CN104153708A - 新型页岩气钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型页岩气钻机，包括底座、井架、动力装置、传动机构、联动机构、转盘、绞车、游车、高压管路、泥浆泵以及气控系统，所述动力装置包括三套柴油发动机，所述三套柴油发动机通过联动机构和传动机构分别与泥浆泵以及绞车连接，所述绞车为密闭水冷式绞车，所述底座包括前台底座和后台底座，绞车、转盘和转盘传动装置设于前台底座上，所述动力装置和联动装置设于后台底座上，其优点在于：通过采用密闭水冷式绞车，滚筒摩擦毂冷却采用离心泵强制循环水冷却方式，主滚筒摩擦毂上带有水套和水循环管线；动力装置采用三台柴油发动机，同时三台柴油发动机之间设置联动机构，增大功率；配备两台3NB-1300C泥浆泵，能满足喷射钻井的需要。

Description

新型页岩气钻机

技术领域

本发明涉及一种石油钻探装备技术领域，尤其涉及一种新型页岩气钻机。

背景技术

页岩气钻机是指在石油钻井中，带动钻具破碎岩石，向地下钻进，获得石油或天然气的机械设备。

一部常用页岩气钻机主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成。一般有八大系统(起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统)，要具备起下钻能力、旋转钻进能力、循环洗井能力,其主要设备有：井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、水龙头(动力水龙头)及钻井泵(现场习惯上叫钻机八大件)、动力机(柴油机、电动机、燃气轮机)、联动机、固相控制设备、井控设备等。

但是通过对现有页岩气钻机的研究发现，其存在如下问题：现有钻机中使用的绞车采用带式刹车，在使用过程中容易发热，直接影响钻机使用安全性能；现有的页岩气钻机只设置一套泥浆泵，不能满足使用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型页岩气钻机，通过增设一台泥浆泵来满足钻井使用需求，同时绞车采用密闭水冷式绞车，而且配套设置水刹车，一方面防止绞车在频繁使用过程中滚筒发热现象，另外一方面，利用水刹车还可以防止现有带式刹车使用过程中导致的滚筒发热，确保使用安全。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种新型页岩气钻机，包括底座、井架、动力装置、传动机构、联动机构、转盘、绞车、游车、高压管路、泥浆泵以及气控系统，所述动力装置包括三套柴油发动机，所述三套柴油发动机通过联动机构和传动机构分别与泥浆泵以及绞车连接，所述绞车为密闭水冷式绞车，所述底座包括前台底座和后台底座，绞车、转盘和转盘传动装置设于前台底座上，所述动力装置和联动装置设于后台底座上。

所述三套柴油发动机分别为第一柴油发动机、第二柴油发动机和第三柴油发动机，所述第一柴油发动机动力输出端连接第一减速箱，所述第二柴油发动机动力输出端连接第二减速箱，所述第三柴油发动机动力输出端连接第三减速箱，所述第一减速箱、第二减速箱和第三减速箱动力输出端均连接气胎离合器，所述第二减速箱和第三减速箱末端设置的气胎离合器动力输出端设置第一联动机构，所述第一减速箱动力输出端对应的气胎离合器末端设置第四减速箱，第四减速箱的一个动力输出端借助于皮带传动机构与绞车动力出入端连接，所述第四减速箱的另外一个动力输出端也设有气胎离合器，所述第一联动机构与第三减速箱对应的轴端和与第二减速箱对应的轴端均设有气胎离合器，所述第三减速箱的动力输出端末端借助于第一皮带传动机构与第一泥浆泵连接，所述第二减速箱的动力输出端末端借助于第二皮带传动机构与第二泥浆泵连接，所述第一减速箱和第四减速箱的动力输出端之间设有第二联动机构，所述第二联动机构与第一联动机构对应端设有气胎离合器，所述第二联动机构与第四减速器对应端设有气胎离合器。

所述绞车的主轴端部配套设有水刹车和水冷系统。

所述绞车包括滚筒轴、中间轴、输入轴、换档轴、刹车系统、绞车机架、护罩总成、润滑系统以及换挡机构，所述滚筒轴、中间轴、输入轴和换档轴平行安装于绞车机架上，所述滚筒轴、中间轴、输入轴和换档轴之间设置传动齿轮，所述护罩总成设于机架上、且包覆于滚筒轴、中间轴、输入轴和换档轴外侧，所述滚筒轴、中间轴、输入轴和换档轴两端借助于轴承与绞车机架连接，所述绞车机架上设置与滚筒轴、中间轴、输入轴和换档轴两端借助于轴承对接的润滑系统，所述刹车系统设于滚筒轴端部。

所述滚筒轴包括主轴、滚筒、左轴承座、右轴承座、左密封总成、右密封总成、水冷系统和设于主轴两端的刹车机构，所述筒体设于主轴中部、且穿设于主轴内的水冷管线与滚筒内的水冷管线连接构成水冷系统，所述主轴左端和右端分别设有左连接毂和右连接毂，左连接毂和右连接毂分别借助于轴承与主轴连接，所述左连接毂和右连接毂外端设有左摩擦毂和右摩擦毂，所述主轴两端还设有左轮毂和右轮毂，所述左轮毂与左摩擦毂之间以及右轮毂与右摩擦毂之间均设置离合器，所述左连接毂和右连接毂外缘上固定设置左链轮和右链轮，所述主轴借助于分设在滚筒两侧的左轴承座和右轴承座与绞车机架连接，所述位于主轴左端的离合器借助于左连接盘与左轮毂连接，所述位于主轴右端的离合器借助于右连接盘与右轮毂连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过采用密闭水冷式绞车，滚筒摩擦毂冷却采用离心泵强制循环水冷却方式，主滚筒摩擦毂上带有水套和水循环管线，通过滚筒轴端的导水龙头实现冷却水循环以冷却摩擦毂；采用水刹车避免钻具下放过程中连续使用带刹车造成滚筒过热影响刹车效果；动力装置采用三台柴油发动机，同时三台柴油发动机之间设置联动机构，增大功率；配备两台3NB-1300C泥浆泵，能满足喷射钻井的需要。

附图说明

图1是本发明中动力装置和传动系统原理图；

图2是本发明中绞车原理图；

图3是本发明中滚筒轴结构示意图；

图4是本发明中滚筒轴左半部分放大图；

图5是本发明中滚筒轴右半部分放大图：

在附图中：1、第三柴油发动机；2、第二柴油发动机；3、第一柴油发动机；4、第一减速箱；5、第二减速箱；6、第三减速箱；7、气胎离合器；8、第一联动机构；9、第一泥浆泵；10、第一皮带传动机构；11、第二泥浆泵；12、第二皮带传动机构；13、第二联动机构；14、第四减速箱；15、绞车；15-1、左连接盘；15-2、左摩擦毂；15-3、左密封总成；15-4、左连接毂；15-5、左链轮；15-6、左轴承座；15-7、水冷管线；15-8、主轴；15-9、滚筒；15-10、右轴承座；15-11、右链轮；15-12、右摩擦毂；15-13、右连接盘；15-14、右轮毂；15-15、离合器；15-16、右密封总成；16、水刹车；17、护罩；18、输入轴；19、中间轴；20、滚筒轴；21、换档轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了如图1所示的一种新型页岩气钻机，包括底座、井架、动力装置、传动机构、联动机构、转盘、绞车15(参见附图2)、游车、高压管路、泥浆泵以及气控系统，所述动力装置包括三套柴油发动机，所述三套柴油发动机通过联动机构和传动机构分别与泥浆泵以及绞车15连接，所述绞车15为密闭水冷式绞车15，所述底座包括前台底座和后台底座，绞车15、转盘和转盘传动装置设于前台底座上，所述动力装置和联动装置设于后台底座上。

所述三套柴油发动机分别为第一柴油发动机3、第二柴油发动机2和第三柴油发动机1(参见附图1)，所述第一柴油发动机3动力输出端连接第一减速箱4，所述第二柴油发动机2动力输出端连接第二减速箱5，所述第三柴油发动机1动力输出端连接第三减速箱6，所述第一减速箱4、第二减速箱5和第三减速箱6动力输出端均连接气胎离合器7，所述第二减速箱5和第三减速箱6末端设置的气胎离合器7动力输出端设置第一联动机构8，所述第一减速箱4动力输出端对应的气胎离合器7末端设置第四减速箱14，第四减速箱14的一个动力输出端借助于皮带传动机构与绞车15动力出入端连接，所述第四减速箱14的另外一个动力输出端也设有气胎离合器7，所述第一联动机构8与第三减速箱6对应的轴端和与第二减速箱5对应的轴端均设有气胎离合器7，所述第三减速箱6的动力输出端末端借助于第一皮带传动机构10与第一泥浆泵9连接，所述第二减速箱5的动力输出端末端借助于第二皮带传动机构12与第二泥浆泵11连接，所述第一减速箱4和第四减速箱14的动力输出端之间设有第二联动机构13，所述第二联动机构13与第一联动机构8对应端设有气胎离合器7，所述第二联动机构13与第四减速器对应端设有气胎离合器7。

所述绞车15的主轴端部配套设有水刹车16和水冷系统。

所述绞车15(参见附图2)包括滚筒轴20、中间轴19、输入轴18、换档轴21、刹车系统、绞车15机架、护罩17总成、润滑系统以及换挡机构，所述滚筒轴20、中间轴19、输入轴18和换档轴21平行安装于绞车15机架上，所述滚筒轴20、中间轴19、输入轴18和换档轴21之间设置传动齿轮，所述护罩17总成设于机架上、且包覆于滚筒轴20、中间轴19、输入轴18和换档轴21外侧，所述滚筒轴20、中间轴19、输入轴18和换档轴21两端借助于轴承与绞车15机架连接，所述绞车15机架上设置与滚筒轴20、中间轴19、输入轴18和换档轴21两端借助于轴承对接的润滑系统，所述刹车系统设于滚筒轴20端部。

所述滚筒轴20(参见附图3-5)包括主轴15-8、滚筒15-9、左轴承座15-6、右轴承座15-10、左密封总成15-3、右密封总成15-16、水冷系统和设于主轴15-8两端的刹车机构，所述筒体设于主轴15-8中部、且穿设于主轴15-8内的水冷管线15-7与滚筒15-9内的水冷管线15-7连接构成水冷系统，所述主轴15-8左端和右端分别设有左连接毂15-4和右连接毂，左连接毂15-4和右连接毂分别借助于轴承与主轴15-8连接，所述左连接毂15-4和右连接毂外端设有左摩擦毂15-2和右摩擦毂15-12，所述主轴15-8两端还设有左轮毂和右轮毂15-14，所述左轮毂与左摩擦毂15-12之间以及右轮毂15-14与右摩擦毂15-12之间均设置离合器15-15，所述左连接毂15-4和右连接毂外缘上固定设置左链轮15-5和右链轮15-11，所述主轴15-8借助于分设在滚筒15-8两侧的左轴承座15-6和右轴承座15-10与绞车15机架连接，所述位于主轴15-8左端的离合器15-15借助于左连接盘15-1与左轮毂连接，所述位于主轴15-8右端的离合器15-15借助于右连接盘15-13与右轮毂15-14连接。

在具体应用过程中，钻机以3台G12V190PZL-柴油发动机为动力，经第一联动机构和第二联动机构联动后通过爬台链条驱动绞车，通过皮带传动机构驱动两台泥浆泵、自动空压机和节能发电机，转盘由绞车通过转盘传动装置驱动，绞车、转盘传动装置、转盘布置在前台底座上，动力、联动装置布置在后台底座上，井架为K型井架，有效高度45米。

底座为箱块式钻机底座，主体结构为前高后低，前台底座高5.2米，主要由基座、立根梁、支腿、转盘梁、绞车梁、支架、栏杆等模块组成，所有各件都由销轴、别针连接，安装快速方便。

K45-315/5.2型井架是前开口、低位安装、整体起升式井架，共分5段,各段之间平面接触,用耳板销轴联接,井架左右2片用背扇钢架、横梁、斜拉杆及锥销联接。人字架为双立柱加强形结构,可靠性高。人字架设计有缓冲气缸,以缓冲井架起升就位时的冲击力,并在井架下放时将井架顶过死点。

绞车为密封墙板式四轴绞车，采用绞车内部变速的方法获得六个正档两个倒档，采用气缸+气胎离合器挂档和换挡，离合方便可靠，绞车轴支承全部采用滚子轴承。各轴和链轮的材料均为合金钢。链条均为强制润滑。滚筒开槽。滚筒的高、低速端带有通风式气胎离合器，刹车轮网采用循环水强制冷却，表面经中频淬火，耐磨性好，使用寿命长。链轮齿廓经中频淬火。所有换档离合器均为渐开线花键齿式离合器。主刹车采用带式或盘式。辅助刹车配电磁涡流刹车或水刹车，各种护罩均为刚性结构焊接件。

转盘是通过一对锥齿轮来实现钻柱旋转的，它主要有底座、转台、主轴承、下轴承、大齿圈、输入轴总成、锁紧装置、方瓦、上盖等零部件组成。

底座是转盘的壳体，它采用铸焊结构，有铸钢件和钢板焊接而成。其主要是作为主、下轴承及输入轴总成的支撑，同时，也是润滑锥齿轮和轴承的油池。底座可承受最大静负荷。

转台的大齿圈紧套在转台上，转台装在主轴承上座圈内，并通过主轴承、下轴承座圈固定于底座上。转台上部有方座孔，方瓦装在方座孔内，当转台旋转时，通过方瓦将扭矩传递给方补心及方钻杆，从而带动钻杆旋转，钻台上部加工有迷宫槽，与底座的迷宫相配组成两道密封迷宫，防止泥浆从上部进入油池，也同时防止油池内的油溢出，在转台下部用螺栓固定下座圈，主、下轴承采用径向止推球轴承，旋转时，主轴承主要承受方钻杆下滑造成的轴向力和锥齿轮副齿合所产生的轴向分力；起、下钻杆时，承受钻杆的重量，下轴承用来扶正转台，并承受锥齿轮扶持合所产生的轴向分力；防止转台上跳，主、下轴承的轴向间隙可用垫片来进行调整，转台是用一对伞齿轮副来传动的，大齿圈安装在转台上，小伞齿轮装在轴的一端，轴则支承于装在一个轴承座内的两个轴承上，一个是向心短圆柱滚子轴承，另一个是向心球面滚子轴承，在轴的另一端装有双排链轮或法兰，组成一个快速轴总成，为了调整一对伞齿轮副的啮合间隙，主要用主、下轴承的中圈下面的垫片和在轴承套法兰上的垫片来调节。

在转盘的顶部装有制动转台向左和向右方向转动的锁紧装置，若使转台在顺时针(逆时针)方向制动时，左右掣子之一被操纵杆送入转台的26个槽位中的一个槽，即可单向制动转台，主补心装置是由两半组成的，上部带有两个凸出部分转台的凹槽中，从转台中取主补心是用两个主补心提环。

本发明所采用的水龙头为S L450型水龙头，该水龙头主要由外壳、中心管、盘根装置、气马达、鹅颈管和提环等部分组成。中心管通过轴承和上、下盖安装在外壳内，中心管下端与钻杆接头连接，上端与盘根装置相连。提环用提环销与外壳连接，并挂在大钩上。鹅颈管安装在上盖的顶部，外端连接水龙带。为了使高压泥浆从鹅颈管流到中心管，且确保密封不漏，其间安装有盘根装置。气马达安装在上盖上，经气控摩擦离合器和齿轮减速后带动中心管旋转，从而实现其旋扣功能。配标准提环和双公扣合金钢短节。冲管和盘根装置为盒式结构，可在钻台上迅速更换，无须拆下水龙带和额颈管，鹅颈管顶部单独通孔为测井钢丝绳提供通道。

总之，本发明通过采用密闭水冷式绞车，滚筒摩擦毂冷却采用离心泵强制循环水冷却方式，主滚筒摩擦毂上带有水套和水循环管线，通过滚筒轴端的导水龙头实现冷却水循环以冷却摩擦毂；采用水刹车避免钻具下放过程中连续使用带刹车造成滚筒过热影响刹车效果；动力装置采用三台柴油发动机，同时三台柴油发动机之间设置联动机构，增大功率；配备两台3NB-1300C泥浆泵，能满足喷射钻井的需要。

Claims (5)

1.一种新型页岩气钻机，包括底座、井架、动力装置、传动机构、联动机构、转盘、绞车(15)、游车、高压管路、泥浆泵以及气控系统，其特征在于：所述动力装置包括三套柴油发动机，所述三套柴油发动机通过联动机构和传动机构分别与泥浆泵以及绞车(15)连接，所述绞车(15)为密闭水冷式绞车(15)，所述底座包括前台底座和后台底座，绞车(15)、转盘和转盘传动装置设于前台底座上，所述动力装置和联动装置设于后台底座上。

2.根据权利要求1所述的新型页岩气钻机，其特征在于：所述三套柴油发动机分别为第一柴油发动机(3)、第二柴油发动机(2)和第三柴油发动机(1)，所述第一柴油发动机(3)动力输出端连接第一减速箱(4)，所述第二柴油发动机(2)动力输出端连接第二减速箱(5)，所述第三柴油发动机(1)动力输出端连接第三减速箱(6)，所述第一减速箱(4)、第二减速箱(5)和第三减速箱(6)动力输出端均连接气胎离合器(7)，所述第二减速箱(5)和第三减速箱(6)末端设置的气胎离合器(7)动力输出端设置第一联动机构(8)，所述第一减速箱(4)动力输出端对应的气胎离合器(7)末端设置第四减速箱(14)，第四减速箱(14)的一个动力输出端借助于皮带传动机构与绞车(15)动力出入端连接，所述第四减速箱(14)的另外一个动力输出端也设有气胎离合器(7)，所述第一联动机构(8)与第三减速箱(6)对应的轴端和与第二减速箱(5)对应的轴端均设有气胎离合器(7)，所述第三减速箱(6)的动力输出端末端借助于第一皮带传动机构(10)与第一泥浆泵(9)连接，所述第二减速箱(5)的动力输出端末端借助于第二皮带传动机构(12)与第二泥浆泵(11)连接，所述第一减速箱(4)和第四减速箱(14)的动力输出端之间设有第二联动机构(13)，所述第二联动机构(13)与第一联动机构(8)对应端设有气胎离合器(7)，所述第二联动机构(13)与第四减速器对应端设有气胎离合器(7)。

3.根据权利要求2所述的新型页岩气钻机，其特征在于：所述绞车(15)的主轴端部配套设有水刹车(16)和水冷系统。

4.根据权利要求3所述的新型页岩气钻机，其特征在于：所述绞车(15)包括滚筒轴(20)、中间轴(19)、输入轴(18)、换档轴(21)、刹车系统、绞车(15)机架、护罩(17)总成、润滑系统以及换挡机构，所述滚筒轴(20)、中间轴(19)、输入轴(18)和换档轴(21)平行安装于绞车(15)机架上，所述滚筒轴(20)、中间轴(19)、输入轴(18)和换档轴(21)之间设置传动齿轮，所述护罩(17)总成设于机架上、且包覆于滚筒轴(20)、中间轴(19)、输入轴(18)和换档轴(21)外侧，所述滚筒轴(20)、中间轴(19)、输入轴(18)和换档轴(21)两端借助于轴承与绞车(15)机架连接，所述绞车(15)机架上设置与滚筒轴(20)、中间轴(19)、输入轴(18)和换档轴(21)两端借助于轴承对接的润滑系统，所述刹车系统设于滚筒轴(20)端部。

5.根据权利要求4所述的新型页岩气钻机，其特征在于：所述滚筒轴(20)包括主轴(15-8)、滚筒(15-9)、左轴承座(15-6)、右轴承座(15-10)、左密封总成(15-3)、右密封总成(15-16)、水冷系统和设于主轴(15-8)两端的刹车机构，所述筒体设于主轴(15-8)中部、且穿设于主轴(15-8)内的水冷管线(15-7)与滚筒(15-9)内的水冷管线(15-7)连接构成水冷系统，所述主轴(15-8)左端和右端分别设有左连接毂(15-4)和右连接毂，左连接毂(15-4)和右连接毂分别借助于轴承与主轴(15-8)连接，所述左连接毂(15-4)和右连接毂外端设有左摩擦毂(15-2)和右摩擦毂(15-12)，所述主轴(15-8)两端还设有左轮毂和右轮毂(15-14)，所述左轮毂与左摩擦毂(15-12)之间以及右轮毂(15-14)与右摩擦毂(15-12)之间均设置离合器(15-15)，所述左连接毂(15-4)和右连接毂外缘上固定设置左链轮(15-5)和右链轮(15-11)，所述主轴(15-8)借助于分设在滚筒(15-8)两侧的左轴承座(15-6)和右轴承座(15-10)与绞车(15)机架连接，所述位于主轴(15-8)左端的离合器(15-15)借助于左连接盘(15-1)与左轮毂连接，所述位于主轴(15-8)右端的离合器(15-15)借助于右连接盘(15-13)与右轮毂(15-14)连接。