HD－500型海洋钻机的研制

欧阳志强

（衡阳中地装备探矿工程机械有限公司，湖南 衡 阳421002）

HD－500型海洋钻机是衡阳中地装备探矿工程机械有限公司与中交四航院有限公司联合研发的船用液压动力头钻机。该钻机在港珠澳大桥岛隧工程补充地质勘察（海域水深15～25m）中取得了良好的效果，现将情况介绍如下。

1 钻机工作原理

HD－500型海洋动力头钻机是专业针对海洋、江河等非陆地地带进行工程地质勘察施工而设计研发的一种新型全液压钻机。钻机动力由柴油机提供，采用全液压传动；一个柱塞油泵供油实现马达及动力头输出轴旋转，输出转速和扭矩；两个小齿轮油泵供油实现液压绞车、泥浆泵及其他辅助液压部件的工作；钻机的各种操作全部采用手动多路换向阀进行集中控制。根据钻进实际情况，通过各种调节阀可对钻机进行速度快慢、大小等状态的调节。钻机通过动力头的回转、提升以及其他执行部件的辅助工作，运用不同的钻进工艺，实现取样和触探，完成钻探任务。钻机液压系统工作原理如图1所示。

2 钻机主要技术参数和结构设计

HD－500型海洋动力头钻机适用于金刚石绳索取心、冲击回转、反循环连续取心（样）等多种高效钻探工艺方法，也可用于工程地质钻进。整个钻机由动力站、液压操控系统、动力头、钻塔、卷扬机、泥浆循环系统等部分组成。

2．1 主要技术参数

2．1．1 基本参数

钻孔深度（水深100m 时）500、400、300m

钻孔直径91、110、127mm

2．1．2 动力站参数

动力：康明斯4BTAA3．9－C125涡轮增压柴油机

功率：92 k W

2．1．3 动力头参数

输出转速（正反）

1挡：110～188r／min；2挡：206～350r／min；

3挡：387～658r／min；4挡：705～1200r／min

额定输出扭矩

1挡：5800～3394N·m；2挡：3097～1822N·m；

3挡：1648～969N·m；4挡：905～532N·m

2．1．4 液压系统参数

主泵：160L／min，25MPa

副泵：64L／min，16MPa

辅助泵：40L／min，12MPa

液压油冷却：风冷

2．1．5 钻塔和给进系统参数

给进行程：6500mm

给进进度：快速和慢速，带变速控制

推进力：动力头自重

提拔力：100k N

图1 液压系统工作原理图

钻探角度：90°

钻杆提拔长度：6000mm

钻塔垂直高度：9m

额定负载能力：400k N

2．1．6 卷扬机参数

（1）8吨绞车

提升能力（单绳第一层）：80k N

单绳提升最大速度：42m／min

钢缆尺寸：Φ20mm×40m

（2）5吨绞车

提升能力（单绳第一层）：50k N

单绳提升最大速度：40m／min

钢缆尺寸：Φ18mm×50m

（3）2吨绞车

提升能力（单绳第一层）：20k N

单绳提升最大速度：35m／min

钢缆尺寸：Φ14mm×150m

2．1．7 泥浆泵型号：BW－250或BW450／5

2．2 钻机结构设计

2．2．1 动力站

图2 动力站外形图

动力站（图2）是钻机的动力源，主要由动力机、液压油泵、油箱、水箱、冷却器、防护罩及底座等部件组成。动力机为康明斯4BTAA3．9－C125型柴油机，发动机驱动液压柱塞油泵转动，将化学能转化为液压能，再通过操纵台上的多路换向阀，将压力油分配到液压执行机构，实现钻机的各种功能。动力机配置了全包散热器，其前部安装有液压油冷却器，油泵吸油口设置过滤器，工作液压油流回油箱前通过滤油器和冷却器过滤和冷却。动力站底部有接油盘，以避免油污对施工船体的污染。整个动力站设计有可拆卸式防护罩，用于隔音和保护柴油机。动力站的总体布置以船形滑橇为基础，设计为高度较低的长方体，便于运输、安装和移动。

2．2．2 液压操控系统

液压操控系统（图3）是钻机的控制装置，主要由液压油泵、液压马达、多路换向阀、调速阀、压力表、胶管和台架等部件组成。液压油路由一个主液压油路回路和两个辅助液压油路回路组成。通过操纵多路换向阀相应的手柄可控制钻机动力头的正反向旋转和卷扬机等辅助液压执行部件的动作。通过各调速阀可控制钻机钻进速度，操纵台上的各压力表和显示仪可对柴油机、液压油泵泵压、泥浆泵压力、钻机钻进孔底压力、动力头转速、液压油油温等进行监控。操纵台下部也设计有接油盘，以防液压油意外泄露对船体的污染。

图3 操纵台外形图

2．2．3 动力头

动力头（图4）是给钻具提供扭矩、转速的部件，其主要作用是将液压能转化为机械能，输出旋转运动，实现钻具的旋转。主要由液压马达、变速箱、传动箱、水龙头、配重块、润滑系统和安装支架等部分组成。钻机的给进主要是靠动力头自重来实现的。动力头设置四档输出速度，以适应以金刚石钻进为主体的多种钻探工艺对转速的要求，同时有利于处理孔内事故，性能稳定可靠，维护方便。

2．2．4 钻塔

钻塔（图5）是钻机的主要起升设备，其主要作用是安放天车、吊钩起升设备，并用来下钻具、下套管和快速倒杆等。钻塔主要由底架、下塔、中塔、上塔、天车、拉索和拉索油缸等组成。钻塔的结构设计为悬吊式，钻探时无需将钻塔移离孔口，在保证需求强度的同时更加稳定、安全。

2．2．5 卷扬机

卷扬机（图6～9）是钻机的起重机械，其主要是用于控制动力头自重给进的快慢速和起下钻具、套管。该卷扬机系统由4台能力不同的液压绞车组成，其中8吨绞车主要通过减速机构带动卷筒拉紧和松开钢丝绳来实现下套管和拔套管以及处理井底事故等；5吨绞车主要用于悬持动力头，控制动力头自重给进的快慢速和提升钻具等；2吨绞车主要用于打捞岩心管，进行绳索取心；冲击绞车主要用于冲击钻进和反冲击拨管，4台绞车全部由液压马达启动。

图4 动力头

图5 钻塔

图6 8吨绞车

图7 5吨绞车

图8 2吨绞车

图9 冲击绞车

2．2．6 泥浆循环系统

为了随时清洗孔底已破碎的岩石，确保连续钻进，钻机配有泥浆循环系统。该系统包括泥浆池、泥浆泵（图10）、泥浆管线以及泥浆调节和配置设备等。

3 关键问题的解决

该项目研究设备首批要求用于港珠澳大桥工程的海洋工程勘探，国内没有成型的设备，国外进口设备价格高，时间长。项目的研发主要有以下几个创新点：

（1）液压补给钻进

液压补给钻进是首次用到勘探钻机上，这种给进技术的应用很大程度上提高了勘探施工的质量，能够连续取出原状土样，为工程设计提供了最为可靠的数据样本。它是通过气囊压力油来压缩气体实现能量的储存与释放，以此来抵消船体由于海浪而升高和沉降（图11）。这种技术的应用解决了以前（图12）因加重块给船体变化钻进而带来的难题。

图11

图12

（2）轴承式减磨拨叉机构

由于变档齿轮的支承是靠拨叉，重力始终作用在摩擦副上，以前的为滑块式拨叉机构（图13），为滑动摩擦，改进后的为减磨式拨叉机构（图14）。它的应用使回转机构由原来的滑动摩擦变为滚动摩擦，这种摩擦形式的改变在立式回转中大大降低了设备高速运转下的发热现象，提高了设备的可靠性。

图13 滑块式拨叉机构

图14 轴承式减磨拨叉机构

（3）数字化、人性化的控制系统

该项目设备采用液压驱动、电液控制，并带自动检测和报警等机电一体化功能。施工工人可以通过数字化显示仪器，直观、方便的随时掌握施工工况，即海底钻探中孔内情况。降低了钻探孔内事故的发生率，可提前采取预防措施，提高钻进效率。

图15 控制系统

（4）模块化结构设计

模块化结构设计主要是将设备的各功能性部件以模块的形式进行整合。这种设计给施工提供了极大的方便，搬迁运输方便灵活，同时模块化功能齐全，能满足各种复杂地层的施工工艺要求，安全性强，不破坏船体。布置图如图16所示。

图16

4 作业环境

4．1 场地环境

本次勘察地点位于珠江口零丁洋海域，距离珠海市香州港约11海里，距离香港大屿山约3海里。勘察水域水深约在8～20m之间。该水域受珠江河水水流和潮汐水流综合影响，在大潮期间退潮时水流很急，流速可达5节左右，部分区域有不规则潮流，海况主要受季节风影响，冬季主要受东北季候风影响，海浪较大；春夏季主要受东南风影响，来自外海的涌浪较大，一般而言春夏季午后涌浪较大。

图17 施工现场

4．2 地层条件

该区域的覆盖层主要为海相、海陆交互沉积层，厚度较大，一般在60～70m左右，上部为淤泥～淤泥质土，厚度在8～25m不等，中部为粘土夹砂，层厚约在10～25m之间，下部主要为粗砂层，最厚达约40m，基岩主要为混合花岗岩。

图18 岩心

5 HD－500型钻机主要优点

HD－500型钻机主要的优点是具有波浪补偿功能、全液压驱动、控制台操作简单、动力头自由活动空间大等。

5．1 波浪补偿功能

HD－500型钻机设计了钻具行程波浪补偿器，分为重力式与液压补偿平衡式两种，这也是HD－500型钻机的核心技术所在。在进行钻探过程中，当因海浪上下波动而造成钻探船上下浮动时，通过波浪补偿器的使用，避免了钻具随钻探船浮动而上下波动，从而避免了钻机对地层的扰动，提高了勘察质量，这是传统的钻机所不具备的功能。

5．2 全液压驱动

HD－500型钻机的动力头、卷扬、水泵均为液压驱动，相对传统的钻机而言，驱动部分体积小而有力；动力头的4个不同档速，使钻杆的驱动扭矩与转速可在很大的范围内实行无级调速，以满足钻进过程中对扭矩与钻速的不同需求，同时，由于采用了全液压传动与驱动，可以实行集中控制。

5．3 控制平台操作简单

HD－500型钻机控制平台集成程度较高，动力头、8吨卷扬、5吨卷扬、2吨卷扬和泥浆泵的操纵均集中在一个控制平台上，且控制平台上的操纵阀操作简单，减少了钻机操作人员的劳动强度，提高了舒适度。

5．4 动力头活动空间大

HD－500型钻机采用了动力（水龙）头，它固定在一矩形钢制框架内，通过框架两侧耳孔与紧崩在井架顶部与底部的钢丝绳相贯通，钢丝绳作为动力头上下的导轨，钢丝绳上端与伸缩液缸相固定，以便放松与紧崩钢丝绳，且当钢丝绳放松时，动力头可方便地置于侧边，同时动力头可在5吨卷扬的控制下自由的上下升降，这样大大方便了井口的作业。同时，由于动力头可以自由的上下升降，钻探平台上余留的套管高度可较自由的控制，不像传统钻机那样机头是固定高度的，钻探平台上余留的套管高度很受节制，并且在潮汐涨退的影响下要频繁的更换短套管。

6 HD－500型钻机的改进

HD－500钻机在港珠澳大桥岛隧工程中的使用，得到了国内外的专家高度评价，但有几方面还应进一步改进，以满足本钻机的发展需要。

6．1 改进波浪补偿器

不管是重力式还是液压式，均存在难调平衡的问题，如果能增加一个称重装置，根据称出钻具的重量来调配相应的配重砝码或油压压力，或许能解决调平衡难的问题。另外，对于重力式波浪补偿器，应增加一些重量较轻的砝码，同时把配置器的固定连接栓调整至平台之上；对于液压式波浪补偿器，应调整压力表读数或注明压力与钻具重量的相应关系。

6．2 改善液压油管

尽量的多采用塑料高压油管，最好全部采用塑料高压油管，如此能降低钻机安装的难度，且塑料高压油管不存在锈蚀的问题，如出现爆裂也容易更换。

6．3 改善液压油管连接方式

尽可能的采用并联联接，当其中某个组成部件的液压油管损坏时，可以关闭该部件的油管阀门，钻机可以继续工作，这在紧急情况下尤为必要。

6．4 改善液压卷扬的反应速度

如果可能，可考虑改善2吨卷扬和8吨卷扬的反应速度，以便能使用2吨卷扬进行标贯试验，必要时使用8吨卷扬打反锤。

6．5 改善操作台的密封性

操作台内有较多电子元件，而野外作业条件差，经常受降雨等因素影响，如操作台密封性不好，其内的电子元件很容易进水损坏。