层勘探找矿成为主要攻坚对象。为了应对地表资源的快速较少，未来勘查重点将由浅表逐步转向深部勘查与开发以发掘第二找矿空间资源的潜力。
目前，传统岩心钻机主要包括机械立轴式岩心钻机和液压动力头式岩心钻机。机械立轴式岩心钻机大多采用电动机或内燃机提供动力，通过离合器、变速箱、分动箱等机械传动形式驱动钻机的回转器、卷扬机作业，通过液压传动驱动给进系统作业。由于机械立轴式岩心钻机的主要执行元件为机械传动与变速，造成其传动效率较低、变速机构复杂，从而造成了能耗大低效率的缺陷；而液压给进系统受液压缸行程限制，需要频繁倒杆，容易造成孔底岩心堵塞，使得辅助工作时间加长，并且回转器不能兼作拧卸工具，使得机械立轴式岩心钻机的作业效率和作业安全性能受到了很大的限制。
液压动力头式岩心钻机，其回转、给进和升降钻具等机构均用液压驱动方式驱动，液压马达直接安装在回转器或动力头上，回转器或动力头沿导向架移动，这使得液压传动效率较低、能耗较大；同时，由于液压系统缺乏过载能力，处理孔内事故的能力较弱；虽然其给进行程大于机械立轴式岩心钻机，但其给进行程仍然较小，不能够满足复杂的钻探要求，同时其工作效率低能耗大，增加了工作时间与作业成本。
以上现有的两种形式岩心钻机由于受给进系统行程限制，均难以在复杂地层起下钻中实现长行程立根钻进、扫孔、倒划眼等操作；缺少自动摆杆系统，无法实现自动加杆与起下钻的机械化作业；均缺少对钻机执行部件的集中操作和监控以及钻进参数的实时存储和远程监控，不能满足复杂的钻探要求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机，该钻机采用交流变频电动机驱动实现回转、提升、给进、打捞等作业，具备长行程导轨和绳速与张力检测功能，由变频器控制实现高效低能耗钻探作业。
为解决上述问题，本发明采用技术方案为：
一种用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机，该钻机包括平台及平台上的竖直井架，其特征在于，平台上设有用于收放绳索的电驱绞车和打捞绞车；井架上设有与井架平行的导轨，导轨通过托架滑车与顶驱连接；顶驱采用顶驱变频电机通过连接轴直接与钻杆连接；顶驱、电驱绞车和打捞绞车的电机由电控房中的变频器驱动，在司钻房中控制；井架顶端还设有绳索张力与绳速检测装置。
本发明为了实现高速驱动钻杆钻探，高效循环泥浆，较佳的技术方案有，顶驱电机设有中空的中轴，中轴下端通过中空连接轴与钻杆连接，中轴上端通过水龙头与鹅颈管连接，钻杆、连接轴、中轴、水龙头和鹅颈管构成泥浆循环系统。
本发明为了实现高效控制钻机作业，较佳的技术方案还有，司钻房设置于平台上，平台外侧地表设置有电控房，电控房中设有动力电源和变频器，变频器通过可编程逻辑控制器与司钻房中的分布式子站连接，分布式子站通过通讯电缆与工程师房连接；变频器的电源输出端分别与顶驱、电驱绞车和打捞绞车的电机连接。
本发明为了增大顶驱的作业行程，提高钻机的作业效率，较佳的技术方案还有，井架顶端设有井架天车，井架天车是由安装在井架顶部的定滑轮组与游动滑车用钢丝绳联系组成的一套滑轮系统；井架下部设反扭矩梁，反扭矩梁固定在井架背面撑梁上；高压泥浆管线的一端悬挂于顶驱顶部，另一端悬挂于井架侧面。
本发明为了实时监测和控制钻机的工作状态，较佳的技术方案还有，井架天车上设有用于检测绳索实时张力的张力传感器，绞车上还设有绳速传感器；顶驱上设置有用于控制顶驱工作的顶驱本体箱，顶驱本体箱通过通信线路与可编程逻辑控制器连接。
本发明为了实现人工实时控制钻机工作，较佳的技术方案还有，司钻房内设有分布式子站、用于人工操控的触摸屏和操作台；电控房内的可编程逻辑控制器通过分布式子站与触摸屏和操作台连接；工程师房内的工控机通过通讯电缆与电控房内的可编程逻辑控制器和分布式子站连接。
本发明为了实时精确控制电机的作业过程，较佳的技术方案还有，动力电源通过电源线路接入电控房，电控房内设有顶驱变频器、绞车变频器、自动送钻变频器和打捞绞车变频器，上述变频器通过总线与可编程逻辑控制器连接；自动送钻变频器通过线路与送钻电机连接，通过送钻电机增量式编码器形成闭环控制；绞车变频器通过线路与绞车电机连接，通过绞车电机增量式编码器形成闭环控制，绞车电机上还设有用于定位顶驱高度的绞车绝对值编码器；打捞绞车变频器通过线路与打捞绞车电机连接，通过打捞绞车电机增量式编码器形成闭环控制。
本发明为了精确高效控制顶驱的作业过程，较佳的技术方案还有，顶驱变频器通过线路与顶驱电机连接，顶驱变频器通过顶驱电机增量式编码器形成闭环控制。
本发明为了高效进行钻机作业，较佳的技术方案还有，工程师房中设有用于监控钻机作业的工控机；绞车设有卷筒、液压盘刹、用于整理绳索的排绳机构和监控系统。
本发明的优点和有益效果为：
电驱动顶驱从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿钻塔内专用导轨向下送进，能够高效完成旋转钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作；顶驱导轨为顶驱系统提供长行程给进导向，并承受顶驱的回转扭矩；电驱绞车为取心钻探作业提供起下钻的升降钻具、取心钻进的送钻给进两个功能；电驱绳索绞车用于打捞取心工具，采用交流变频驱动与控制，能够实现转速、拉力的无级柔性控制，采用张力及绳速传感器实现绳速及拉力的实时监控，能够高效安全完成钻机作业。
附图说明
图1为本发明用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机总图。
图2为本发明用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机平台平面图。
图3为本发明用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机电控电路图。
图中：1、井架；2、平台；3、顶驱导轨；4、交流变频直驱顶驱；；6、井架天车；7、悬挂装置；8、井架背面撑梁；9、游动滑车；10、司钻房；11、高压泥浆管线；12、绞车；13、打捞绞车；14、电控房；15、托架滑车；16、工程师房；17、顶驱电机；18、顶驱变频器；19、送钻电机；20、送钻变频器；21、绞车变频电机；22、绞车变频器；23、打捞绞车电机；24、打捞绞车变频器；25、可编程逻辑控制器；26、送钻电机增量式编码器；27、绞车变频电机增量式编码器；28、绞车绝对值编码器；29、顶驱电机增量式编码器；30、电磁阀组；31、传感器组；32、打捞绞车电机增量式编码器；33、绳速传感器；34、张力传感器；35、分布式子站；36、触摸屏；37、操作台；38、工控机。
具体实施方式
下列实施例将进一步说明本发明。
实施例1
如图1、图2和图3所示，本发明采用技术方案为一种用于地质取心勘探的交流变频直驱顶驱式岩心钻机，该钻机包括平台2及平台2上的竖直井架1，其特征在于，平台2上设有用于收放绳索的电驱绞车12和打捞绞车13；井架1上设有与井架1平行的顶驱导轨3，顶驱导轨3通过托架滑车15与交流变频直驱顶驱4连接；交流变频直驱顶驱4采用顶驱电机17通过连接轴直接与钻杆连接；交流变频直驱顶驱4、电驱绞车12和打捞绞车13的电机由电控房14中的变频器驱动，在司钻房10中控制电机；井架1顶端还设有绳索张力与绳速检测装置。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明为了实现高速驱动钻杆钻探，高效循环泥浆，较佳的实施方式还有，顶驱电机17设有中空的中轴，中轴下端通过中空连接轴与钻杆连接，中轴上端通过水龙头与鹅颈管连接，钻杆、连接轴、中轴、水龙头和鹅颈管构成泥浆循环系统；为了实现高效控制钻机作业，司钻房10设置于平台2上，平台2外侧地表设置有电控房14，电控房14中设有动力电源和变频器，变频器通过可编程逻辑控制器25与司钻房10中的分布式子站35连接，分布式子站35通过通讯电缆与工程师房16连接；变频器的电源输出端分别与交流变频直驱顶驱4、电驱绞车12和打捞绞车13的电机连接，其他部分与实施例1完全相同。
实施例3
在实施例2的基础上，本发明为了增大交流变频直驱顶驱4的作业行程，提高钻机的作业效率，较佳的实施方式还有，井架1顶端设有用于悬挂绳索的井架天车6，井架天车6通过绳索与游动滑车9连接，绳索的另一端与绞车12连接；游动滑车9悬挂交流变频直驱顶驱4；悬挂装置7用于悬挂顶驱导轨3；井架1下部设反扭矩梁，反扭矩梁固定在井架背面撑梁8上；高压泥浆管线11的一端悬挂于交流变频直驱顶驱4顶部，另一端悬挂于井架1侧面，其他部分与实施例2完全相同。
实施例4
在实施例3的基础上，本发明为了实时监测和控制钻机的工作状态，较佳的实施方式还有，井架天车6上设有用于检测绳索实时张力的张力传感器34，绞车12上还设有绳速传感器33；交流变频直驱顶驱4上设置有用于控制交流变频直驱顶驱4工作的顶驱本体箱，顶驱本体箱通过通信线路与可编程逻辑控制器25连接，顶驱本体箱中还设有用于控制顶驱作业的电磁阀组30；为了实现人工实时控制钻机工作，司钻房10内设有分布式子站35、用于人工操控的触摸屏36和操作台37；电控房14内的可编程逻辑控制器25通过分布式子站35与触摸屏36和操作台37连接；工程师房16内的工控机38通过通讯电缆与电控房14内的可编程逻辑控制器25和分布式子站35连接，其他部分与实施例3完全相同。
实施例5
在实施例4的基础上，本发明为了实时精确控制电机的作业过程，较佳的实施方式还有，动力电源通过电源线路接入电控房14，电控房14内设有顶驱变频器18、绞车变频器22、自动送钻变频器20和打捞绞车变频器24，上述变频器通过总线与可编程逻辑控制器25连接；自动送钻变频器20通过线路与送钻电机19连接，通过送钻电机增量式编码器26形成闭环控制；绞车变频器22通过线路与绞车变频电机21连接，通过绞车变频电机增量式编码器27形成闭环控制，绞车变频电机21上还设有用于定位交流变频直驱顶驱4高度的绞车绝对值编码器28；打捞绞车变频器24通过线路与打捞绞车电机23连接，通过打捞绞车电机增量式编码器32形成闭环控制，其他部分与实施例4完全相同。
实施例6
在实施例5的基础上，本发明为了精确高效控制交流变频直驱顶驱4的作业过程，较佳的实施方式还有，顶驱变频器18通过线路与顶驱电机17连接，顶驱变频器18通过交流变频直驱顶驱电机增量式编码器29形成闭环控制；交流变频直驱顶驱4设有监测交流变频直驱顶驱4作业参数的传感器组31；交流变频直驱顶驱电机增量式编码器29、传感器组31通过顶驱本体箱将操控信号传输至顶驱变频器18和可编程逻辑控制器25；为了高效进行钻机作业，工程师房16中设有用于监控钻机作业的工控机38；绞车12设有卷筒、液压盘刹、用于整理绳索的排绳机构和监控系统，其他部分与实施例5完全相同。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，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他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发明的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机，该钻机包括平台及平台上的竖直井架，其特征在于，平台上设有用于收放绳索的电驱绞车和打捞绞车；井架上设有与井架平行的导轨，导轨通过托架滑车与顶驱连接；顶驱采用顶驱变频电机通过连接轴直接与钻杆连接；顶驱、电驱绞车和打捞绞车的电机由电控房中的变频器驱动，在司钻房中控制电机作业；井架顶端还设有绳索张力与绳速检测装置；
顶驱电机设有中空的中轴，中轴下端通过中空连接轴与钻杆连接，中轴上端通过水龙头与鹅颈管连接，钻杆、连接轴、中轴、水龙头和鹅颈管构成泥浆循环系统；
司钻房设置于平台上，平台外侧地表设置有电控房，电控房中设有动力电源和变频器，变频器通过可编程逻辑控制器与司钻房中的分布式子站连接，分布式子站通过通讯电缆与工程师房连接；变频器的电源输出端分别与顶驱、电驱绞车和打捞绞车的电机连接；
井架顶端设有井架天车，井架天车是由安装在井架顶部的定滑轮组与游动滑车用钢丝绳联系组成的一套滑轮系统；井架下部设反扭矩梁，反扭矩梁固定在井架背面撑梁上；动力及高压泥浆管线的一端悬挂于顶驱顶部，另一端悬挂于井架侧面；
井架天车上设有用于检测绳索实时张力的张力传感器，绞车上还设有绳速传感器；顶驱上设置有用于控制顶驱工作的顶驱本体箱，顶驱本体箱通过通信线路与可编程逻辑控制器连接；
司钻房内设有分布式子站、用于人工操控的触摸屏和操作台；电控房内的可编程逻辑控制器通过分布式子站与触摸屏和操作台连接；工程师房内的工控机通过通讯电缆与电控房内的可编程逻辑控制器和分布式子站连接；
动力电源通过电源线路接入电控房，电控房内设有顶驱变频器、绞车变频器、自动送钻变频器和打捞绞车变频器，上述四个变频器通过总线与可编程逻辑控制器连接；自动送钻变频器通过线路与送钻电机连接，通过送钻电机增量式编码器形成闭环控制；绞车变频器通过线路与绞车电机连接，通过绞车电机增量式编码器形成闭环控制，绞车电机上还设有用于定位顶驱高度的绞车绝对值编码器；打捞绞车变频器通过线路与打捞绞车电机连接，通过打捞绞车电机增量式编码器形成闭环控制。
2.如权利要求1所述的用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机，其特征在于，顶驱变频器通过线路与顶驱电机连接，顶驱变频器通过顶驱电机增量式编码器形成闭环控制。
3.如权利要求2所述的用于地质取心勘探的变频电驱动顶驱式岩心钻机，其特征在于，工程师房中设有用于监控钻机作业的工控机；绞车设有卷筒、液压盘刹、用于整理绳索的排绳机构和监控系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100013 building 14, seven District, Beijing, Dongcheng District, Hepingli Applicant after: BEIJING CNNC DADI MINING PROSPECTING DEVELOPMENT CO., LTD. Applicant after: Chinese Geological equipment Group Co.,Ltd Address before: 100013 building 14, seven District, Beijing, Dongcheng District, Hepingli Applicant before: BEIJING CNNC DADI MINING PROSPECTING DEVELOPMENT CO., LTD. Applicant before: China Geologic Equipment General Co. |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: CHINA GEOLOGIC EQUIPMENT GENERAL CO. TO: CHINA GEOLOGICAL EQUIPMENT GROUP CO., LTD. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170512 Address after: 100013 building 14, seven District, Beijing, Dongcheng District, Hepingli Co-patentee after: Chinese Geological equipment Group Co.,Ltd Patentee after: BEIJING CNNC DADI MINING PROSPECTING DEVELOPMENT CO., LTD. Co-patentee after: China National Institute of science and Technology (Beijing) Address before: 100013 building 14, seven District, Beijing, Dongcheng District, Hepingli Co-patentee before: Chinese Geological equipment Group Co.,Ltd Patentee before: BEIJING CNNC DADI MINING PROSPECTING DEVELOPMENT CO., LTD. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160413 Termination date: 20191227 |