近年來(lái),隨著國(guó)家找水力度和煤層氣開(kāi)發(fā)力度的不斷加大,水文水井鉆探、煤層氣鉆探需求大量增加,對(duì)水文水井施工、煤層氣井施工提出優(yōu)質(zhì)、高效、快速的要求。全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、施工效率高等特點(diǎn),最近幾年已被不少單位引進(jìn)使用。

 

  1國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

 

  國(guó)外早在20世紀(jì)30年代就開(kāi)始全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)的開(kāi)發(fā)研制,經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展,技術(shù)水平已經(jīng)十分完善。目前在我國(guó)有影響的國(guó)外車(chē)裝水井鉆機(jī)供應(yīng)商主要有:美國(guó)的INGERSOLL-RAND(英格索蘭)公司、SCHRAMM(雪姆)公司(圖1)和瑞典ATLASCOPCO(阿特拉斯科普柯)公司,德國(guó)的BAUER(寶峨)公司,意大利的W.E.I公司,他們生產(chǎn)的車(chē)裝水井鉆機(jī)基本上都是采用全液壓動(dòng)力頭形式,鉆進(jìn)深度從400~3000m不等,在鉆進(jìn)深度、設(shè)計(jì)先進(jìn)性上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)。

 

  而國(guó)內(nèi)對(duì)全液壓水井鉆機(jī)的研制相對(duì)較晚,1986年由地質(zhì)礦產(chǎn)部勘探技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱勘探所)和上海探礦機(jī)械廠研制成功的SDY-600型全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī),采用液壓頂驅(qū),可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。1993年,勘探所和天津探礦機(jī)械廠又研制成功了SJDC-300型多功能機(jī)械動(dòng)力頭式鉆機(jī)。采用 油缸-鋼絲繩倍速機(jī)構(gòu),給進(jìn)行程長(zhǎng)。動(dòng)力頭通孔較大,可以按轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī)方式升降鉆具與井管。20世紀(jì)90年代,勘探所和張家口探礦機(jī)械廠還研制成功了FD-300型全液壓動(dòng)力頭車(chē)裝水井鉆機(jī)。華北油田1992年也曾仿制成德國(guó)B3A型全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝水井鉆機(jī)。但由于我國(guó)的液壓元件質(zhì)量不高(尤其是液壓油泵和馬達(dá)質(zhì)量不過(guò)關(guān))、品種規(guī)格不全等情況,全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝水井鉆機(jī)未能全面推廣使用,妨礙了我國(guó)全液壓水井鉆機(jī)的發(fā)展。我國(guó)目前水文水井鉆探仍然以轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī)為主[1] 。

 

  2全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

 

  2.1優(yōu)點(diǎn) 與轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī)相比,全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)具有無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

 

  (1)液壓傳動(dòng)的動(dòng)力頭可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,可滿足不同的鉆進(jìn)工藝要求;

 

  (2)不需要使用方鉆桿,在升降鉆具時(shí)可以節(jié)省大量輔助時(shí)間,從而提高純鉆時(shí)間;

 

  (3)通過(guò)液壓控制,可實(shí)現(xiàn)鉆具的液壓給進(jìn)加壓及減壓鉆進(jìn);

 

  (4)可以邊回轉(zhuǎn)邊起下鉆具,方便處理孔內(nèi)塌方,減少孔內(nèi)事故;

 

  (5)動(dòng)力頭鉆機(jī)都是長(zhǎng)行程給進(jìn)方式,滿足了多工藝鉆進(jìn)機(jī)械轉(zhuǎn)速高的要求;

 

  (6)機(jī)械化程度比較高,降低勞動(dòng)強(qiáng)度;

 

  (7)部件間連接只是用管路連接,所以液壓傳動(dòng)的鉆機(jī)便于改裝,可以按使用要求方便地增設(shè)不同機(jī)構(gòu);

 

  (8)由于回轉(zhuǎn)給進(jìn)及鉆具起下可同時(shí)操作,且配置了液壓動(dòng)力系統(tǒng),因此鉆機(jī)可在需要時(shí)快速變換不同的鉆進(jìn)工藝;

 

  (9)由于鉆具配置了動(dòng)力頭給進(jìn)功能,可實(shí)現(xiàn)下述作業(yè): 

 

  深孔鉆進(jìn)時(shí),可采用鉆具陀螺式重力張力結(jié)構(gòu)減壓鉆進(jìn),以提高鉆孔的垂直精度;

 

  利用鉆桿的正壓給進(jìn)與壓漿塞,可在套管內(nèi)向孔壁進(jìn)行水泥砂漿壓注,使水泥砂漿壓向孔壁四邊,產(chǎn)生壓滲填充孔壁間的空隙,滿足密封要求,不需使用水泥砂漿壓漿泵;

 

  在下置套管有困難時(shí),可利用動(dòng)力頭的給進(jìn)力把套管壓入孔內(nèi),如壓入仍有困難時(shí),在動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)軸端,可接上氣動(dòng)潛孔錘,經(jīng)過(guò)木板塊墊壓,利用潛孔錘的氣動(dòng)沖擊能量對(duì)套管沖擊敲打,壓入孔內(nèi),以完成套管的下放工序。

 

  2.2缺點(diǎn)全液壓水井鉆機(jī)與機(jī)械轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī)相比也有以下不足的地方。

 

  (1)成本相對(duì)較高:由于全液壓鉆機(jī)多采用車(chē)載形式,鉆機(jī)須實(shí)現(xiàn)不同鉆進(jìn)工藝的需求,操作須方便快捷,所以使得設(shè)備復(fù)雜龐大,而且由于全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng),鉆機(jī)的液壓元件繁多且對(duì)液壓元件的質(zhì)量要求很高,這就使得鉆機(jī)的成本較普通的轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī)高很多;

 

  (2)維修困難:轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī)通常以機(jī)械傳動(dòng)為主,一般不容易發(fā)生機(jī)械方面的故障,即使發(fā)生故障也很容易檢修,而對(duì)于全液壓鉆機(jī),液壓系統(tǒng)往往有幾百根液壓管線和幾十個(gè)工作閥組構(gòu)成,在鉆機(jī)使用中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一系列由于液壓系統(tǒng)發(fā)生故障而導(dǎo)致鉆機(jī)不能正常工作的問(wèn)題,則需要在幾百根液壓管線和幾十個(gè)工作閥組中尋找問(wèn)題根源,設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題確診困難,維修困難;

 

  (3)起下鉆效率較低:車(chē)裝水井鉆機(jī)桅桿高度有限,起下鉆立根較短,起下鉆次數(shù)變多,與散裝鉆機(jī)鉆塔相比較起下鉆效率較低,隨著孔深的不斷增加,立根長(zhǎng)度對(duì)施工時(shí)間的影響逐漸明顯。

 

  3全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)的市場(chǎng)前景

 

  全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)常規(guī)用途是鉆鑿水井,但隨著煤層氣勘探開(kāi)發(fā)逐漸升溫,水井鉆機(jī)用途又?jǐn)U大到鉆鑿煤層氣井、瓦斯排放井、救援井、地?zé)峋?/a>等特殊用途井。

  中國(guó)是水資源嚴(yán)重匱乏的國(guó)家之一,根據(jù)世界各國(guó)平均人口占用水資源量(包括地表水及淺層地下水),中國(guó)約為世界人均水資源量的1/4,被聯(lián)合國(guó)列為13個(gè)貧水國(guó)家之一,缺水已經(jīng)嚴(yán)重影響了我國(guó)的人民生活和國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。解決缺水問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。解決缺水問(wèn)題的重要手段之一就是開(kāi)采地下水,因?yàn)?a href="http://kaichele.cn/t/地下水.html" >地下水容積約為地表水容積的75倍,相當(dāng)于湖泊水庫(kù)淡水容積的112倍,水源充足可靠,而且不容易受到污染。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)水資源的需求越來(lái)越大,大規(guī)模的水井鉆探將成為必然[2] 。

 

  3.2煤層氣開(kāi)發(fā)利用

 

  煤層氣的成分與天然氣差不多,主要成分是甲烷。過(guò)去,煤層氣被認(rèn)為是有害氣體,因?yàn)樗且鹈?a href="http://kaichele.cn/t/礦井.html" >礦井下事故的主要原因之一。但如果開(kāi)發(fā)得當(dāng),煤層氣又可作為能源加以利用。近年來(lái),煤層氣作為一種新型的清潔能源受到越來(lái)越多的關(guān)注。合理利用煤層氣,不但可以有效解決煤礦安全問(wèn)題,抑制煤層氣的隨意排放,改善大氣環(huán)境,還能有效緩解當(dāng)前能源短缺的這一重大難題。

 

  根據(jù)中國(guó)煤田地質(zhì)總局第三次煤田預(yù)測(cè)結(jié)果,我國(guó)埋深在2000m以淺范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)煤炭資源量約為5571012 ,t2000~4000m范圍的煤炭資源量 約為81012 ,t我國(guó)的煤炭資源非常豐富。據(jù)國(guó)土資源部新一輪油氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,我國(guó)五大聚氣區(qū)帶、38個(gè)含煤盆地和68個(gè)聚煤?jiǎn)卧?000m以淺的煤層氣資源量約為3451012 m3 ,這部分資源在未來(lái)20年內(nèi)可通過(guò)現(xiàn)有的勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)加以利用 [3] 。隨著石油天然氣和煤炭等能源的供應(yīng)日漸 緊張,煤層氣大規(guī)?？碧?a href="http://kaichele.cn/t/開(kāi)采.html" >開(kāi)采勢(shì)在必行。

 

  3.3其他需求

 

  另外隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全的高度重視,煤礦瓦斯排放井、搶險(xiǎn)救援井、地?zé)峋?/a>等,對(duì)全液壓水井鉆機(jī)的需求會(huì)越來(lái)越大。 目前國(guó)內(nèi)使用的全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)基本上都是國(guó)外引進(jìn)的。中國(guó)煤炭地質(zhì)總局大地公司引進(jìn)了美國(guó)雪姆7685WS型鉆機(jī),山東煤田二隊(duì)引進(jìn)了雪姆T130XD型鉆機(jī),山東煤田一隊(duì)引進(jìn)了阿特拉斯柯普科集團(tuán)的RD20型鉆機(jī),河南煤田豫中勘察工程公司引進(jìn)了寶峨RB50型全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝水文水井鉆機(jī)等。這都說(shuō)明全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)潛力很大。

 

  4全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)國(guó)產(chǎn)化所具備的技術(shù)條件

 

  液壓技術(shù)是研究以液體為傳動(dòng)介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械的傳動(dòng)與控制的技術(shù),是現(xiàn)代機(jī)械工程的基礎(chǔ)技術(shù),由于其在功率質(zhì)量比、無(wú)級(jí)調(diào)速、自動(dòng)控制、過(guò)載保護(hù)等方面的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì),使其成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中各行業(yè)、各類(lèi)機(jī)械裝備實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)與控制的重要技術(shù)手段。正確合理的設(shè)計(jì)和使用液壓系統(tǒng),對(duì)提高液壓機(jī)械設(shè)備及裝備的工作品質(zhì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能具有重要意義。

 

  隨著我國(guó)工程機(jī)械的大力發(fā)展,國(guó)產(chǎn)液壓元件也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。自從我國(guó)實(shí)施改革開(kāi)放政策以來(lái),我國(guó)液壓件行業(yè)先后引進(jìn)了40多項(xiàng)國(guó)外先進(jìn)技術(shù),累計(jì)投入16億元用于技術(shù)改造,使我國(guó)液壓件、特別是工程機(jī)械液壓件技術(shù)質(zhì)量水平及可靠性有了很大提高。目前成熟工程機(jī)械所需的大部分液壓件國(guó)內(nèi)液壓件制造企業(yè)基本上都能滿足。只有個(gè)別高新產(chǎn)品由于其所需主要液壓技術(shù)、質(zhì)量水平要求較 高,國(guó)內(nèi)技術(shù)水平還未達(dá)到要求,進(jìn)口量較大,估計(jì)達(dá)80%以上(包括合資、獨(dú)資液壓件在內(nèi))。其它的基本上國(guó)產(chǎn)液壓元件能滿足,估計(jì)國(guó)產(chǎn)滿足率達(dá)80%以上。目前國(guó)內(nèi)有影響的液壓件生產(chǎn)廠家 有榆次液壓有限公司、浙江臨海海宏集團(tuán)有限公司、合肥長(zhǎng)源液壓件股份有限公司、山西長(zhǎng)治液壓有限公司、天津特精液壓股份有限公司等。這些廠家在吸收消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,生產(chǎn)出了具有國(guó)際先進(jìn)水平的泵、閥組等,可以滿足全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)的大部分配套要求。

 

  在機(jī)械制造方面,十幾年來(lái),隨著我國(guó)大力發(fā)展國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè),我國(guó)機(jī)械制造水平有較大程度的提高。除十分精密的零件(如液壓閥閥芯等)國(guó)內(nèi)制造困難外,其他基礎(chǔ)零件的加工均能在國(guó)內(nèi)完成。

 

  水井施工要求效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng),幾乎所有的全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)均安裝在汽車(chē)底盤(pán)上,所以汽車(chē)底盤(pán)是全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)中一個(gè)十分重要的部件。我國(guó)專(zhuān)用汽車(chē)作為汽車(chē)行業(yè)的重要組成部分,隨著汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展,也獲得了快速發(fā)展。國(guó)產(chǎn)專(zhuān)用汽車(chē)的品種日趨豐富、合理,產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)水平不斷提高。2006年我國(guó)專(zhuān)用汽車(chē)生產(chǎn)廠家已經(jīng)達(dá)到800家,專(zhuān)用汽車(chē)產(chǎn)量在2007年也達(dá)到了70萬(wàn)輛。隨著這些年我國(guó)專(zhuān)用汽車(chē)的快速發(fā)展, 我國(guó)專(zhuān)用汽車(chē)在技術(shù)上和品種上與發(fā)達(dá)國(guó)家與地區(qū) 相比已基本接近。在原有汽車(chē)底盤(pán)的基礎(chǔ)上,專(zhuān)用汽車(chē)廠家完全可以研制生產(chǎn)出滿足全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)所需求的專(zhuān)用汽車(chē)底盤(pán)。 總之研制全液壓動(dòng)力頭車(chē)載水井鉆機(jī)的工業(yè)基礎(chǔ)已基本具備,國(guó)產(chǎn)化條件已基本成熟。

 

  5存在的問(wèn)題

 

  中國(guó)目前主要工程機(jī)械液壓元件制造企業(yè)基本上能制造一般水平的缸、泵、閥,對(duì)高附加值、高技術(shù)含量的變量液壓系統(tǒng)所需的變量泵、變量馬達(dá)等變量液壓元件及機(jī)電一體化高水平、高技術(shù)含量的液壓元件基本上還是空白。同時(shí),國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的泵、缸、閥、液壓接頭等液壓元件在可靠性方面與國(guó)外相比仍有一定差距。液壓元件漏油、損壞情況十分普遍。液壓閥還經(jīng)常出現(xiàn)卡閥、內(nèi)泄漏等故障。而且使用國(guó)外進(jìn)口液壓元件除價(jià)格昂貴外,供貨周期也長(zhǎng),嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。 我國(guó)在精密產(chǎn)品的加工制造方面,與國(guó)外的差距較大。主要表現(xiàn)在產(chǎn)品水平低、質(zhì)量不穩(wěn)定。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用高緊密加工、精細(xì)加工、微細(xì)加 14探礦工程(巖土鉆掘工程)、微型機(jī)械和微米/納米技術(shù)、激光加工技術(shù)、電磁加工技術(shù)、超塑加工技術(shù)以及復(fù)合加工技術(shù)等新型加工技術(shù)。這些技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用還較少。同時(shí),我國(guó)大部分生產(chǎn)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)重視不夠,這同樣使得我國(guó)機(jī)械制造產(chǎn)品質(zhì)量不高。例如伊頓公司開(kāi)始與濟(jì)寧液壓件廠合資時(shí),其它都未作大動(dòng),就添了幾十萬(wàn)美元的檢測(cè)設(shè)備,生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品就基本上達(dá)到了伊頓的質(zhì)量水平。 目前國(guó)內(nèi)雖然生產(chǎn)專(zhuān)用汽車(chē)的廠家很多,但專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)專(zhuān)用汽車(chē)底盤(pán)的廠家卻沒(méi)有一家。國(guó)內(nèi)800多家專(zhuān)用車(chē)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的各類(lèi)專(zhuān)用汽車(chē)中,大多數(shù)是在普通載貨車(chē)底盤(pán)的基礎(chǔ)上改裝而成,而在這些企業(yè)中又大多數(shù)為外購(gòu)底盤(pán)進(jìn)行改裝生產(chǎn)的中小企業(yè),機(jī)械化程度低,產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊,與發(fā)達(dá)國(guó)家有很大差距。全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)的底盤(pán)也只能在普通載貨車(chē)底盤(pán)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝,這一現(xiàn)狀也制約了我國(guó)全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)的發(fā)展。

 

  6建議

 

  (1)液壓技術(shù)方面,在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,不斷提高國(guó)產(chǎn)液壓技術(shù)的水平。減少能耗、提高各種液壓元件的效率;采用電子技術(shù)直接控制,實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化。同時(shí)要盡可能提高液壓元件的性能及可靠性,注重系統(tǒng)的污染控制問(wèn)題,防止因系統(tǒng)內(nèi)部污染而影響液壓元件和系統(tǒng)的使用壽命。注重提高元件的工作穩(wěn)定性、效率和壽命。

 

  (2)機(jī)械制造方面,學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的柔性制造技術(shù)、并行工程技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、敏捷制造技術(shù)、綠色制造技術(shù)等,配合現(xiàn)代理論與方法,大力提高我國(guó)機(jī)加工水平。同時(shí)加大我國(guó)新材料的研制力度,大力發(fā)展新型熱處理技術(shù)。最后還需提高我國(guó)的檢測(cè)技術(shù),以免因?yàn)闄z測(cè)不當(dāng)而造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

 

  (3)底盤(pán)設(shè)計(jì)加工方面,底盤(pán)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)改裝環(huán)節(jié)的重視應(yīng)該貫穿底盤(pán)從市場(chǎng)調(diào)研、研發(fā)到生產(chǎn)、銷(xiāo)售的全過(guò)程,底盤(pán)的研發(fā)人員要熟悉專(zhuān)用汽車(chē)的 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī),與專(zhuān)用汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)合作,進(jìn)行有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)。這樣才能開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)不用改的令人滿意的產(chǎn)品。 如果能解決上述問(wèn)題,國(guó)產(chǎn)全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)在質(zhì)量方面、鉆機(jī)美觀方面等將會(huì)有很大的提高,特別在價(jià)格上也會(huì)大幅下降。這將十分有利于國(guó)產(chǎn)全液壓水井鉆機(jī)國(guó)際市場(chǎng)的開(kāi)拓。

 

  7結(jié)語(yǔ)

 

  隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水井、煤層氣勘探井、救援井、特殊井的施工需求將不斷加大,國(guó)內(nèi)對(duì)先進(jìn)的全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)的需求巨大。為了在全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地,我們必須加強(qiáng)全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)研發(fā)技術(shù)人才的培養(yǎng),加強(qiáng)科研開(kāi)發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新,加快全液壓水井鉆機(jī)的研發(fā)的進(jìn)程,盡快將全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)國(guó)產(chǎn)化。

 

  目前,隨著我國(guó)現(xiàn)代化程度的不斷提高,在機(jī)械、電子、控制技術(shù)和施工技術(shù)等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,這些相關(guān)技術(shù)基本能夠滿足現(xiàn)代全液壓水井鉆機(jī)發(fā)展的需要。有國(guó)內(nèi)良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境,有巨大的市場(chǎng)需求,又有相關(guān)技術(shù)的支持,我國(guó)快速發(fā)展全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)的時(shí)機(jī)已到。加大全液壓動(dòng)力頭水井鉆機(jī)研發(fā)的資金投入、人員投入,在較短的時(shí)間內(nèi)趕超國(guó)際先進(jìn)水平是完全有可能的。