GDL-1型多工艺环境勘察钻机的研制与应用

王春蕾，曲冰丽，高明帅，薛善忠，杨雨濛，黄东帅，张向峰，李晓丹

(1.中地装(北京)科学技术研究院有限公司，北京 100120； 2.河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院，郑州 451464)

0 引言

近年来，随着我国工业化进程的不断深化，生态文明建设战略的逐步布局，对土地污染与水污染问题的监测与治理逐渐受到重视，同时随着城镇化进程推进，对工程勘察及环境调查的钻探需求也大幅增加[1, 2]。在工程勘察、地质调查和环境取样等施工中，作业孔通常数量多且分布密集，因此缩短转场时间、适用多种施工工艺、提高施工效率、保证施工质量尤为重要[3, 4]。为保证工程勘察的质量，获取环境调查的准确结果，研发匹配其施工工艺的钻探设备变得至关重要。

中地装(北京)科学技术研究院有限公司研制的GDL-1型多工艺环境勘察钻机搭载履带底盘，转场灵活，模块化动力头设计可实现多种功能，广泛应用于直推式原状土取样、螺旋钻进成井、地下水采样及工程勘察等领域的各种需求。

1 总体方案及核心部件

1.1 总体结构

GDL-1型多功能环境勘察钻机总体结构如图1所示，整机采用液压传动与集中控制，主要由履带底盘组件、多功能动力头、给进机构、工具绞车、动力系统、泥浆循环系统、液压支腿、操作台等部件组成。钻机配备多功能装置，可满足多工艺施工需求，整机结构紧凑，运输方便，转场灵活。

图1 GDL-1型多工艺环境勘察钻机

1.2 功能参数(表1)

表1 GDL-1型多工艺环境勘察钻机主要技术参数

1.3 底盘组件

底盘组件主要由平台底架和履带行走装置组成，平台底架上部安装给进系统、循环系统、液压系统等部件，下部连接履带行走装置。钻机采用组合式履带，可选装橡胶履带板，便于在城市施工。

底盘组件的四脚设计了液压缸控制的高支腿，作业前可伸缩调节桅杆的角度；长途运输时不需要起吊，可直接采用高支腿上车，运输方便。

1.4 多功能动力头

钻机配备的多功能动力头具有冲击及回转功能，最大冲击功450 J，最高转速320 r/min，最大扭矩4000 N·m。不需要更换动力头，仅通过更换动力头下方连接组件、切换液压控制，就可实现动力头冲击与回转功能的快速转换，实现用同一动力头满足多种工艺需求。

动力头下方安装采样组件可通过高频冲击压入进行直推取样，如图2(a)；安装套管组件可通过螺旋钻进行无循环液的建井与取样，如图2(b)；安装套管及水龙头组件可通过回转+泥浆循环进行取心，如图2(c)。模块化设计实现多工艺的自由转换。

图2 多功能动力头示意图

1.5 给进及平移机构

给进机构由给进液压缸、链条、桅杆、动力头托架及鹅头等组成。两条给进液压缸和链条组成倍速机构，通过给进液压缸的伸缩带动安装在托架上的动力头沿着桅杆上下移动。

动力头托架具备自动平移功能，通过操纵平移液压缸可推动力头侧移让出中心通道，为多种提吊方式和取心作业让开作业空间，如图3所示。

图3 动力头托架示意图

1.6 泥浆循环系统

钻机配置了双泥浆循环系统，配套泥浆泵和螺杆泵两种循环泵，可适配不同的钻进工艺需求。在大口径不取心全面钻进时可选大排量的螺杆泵，在常规口径地质取心作业时可选小排量的泥浆泵。两种循环泵均由马达驱动，可进行无级调速，两者之间可通过液压控制实现模式的快速切换，满足不同工况下循环液的快速供给。

1.7 液压系统

钻机采用液压传动与集中控制，液压系统主要由液压泵、液压阀、液压马达、液压缸、减速机、散热器及管件等组成，如图4所示。主要功能有履带行走、支腿液压缸、升降液压缸快速升降、动力头回转、冲击、液压绞车、泥浆泵、加减压钻进及散热风扇等。

图4 GDL-1多工艺环境勘察钻机液压系统示意图

采用两个双联泵，泵1和泵2单独控制左、右履带行走马达，实现行走马达的单独控制。同时泵1负责回转动力头的慢速回转功能；泵2经过分流合流阀实现绞车升降、驱动泥浆泵，以及动力头的冲击功能。泵1和泵2合流后实现回转动力头的快速回转及升降液压缸快速升降。

泵3实现升降液压缸的慢速升降,即加减压钻进功能，同时用于驱动散热风扇对液压油进行散热，使液压油温度保持在合适温度范围内。

泵4实现支腿液压缸的升降及起落桅杆，实现钻机的固定。为使钻机工作时稳固，支腿液压缸设计双向液压锁锁紧回路，该回路可使液压缸在任意位置锁止。

整机液压系统设计安全阀及调整系统压力的溢流阀。为保证钻塔起落安全性，保证其在起塔或落塔过程中动作均匀无冲击，起塔液压缸安装了平衡阀。

2 多工艺取样方案

GDL-1型钻机设计了多工艺钻探平台，针对不同的施工需求，通过更换动力头下方组件，切换液压控制，实现动力头低速大扭矩和高速小扭矩之间的快速转换，实现回转与冲击的功能，满足用同一动力头进行冲击取样、回转取心、螺旋钻进成井等多种工艺需求。针对不同需求，相应配置了多工艺的钻具组合施工方案,具体配置见表2。

表2 GDL-1型钻机多工艺取样方案钻具适配表

2.1 冲击取样

GDL-1型钻机可通过更换冲击采样组件进行土壤冲击取样作业。动力头上配有冲击器，根据高频顶部冲击的原理，靠冲击、挤压、直推的方式，能够确保快速钻进，对目的层产生较小压缩，实现原状取样[5, 6]。冲击动力头具有回转功能，在取样地表坚硬无法直接取样作业时，可先进行回转破岩钻进再进行冲击取样。冲击取样动力头配置了双管直推取样钻具进行土壤取样作业，根据取样目的层条件，钻具分为不提钻和提钻两种形式。

在地层比较完整的情况下进行不提钻取样作业，配套不提钻双管取样钻具，如图5所示。

1. 外管冲锤帽；2. 减振器；3.取样管丝锥；4. 取样管接头；5. PVC取样管；6. 内钻杆短节；7. 外钻杆；8. 削靴；9. 内管帽；10. 内钻杆；11. 分离式钻头；12、13. 抛弃式削靴座

冲击头通过定位帽与外管冲锤帽连接，通过静压直推、高频冲击使钻具钻入地层，当削靴到达取样预计深度时，停止下压和锤击，取出内钻杆和取样管，完成一个取样回次，再将连接内钻杆的新的取样管重新放入孔底的外管内，进行新一回次的取样作业。

在钻遇破碎地层或涌砂涌水地层时进行提钻取样作业，配套提钻双管取样钻具，如图6所示。到达取样预计上部深度时，取出内钻杆，钻具切入土体进行取样后，提出整个钻具获得土样，如此往复进行取样作业。

1. 外管冲锤帽；2. 钻具转换接头；3. 内杆冲锤帽；4. 内钻杆；5. 内管塞；6. PVC取样管；7. 钻具；8. 岩心爪；9. 活塞式钻头；10. 削靴

2.2 螺旋建井

在布设小口径长期地下水监测井时，需要进行螺旋建井施工，GDL-1型钻机通过更换动力头套管组件，进行大扭矩低转速和无循环泥浆作业。钻机可提供4000 N·m的回转扭矩，满足外径120 mm中空螺旋钻具钻进需求，如图7所示。动力头连接回转驱动帽，驱动钻头进行回转转进，将螺旋钻具的外管钻至目的层，其螺旋钻杆内部和地下土壤隔绝，然后将内管取水管组合通过中空螺旋钻具下至孔底，再依次灌入滤料层和止水层，完成螺旋建井施工。

1. 回转驱动帽；2. 锁紧螺钉；3. 螺旋钻具；4. 钻头；5. 顶部可锁帽；6. PVC井管；7. O形密封圈；8. 预制滤砂管；9. PVC过水管；10. PVC塞堵；11. 木质/塑料堵头

2.3 回转取心

GDL-1型钻机在回转取心作业时，动力头选用套管及水龙头组件。传统的直径42 mm、50 mm地质锁接头钻杆，衔接单管或双管钻具，动力头带动钻具回转并加压，以获取土壤样品或岩心，同时进行泥浆正循环，携带岩屑、清洁孔底、冷却及润滑钻头、维持井壁稳定[7]。如图8所示,传统的单管取样钻具具有强度大、结构简单、加工方便、成本低等优点，但岩心损耗大，适用于较完整稳固、不怕冲刷的地层取心。双管取样钻具又分为单动双管和双动双管两种，有内管可保护岩心免受循环液的冲蚀，因此适用于松软、破碎、怕冲刷地层的取心钻进。

1. 锁接头；2. 钻杆；3. 锁接头；4. 保护接头；5. 岩心管接头；6. 单层岩心管；7. PDC钻头

动力头配有两个液压马达，通过切换马达的串并联控制可实现最大扭矩4000 N·m和最高转速320 r/min两种回转能力的转换，在复杂地层、砂砾层以及卵石层实现快速钻进。

3 多方式提吊作业

GDL-1型钻机配备了多种提吊方式，机械化程度高的冲击头+提引器方式、传统的绞车提立根方式及便捷的冲击头侧置卡瓦方式，可根据实际施工需要进行选配。

3.1 自动提引器方式

钻机配置了提引器，通过冲击头与提引器的组合，可简单快速地实现钻杆的提吊和拧卸等工艺流程，如图9所示。提引器卡接在冲击头的转换接头上，提引器的下部旋转体保证了扁插可以自由旋转，为下放钻杆提供了灵活的操作空间。

提吊钻杆时，将钻杆上接头置于提引器下部的扁插内，冲击头向上运动(图9a、9b)，从孔口提出钻杆直至孔口夹持器夹住下一根钻杆的上接头。通过冲击头旋转，带动提引器转动，从而对钻杆进行卸扣操作(图9c、9d)。冲击头带着钻杆向下运动，将钻杆从孔口上方的竖直位置下放至倾斜位置，便于施工人员下放钻杆(图9e、9f)。

图9 提引器提吊钻具的操作流程

这种方式适合传统的地质锁接头钻杆，虽然单次提取一根钻杆，但作业流畅，机械化程度高，无需人工拧卸操作，在保证施工效率的同时，降低了人工劳动强度。

3.2 绞车提立根方式

钻机配有传统的绞车提吊方式，在桅杆顶部配有鹅头，在平台上配有主绞车。冲击头通过托架可以向侧方平移让出孔口中心，通过绞车钢丝绳配合人工拧卸钻杆进行6 m立根提吊作业，此方式为设备基础模式。

3.3 冲击头连续提吊方式

对小口径外平钻杆进行连续长行程提吊作业时，可在冲击头侧方选配V形夹片卡瓦，在冲击头侧移让出中心孔口时，钻具会由于自重被锁紧在冲击头侧置的卡瓦之间，随着冲击头的上移，将钻具快速提离孔底，如图10所示。此方式需要人工辅助拧卸钻杆，但是单次提立根的长度不再受桅杆高度的限制，不需要多次重复拧卸。此方式仅需要动力头让出中心孔位就可以迅速进行提吊作业，操作简单便捷，大大提高了施工效率。

图10 冲击头侧置卡瓦提吊钻具示意图

4 野外试验

GDL-1型钻机在完成厂内试验后，与河南省环境保护厅、开封市环境保护局和焦作市环境保护局合作，分别在河南省开封市、焦作市进行了野外施工试验，共进行了75个点位的土壤、水质取样施工，对多种工艺流程进行了生产试验，在精准快速完成现场施工作业的同时，不会造成土壤的污染及扰动，所取土样连续完整、保真率高，野外试验如图11所示。施工过程中设备整体运行状态良好，进一步验证了设备的高效性与可靠性。

图11 GDL-1型钻机野外试验

5 结语

工程勘察和环境调查的应用场景具有复杂性和多样性，配置履带、车载、拖车等多种装载形式，搭载多动力模式的多工艺钻探平台，可以满足工程勘察及环境取样的发展需求，是未来浅层勘探装备发展的方向。

中地装(北京)科学技术研究院有限公司研制的GDL-1型多工艺环境勘察钻机，由全液压控制，搭载多工艺钻探平台，配套多种工艺方法及钻具，配置灵活，可快速切换，真正实现一机多用，高效取样。后期在多工艺平台上可通过更换或增加动力、绞车、自动标贯器、液压控制等模块配置，更换平台的装载形式，可实现对金刚石绳索取心、标准贯入等工艺的实施，增加对多样的施工场地、施工需求及复杂地层的适用性，具有广阔的应用前景。

在野外试验过程中GDL-1型钻机运行良好，各工艺之间转换便捷，验证了GDL-1型钻机优越的适配性和施工能力，为行业提供了高质量和先进的技术装备支撑。