我國水井鉆探裝備的發(fā)展及應(yīng)用

許劉萬，王艷麗，左新明

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000;2.河北省地礦局國土資源勘查中心，河北石家莊 050081)

我國水井鉆探裝備的發(fā)展及應(yīng)用

許劉萬1，王艷麗1，左新明2

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000;2.河北省地礦局國土資源勘查中心，河北石家莊 050081)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，水井鉆機(jī)研制也呈快速發(fā)展的趨勢，通過引進(jìn)消化吸收國外先進(jìn)的鉆探設(shè)備與工藝，推動了我國水井鉆機(jī)設(shè)備制造業(yè)水平的提高，縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。結(jié)合我國實(shí)情，全面論述了水井鉆機(jī)的分類和使用特點(diǎn)、鉆探新技術(shù)的推廣應(yīng)用情況，并對我國水井鉆機(jī)發(fā)展進(jìn)行了綜合分析，提出了一些看法和設(shè)想。

水井鉆機(jī);轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī);全液壓動力頭式鉆機(jī);多功能鉆機(jī);鉆進(jìn)工藝

0 引言

近年來，水井鉆機(jī)在結(jié)構(gòu)和性能方面都因其特定條件和要求，出現(xiàn)了鉆機(jī)類型多樣化和一臺鉆機(jī)多功能的特性。將全部設(shè)備組裝在汽車或拖車上的水井鉆機(jī)，便于自行或整體拖運(yùn)的裝載方式已成為新的潮流。從水井鉆機(jī)行業(yè)市場情況、技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展前景看，國家政策環(huán)境、社會發(fā)展環(huán)境對水井鉆機(jī)行業(yè)的推動和影響，市場需求供給等，都起到了決定性的作用。如國內(nèi)抗旱打井、涉外打井以及其它領(lǐng)域需求，加大了企業(yè)在水井鉆機(jī)行業(yè)的競爭格局。水井鉆機(jī)研制屬于多目標(biāo)決策問題，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)制造，更好地認(rèn)識行業(yè)的歷史和過去，做好現(xiàn)在和當(dāng)前的各項(xiàng)工作，掌握技術(shù)前沿和發(fā)展趨勢，使水井鉆機(jī)研制水平得到整體提升。

1 水井鉆機(jī)的類型

由于水井鉆機(jī)型式多樣化，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，除能有效地進(jìn)行作業(yè)、滿足負(fù)載、驅(qū)動方式較為理想外，如何最有效的完成設(shè)計(jì)孔深是關(guān)鍵。對鉆鑿水井而言，孔深達(dá)到后只是完成了任務(wù)的一方面，而最重要的任務(wù)是成井工藝。通過長期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究，在鉆機(jī)制造業(yè)中水井鉆機(jī)已成為一個(gè)專門的部類。按水井成井方法的不同，水井鉆機(jī)主要分為2類，即鋼絲繩沖擊式及回轉(zhuǎn)式。

1.1 沖擊式鉆機(jī)

此種鉆機(jī)是利用鉆具本身的重力垂直往復(fù)運(yùn)動沖擊地層。結(jié)構(gòu)性能簡單，無沖洗液循環(huán)系統(tǒng)，巖屑排除與鉆機(jī)本身無法同步，使得鉆效特別低。作業(yè)時(shí)，電動機(jī)通過傳動裝置驅(qū)動沖擊機(jī)構(gòu)，帶動鋼絲繩使鉆具作上下往復(fù)運(yùn)動。向下運(yùn)動時(shí)靠鉆具本身重量使鉆頭切入并破碎巖層，向上運(yùn)動則靠鋼絲繩的牽引。沖擊一段時(shí)間后，司鉆人員憑經(jīng)驗(yàn)再下抽砂筒將巖屑清出地面，也可用鉆頭與抽砂筒合成一體的鉆具，使破碎巖層與清除巖屑同時(shí)進(jìn)行，巖屑直接進(jìn)入抽筒，存滿后提升鉆具，將巖屑倒出。這種鉆機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉，目前主要用在卵礫石層作業(yè)。該鉆機(jī)屬于發(fā)展最為古老的一種機(jī)型。施工效率低、出水量差，在鉆井技術(shù)迅速發(fā)展的新形勢下，這類鉆機(jī)的應(yīng)用范圍越來越小，圖1為傳統(tǒng)的沖擊鉆機(jī)圖片。但山東探礦機(jī)械廠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改制的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)(圖2)，因其在卵礫石地層和堅(jiān)硬基巖地層鉆進(jìn)效率明顯提高，這一完善創(chuàng)新成果得到了大家的認(rèn)可，現(xiàn)在其在樁基工程中的應(yīng)用較多。

圖1 傳統(tǒng)的沖擊鉆機(jī)

1.2 回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)

該種鉆機(jī)是依靠鉆具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動破碎巖層而成孔。如轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)、全液壓動力頭式鉆機(jī)等。簡單的回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)只有鉆進(jìn)裝置，結(jié)構(gòu)完善的回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)則有鉆進(jìn)裝置和循環(huán)洗井裝置2部分組成。通常這類鉆機(jī)可采用多種鉆進(jìn)工藝。全液壓動力頭式由液壓馬達(dá)通過減速器驅(qū)動，并以沿塔架上下移動的動力頭代替轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)上的轉(zhuǎn)盤和水龍頭，驅(qū)動鉆桿和鉆頭旋轉(zhuǎn)切削巖層。其特點(diǎn)是鉆進(jìn)速度快，鉆具的裝卸和下井管較為簡便，接長鉆桿時(shí)無需提升鉆具，減少了卷揚(yáng)機(jī)、提升滑車、轉(zhuǎn)盤、水龍頭、方鉆桿等一系列部件?；剞D(zhuǎn)式水井鉆機(jī)已成為發(fā)展變化較快的一類機(jī)型。從滿足水井鉆進(jìn)工藝技術(shù)要求來講，頂驅(qū)型特別是全液壓頂驅(qū)型水井鉆機(jī)已成為當(dāng)前發(fā)展的方向。根據(jù)行走方式和回轉(zhuǎn)方式的不同又可分為如下幾類。

圖2 沖擊反循環(huán)鉆機(jī)

1.2.1 散裝式轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)

圖3～5為幾種典型的散裝式轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)。

1.2.2 履帶式全液壓動力頭水井鉆機(jī)

圖6、7為2種典型的履帶式全液壓動力頭水井鉆機(jī)。

1.2.3 拖車式水井鉆機(jī)

圖8、9為2種典型的拖車式水井鉆機(jī)。

1.2.4 自走式水井鉆機(jī)

圖10為QZ－200型自走式泵吸反循環(huán)轉(zhuǎn)盤水井鉆機(jī)。

圖3 SPJ－300型散裝轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)

圖4 SPS－600型散裝轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)

圖5 RPS－3200型地?zé)徙@機(jī)

圖6 DL－700型履帶式全液壓水井鉆機(jī)

圖7 KW型履帶式全液壓水井鉆機(jī)

圖8 SPJC－400D型半掛式轉(zhuǎn)盤水井鉆機(jī)

1.2.5 車裝式轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)

圖11～14為4種典型的車裝式轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)。

1.2.6 全液壓動力頭車裝鉆機(jī)圖15～24為部分進(jìn)口全液壓動力頭車裝鉆機(jī)。圖25～27為國內(nèi)制造的幾種全液壓動力頭車裝鉆機(jī)。

2 我國水井鉆進(jìn)設(shè)備現(xiàn)狀分析

圖9 S600型拖掛式轉(zhuǎn)盤水井鉆機(jī)

圖10 QZ－200型自走式泵吸反循環(huán)轉(zhuǎn)盤水井鉆機(jī)

圖11 SPC－600型水井鉆機(jī)

圖12 MJ－400型車裝水井鉆機(jī)

圖13 濱州鍛壓機(jī)械廠BZC－350C型車裝水井鉆機(jī)

圖14 濱州鍛壓機(jī)械廠BZC－400D型車裝水井鉆機(jī)

圖15 美國雪姆公司T685WS型鉆機(jī)

圖16 美國雪姆公司T130XD型鉆機(jī)

目前我國生產(chǎn)的水井鉆機(jī)，中淺孔150～500 m、中深孔500～1000 m、深孔1000～3700 m的機(jī)型已經(jīng)定型，可滿足市場需求。

目前我國大量使用的轉(zhuǎn)盤式水井鉆機(jī)有:散裝式SPJ－300、SPS－400、SPS－600型;車裝式SPC－300、SPC－600、BZC－350C、BZC－400D、BZC－600A型;拖車式SPT－600、紅星S400、紅星S600型。深水井及地?zé)峋玫米疃嗟氖巧⒀b式STS－2600、RPS－3200、TSJ－1500/660、TSJ－2000/660、TSJ－2600/445、TSJ－3000/445、TSJ－3700/445型鉆機(jī)。出國施工配套的多為 SPC－600、BZC－350C、BZC－400D型，但也有少數(shù)散裝轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)用于出國施工配套。在20世紀(jì)90年代之前，水井鉆機(jī)多數(shù)由勘探所主持設(shè)計(jì)完成科研項(xiàng)目任務(wù)，后因勢變化，各生產(chǎn)廠家在已有水井鉆機(jī)的基礎(chǔ)上派生了多種系列產(chǎn)品，參與市場競爭。

圖17 美國雪姆公司T200XD型鉆機(jī)

圖18 美國GEFCO公司SS185K型鉆機(jī)

圖19 意大利土力公司G－55型鉆機(jī)

圖20 意大利土力公司G－75型鉆機(jī)

圖21 德國寶峨公司RB50型鉆機(jī)

圖22 德國寶峨公司RB40型鉆機(jī)

圖23 瑞典阿特拉斯公司RD20型鉆機(jī)

圖24 瑞典阿特拉斯公司TH100型鉆機(jī)

圖25 石家莊煤礦機(jī)械公司SMJ型鉆機(jī)

圖26 江蘇天明機(jī)械集團(tuán)TMC90型救援鉆機(jī)

我國水井鉆機(jī)整體水平與世界先進(jìn)水平比較還有待提高，從近年來引進(jìn)的各種鉆機(jī)以及配套技術(shù)已充分說明了這一點(diǎn)。就鉆進(jìn)工藝來說，國外為適合各類地層，提高鉆效、降低成本開發(fā)了多種鉆進(jìn)工藝，鉆機(jī)的功能較多。而我國的水井鉆機(jī)功能較少，工藝也還是以泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)為主，普遍使用的是轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)，古老的鋼絲繩沖擊鉆機(jī)以及傳統(tǒng)的鋼粒、合金桶鉆進(jìn)工藝在水井施工中也還有應(yīng)用。氣動潛孔錘鉆進(jìn)工藝、空氣泡沫鉆進(jìn)工藝、氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝等多工藝空氣鉆進(jìn)現(xiàn)在還未達(dá)到推廣普及，全液壓動力頭多功能鉆機(jī)的研制才剛起步。

圖27 連云港黃海機(jī)械公司MD－750型鉆機(jī)

為了縮小與國外先進(jìn)水平的差距，近年來，隨著市場的需求以及人們思想的轉(zhuǎn)變，全液壓動力頭式車裝水井鉆機(jī)的研制除國家列科研項(xiàng)目開展外，有些企業(yè)也自主研發(fā)。尤其在我國解決干旱缺水地區(qū)施工，此種多功能水井鉆機(jī)發(fā)揮的作用舉足輕重，此外，國家對煤礦安全生產(chǎn)的高度重視，搶險(xiǎn)救援等特殊用途井，對全液壓動力頭車裝式多功能鉆機(jī)的需求也加大。近幾年中國煤炭地質(zhì)總局大地公司，河南、山西、山東、陜西等省煤田地質(zhì)局，山西晉城煤業(yè)集團(tuán)藍(lán)焰煤層氣公司，山西陽泉新宇巖土工程公司，寧煤集團(tuán)，解放軍給水團(tuán)等單位率先進(jìn)口了國外這種多功能鉆機(jī)。在我國的生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)揮的作用充分說明了全液壓動力頭式水井鉆機(jī)在我國鉆探市場潛力很大，也是我國水井鉆機(jī)發(fā)展必須要走的一條道路。

3 全液壓動力頭鉆機(jī)與轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)對比

全液壓動力頭鉆機(jī)與轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)對比見表1。

表1 全液壓動力頭鉆機(jī)與轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)性能對比

4 國內(nèi)水井鉆探施工領(lǐng)域相關(guān)鉆機(jī)和配套技術(shù)

目前，在國內(nèi)，回轉(zhuǎn)鉆機(jī)多以泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)為主，有些單位也已實(shí)現(xiàn)了氣動潛孔錘和氣舉反循環(huán)組合鉆進(jìn)工藝。但進(jìn)口的全液壓動力頭車裝鉆機(jī)大多數(shù)以正循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)為主，泥漿正循環(huán)為輔。同時(shí)國內(nèi)一些單位仿制進(jìn)口的該類鉆機(jī)也只是走同樣的路，尚不能在工藝上有所突破。當(dāng)前隨著這種鉆機(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，有些單位也在對進(jìn)口和仿制的此類鉆機(jī)上要求增加大口徑反循環(huán)鉆進(jìn)工藝?？碧剿灾鲃?chuàng)新研制的全液壓動力頭車裝鉆機(jī)，通過組織國內(nèi)應(yīng)用過此種鉆機(jī)的專家、領(lǐng)導(dǎo)，認(rèn)真對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證，克服了該類進(jìn)口和仿制鉆機(jī)市場需求存在的若干問題，現(xiàn)已完成的SDC－1000型鉆機(jī)，經(jīng)過生產(chǎn)試驗(yàn)完善，已轉(zhuǎn)讓天津探礦機(jī)械廠投入批量生產(chǎn)。目前正在研制的有SDC－1500、SDC－2500型2種機(jī)型(圖28)。SDC系列鉆機(jī)的性能參數(shù)見表2。在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了水井鉆機(jī)的成套生產(chǎn)能力，能夠滿足用戶提出的多領(lǐng)域鉆探施工需求。無論從設(shè)備及各種鉆探工藝配套，完全可以做到鉆機(jī)到達(dá)施工現(xiàn)場，不需用戶再購置其它任何物品即可開鉆。從而改變了以前我國水井鉆機(jī)不成套，廠家只供主機(jī)不負(fù)責(zé)鉆進(jìn)技術(shù)和配套的狀況。

圖28 勘探所自主研制的SDC－1500型水井鉆機(jī)

表2 SDC系列鉆機(jī)參數(shù)

SDC－1000、SDC－1500、SDC－2500型全液壓動力頭車裝鉆機(jī)，主要配套工藝有泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)、正循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)、反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)、氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)。

5 發(fā)展我國水井鉆機(jī)的幾點(diǎn)設(shè)想

(1)建議企業(yè)以市場為導(dǎo)向，開拓新產(chǎn)品，完善已有產(chǎn)品，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低制造成本，以滿足用戶需求。

(2)鉆機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)以液壓技術(shù)為主，盡可能開發(fā)多功能鉆機(jī)。如何使鉆機(jī)在施工過程中縮短輔助時(shí)間，提高鉆進(jìn)效率，降低工人勞動強(qiáng)度，減少施工成本，這是體現(xiàn)鉆機(jī)先進(jìn)性的技術(shù)關(guān)鍵。

(3)研制鉆機(jī)必須做到設(shè)備與鉆井工藝緊密結(jié)合，成套鉆機(jī)出廠運(yùn)抵施工現(xiàn)場就具備立即開鉆的條件。從根本上改變水井鉆機(jī)不成套，只重視主機(jī)而忽視輔機(jī)的現(xiàn)狀，真正發(fā)揮水井鉆機(jī)的成套生產(chǎn)能力。

(4)建立相應(yīng)的水井鉆機(jī)管理機(jī)構(gòu)。為了搞好新產(chǎn)品，必須建設(shè)鉆機(jī)測試基地，加強(qiáng)管理，按照國家對水井鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，未經(jīng)檢測不允許出廠。

(5)盡快培養(yǎng)高素質(zhì)水井鉆機(jī)專門人才，這是水井鉆機(jī)快速發(fā)展之本。這包括培養(yǎng)熟悉鉆井工藝發(fā)展的總體方案設(shè)計(jì)人才，增加液、電知識的設(shè)計(jì)人才。要給技術(shù)人才創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，鼓勵(lì)創(chuàng)新及獎勵(lì)政策。

(6)我國的水井一般正常使用5～8年后井的出水量就會下降，有時(shí)由于自然災(zāi)害或使用中不小心有異物落入井中等也會造成井的損壞。據(jù)我國水利部門統(tǒng)計(jì)，農(nóng)村灌溉井每年的更新率是井總數(shù)的10%。這些報(bào)廢井中，一般淺井修復(fù)的價(jià)值不高，但深度在數(shù)百米以上的鐵管井損壞后修復(fù)再利用的價(jià)值比較高。為此，遇到水井損壞時(shí)一定要有修井的意識。

6 結(jié)語

我國水井鉆機(jī)經(jīng)過數(shù)年的設(shè)計(jì)實(shí)踐，完全有能力研制出具有國內(nèi)特色、優(yōu)質(zhì)、高效的轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)和全液壓動力頭鉆機(jī)，除了需要認(rèn)真總結(jié)以往研制鉆機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)具體情況進(jìn)行創(chuàng)新外，還要吸取國外鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，保證設(shè)計(jì)鉆機(jī)技術(shù)方案的先進(jìn)性與合理性，在達(dá)到性能先進(jìn)的條件下追求實(shí)用、可靠、動作靈活。要追求自動化、液壓化、多功能化，盡可能選用通用件，而且要做到鉆進(jìn)工藝同設(shè)備有機(jī)的結(jié)合，以利于提高鉆機(jī)整體技術(shù)水平，進(jìn)一步擴(kuò)大水井鉆機(jī)的應(yīng)用范圍，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服好務(wù)。

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Development and the Application of Water Well Drilling Equipment in China

XU Liu-wan1，WANG Yan-li1，ZUO Xin-ming2(1.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China;2.The Center of Land and Recourse Exploration，Hebei Bureau of Geology and Mineral Exploration，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

With the further development of economical construction in China，the research on water well drilling rig is also rapidly developing with manufacturing level improving by introducing and digesting advanced equipments and technologies from abroad.The paper discussed the water well drilling rig about the classification，application features and drilling technology，analyzed the development of water well drilling rig in China with some constructive ideas put forward.

water well drilling rig;rotary type borer;all hydraulic power head type drilling rig;multi-function drill;drilling technology

P634.3+1

A

1672－7428(2012)04－0001－07

2012－01－04

許劉萬(1954－)，男(漢族)，陜西白水人，中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所教授級高級工程師(二級)，全國水井鉆機(jī)情報(bào)網(wǎng)首席顧問，解放軍68612部隊(duì)、66259部隊(duì)水井鉆探技術(shù)顧問，深圳國炬煤層氣技術(shù)公司鉆探顧問，河北省科技廳評審專家?guī)鞂＜遥袊刭|(zhì)科學(xué)院創(chuàng)新基地首批成員，探礦工程專業(yè)，從事水文水井、工程鉆探設(shè)備、各類鉆具及鉆探工藝的研究與推廣工作，河北省廊坊市金光道77號，xuliuwan@126.com。