近年來,隨著國家找水力度和煤層氣開發力度的不斷加大,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質、高效、快速的要求。全液壓動力頭水井鉆機具有機動靈活、施工效率高等特點,最近幾年已被不少單位引進使用。

 

  1國內外發展狀況

 

  國外早在20世紀30年代就開始全液壓動力頭水井鉆機的開發研制,經過幾十年的不斷發展,技術水平已經十分完善。目前在我國有影響的國外車裝水井鉆機供應商主要有: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,他們生產的車裝水井鉆機基本上都是采用全液壓動力頭形式,鉆進深度從400~3000m不等,在鉆進深度、設計先進性上均遠遠超過國產鉆機。

 

  而國內對全液壓水井鉆機的研制相對較晚,1986年由地質礦產部勘探技術研究所(以下簡稱勘探所)和上海探礦機械廠研制成功的SDY-600型全液壓動力頭式鉆機,采用液壓頂驅,可實現無級變速。1993年,勘探所和天津探礦機械廠又研制成功了SJDC-300型多功能機械動力頭式鉆機。采用 油缸-鋼絲繩倍速機構,給進行程長。動力頭通孔較大,可以按轉盤鉆機方式升降鉆具與井管。20世紀90年代,勘探所和張家口探礦機械廠還研制成功了FD-300型全液壓動力頭車裝水井鉆機。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。但由于我國的液壓元件質量不高(尤其是液壓油泵和馬達質量不過關)、品種規格不全等情況,全液壓動力頭式車裝水井鉆機未能全面推廣使用,妨礙了我國全液壓水井鉆機的發展。我國目前水文水井鉆探仍然以轉盤鉆機為主[1] 。

 

  2全液壓動力頭水井鉆機的優缺點

 

  2.1優點 與轉盤鉆機相比,全液壓動力頭水井鉆機具有無法比擬的優點。

 

  (1)液壓傳動的動力頭可實現無級調速,可滿足不同的鉆進工藝要求;

 

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

 

  (3)通過液壓控制,可實現鉆具的液壓給進加壓及減壓鉆進;

 

  (4)可以邊回轉邊起下鉆具,方便處理孔內塌方,減少孔內事故;

 

  (5)動力頭鉆機都是長行程給進方式,滿足了多工藝鉆進機械轉速高的要求;

 

  (6)機械化程度比較高,降低勞動強度;

 

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

 

  (8)由于回轉給進及鉆具起下可同時操作,且配置了液壓動力系統,因此鉆機可在需要時快速變換不同的鉆進工藝;

 

  (9)由于鉆具配置了動力頭給進功能,可實現下述作業: 

 

  深孔鉆進時,可采用鉆具陀螺式重力張力結構減壓鉆進,以提高鉆孔的垂直精度;

 

  利用鉆桿的正壓給進與壓漿塞,可在套管內向孔壁進行水泥砂漿壓注,使水泥砂漿壓向孔壁四邊,產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力把套管壓入孔內,如壓入仍有困難時,在動力頭回轉軸端,可接上氣動潛孔錘,經過木板塊墊壓,利用潛孔錘的氣動沖擊能量對套管沖擊敲打,壓入孔內,以完成套管的下放工序。

 

  2.2缺點全液壓水井鉆機與機械轉盤鉆機相比也有以下不足的地方。

 

  (1)成本相對較高:由于全液壓鉆機多采用車載形式,鉆機須實現不同鉆進工藝的需求,操作須方便快捷,所以使得設備復雜龐大,而且由于全液壓動力頭鉆機采用液壓驅動,鉆機的液壓元件繁多且對液壓元件的質量要求很高,這就使得鉆機的成本較普通的轉盤鉆機高很多;

 

  (2)維修困難:轉盤鉆機通常以機械傳動為主,一般不容易發生機械方面的故障,即使發生故障也很容易檢修,而對于全液壓鉆機,液壓系統往往有幾百根液壓管線和幾十個工作閥組構成,在鉆機使用中,有時會出現一系列由于液壓系統發生故障而導致鉆機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,設備出現問題確診困難,維修困難;

 

  (3)起下鉆效率較低:車裝水井鉆機桅桿高度有限,起下鉆立根較短,起下鉆次數變多,與散裝鉆機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的市場前景

 

  全液壓動力頭水井鉆機常規用途是鉆鑿水井,但隨著煤層氣勘探開發逐漸升溫,水井鉆機用途又擴大到鉆鑿煤層氣井、瓦斯排放井、救援井、地熱井等特殊用途井。

 

  3.1水井需求趨勢增大

 

  中國是水資源嚴重匱乏的國家之一,根據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,被聯合國列為13個貧水國家之一,缺水已經嚴重影響了我國的人民生活和國家經濟發展。解決缺水問題已經迫在眉睫。解決缺水問題的重要手段之一就是開采地下水,因為地下水容積約為地表水容積的75倍,相當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。隨著國家經濟的快速發展,對水資源的需求越來越大,大規模的水井鉆探將成為必然[2] 。

 

  3.2煤層氣開發利用

 

  煤層氣的成分與天然氣差不多,主要成分是甲烷。過去,煤層氣被認為是有害氣體,因為它是引起煤礦井下事故的主要原因之一。但如果開發得當,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,改善大氣環境,還能有效緩解當前能源短缺的這一重大難題。

 

  根據中國煤田地質總局第三次煤田預測結果,我國埋深在2000m以淺范圍內的預測煤炭資源量約為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。據國土資源部新一輪油氣資源評價結果顯示,我國五大聚氣區帶、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年內可通過現有的勘探開發技術加以利用 [3] 。隨著石油天然氣和煤炭等能源的供應日漸 緊張,煤層氣大規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、地熱井等,對全液壓水井鉆機的需求會越來越大。 目前國內使用的全液壓動力頭水井鉆機基本上都是國外引進的。中國煤炭地質總局大地公司引進了美國雪姆7685WS型鉆機,山東煤田二隊引進了雪姆T130XD型鉆機,山東煤田一隊引進了阿特拉斯柯普科集團的RD20型鉆機,河南煤田豫中勘察工程公司引進了寶峨RB50型全液壓動力頭式車裝水文水井鉆機等。這都說明全液壓動力頭水井鉆機在國內的市場潛力很大。

 

  4全液壓動力頭水井鉆機國產化所具備的技術條件

 

  液壓技術是研究以液體為傳動介質來實現各種機械的傳動與控制的技術,是現代機械工程的基礎技術,由于其在功率質量比、無級調速、自動控制、過載保護等方面的獨特技術優勢,使其成為國民經濟中各行業、各類機械裝備實現傳動與控制的重要技術手段。正確合理的設計和使用液壓系統,對提高液壓機械設備及裝備的工作品質和技術經濟性能具有重要意義。

 

  隨著我國工程機械的大力發展,國產液壓元件也有了長足的發展。自從我國實施改革開放政策以來,我國液壓件行業先后引進了40多項國外先進技術,累計投入16億元用于技術改造,使我國液壓件、特別是工程機械液壓件技術質量水平及可靠性有了很大提高。目前成熟工程機械所需的大部分液壓件國內液壓件制造企業基本上都能滿足。只有個別高新產品由于其所需主要液壓技術、質量水平要求較 高,國內技術水平還未達到要求,進口量較大,估計達80%以上(包括合資、獨資液壓件在內)。其它的基本上國產液壓元件能滿足,估計國產滿足率達80%以上。目前國內有影響的液壓件生產廠家 有榆次液壓有限公司、浙江臨海海宏集團有限公司、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技術的基礎上,生產出了具有國際先進水平的泵、閥組等,可以滿足全液壓動力頭水井鉆機的大部分配套要求。

 

  在機械制造方面,十幾年來,隨著我國大力發展國家基礎工業,我國機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)國內制造困難外,其他基礎零件的加工均能在國內完成。

 

  水井施工要求效率高、機動性強,幾乎所有的全液壓動力頭水井鉆機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中一個十分重要的部件。我國專用汽車作為汽車行業的重要組成部分,隨著汽車行業的迅猛發展,也獲得了快速發展。國產專用汽車的品種日趨豐富、合理,產品質量、技術水平不斷提高。2006年我國專用汽車生產廠家已經達到800家,專用汽車產量在2007年也達到了70萬輛。隨著這些年我國專用汽車的快速發展, 我國專用汽車在技術上和品種上與發達國家與地區 相比已基本接近。在原有汽車底盤的基礎上,專用汽車廠家完全可以研制生產出滿足全液壓動力頭水井鉆機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的工業基礎已基本具備,國產化條件已基本成熟。

 

  5存在的問題

 

  中國目前主要工程機械液壓元件制造企業基本上能制造一般水平的缸、泵、閥,對高附加值、高技術含量的變量液壓系統所需的變量泵、變量馬達等變量液壓元件及機電一體化高水平、高技術含量的液壓元件基本上還是空白。同時,國內生產的泵、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。液壓閥還經常出現卡閥、內泄漏等故障。而且使用國外進口液壓元件除價格昂貴外,供貨周期也長,嚴重影響工程進度。 我國在精密產品的加工制造方面,與國外的差距較大。主要表現在產品水平低、質量不穩定。工業發達國家普遍采用高緊密加工、精細加工、微細加 14探礦工程(巖土鉆掘工程)、微型機械和微米/納米技術、激光加工技術、電磁加工技術、超塑加工技術以及復合加工技術等新型加工技術。這些技術在我國應用還較少。同時,我國大部分生產企業對產品檢測重視不夠,這同樣使得我國機械制造產品質量不高。例如伊頓公司開始與濟寧液壓件廠合資時,其它都未作大動,就添了幾十萬美元的檢測設備,生產出來的產品就基本上達到了伊頓的質量水平。 目前國內雖然生產專用汽車的廠家很多,但專業生產專用汽車底盤的廠家卻沒有一家。國內800多家專用車生產廠家生產的各類專用汽車中,大多數是在普通載貨車底盤的基礎上改裝而成,而在這些企業中又大多數為外購底盤進行改裝生產的中小企業,機械化程度低,產品質量參差不齊,與發達國家有很大差距。全液壓動力頭水井鉆機的底盤也只能在普通載貨車底盤的基礎上進行改裝,這一現狀也制約了我國全液壓動力頭水井鉆機的發展。

 

  6建議

 

  (1)液壓技術方面,在引進國外先進技術的基礎上,不斷提高國產液壓技術的水平。減少能耗、提高各種液壓元件的效率;采用電子技術直接控制,實現智能化和自動化。同時要盡可能提高液壓元件的性能及可靠性,注重系統的污染控制問題,防止因系統內部污染而影響液壓元件和系統的使用壽命。注重提高元件的工作穩定性、效率和壽命。

 

  (2)機械制造方面,學習國外先進的柔性制造技術、并行工程技術、虛擬制造技術、敏捷制造技術、綠色制造技術等,配合現代理論與方法,大力提高我國機加工水平。同時加大我國新材料的研制力度,大力發展新型熱處理技術。最后還需提高我國的檢測技術,以免因為檢測不當而造成產品質量不穩定。

 

  (3)底盤設計加工方面,底盤生產企業對改裝環節的重視應該貫穿底盤從市場調研、研發到生產、銷售的全過程,底盤的研發人員要熟悉專用汽車的 相關標準、法規,與專用汽車生產企業合作,進行有針對性的開發。這樣才能開發出專用汽車生產企業不用改的令人滿意的產品。 如果能解決上述問題,國產全液壓動力頭水井鉆機在質量方面、鉆機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全液壓水井鉆機國際市場的開拓。

 

  7結語

 

  隨著我國經濟的快速發展,水井、煤層氣勘探井、救援井、特殊井的施工需求將不斷加大,國內對先進的全液壓動力頭水井鉆機的需求巨大。為了在全液壓動力頭水井鉆機的競爭中立于不敗之地,我們必須加強全液壓動力頭水井鉆機研發技術人才的培養,加強科研開發的技術創新,加快全液壓水井鉆機的研發的進程,盡快將全液壓動力頭水井鉆機國產化。

 

  目前,隨著我國現代化程度的不斷提高,在機械、電子、控制技術和施工技術等方面都取得了長足的進步,這些相關技術基本能夠滿足現代全液壓水井鉆機發展的需要。有國內良好的經濟環境,有巨大的市場需求,又有相關技術的支持,我國快速發展全液壓動力頭水井鉆機的時機已到。加大全液壓動力頭水井鉆機研發的資金投入、人員投入,在較短的時間內趕超國際先進水平是完全有可能的。