我国气动潜孔锤钻进式水井钻机生产概况

范丙跃，丁涛，杜标，徐赛华，张国纲，王国文，田巍

(1.张家口市宣化金科钻孔机械有限公司，河北 张家口075100；2.天水凿岩机械气动工具研究所，甘肃 天水741020；3.浙江开山重工股份有限公司，浙江 忂州324022；4.金川集团有限公司物流公司，甘肃 金昌737100)

气动潜孔锤钻进式水井钻机是近年来发展很快的一种潜孔钻机产品。该种产品不仅能用于开凿水井，还可用于钻凿监测井、地热空调孔、水电围堰注浆孔、堤坝防渗注浆孔、基础加固注浆孔、锚固工程等各种大孔径或深岩孔。

水井钻机主要用于钻凿水井并完成下井管、洗井等作业，主要分为回转式、冲击式和复合式等类型。潜孔锤钻进式水井钻机属于复合式水井钻机，该种类型的钻机以气动潜孔冲击器为核心钻进部件。随着气动潜孔冲击器产品在我国的大量生产，以及国内企业气动潜孔冲击器生产技术的进步，其产品质量、使用寿命、价格、服务都逐步形成优势，配备气动潜孔冲击器的潜孔锤式钻机在市场竞争中异军突起。潜孔锤钻进式水井钻机以其在岩石地质条件下钻进速度快（在岩石钻井时可达传统回转式钻井设备效率的十倍以上），且产品具有结构简单、使用方便、辅助工件便宜等优点，近年来在水井钻凿，尤其是岩石地层条件下的水井钻凿时得到了普遍的使用。

1 我国水井钻机的技术发展概况

早在公元前2世纪，勤劳智慧的古代中国人就发明了使用人力并借助竹弓弹力使锥形钻头冲击地层而钻进的冲击式钻井技术。公元11世纪的北宋年间又发明了利用钻头自由下落的冲击破碎岩石的顿钻法。使用这种古老的顿钻钻井技术，四川盐业工匠曾凿成了世界上第一口超过千米的深井[1]。

我国在上世纪五十年代之前，还在沿用这种古老的技术进行钻井。后来引进国外钢丝绳冲击式钻机，并在冲击式钻井设备基础上，又逐步研制出回转式钻机和复合式钻机。目前水井钻机基本上使用这三种类型的设备。

冲击式钻机是依靠钻具下落产生的冲击力破碎井底岩层或土层、砂层，工效很低，钻井深度一般在250 米以内。其中冲抓锥式冲击式钻机钻井深度通常为40～50 米，最深100～150 米。钢丝绳冲击式钻机钻井直径为150-400 mm，钻孔深度可达300 m。

回转式钻机是依靠钻具的回转运动破碎岩层进行钻井作业。主要有大小锅锥钻机，正循环或反循环压气洗井转盘式钻机、液压动力头式钻机等类型。锅锥钻机工效较低，主要用于土层、砂层或小直径卵石（卵石直径不大于10 cm）等松散地层地质条件下的水井施工，钻井直径为550-1100 mm，钻孔深度在100 m 以内。正循环或反循环压气洗井转盘式钻机一般适用于土层、砂层和小直径卵石（卵石直径不超过钻杆内径尺寸）等松散地层，钻井深度一般在150 米以内。液压动力头钻机是一种比较先进的水井钻机，不仅克服了上述回转式钻机只能对付松散地层的缺点，更具有自动控制、过载保护、无极调速、结构简单等优点。对我国钻机市场影响较大的国外公司有美国雪姆公司、瑞典阿特拉斯公司、德国宝峨公司、韩国大一公司等。我国在上世纪八十年代末开始研发液压动力头式的水井钻机产品，并于九十年代成功推向市场[2]。液压动力头式钻机由液压马达通过动力头和钻杆驱动钻头旋转切削井底土层或岩层，具有钻进速度快、钻具装卸和下井管较简便等优点，可在岩石单轴抗压强度小于200 MPa 的基岩中钻进直径达1 米的大口径水井，钻进深度可达150 米。

复合式水井钻机兼具冲击式钻机和回转式钻机的特点，基本上可分为两种类型：一种是在转盘回转式钻机的基础上增设冲击机构，在土层、砂层等松软地质条件下使用回转钻进的方式钻进，当遇到卵石含量较高或岩石层时，用冲击机构对其进行破碎。因为这种钻机兼具处理松软地质与较硬地质的能力，因而适用于各种地质条件下的水井钻进。另一种是将气动潜孔冲击器整合到钻机上，将矿用潜孔钻机能在岩石上快速钻凿岩孔的优点用于钻井作业（矿用的潜孔钻机属于潜孔锤式凿岩设备，就是配用气动潜孔冲击器的钻机）。气动潜孔冲击器的使用历史比较悠久，在遇到硬岩地质的水井钻进时，钻进速度远超其他类型的钻机，而且钻进速度不会随着钻井深度的增加而明显减弱，钻井的直线度更容易保证。而在松软地质时，这种钻机还备有回转式钻进机构，从而用其所长替代潜孔冲击器进行钻井作业。本文介绍的就是这种气动潜孔锤钻进式的水井钻机，简称潜孔锤式水井钻机。

2 我国气动潜孔锤钻进式水井钻机主要生产企业及产品概况

潜孔锤式水井钻机因具有矿用潜孔钻机专业处理岩石钻孔的优势，特别适于在岩基地质条件下的深井作业（岩石地质下的钻井速度超出其他类型钻机的十倍），因而近十年来该类钻机得到了快速的发展。下面介绍比较典型的生产企业。

2.1 张家口市宣化金科钻孔机械有限公司

宣化金科公司座落于“中国钻机之乡”——河北省张家口市宣化区。该公司生产多种型号的潜孔钻机产品，用于大、中、小型矿山、水电、交通、国防工程等土石方挖掘爆破工程，以及港口航道等水下岩石钻孔爆破作业。金科公司主导产品履带式液压潜孔钻机市场占有率达到同类产品的60%以上，产品远销全球三十多个国家和地区。该公司研发的水井钻机在市场上享有盛誉，广泛用于开凿水井、地温空调钻孔等大孔径、深孔作业。该公司生产的水井钻机主要分为履带式多功能水井钻机和车载式水井钻机。主要用于钻凿水井、监测井、地热空调孔、水电围堰注浆孔、堤坝防渗注浆孔、基础加固注浆孔、露天采矿、锚固、国防工程等各种深孔凿岩工序，由于该公司钻机配备有大功率液压马达，重型液压钻臂，高气压潜孔冲击器，凿岩效率高于其它类型钻机。

履带式多功能水井钻机是一种以履带式车辆底盘为机动载体的新型、高效、多功能全液压冲击式水井钻机(见图1)，履带式多功能水井钻机型号及主要技术参数见表1。

车载式水井钻机是一种以轮胎式车辆底盘为机动载体的新型、高效、多功能的全液压钻机(见图2)，车载式水井钻机型号及主要参数见表2。

表1 宣化金科履带式多功能水井钻机型号及主要参数

续表1 宣化金科履带式多功能水井钻机型号及主要参数

图1 宣化金科公司生产的履带式多功能水井钻机

2.2 张家口宣化泰达机械设备有限公司

张家口宣化泰达机械设备有限公司位于宣化区庙底村和尚坟开发区。该公司始建于1995年，是一家以科技研发为中心的制造型企业。该公司先后研发了旋挖钻机动力头、水井钻机、负载敏感潜孔钻机等一批节能创新型产品。其中全液压负载敏感潜孔钻机和水井钻机已成为该公司的主打产品。

宣化泰达生产的水井钻机广泛应用于工程地质勘探、水文、水井以及其它大孔径的工程施工钻进。尤其适用于城市建筑中地源热泵空调孔的钻凿。具有结构紧凑、使用方便、辅助时间短、通用性强等优点。其产品外形见图3，具体型号及主要参数见表3。

表2 宣化金科车载式水井钻机型号及主要参数

图2 宣化金科公司生产的车载式水井钻机

2.3 张家口市宣化正远钻采机械有限公司

图3 宣化泰达公司生产的全液压水井钻机

张家口市宣化正远钻采机械有限公司是集科研开发、设计制造、工程施工于一体的综合性企业，以研发生产各类钻孔设备为主，产品广泛应用于水井、降水井、矿山大孔径爆破孔(替代牙轮钻机）、勘探取样、水电、公路、煤炭、石油、天然气、煤层气、市政、监测井、地源热泵孔、锚固、非开挖等各个领域。公司主导产品为各系列和规格的顶驱式多功能全液压潜孔水井钻机及勘探取样钻机，是国内早期研发并规模生产顶驱式全液压水井钻机的生产服务商。公司生产200 至1600 规格的系列水井钻机，其钻孔深度200-1600 米，孔径100-1000 mm。不仅在国内市场享有盛誉，还远销俄罗斯、东南亚、中亚、中东、美洲、非洲各国，具体型号及主要参数见表4。公司除生产多种规格的水井钻机产品外，还生产工程钻机、矿山潜孔钻机、贯通式空气反循环钻机、绳索取芯钻机、锚固钻机、非开挖钻机，及各类钻机的配套钻具钻杆等。

2.4 宣化宏大钻孔机械有限公司

宣化宏大钻孔机械有限公司是宣化“钻机工业园”的首批入园企业，是水井钻机和潜孔钻机的生产厂家，主要生产“宏大牌”大、中、小型井下及露天潜孔钻机、锚固钻机、露天全气动履带自行潜孔钻车、水井钻机和各种特型钻机。水井钻机可根据地质情况，采用泥浆、泡沫、空气进行回转钻进或潜孔冲击器钻进。冲击器配用DH/DHD 系列的中、高气压产品。该公司生产的水井钻机产品型号及主要参数见表5。

2.5 张家口市宣化恒通鑫钻孔机械股份有限公司

该公司主要生产水井钻机、液压锚固钻机、潜孔钻机等凿岩钻孔设备，以及潜孔冲击器、潜孔钻头、扩孔钻具及套管等钻具产品。其水井钻机主要有HTYM500、HTYM800、HTYM1000 系列产品，配用DHD112、DHD310、DHD360、DHD380型潜孔冲击器，对于岩层地质可用潜孔锤基岩钻进、潜孔锤偏心跟管钻进、潜孔锤对心跟管钻进等。其主要型号及参数见表6。

表3 宣化泰达水井钻机型号及主要参数

表4 宣化正远水井钻机型号及主要参数

续表4 宣化正远水井钻机型号及主要参数

续表4 宣化正远水井钻机型号及主要参数

续表4 宣化正远水井钻机型号及主要参数

续表4 宣化正远水井钻机型号及主要参数

续表4 宣化正远水井钻机型号及主要参数

2.6 浙江开山重工股份有限公司

浙江开山重工股份有限公司位于浙江省衢州市，是隶属于开山集团的一家分公司。该公司生产KL 系列全液压露天钻车、KJ 系列全液压掘进钻车、KM 系列全液压锚杆钻车、KS系列全液压深孔钻车、KW 系列地热水井钻车，以及露天潜孔钻车、撬毛台车等。是我国生产钻车、钻机类凿岩设备的龙头企业。

该公司生产的KW 系列地热水井多功能钻车是在传统产品潜孔钻车基础上改型研发的可高效处理岩层地质条件下钻水井的专业设备。针对钻井用途，公司凭借几十年生产凿岩钻机的经验，对液压系统、配套配置、外形外观等进行了优化设计，具有稳定性好、工作效率高等优点。其产品主要型号与技术参数见表7。

表5 宣化宏大水井钻机型号及主要参数

表6 宣化恒通鑫水井钻机型号及主要参数

3 潜孔锤式水井钻机的主要特点

3.1 产品采用全液压操控技术

液压控制技术的应用，可对钻机的回转扭矩、钻具转速、推进与反向轴压、推进速度、提升速度等参数，根据作业时的具体地质情况，或不同的施工工艺要求，很方便地进行调节控制。图4所示为宣化金科公司的操作控制系统。

随着钻井深度的加深，需要加接钻杆。随着钻杆数量的增多，钻具的重量对冲击器形成了很大的轴压。这时需要通过正反轴压阀对轴压进行调节，甚至施加反向的力来保证冲击器承受适当的轴压。有了液压控制，这些操作可以很容易地进行。

表7 开山重工地热水井多功能钻机型号及主要参数

3.2 多功能钻进

除了具有气动潜孔锤式钻进功能外，还将正循环或反循环回转式钻进、压气洗井回转式钻进、液压动力头式钻进等传统的水井钻机功能整合到一起，从而使钻机能适用复杂地质结构下的钻井。比如在泥土、砂层松软地质条件下采用回转钻进，以发挥传统结构的优势；在遇到岩石时，则采用潜孔锤钻进，从而提高钻井进度，降低钻进成本。

有的企业还将切削钻机、牙轮钻机、岩芯钻机、跟管钻机的钻进机构整合进来，进一步提高了钻机的作业效率，更好地控制了泥浆杂物的排放，从而更好地保护环境。此外，还提供发电机、泥浆泵、泡沫泵、卷扬机等选用配件，为用户提供了更加灵活多样的产品选择。

图4 宣化金科钻机上的操作控制台

3.3 产品采用模块设计

各种钻进功能的结构采用模块设计，可以灵活便捷地进行组装整合，并可以高效地安装在履带式自行底盘，或者是轮胎式自行底盘上，乃至架装在车辆上。不仅节约了生产成本，还可更加容易地按照用户的特定要求制造出产品。图5所示为宣化金科公司的液压动力头回转机构。

3.4 改进了传统的推进提升机构

推进提升机构采用液压驱动技术，特别是顶驱式回转驱动技术的应用，使得操控更加简便，钻具更换容易。许多企业推出了能实现钻机从卷扬升降状态、推进升降状态的快速切换机构，从而节省了大量的辅助作业时间，间接地提高了钻井速度和施工效率。图6所示为宣化金科公司的卷扬提升机构。

3.5 使用高液压支腿

在钻机底盘上安装高液压支腿，从而使钻机开到作业位置，驱动液压支腿将钻机顶起，钻机就立即成为钻井支架。这比以前需要将钻井设备运送到钻井作业工地，再将其组装成钻架要节省很多工时。由于支腿可以很方便地伸缩，支腿缩回后钻机可以装车远距离运输，省去吊机吊装的麻烦。图7所示为宣化金科公司的液压支腿机构。

图5 宣化金科钻机上的液压动力头回转机构

图6 宣化金科钻机上的卷扬提升机构

3.6 强劲的动力系统

图7 宣化金科钻机上的液压支腿机构

采用大功率发动机驱动大排量液压泵，为钻机提供强劲动力。这使得液压动力头、液压推进等关键作业部件性能更加强劲，作业效率更高，还采用多种措施对发动机进行保护，从而保障了钻机在恶劣作业条件下的动力性能。图8所示为宣化金科公司产品中对发动机进气采用的三级空气滤清结构，可保障发动机在恶劣的工况下安全可靠地为钻机提供动力供应。

图8 宣化金科钻机上的发动机空气滤清结构