一种机电液气多场耦合旋冲钻进系统技术方案

本发明专利技术提供了一种机电液气多场耦合旋冲钻进系统，包括控制系统、液压给进子系统、高速变量柱塞马达旋转子系统、低速摆线马达旋转子系统、气动冲击子系统和综合动力集成子系统。所述液压给进子系统用于控制钻具的给进和起拔；高速变量柱塞马达旋转子系统和低速摆线马达旋转子系统分别用于驱动钻机的主轴不同转速状态下的回转；气动冲击子系统用于控制气动冲击钻具的高频冲击；综合动力集成子系统用于集成传递液压给进子系统、高速变量柱塞马达旋转子系统、低速摆线马达旋转子系统和气动冲击子系统的综合动力。本发明专利技术能实现钻进破岩过程中大范围无级调速回转、多种扭矩输出、高频冲击、负载敏感调控和智能钻压调控，有效克服钻孔卡钻和钻孔偏斜。孔卡钻和钻孔偏斜。孔卡钻和钻孔偏斜。

【技术实现步骤摘要】
一种机电液气多场耦合旋冲钻进系统


[0001]本专利技术涉及深井钻机旋冲钻进
，尤其涉及一种机电液气多场耦合旋冲钻进系统。

技术介绍

[0002]随着国民经济的快速发展，各行各业对于能源的需求也在急速上升。但是，目前探明的能源往往位于地壳深处或者海洋深处。深部硬岩地层钻进效率低、成本高的问题是现阶段深井、超深井钻井过程中长期面临的难点问题。旋冲钻进技术由于具有提高硬岩地层钻进效率、降低定向钻进中黏滑振动以及提高钻压传递效率等优点而得到工程界认可，已被逐渐应用于矿产、石油、天然气、地下水、地热能等地质勘探以及陆地与海洋地下资源开采、应急抢险救灾、爆破施工、桩基施工、深基坑锚固、隧道管棚支护等领域的技术升级与创新发展，呈现出广阔的应用前景。
[0003]虽然旋冲钻进技术具有传统旋转钻进技术不可比拟的优越性，但是旋冲钻进驱动系统工作在回转与冲击往复的复合运动模式下，同时要求适应复杂地质条件下未知岩层结构的变载荷工况，大量工程应用实践表明，其在施工过程中仍存在较多问题，主要表现为：(1)钻孔偏斜。液动冲击器冲击力大，钻机振动力大，稳定性较差，钻机虽然配有水平仪，但在实际施工中操作不当往往会造成井孔偏斜，偏斜角度过大则无法继续钻进，即使成井也无法安装套管、水泵等辅助设备；(2)钻孔卡钻。硬质岩层硬度高，岩层构造裂隙复杂，导致钻机钻进时负载工况多变，输出扭矩跟随性差则易出现黏滑振动，引起井壁不光滑，附加井孔偏斜作用，冲击钻头易卡在井孔或岩层夹道中，无法提钻或继续钻进，造成井孔报废，冲击潜孔钻具及加长钻杆因无法提出井外将承受巨大的经济损失。因此，有必要专利技术一种新型旋冲钻进系统，在克服“钻孔卡钻”和“钻孔偏斜”的同时，能够显著提高复杂地质岩层钻进效率，提升深井、超深井高端钻进装备的可靠性和智能化水平。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种机电液气多场耦合旋冲钻进系统，能够实现钻进破岩过程中钻具的大范围无极调速回转、多扭矩输出、高频冲击、负载敏感调控和智能钻压调控，有效克服“钻孔卡钻”和“钻孔偏斜”。
[0005]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006]一种机电液气多场耦合旋冲钻进系统，包括控制系统、液压给进子系统、高速变量柱塞马达旋转子系统、低速摆线马达旋转子系统和气动冲击子系统；
[0007]所述液压给进子系统用于控制钻具的给进和起拔，所述液压给进子系统包括压力参数、压力比较器、压力调节器、电荷放大器A、负载敏感控制阀A、负载敏感液压泵源、给进油缸和压力传感器；所述控制系统与压力比较器的一个输入端相连，所述控制系统将压力参数输入压力比较器；所述压力比较器的输出端与压力调节器的输入端相连；所述压力调节器的输出端通过电荷放大器A输入到负载敏感控制阀A的阀芯控制端，所述负载敏感控制
阀A的进油口与负载敏感液压泵源的出油口相连，所述负载敏感控制阀A的工作油口与给进油缸的工作油口相连；所述压力传感器用于检测给进油缸的工作压力，所述压力传感器将采集的压力参数反馈至所述控制系统和压力比较器的另一个输入端，用于实现给进油缸的压力状态监测和闭环反馈控制；
[0008]所述高速变量柱塞马达旋转子系统和低速摆线马达旋转子系统分别用于驱动钻机的主轴不同转速状态下的回转；所述气动冲击子系统用于控制气动冲击钻具的高频冲击。
[0009]进一步，所述高速变量柱塞马达旋转子系统包括转速参数A、速度比较器A、速度调节器A、电荷放大器B、负载敏感控制阀B、高速变量柱塞马达、扭矩转速仪A和啮合套A；所述控制系统与速度比较器A的一个输入端相连，所述控制系统将转速参数A输入速度比较器A；所述速度比较器A的输出端与速度调节器A的输入端相连；所述速度调节器A的输出端通过电荷放大器B输入到负载敏感控制阀B的阀芯控制端，所述负载敏感控制阀B的进油口与负载敏感液压泵源的出油口相连，所述负载敏感控制阀B的工作油口与高速变量柱塞马达的工作油口相连；所述扭矩转速仪A用于检测高速变量柱塞马达输出端转速和扭矩，所述高速变量柱塞马达的输出端通过啮合套A与输入轴连接，所述扭矩转速仪A将采集的转速参数A反馈至所述控制系统和速度比较器A的另一个输入端，用于实现高速变量柱塞马达的转速状态监测和闭环反馈控制。
[0010]进一步，所述低速摆线马达旋转子系统包括转速参数B、速度比较器B、速度调节器B、电荷放大器C、负载敏感控制阀C、低速摆线马达、扭矩转速仪B和啮合套B；所述控制系统与速度比较器B的一个输入端相连，所述控制系统将转速参数B输入速度比较器B；所述速度比较器B的输出端与速度调节器B的输入端相连；所述速度调节器B的输出端通过电荷放大器C输入到负载敏感控制阀C的阀芯控制端，所述负载敏感控制阀C的进油口与负载敏感液压泵源的出油口相连，所述负载敏感控制阀C的工作油口与低速摆线马达的工作油口相连；所述扭矩转速仪B用于检测低速摆线马达输出端转速和扭矩，所述低速摆线马达的输出端通过啮合套B与输入轴连接，所述扭矩转速仪B将采集的转速参数B反馈至所述控制系统和速度比较器B的另一个输入端，用于实现低速摆线马达的转速状态监测和闭环反馈控制。
[0011]进一步，所述气动冲击子系统包括气动参数、气压比较器、气压调节器、电荷放大器D、气动控制阀、空气压缩机、气动参量传感器、主轴、专用接头、加长钻杆和气动冲击钻具；所述控制系统与气压比较器的一个输入端相连，所述控制系统将气动参数输入气压比较器；所述气压比较器的输出端与气压调节器的输入端相连；所述气压调节器的输出端通过电荷放大器D输入到气动控制阀的阀芯控制端，所述气动控制阀与空气压缩机相连，所述压控制阀的工作气口与主轴顶端的进气孔相连；所述加长钻杆的上端通过专用接头与主轴的下端相连；所述加长钻杆的下端与气动冲击钻具相连；所述气动参量传感器用于检测主轴顶端的进气孔的气动参量，所述气动参量传感器将采集的气动参量反馈至控制系统和气压比较器的另一个输入端，用于实现气动参数状态监测和闭环反馈控制。
[0012]进一步，还包括综合动力集成子系统，所述综合动力集成子系统用于集成传递液压给进子系统、高速变量柱塞马达旋转子系统、低速摆线马达旋转子系统和气动冲击子系统的综合动力；所述综合动力集成子系统包括输入轴、扭矩转速仪C、变速齿轮箱和动力头拖板；所述输入轴的输入端与啮合套A或/和啮合套B相连；所述输入轴的输出端通过变速齿
轮箱与主轴相连；所述扭矩转速仪C用于检测输入轴输出端的扭矩和转速；所述扭矩转速仪C将采集的扭矩、转速信号反馈至控制系统；所述动力头拖板与给进油缸的活塞杆相连，用于钻具的给进和起拔。
[0013]进一步，系统运行过程中，所述液压给进子系统、高速变量柱塞马达旋转子系统、低速摆线马达旋转子系统、气动冲击子系统和综合动力集成子系统是同时联动工作的；所述综合动力集成子系统用于集成传递液压给进子系统、高速变量柱塞马达旋转子系统、低速摆线马达旋转子系统、气动冲击子系统的综合动力，在控制系统的调控下，实现钻进破岩过程中钻具的大范围无级调速回转、多种扭矩输出、高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机电液气多场耦合旋冲钻进系统，其特征在于，包括控制系统(1)、液压给进子系统、高速变量柱塞马达旋转子系统、低速摆线马达旋转子系统和气动冲击子系统；所述液压给进子系统用于控制钻具的给进和起拔，所述液压给进子系统包括压力参数(2)、压力比较器(3)、压力调节器(4)、电荷放大器A(5)、负载敏感控制阀A(6)、负载敏感液压泵源(7)、给进油缸(8)和压力传感器(9)；所述控制系统(1)与压力比较器(3)的一个输入端相连，所述控制系统(1)将压力参数(2)输入压力比较器(3)；所述压力比较器(3)的输出端与压力调节器(4)的输入端相连；所述压力调节器(4)的输出端通过电荷放大器A(5)输入到负载敏感控制阀A(6)的阀芯控制端，所述负载敏感控制阀A(6)的进油口与负载敏感液压泵源的出油口相连，所述负载敏感控制阀A(6)的工作油口与给进油缸(8)的工作油口相连；所述压力传感器(9)用于检测给进油缸(8)的工作压力，所述压力传感器(9)将采集的压力参数反馈至所述控制系统(1)和压力比较器(3)的另一个输入端，用于实现给进油缸(8)的压力状态监测和闭环反馈控制；所述高速变量柱塞马达旋转子系统和低速摆线马达旋转子系统分别用于驱动钻机的主轴(33)不同转速状态下的回转；所述气动冲击子系统用于控制气动冲击钻具(36)的高频冲击。2.根据权利要求1所述的机电液气多场耦合旋冲钻进系统，其特征在于，所述高速变量柱塞马达旋转子系统包括转速参数A(10)、速度比较器A(11)、速度调节器A(12)、电荷放大器B(13)、负载敏感控制阀B(14)、高速变量柱塞马达(15)、扭矩转速仪A(16)和啮合套A(17)；所述控制系统(1)与速度比较器A(11)的一个输入端相连，所述控制系统(1)将转速参数A(10)输入速度比较器A(11)；所述速度比较器A(11)的输出端与速度调节器A(12)的输入端相连；所述速度调节器A(12)的输出端通过电荷放大器B(13)输入到负载敏感控制阀B(14)的阀芯控制端，所述负载敏感控制阀B(14)的进油口与负载敏感液压泵源的出油口相连，所述负载敏感控制阀B(14)的工作油口与高速变量柱塞马达(15)的工作油口相连；所述扭矩转速仪A(16)用于检测高速变量柱塞马达(15)输出端转速和扭矩，所述高速变量柱塞马达(15)的输出端通过啮合套A(17)与输入轴(37)连接，所述扭矩转速仪A(16)将采集的转速参数反馈至所述控制系统(1)和速度比较器A(11)的另一个输入端，用于实现高速变量柱塞马达(15)的转速状态监测和闭环反馈控制。3.根据权利要求2所述的机电液气多场耦合旋冲钻进系统，其特征在于，所述低速摆线马达旋转子系统包括转速参数B(18)、速度比较器B(19)、速度调节器B(20)、电荷放大器C(21)、负载敏感控制阀C(22)、低速摆线马达(23)、扭矩转速仪B(24)和啮合套B(25)；所述控制系统(1)与速度比较器B(19)的一个输入端相连，所述控制系统(1)将转速参数B(18)输入速度比较器B(19)；所述速度比较器B(19)的输出端与速度调节器B(20)的输入端相连；所述速度调节器B(20)的输出端通过电荷放大器C(21)输入到负载敏感控制阀C(22)...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱勇，汤胜楠，兰波，曹凯，王节涛，王晓康，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：