我國氣動潛孔錘鉆進式水井鉆機生產概況

范丙躍，丁濤，杜標，徐賽華，張國綱，王國文，田巍

(1.張家口市宣化金科鉆孔機械有限公司，河北 張家口075100；2.天水鑿巖機械氣動工具研究所，甘肅 天水741020；3.浙江開山重工股份有限公司，浙江 忂州324022；4.金川集團有限公司物流公司，甘肅 金昌737100)

氣動潛孔錘鉆進式水井鉆機是近年來發展很快的一種潛孔鉆機產品。該種產品不僅能用于開鑿水井，還可用于鉆鑿監測井、地熱空調孔、水電圍堰注漿孔、堤壩防滲注漿孔、基礎加固注漿孔、錨固工程等各種大孔徑或深巖孔。

水井鉆機主要用于鉆鑿水井并完成下井管、洗井等作業，主要分為回轉式、沖擊式和復合式等類型。潛孔錘鉆進式水井鉆機屬于復合式水井鉆機，該種類型的鉆機以氣動潛孔沖擊器為核心鉆進部件。隨著氣動潛孔沖擊器產品在我國的大量生產，以及國內企業氣動潛孔沖擊器生產技術的進步，其產品質量、使用壽命、價格、服務都逐步形成優勢，配備氣動潛孔沖擊器的潛孔錘式鉆機在市場競爭中異軍突起。潛孔錘鉆進式水井鉆機以其在巖石地質條件下鉆進速度快（在巖石鉆井時可達傳統回轉式鉆井設備效率的十倍以上），且產品具有結構簡單、使用方便、輔助工件便宜等優點，近年來在水井鉆鑿，尤其是巖石地層條件下的水井鉆鑿時得到了普遍的使用。

1 我國水井鉆機的技術發展概況

早在公元前2世紀，勤勞智慧的古代中國人就發明了使用人力并借助竹弓彈力使錐形鉆頭沖擊地層而鉆進的沖擊式鉆井技術。公元11世紀的北宋年間又發明了利用鉆頭自由下落的沖擊破碎巖石的頓鉆法。使用這種古老的頓鉆鉆井技術，四川鹽業工匠曾鑿成了世界上第一口超過千米的深井[1]。

我國在上世紀五十年代之前，還在沿用這種古老的技術進行鉆井。后來引進國外鋼絲繩沖擊式鉆機，并在沖擊式鉆井設備基礎上，又逐步研制出回轉式鉆機和復合式鉆機。目前水井鉆機基本上使用這三種類型的設備。

沖擊式鉆機是依靠鉆具下落產生的沖擊力破碎井底巖層或土層、砂層，工效很低，鉆井深度一般在250 米以內。其中沖抓錐式沖擊式鉆機鉆井深度通常為40～50 米，最深100～150 米。鋼絲繩沖擊式鉆機鉆井直徑為150-400 mm，鉆孔深度可達300 m。

回轉式鉆機是依靠鉆具的回轉運動破碎巖層進行鉆井作業。主要有大小鍋錐鉆機，正循環或反循環壓氣洗井轉盤式鉆機、液壓動力頭式鉆機等類型。鍋錐鉆機工效較低，主要用于土層、砂層或小直徑卵石（卵石直徑不大于10 cm）等松散地層地質條件下的水井施工，鉆井直徑為550-1100 mm，鉆孔深度在100 m 以內。正循環或反循環壓氣洗井轉盤式鉆機一般適用于土層、砂層和小直徑卵石（卵石直徑不超過鉆桿內徑尺寸）等松散地層，鉆井深度一般在150 米以內。液壓動力頭鉆機是一種比較先進的水井鉆機，不僅克服了上述回轉式鉆機只能對付松散地層的缺點，更具有自動控制、過載保護、無極調速、結構簡單等優點。對我國鉆機市場影響較大的國外公司有美國雪姆公司、瑞典阿特拉斯公司、德國寶峨公司、韓國大一公司等。我國在上世紀八十年代末開始研發液壓動力頭式的水井鉆機產品，并于九十年代成功推向市場[2]。液壓動力頭式鉆機由液壓馬達通過動力頭和鉆桿驅動鉆頭旋轉切削井底土層或巖層，具有鉆進速度快、鉆具裝卸和下井管較簡便等優點，可在巖石單軸抗壓強度小于200 MPa 的基巖中鉆進直徑達1 米的大口徑水井，鉆進深度可達150 米。

復合式水井鉆機兼具沖擊式鉆機和回轉式鉆機的特點，基本上可分為兩種類型：一種是在轉盤回轉式鉆機的基礎上增設沖擊機構，在土層、砂層等松軟地質條件下使用回轉鉆進的方式鉆進，當遇到卵石含量較高或巖石層時，用沖擊機構對其進行破碎。因為這種鉆機兼具處理松軟地質與較硬地質的能力，因而適用于各種地質條件下的水井鉆進。另一種是將氣動潛孔沖擊器整合到鉆機上，將礦用潛孔鉆機能在巖石上快速鉆鑿巖孔的優點用于鉆井作業（礦用的潛孔鉆機屬于潛孔錘式鑿巖設備，就是配用氣動潛孔沖擊器的鉆機）。氣動潛孔沖擊器的使用歷史比較悠久，在遇到硬巖地質的水井鉆進時，鉆進速度遠超其他類型的鉆機，而且鉆進速度不會隨著鉆井深度的增加而明顯減弱，鉆井的直線度更容易保證。而在松軟地質時，這種鉆機還備有回轉式鉆進機構，從而用其所長替代潛孔沖擊器進行鉆井作業。本文介紹的就是這種氣動潛孔錘鉆進式的水井鉆機，簡稱潛孔錘式水井鉆機。

2 我國氣動潛孔錘鉆進式水井鉆機主要生產企業及產品概況

潛孔錘式水井鉆機因具有礦用潛孔鉆機專業處理巖石鉆孔的優勢，特別適于在巖基地質條件下的深井作業（巖石地質下的鉆井速度超出其他類型鉆機的十倍），因而近十年來該類鉆機得到了快速的發展。下面介紹比較典型的生產企業。

2.1 張家口市宣化金科鉆孔機械有限公司

宣化金科公司座落于“中國鉆機之鄉”——河北省張家口市宣化區。該公司生產多種型號的潛孔鉆機產品，用于大、中、小型礦山、水電、交通、國防工程等土石方挖掘爆破工程，以及港口航道等水下巖石鉆孔爆破作業。金科公司主導產品履帶式液壓潛孔鉆機市場占有率達到同類產品的60%以上，產品遠銷全球三十多個國家和地區。該公司研發的水井鉆機在市場上享有盛譽，廣泛用于開鑿水井、地溫空調鉆孔等大孔徑、深孔作業。該公司生產的水井鉆機主要分為履帶式多功能水井鉆機和車載式水井鉆機。主要用于鉆鑿水井、監測井、地熱空調孔、水電圍堰注漿孔、堤壩防滲注漿孔、基礎加固注漿孔、露天采礦、錨固、國防工程等各種深孔鑿巖工序，由于該公司鉆機配備有大功率液壓馬達，重型液壓鉆臂，高氣壓潛孔沖擊器，鑿巖效率高于其它類型鉆機。

履帶式多功能水井鉆機是一種以履帶式車輛底盤為機動載體的新型、高效、多功能全液壓沖擊式水井鉆機(見圖1)，履帶式多功能水井鉆機型號及主要技術參數見表1。

車載式水井鉆機是一種以輪胎式車輛底盤為機動載體的新型、高效、多功能的全液壓鉆機(見圖2)，車載式水井鉆機型號及主要參數見表2。

表1 宣化金科履帶式多功能水井鉆機型號及主要參數

續表1 宣化金科履帶式多功能水井鉆機型號及主要參數

圖1 宣化金科公司生產的履帶式多功能水井鉆機

2.2 張家口宣化泰達機械設備有限公司

張家口宣化泰達機械設備有限公司位于宣化區廟底村和尚墳開發區。該公司始建于1995年，是一家以科技研發為中心的制造型企業。該公司先后研發了旋挖鉆機動力頭、水井鉆機、負載敏感潛孔鉆機等一批節能創新型產品。其中全液壓負載敏感潛孔鉆機和水井鉆機已成為該公司的主打產品。

宣化泰達生產的水井鉆機廣泛應用于工程地質勘探、水文、水井以及其它大孔徑的工程施工鉆進。尤其適用于城市建筑中地源熱泵空調孔的鉆鑿。具有結構緊湊、使用方便、輔助時間短、通用性強等優點。其產品外形見圖3，具體型號及主要參數見表3。

表2 宣化金科車載式水井鉆機型號及主要參數

圖2 宣化金科公司生產的車載式水井鉆機

2.3 張家口市宣化正遠鉆采機械有限公司

圖3 宣化泰達公司生產的全液壓水井鉆機

張家口市宣化正遠鉆采機械有限公司是集科研開發、設計制造、工程施工于一體的綜合性企業，以研發生產各類鉆孔設備為主，產品廣泛應用于水井、降水井、礦山大孔徑爆破孔(替代牙輪鉆機）、勘探取樣、水電、公路、煤炭、石油、天然氣、煤層氣、市政、監測井、地源熱泵孔、錨固、非開挖等各個領域。公司主導產品為各系列和規格的頂驅式多功能全液壓潛孔水井鉆機及勘探取樣鉆機，是國內早期研發并規模生產頂驅式全液壓水井鉆機的生產服務商。公司生產200 至1600 規格的系列水井鉆機，其鉆孔深度200-1600 米，孔徑100-1000 mm。不僅在國內市場享有盛譽，還遠銷俄羅斯、東南亞、中亞、中東、美洲、非洲各國，具體型號及主要參數見表4。公司除生產多種規格的水井鉆機產品外，還生產工程鉆機、礦山潛孔鉆機、貫通式空氣反循環鉆機、繩索取芯鉆機、錨固鉆機、非開挖鉆機，及各類鉆機的配套鉆具鉆桿等。

2.4 宣化宏大鉆孔機械有限公司

宣化宏大鉆孔機械有限公司是宣化“鉆機工業園”的首批入園企業，是水井鉆機和潛孔鉆機的生產廠家，主要生產“宏大牌”大、中、小型井下及露天潛孔鉆機、錨固鉆機、露天全氣動履帶自行潛孔鉆車、水井鉆機和各種特型鉆機。水井鉆機可根據地質情況，采用泥漿、泡沫、空氣進行回轉鉆進或潛孔沖擊器鉆進。沖擊器配用DH/DHD 系列的中、高氣壓產品。該公司生產的水井鉆機產品型號及主要參數見表5。

2.5 張家口市宣化恒通鑫鉆孔機械股份有限公司

該公司主要生產水井鉆機、液壓錨固鉆機、潛孔鉆機等鑿巖鉆孔設備，以及潛孔沖擊器、潛孔鉆頭、擴孔鉆具及套管等鉆具產品。其水井鉆機主要有HTYM500、HTYM800、HTYM1000 系列產品，配用DHD112、DHD310、DHD360、DHD380型潛孔沖擊器，對于巖層地質可用潛孔錘基巖鉆進、潛孔錘偏心跟管鉆進、潛孔錘對心跟管鉆進等。其主要型號及參數見表6。

表3 宣化泰達水井鉆機型號及主要參數

表4 宣化正遠水井鉆機型號及主要參數

續表4 宣化正遠水井鉆機型號及主要參數

續表4 宣化正遠水井鉆機型號及主要參數

續表4 宣化正遠水井鉆機型號及主要參數

續表4 宣化正遠水井鉆機型號及主要參數

續表4 宣化正遠水井鉆機型號及主要參數

2.6 浙江開山重工股份有限公司

浙江開山重工股份有限公司位于浙江省衢州市，是隸屬于開山集團的一家分公司。該公司生產KL 系列全液壓露天鉆車、KJ 系列全液壓掘進鉆車、KM 系列全液壓錨桿鉆車、KS系列全液壓深孔鉆車、KW 系列地熱水井鉆車，以及露天潛孔鉆車、撬毛臺車等。是我國生產鉆車、鉆機類鑿巖設備的龍頭企業。

該公司生產的KW 系列地熱水井多功能鉆車是在傳統產品潛孔鉆車基礎上改型研發的可高效處理巖層地質條件下鉆水井的專業設備。針對鉆井用途，公司憑借幾十年生產鑿巖鉆機的經驗，對液壓系統、配套配置、外形外觀等進行了優化設計，具有穩定性好、工作效率高等優點。其產品主要型號與技術參數見表7。

表5 宣化宏大水井鉆機型號及主要參數

表6 宣化恒通鑫水井鉆機型號及主要參數

3 潛孔錘式水井鉆機的主要特點

3.1 產品采用全液壓操控技術

液壓控制技術的應用，可對鉆機的回轉扭矩、鉆具轉速、推進與反向軸壓、推進速度、提升速度等參數，根據作業時的具體地質情況，或不同的施工工藝要求，很方便地進行調節控制。圖4所示為宣化金科公司的操作控制系統。

隨著鉆井深度的加深，需要加接鉆桿。隨著鉆桿數量的增多，鉆具的重量對沖擊器形成了很大的軸壓。這時需要通過正反軸壓閥對軸壓進行調節，甚至施加反向的力來保證沖擊器承受適當的軸壓。有了液壓控制，這些操作可以很容易地進行。

表7 開山重工地熱水井多功能鉆機型號及主要參數

3.2 多功能鉆進

除了具有氣動潛孔錘式鉆進功能外，還將正循環或反循環回轉式鉆進、壓氣洗井回轉式鉆進、液壓動力頭式鉆進等傳統的水井鉆機功能整合到一起，從而使鉆機能適用復雜地質結構下的鉆井。比如在泥土、砂層松軟地質條件下采用回轉鉆進，以發揮傳統結構的優勢；在遇到巖石時，則采用潛孔錘鉆進，從而提高鉆井進度，降低鉆進成本。

有的企業還將切削鉆機、牙輪鉆機、巖芯鉆機、跟管鉆機的鉆進機構整合進來，進一步提高了鉆機的作業效率，更好地控制了泥漿雜物的排放，從而更好地保護環境。此外，還提供發電機、泥漿泵、泡沫泵、卷揚機等選用配件，為用戶提供了更加靈活多樣的產品選擇。

圖4 宣化金科鉆機上的操作控制臺

3.3 產品采用模塊設計

各種鉆進功能的結構采用模塊設計，可以靈活便捷地進行組裝整合，并可以高效地安裝在履帶式自行底盤，或者是輪胎式自行底盤上，乃至架裝在車輛上。不僅節約了生產成本，還可更加容易地按照用戶的特定要求制造出產品。圖5所示為宣化金科公司的液壓動力頭回轉機構。

3.4 改進了傳統的推進提升機構

推進提升機構采用液壓驅動技術，特別是頂驅式回轉驅動技術的應用，使得操控更加簡便，鉆具更換容易。許多企業推出了能實現鉆機從卷揚升降狀態、推進升降狀態的快速切換機構，從而節省了大量的輔助作業時間，間接地提高了鉆井速度和施工效率。圖6所示為宣化金科公司的卷揚提升機構。

3.5 使用高液壓支腿

在鉆機底盤上安裝高液壓支腿，從而使鉆機開到作業位置，驅動液壓支腿將鉆機頂起，鉆機就立即成為鉆井支架。這比以前需要將鉆井設備運送到鉆井作業工地，再將其組裝成鉆架要節省很多工時。由于支腿可以很方便地伸縮，支腿縮回后鉆機可以裝車遠距離運輸，省去吊機吊裝的麻煩。圖7所示為宣化金科公司的液壓支腿機構。

圖5 宣化金科鉆機上的液壓動力頭回轉機構

圖6 宣化金科鉆機上的卷揚提升機構

3.6 強勁的動力系統

圖7 宣化金科鉆機上的液壓支腿機構

采用大功率發動機驅動大排量液壓泵，為鉆機提供強勁動力。這使得液壓動力頭、液壓推進等關鍵作業部件性能更加強勁，作業效率更高，還采用多種措施對發動機進行保護，從而保障了鉆機在惡劣作業條件下的動力性能。圖8所示為宣化金科公司產品中對發動機進氣采用的三級空氣濾清結構，可保障發動機在惡劣的工況下安全可靠地為鉆機提供動力供應。

圖8 宣化金科鉆機上的發動機空氣濾清結構