近年來,隨著國家找水力度和煤層氣開發(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。全液壓動力頭水井鉆機(jī)具有機(jī)動靈活、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國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

 

  國外早在20世紀(jì)30年代就開始全液壓動力頭水井鉆機(jī)的開發(fā)研制,經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展,技術(shù)水平已經(jīng)十分完善。目前在我國有影響的國外車裝水井鉆機(jī)供應(yīng)商主要有:美國的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,德國的BAUER(寶峨)公司,意大利的W.E.I公司,他們生產(chǎn)的車裝水井鉆機(jī)基本上都是采用全液壓動力頭形式,鉆進(jìn)深度從400~3000m不等,在鉆進(jìn)深度、設(shè)計先進(jìn)性上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國產(chǎn)鉆機(jī)。

 

  而國內(nèi)對全液壓水井鉆機(jī)的研制相對較晚,1986年由地質(zhì)礦產(chǎn)部勘探技術(shù)研究所(以下簡稱勘探所)和上海探礦機(jī)械廠研制成功的SDY-600型全液壓動力頭式鉆機(jī),采用液壓頂驅(qū),可實(shí)現(xiàn)無級變速。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。動力頭通孔較大,可以按轉(zhuǎn)盤鉆機(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型全液壓動力頭車裝水井鉆機(jī)。華北油田1992年也曾仿制成德國B3A型全液壓動力頭式車裝水井鉆機(jī)。但由于我國的液壓元件質(zhì)量不高(尤其是液壓油泵和馬達(dá)質(zhì)量不過關(guān))、品種規(guī)格不全等情況,全液壓動力頭式車裝水井鉆機(jī)未能全面推廣使用,妨礙了我國全液壓水井鉆機(jī)的發(fā)展。我國目前水文水井鉆探仍然以轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)為主[1] 。

 

  2全液壓動力頭水井鉆機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

 

  2.1優(yōu)點(diǎn) 與轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)相比,全液壓動力頭水井鉆機(jī)具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

 

  (1)液壓傳動的動力頭可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速,可滿足不同的鉆進(jìn)工藝要求;

 

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

 

  (3)通過液壓控制,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)動力頭鉆機(jī)都是長行程給進(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,降低勞動強(qiáng)度;

 

  (7)部件間連接只是用管路連接,所以液壓傳動的鉆機(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)及鉆具起下可同時操作,且配置了液壓動力系統(tǒng),因此鉆機(jī)可在需要時快速變換不同的鉆進(jìn)工藝;

 

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

 

  深孔鉆進(jìn)時,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,可利用動力頭的給進(jìn)力把套管壓入孔內(nèi),如壓入仍有困難時,在動力頭回轉(zhuǎn)軸端,可接上氣動潛孔錘,經(jīng)過木板塊墊壓,利用潛孔錘的氣動沖擊能量對套管沖擊敲打,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)盤鉆機(jī)相比也有以下不足的地方。

 

  (1)成本相對較高:由于全液壓鉆機(jī)多采用車載形式,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,而且由于全液壓動力頭鉆機(jī)采用液壓驅(qū)動,鉆機(jī)的液壓元件繁多且對液壓元件的質(zhì)量要求很高,這就使得鉆機(jī)的成本較普通的轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)高很多;

 

  (2)維修困難:轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)通常以機(jī)械傳動為主,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工作閥組構(gòu)成,在鉆機(jī)使用中,有時會出現(xiàn)一系列由于液壓系統(tǒng)發(fā)生故障而導(dǎo)致鉆機(jī)不能正常工作的問題,則需要在幾百根液壓管線和幾十個工作閥組中尋找問題根源,設(shè)備出現(xiàn)問題確診困難,維修困難;

 

  (3)起下鉆效率較低:車裝水井鉆機(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,立根長度對施工時間的影響逐漸明顯。

 

  3全液壓動力頭水井鉆機(jī)的市場前景

 

  全液壓動力頭水井鉆機(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。

  中國是水資源嚴(yán)重匱乏的國家之一,根據(jù)世界各國平均人口占用水資源量(包括地表水及淺層地下水),中國約為世界人均水資源量的1/4,被聯(lián)合國列為13個貧水國家之一,缺水已經(jīng)嚴(yán)重影響了我國的人民生活和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。解決缺水問題已經(jīng)迫在眉睫。解決缺水問題的重要手段之一就是開采地下水,因?yàn)?a href="http://www.optool.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。隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對水資源的需求越來越大,大規(guī)模的水井鉆探將成為必然[2] 。

 

  3.2煤層氣開發(fā)利用

 

  煤層氣的成分與天然氣差不多,主要成分是甲烷。過去,煤層氣被認(rèn)為是有害氣體,因?yàn)樗且鹈?a href="http://www.optool.cn/t/礦井.html" >礦井下事故的主要原因之一。但如果開發(fā)得當(dāng),煤層氣又可作為能源加以利用。近年來,煤層氣作為一種新型的清潔能源受到越來越多的關(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)中國煤田地質(zhì)總局第三次煤田預(yù)測結(jié)果,我國埋深在2000m以淺范圍內(nèi)的預(yù)測煤炭資源量約為5571012 ,t2000~4000m范圍的煤炭資源量 約為81012 ,t我國的煤炭資源非常豐富。據(jù)國土資源部新一輪油氣資源評價結(jié)果顯示,我國五大聚氣區(qū)帶、38個含煤盆地和68個聚煤單元2000m以淺的煤層氣資源量約為3451012 m3 ,這部分資源在未來20年內(nèi)可通過現(xiàn)有的勘探開發(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)模勘探開采勢在必行。

 

  3.3其他需求

 

  另外隨著國家對煤礦安全的高度重視,煤礦瓦斯排放井、搶險救援井、地?zé)峋?/a>等,對全液壓水井鉆機(jī)的需求會越來越大。 目前國內(nèi)使用的全液壓動力頭水井鉆機(jī)基本上都是國外引進(jìn)的。中國煤炭地質(zhì)總局大地公司引進(jìn)了美國雪姆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型全液壓動力頭式車裝水文水井鉆機(jī)等。這都說明全液壓動力頭水井鉆機(jī)在國內(nèi)的市場潛力很大。

 

  4全液壓動力頭水井鉆機(jī)國產(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介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械的傳動與控制的技術(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、無級調(diào)速、自動控制、過載保護(hù)等方面的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢,使其成為國民經(jīng)濟(jì)中各行業(yè)、各類機(jī)械裝備實(shí)現(xiàn)傳動與控制的重要技術(shù)手段。正確合理的設(shè)計和使用液壓系統(tǒng),對提高液壓機(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。

 

  隨著我國工程機(jī)械的大力發(fā)展,國產(chǎn)液壓元件也有了長足的發(fā)展。自從我國實(shí)施改革開放政策以來,我國液壓件行業(yè)先后引進(jìn)了40多項(xiàng)國外先進(jìn)技術(shù),累計投入16億元用于技術(shù)改造,使我國液壓件、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內(nèi)液壓件制造企業(yè)基本上都能滿足。只有個別高新產(chǎn)品由于其所需主要液壓技術(shù)、質(zhì)量水平要求較 高,國內(nèi)技術(shù)水平還未達(dá)到要求,進(jìn)口量較大,估計達(dá)80%以上(包括合資、獨(dú)資液壓件在內(nèi))。其它的基本上國產(chǎn)液壓元件能滿足,估計國產(chǎn)滿足率達(dá)80%以上。目前國內(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、合肥長源液壓件股份有限公司、山西長治液壓有限公司、天津特精液壓股份有限公司等。這些廠家在吸收消化國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,生產(chǎn)出了具有國際先進(jìn)水平的泵、閥組等,可以滿足全液壓動力頭水井鉆機(jī)的大部分配套要求。

 

  在機(jī)械制造方面,十幾年來,隨著我國大力發(fā)展國家基礎(chǔ)工業(yè),我國機(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)國內(nèi)制造困難外,其他基礎(chǔ)零件的加工均能在國內(nèi)完成。

 

  水井施工要求效率高、機(jī)動性強(qiáng),幾乎所有的全液壓動力頭水井鉆機(jī)均安裝在汽車底盤上,所以汽車底盤是全液壓動力頭水井鉆機(jī)中一個十分重要的部件。我國專用汽車作為汽車行業(yè)的重要組成部分,隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展,也獲得了快速發(fā)展。國產(chǎn)專用汽車的品種日趨豐富、合理,產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)水平不斷提高。2006年我國專用汽車生產(chǎn)廠家已經(jīng)達(dá)到800家,專用汽車產(chǎn)量在2007年也達(dá)到了70萬輛。隨著這些年我國專用汽車的快速發(fā)展, 我國專用汽車在技術(shù)上和品種上與發(fā)達(dá)國家與地區(qū) 相比已基本接近。在原有汽車底盤的基礎(chǔ)上,專用汽車廠家完全可以研制生產(chǎn)出滿足全液壓動力頭水井鉆機(jī)所需求的專用汽車底盤。 總之研制全液壓動力頭車載水井鉆機(jī)的工業(yè)基礎(chǔ)已基本具備,國產(chǎn)化條件已基本成熟。

 

  5存在的問題

 

  中國目前主要工程機(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,國內(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。而且使用國外進(jìn)口液壓元件除價格昂貴外,供貨周期也長,嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。 我國在精密產(chǎn)品的加工制造方面,與國外的差距較大。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)在我國應(yīng)用還較少。同時,我國大部分生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品檢測重視不夠,這同樣使得我國機(jī)械制造產(chǎn)品質(zhì)量不高。例如伊頓公司開始與濟(jì)寧液壓件廠合資時,其它都未作大動,就添了幾十萬美元的檢測設(shè)備,生產(chǎn)出來的產(chǎn)品就基本上達(dá)到了伊頓的質(zhì)量水平。 目前國內(nèi)雖然生產(chǎn)專用汽車的廠家很多,但專業(yè)生產(chǎn)專用汽車底盤的廠家卻沒有一家。國內(nèi)800多家專用車生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的各類專用汽車中,大多數(shù)是在普通載貨車底盤的基礎(chǔ)上改裝而成,而在這些企業(yè)中又大多數(shù)為外購底盤進(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)國家有很大差距。全液壓動力頭水井鉆機(jī)的底盤也只能在普通載貨車底盤的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝,這一現(xiàn)狀也制約了我國全液壓動力頭水井鉆機(jī)的發(fā)展。

 

  6建議

 

  (1)液壓技術(shù)方面,在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,不斷提高國產(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)智能化和自動化。同時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,大力提高我國機(jī)加工水平。同時加大我國新材料的研制力度,大力發(fā)展新型熱處理技術(shù)。最后還需提高我國的檢測技術(shù),以免因?yàn)闄z測不當(dāng)而造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

 

  (3)底盤設(shè)計加工方面,底盤生產(chǎn)企業(yè)對改裝環(huán)節(jié)的重視應(yīng)該貫穿底盤從市場調(diào)研、研發(fā)到生產(chǎn)、銷售的全過程,底盤的研發(fā)人員要熟悉專用汽車的 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī),與專用汽車生產(chǎn)企業(yè)合作,進(jìn)行有針對性的開發(fā)。這樣才能開發(fā)出專用汽車生產(chǎn)企業(yè)不用改的令人滿意的產(chǎn)品。 如果能解決上述問題,國產(chǎn)全液壓動力頭水井鉆機(jī)在質(zhì)量方面、鉆機(jī)美觀方面等將會有很大的提高,特別在價格上也會大幅下降。這將十分有利于國產(chǎn)全液壓水井鉆機(jī)國際市場的開拓。

 

  7結(jié)語

 

  隨著我國經(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,國內(nèi)對先進(jìn)的全液壓動力頭水井鉆機(jī)的需求巨大。為了在全液壓動力頭水井鉆機(jī)的競爭中立于不敗之地,我們必須加強(qiáng)全液壓動力頭水井鉆機(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,盡快將全液壓動力頭水井鉆機(jī)國產(chǎn)化。

 

  目前,隨著我國現(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。有國內(nèi)良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境,有巨大的市場需求,又有相關(guān)技術(shù)的支持,我國快速發(fā)展全液壓動力頭水井鉆機(jī)的時機(jī)已到。加大全液壓動力頭水井鉆機(jī)研發(fā)的資金投入、人員投入,在較短的時間內(nèi)趕超國際先進(jìn)水平是完全有可能的。