柳碩林，張秋冬，嚴(yán)珊珊，宋秋鋒

(1.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院，鄭州 450001；2.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450053；3.河北建勘鉆探設(shè)備有限公司，石家莊 051134)

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TSJ-2000E水源鉆機(jī)鉆探平臺(tái)底架研制

柳碩林1，張秋冬2，嚴(yán)珊珊2，宋秋鋒3

(1.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院，鄭州 450001；2.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450053；3.河北建勘鉆探設(shè)備有限公司，石家莊 051134)

作者設(shè)計(jì)了一種用于配置TSJ-2000水源鉆機(jī)的可安裝井口防噴器的鉆探平臺(tái)底架，經(jīng)使用?89mm鉆桿鉆進(jìn)完井深度1 810m的某科鉆井工程實(shí)踐檢驗(yàn)，證明所采取的技術(shù)措施簡單、經(jīng)濟(jì)、安全可靠。

水井鉆機(jī)；鉆探平臺(tái)；底架；研制

1　前言

我院在施工某科鉆項(xiàng)目時(shí)，工程設(shè)計(jì)使用TSJ-2000E水源鉆機(jī)與?89 mm鉆桿鉆至完井井深1 810 m。

根據(jù)井址的區(qū)域地層分布與地質(zhì)設(shè)計(jì)，須于井深1 200 m時(shí)安裝井口防噴器控制地層壓力，故鉆探平臺(tái)至少需凈高出地面1.8 m。一般的地?zé)峋c供水井施工因地層壓力梯度不大，不必安裝防噴器等地面井控裝置，鉆探平臺(tái)均不配置基礎(chǔ)構(gòu)架而直接固定在自然地面上。經(jīng)咨詢，如向?qū)I(yè)生產(chǎn)廠家定制一套專用構(gòu)架，不僅投資達(dá)數(shù)十萬元、交貨時(shí)間不能滿足工期要求，且工程結(jié)束后對專業(yè)水文隊(duì)再無利用價(jià)值。因此，需要研制一套簡單、經(jīng)濟(jì)、安全可靠的四腳型井架鉆探平臺(tái)底架。

TSJ-2000鉆機(jī)的鉆深能力為：?89 mm鉆桿鉆深1 350 m，?73 mm鉆桿鉆深2 000 m。我單位因日常業(yè)務(wù)范圍所限，全部配用?89 mm或?127 mm鉆桿。TSJ-2000鉆機(jī)配?89mm鉆桿鉆進(jìn)至1 810 m能力明顯不足，而購置或租用?73 mm鉆桿均為工程費(fèi)用所不能承受，由此產(chǎn)生改造鉆機(jī)升降系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)狀的構(gòu)想。

2　鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)及加工

四腳井架基礎(chǔ)的受力部位為四個(gè)腳、鉆桿盒位置與起下鉆時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)盤位置。如果分別的對各個(gè)受力點(diǎn)進(jìn)行架高支撐，同時(shí)再把他們互相連接起來，形成一個(gè)穩(wěn)固的整體，鉆探平臺(tái)就形成了。經(jīng)過核算，成本僅為幾萬元，加工周期也只需3天，并且還能夠重復(fù)使用。

2.1設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)井架基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)，計(jì)算各受力點(diǎn)的負(fù)荷，并根據(jù)負(fù)荷大小對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完井深度1 810 m時(shí)鉆具懸重約400 kN，平臺(tái)底架自重約45 kN，鉆塔自重125 kN，設(shè)備自重80 kN。若考慮強(qiáng)力提拔等處理復(fù)雜情況的需要再增加400 kN，則各點(diǎn)對地面基礎(chǔ)的總受力為1 050 kN。其中：

四個(gè)腳：強(qiáng)力提拔時(shí)四個(gè)腳總受力約為970 kN，每個(gè)腳242.5 kN。

鉆桿盒：鉆桿盒位置受力為鉆具自重400 kN。

轉(zhuǎn)盤位置：該處受力為鉆具自重+設(shè)備自重=480 kN。

2.2加工方法

2.2.1材料

所用材料為：?159 mm×6 mm鋼管96 m；1.5 m×8 m×20 mm鋼板1塊；1.0 m×6 m×30 mm鋼板1塊；2.0 m×2.0 m×20 mm鋼板1塊；50 mm×50 mm×6 mm角鋼20根；200 mm×75 mm×9 mm槽鋼2根；電焊條若干。

2.2.2加工工藝

在鉆探平臺(tái)加工的同時(shí)，在井架四個(gè)腳及轉(zhuǎn)盤的相應(yīng)位置挖1.5 m見方的坑并澆筑混凝土，作為該平臺(tái)的地面基礎(chǔ)。鉆探平臺(tái)分塊加工，每塊都有上、下兩個(gè)平面。上平面用來安裝設(shè)備，下平面與地面基礎(chǔ)連接，分散壓力。加工工藝如下：

(1)井架四個(gè)腳位置

上平面用1 m×1 m×30 mm鋼板，下平面用1.5 m×1.5 m×20 mm鋼板，以增加與基礎(chǔ)的接觸面積；兩塊鋼板中間用排列成梅花狀的5根1.8 m長的?159 mm×6 mm鋼管焊接支撐。

(2)轉(zhuǎn)盤位置

上平面用1.5 m×1.5 m×30 mm鋼板，下平面用2.0 m×2.0 m×20 mm鋼板，以增加與基礎(chǔ)的接觸面積；由于轉(zhuǎn)盤通徑為660 mm，所以兩塊鋼板中間也對應(yīng)地割出直徑為660 mm的圓孔，并用8根1.8m長的?159 mm×6 mm鋼管沿鋼板四周均勻分布焊接支撐。

(3)主機(jī)位置

主機(jī)部位由于受力較小，可用兩根槽鋼作支撐。槽鋼兩端分別焊在轉(zhuǎn)盤的上支撐鋼板面上及井架的后壓邊上，下部用四根鋼管簡易支撐即可。

(4)鉆桿盒位置

上平面用1.5 m×2 m×30 mm鋼板，下平面用1.5 m×2 m×20 mm鋼板；兩塊鋼板中間用排列成梅花狀的8根1.8 m長的?159 mm×6 mm鋼管焊接支撐。鉆桿盒長度加長到2 m主要是考慮到排放鉆桿的需要。

各構(gòu)件放置到預(yù)定位置后，互相之間用角鋼交叉連接到一起。另外在鋼管與鋼板的焊接位置周圍分別用四塊合適大小的等腰直角三角形鋼板加固，增大整體穩(wěn)定性。

2.3強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核

該鉆探平臺(tái)單鋼管的最大受力位置為轉(zhuǎn)盤位置。所以在強(qiáng)度校核時(shí)只考慮該部位。轉(zhuǎn)盤位置設(shè)計(jì)鋼管為8根，載荷480 kN，則單根鋼管最大受力為60 kN。

2.3.1柔度λ的計(jì)算

可把鋼管看成一端固定、一端自由，長度為1.8 m的壓桿。

式中：μ—長度系數(shù)，取2；

l—壓桿長度，1800 mm；

i—截面慣性半徑，mm；

i2=I/A

A—鋼管截面積，mm2；

I—截面慣性矩，mm4；

D—鋼管外徑，159 mm；

d—鋼管內(nèi)徑，147 mm。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得： λ =10.38。

2.3.2穩(wěn)定性計(jì)算

直線公式成立時(shí)45號(hào)鋼壓桿柔度的最小值λs=60，

所以該桿為粗短桿，不存在穩(wěn)定性問題，只有強(qiáng)度問題，臨界應(yīng)力就是屈服極限σs。45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度為353 MPa，計(jì)算得到本鉆探平臺(tái)中桿件的最大應(yīng)力P/A=20.8 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材本身的屈服強(qiáng)度，該平臺(tái)是穩(wěn)固的。

3　應(yīng)用情況及效益分析

松科1井施工中，由于鉆探平臺(tái)底架的使用，不僅儲(chǔ)備了防噴器的安裝位置，保證了施工安全，而且整個(gè)機(jī)臺(tái)也顯得格外整潔，發(fā)揮了文明施工的作用。

該鉆探平臺(tái)底架在長達(dá)10個(gè)多月的使用過程中，經(jīng)受住了8級(jí)大風(fēng)、強(qiáng)力提拔等惡劣施工條件的考驗(yàn)，非常穩(wěn)固。

該平臺(tái)的設(shè)計(jì)加工，節(jié)省了不少費(fèi)用，同時(shí)安裝、拆卸也很方便，經(jīng)濟(jì)耐用。

4　體會(huì)

(1)鉆探平臺(tái)的使用，不僅可以方便安裝防噴器，還有助于文明施工。

(2)由于平臺(tái)較高，在使用時(shí)注意四周應(yīng)設(shè)置安全護(hù)桿，保證施工人員的安全。

(3)在澆筑四個(gè)腳的基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)事先在相應(yīng)位置預(yù)埋一條螺栓，使得地面基礎(chǔ)與平臺(tái)能夠合為一體。

(4)由于井架較高，側(cè)向動(dòng)載荷復(fù)雜，按要求要把繃?yán)K埋設(shè)牢固。

[1]趙九江,張少實(shí),王春香.材料力學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1995.

P634.34

A

1009-282X(2016)04-0011-02

2016-04-04

柳碩林(1970-)，男，河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，主要從事鉆探技術(shù)與管理工作，Tel：13937789986，E-mail：13937789986@163.com。