地震勘探钻机的设计

・机械研究与应用・２０１２年第２期（总第１１８期）　设计与制造　

地震勘探钻机的设计　

赵寰宇　，杨虎伟　

（１．吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春１３００２２；２．吉林大学建设工程学院，吉林长春１３００２６）　

摘要：针对我国地震勘探钻孔技术的现状和存在的问题，研制了适合我国国情的用于山地、丘陵、戈壁滩、森林地区　钻进用的ＪＳＷＳ一３０型山地钻机、ＪＳＷＬ一３０型砾石钻机、ＪＳＷＴ一５０型土层钻机、ＪＱＷＳ一３０型森林地震勘探钻　

机。重点介绍了各种钻机的结构及性能特点。通过钻机在现场的试验，证明钻机具有良好的使用性能。　关键词：复杂地区；地震勘探；钻机　中图分类号：ＴＥ９１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７－４４１４（２０１２）０２－０１２９一ｏ４　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｄｒｉｌｌ　

Ｚｈａｏ　Ｈｕａｎ—ｙｕ　．Ｙａｎｇ　Ｈｕ—ｗｅｉ　

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆＪｉｌｉｎ　ｕｎ＆ｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｊｉｌｉｎ　１３００２２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｊｉｌｉｎ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｊｉｌｉｎ　１３００２６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ＪＳＷＳ－３０　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｄｒｉｌｌ，ＪＳＷＬ－３０　ｇｒａｖｅｌ　ｄｒｉｌｌ，ＪＳＷＴ－５０　ｓｏｉｌ　ｄｒｉｌ，ａｎｄ　ＪＱＷＳ一３０　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｄｒｉｌｌ　ｉｎ　ｆｏｒｅｓｔ　ａｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　Ｃｈｉｎａ　Ｓ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｍｏｕｎｔａｉｎ，ｈｉｌｌｓ，Ｇｏｂｉ　ｄｅｓｅｒｔ，ｆｏｒｅｓｔ　ａｒｅａ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｄｒｉｌｌｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｓ　ｈａｖｅ　ｇｏｏｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｌｅｘ　ａｒｅａｓ；ｓｅｉｓｍｉｃ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｄｒｉｌｌ　

１　我国地震勘探钻孔施工技术现状　

地震勘探是探明地下地质构造，寻找地下油气矿　

藏的一种有效的地球物理勘探方法Ｈ　Ｊ。过去地震　

勘探在我国油、气矿藏的勘探中起到了重要作用。而　

地震勘探的重要环节是爆破孔施工，爆破孔施工技　

术　直接影响地震勘探的工作领域和效果。２０世纪　

９０年代，我国地震勘探工作主要在北方平原微丘地　

区进行，钻机主要采用车载形式，钻孑Ｌ方法主要为泥　

浆正循环回转钻进，随着国民经济的发展及国家对中　

西部地区的开发，尤其近年来为填补我国的石油缺　

口，增加石油后期储备，我国地震勘探工作的重点已　

转向丘陵、山地、戈壁滩、森林及沙漠等复杂地区，以　

往的地震勘探钻孔技术已无法满足地震勘探需　要　引。　

目前我国在复杂地区地震勘探钻孔施工中遇到　

的主要问题是：①山地、丘陵地区地震勘探钻机重量　

大、功能单一、设备搬迁费时费力，复杂地区无法施　

工；②山前带及戈壁滩地区砾石钻机钻孔深度小，钻　

孔效率低，成本高，无法满足地震勘探高效钻孔的要　

求；③森林地区地震勘探施工，严禁使用汽油，要求钻　

机体积小，林中通过能力强，国内尚无林区专用勘探　

钻机。　为满足地震勘探工作的要求，研制适合我国国情　

的山地、丘陵、戈壁滩、森林地区系列多功能钻机及配　

套的多工艺钻进方法已势在必行。　

２型轻便铝合金多功能山地钻机的研制　

２．１钻机的设计要求　

（１）轻便、解体性强。适应山地丘陵地区施工设　

备人抬、肩扛的搬运要求。　（２）多种钻进功能。可钻进土层、砂土层、岩层、　

土岩混合地层。轻便型钻机土层钻进最合理的工艺　

方法是泥浆钻进；岩层中最快的方法是潜孔锤钻进，　

结合西部缺水的具体环境，采用气动潜孔锤钻进。岩　

层上部覆盖土层或砂土层，厚度小于３—４（ｍ）则使　

用螺旋钻进，下部地层采用潜孔锤钻进。因此钻机应　

具有泥浆全面及取芯钻进、气动潜孔锤钻进、短螺旋　

钻进功能。　

（３）钻机的主要技术参数：钻孔直径７５—１１０　

（ｍｍ），钻孔深度３０ｍ，钻孔角度９０。，转速３０ｒ／ｍｉｎ，　

额定输出扭矩６５０Ｎ・ＩＴＩ，提升能力１５ｋＮ，给进能力　

１０ｋＮ，给进行程１．２ｍ，动力机功率９．６９ｋｗ，总重量　

为２３５ｋｇ（包括各种油料），最大单件重７０ｋｇ。　

２．２钻机的总体结构设计　基于钻机的设计要求　引，经过对钻机的驱动　

方案、装载形式、部件的设置与选配、总体布局及制造　

收稿日期：２０１２—０３—０１　作者简介：赵寰宇（１９９０－），男，吉林长春人，研究方向：机械工程与自动化专业。　

・１２９・

　设计与制造　２０１２年第２期（总第１１８期）・机械研究与应用・　

材料等方面的综合研究，确定为汽油机驱动全液压动　

力头组合式铝合金钻机。钻机的总体结构如图１所　

示，动力头的两根导杆６插人底座上的下销轴孔内，　

通过销钉固定，油缸活塞杆通过弯管与动力头连接，　

支撑杆１Ｏ对导杆起支撑稳定作用，与导杆、底座均采　

用铰链连接。垫叉座通过螺栓固定在导杆上，其高度　

可调节。动力头用螺栓与导杆连接，必要时可拆卸分　

解。图２为钻机在南阳油田某工区现场施工。　

图ｌ　Ｊｓｗｓ一３Ｏ型钻机总体结构示意图　１．底座２．下油管３．油缸４．垫叉座５．动力头接头６．导　杆７．动力头８．拉杆９．横粱ｌ０．支撑杆１１．导杆上支座　１２．滑套ｌ３．螺母ｌ４．丝杠１５．圆板ｌ６．支座１７．上油管　

图２　ＪＳＷＳ一３０型钻机现场施工　

２．３配套机具的开发研究　

（１）泥浆泵的开发研究地震勘探孑Ｌ土层、砂土　

层中钻进孔径不少于１００ｍｍ，孔深不大于３０ｍ，属浅　

孔钻进，故泵的泵压不大，但泵量大。结合钻孔施工　

山区作业流动性强的特点，选用汽油机驱动的单螺杆　

泵，型号为ＬＧＢ１３０／１０。泵的排量１３０Ｉ＿Ｖｍｉｎ，压力　

１ＭＰａ，总质量３０ｋｇ。　

（２）轻便空压机的开发根据ＷＣ一５６型潜孔　

锤所需风量，现有常规的活塞式１．５ｍ　／ｍｉｎ空压机　

重量大（４００ｋｇ），山区搬运不方便，经研究选用德国　

产Ｎ６０ＵＦ喷油螺杆式空压机，技术参数为：风量１．７　

ｍ　／ｍｉｎ，风压０．７６ＭＰａ，质量８４ｋｇ，配动力机１４．　

１７ｋＷ。　

（３）气动潜孔锤的开发研究　开发研究了岩层　

中钻进使用的小口径低风量ＷＣ一５６型气动潜孔锤，　

其规格参数：缸体外径５６ｍｍ，钻头直径７５ｍｍ，风量　

・】３０・　１．２—１．５（１ＴＩ　／ｍｉｎ），风压０．５—０．６（ＭＰａ）。是目前　

国内外耗风量最低的潜孔锤。　

（４）轻便铝合金钻杆的开发研究采用规格为　

４，５０ｘ５ｍｍ超硬铝合金作钻杆体，两端接手采用４５＃　

钢经热处理提高强度。　

２．４钻机的特点　

（１）全液压动力头式钻机，由主机、泵站、操纵台　

三部分组成。钻机结构简单，施工现场布局方便。三　

大件之间由高压油管快速接头连接。　

（２）钻机制造材料为减轻钻机重量，钻机导杆　

及钻机使用的钻杆采用标准超硬铝合金，型号为　

ＬＣ４ＣＳ，规格为４，５０ｘ５（ｍｍ），其抗拉强度５４０ＭＰａ，硬　度１３０ＨＢ，密度２．８９ｋｇ／ｍ。；钻机支承杆采用６４５×５　

（ｍｍ）超硬铝；动力头壳体采用铸铝，型号为ＺＬ１０５；　

动力站油箱采用铝板，型号为Ｌ２，厚３ｍｍ；动力站、操　

纵台支承架采用半硬铝，型号为ＬＦ５，规格为４，２５×３　

（ｍｍ）。　

（３）钻机底座为薄壁方钢框架式结构　为在施　

工现场快速调平钻机，减少或避免土石方的挖填，在　

底座的前、后、左、右角共设有４个螺旋支腿，前支腿　

下的园板上设有圆孔，可固定地锚。通过螺旋支腿和　

地锚，现场可方便调平和固定钻机。　

（４）配套机具工艺参数合理配套空压机及动　

力机数量少，全套设备（所有机具）质量轻，质量为国　

产钻机的４１．４％、国外钻机的５５．４％。与同类钻孑Ｌ　

设备比，每米钻孔成本降低３０％，钻孔效率相同。　

３　ＪＳＷＬ一３０型砾石钻机的研制　

３．１钻机的设计要求　

（１）多种钻进功能：钻机可钻进砾石层、岩层、土　

层、砂层。　

（２）钻孔效率高，劳动强度低。　

（３）钻机主要技术参数：钻孔直径１１０ｍｍ，钻孑Ｌ　

深度３０ｍ，转速３０—９０（ｒ／ｍｉｎ），最大输出扭矩８ｋＮ・　

Ｉｎ，提升力及给进力１００ｋＮ，给进行程５．５ｍ。　

３．２钻机的总体结构设计　

钻机总体结构如图３所示，钻机工作的动力由汽　

车的前车提供，动力经取力器输出，带动由２个双联　

齿轮油泵驱动的液压系统工作。液压系统驱动动力　

头及其摆角油缸、给进机构、夹持器、支腿油缸、泥浆　

泵、泡沫泵工作。图４为ＪＳＷＬ一３０钻机在某工区现　

场施工图。　

３．３　ＪＳＷＬ一３０型砾石钻机的特点　

（１）全液压动力头式车装钻机除空压机自配　

动力外，其它动力全部由载重汽车动力机提供。载重　

汽车为ＳＸ２１８０Ｍ型越野车，越野性能强。　

（２）钻孔深度大，对地层的适应范围广

可钻进