水井钻机：现状与发展趋势

高占听
（河北建勘钻探设备有限公司，河北石家庄 050000）

摘 要：简要介绍了水文水井钻机的发展历史，以及我国现阶段水井钻机的概况及技术特点，通过与国外钻机的性能对比，分析了我国转盘式水井钻机在技术上与国外的差距，结合全液压动力头水井钻机的技术特点，提出了研制多功能全液压动力头水井钻机，可以大大缩短我国与国外在技术上的差距，这也是当前各国水井钻机的发展方向。

关键词：水文水井钻机；全液压动力头；无级调速；钻进工艺

doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2014.10.14

作者简介：高占听（1973—），男，本科，现从事工程机电制造。 
收稿日期：2014-07-20 
责任编辑：孙常长

用于钻凿水文地质勘察孔和工农业及生活用水水井、地热井并完成下井管、洗井等作业的机械设备称为水文水井钻机。普通水井钻机的钻进深度一般在数十米至数百米之间，深度较浅，工期短，流动性大，施工地层复杂，同时还要满足下井管、安装抽水设备的需要，这就要求钻机钻进口径较大（150～800mm），能适应多种钻进工艺，有足够的岩屑排出能力，回转扭矩及提升能力大，搬迁移动性好。

根据施工工艺与成井方法的不同，主要有钢丝绳冲击钻机和回转钻机两大类。钢丝绳冲击钻机依靠钻具的垂直往复运动，使钻头冲击井底以破碎岩层，此类钻机结构简单，造价低廉，是水井钻机发展历程中最为古老的机型，因没有钻井液循环系统，工效较低，目前在市场占有率很低，仅限于个体及乡镇打井队使用。近年来，随着国家找水力度和煤层气开发力度的加大及水井钻探工艺的发展，回转式水文水井钻机成为水文钻探施工的主流产品，按其结构特征可分为转盘型和顶驱型，我国的转盘式水井钻机已成为各类钻机发展变化较快的一类机型，从适应水井钻进工艺要求的角度讲，顶驱型特别是全液压动力头式水井钻机代表了当代水井钻机发展的方向。

在钻探工艺方面，水井钻探工艺技术经历了无循环静液柱护壁钢丝绳冲击钻进、清水或泥浆正循环回转钻进、泵吸反循环和气举反循环回转钻进、多工艺空气钻进以及多介质反循环钻进等发展阶段。水井钻机作为开采地下水资源的必要设备，钻机的结构和品种，随着钻探工艺发展也在不断创新变化，钻机本身不但随着施工方法而变化，其钻进效率与机械化程度也在不断提高。

1.1　水井钻机发展简史

建国前，我国没有自己的水文水井钻探设备，长期使用人力并借助竹弓弹力使锥形钻头冲击地层而钻进的原始冲击式钻机。直至解放后，才从苏联引进YKC系列钢丝绳冲击钻机，20世纪60年代初研制成功丰收系列简易钢丝绳冲击钻机。1966年前后开始研制红星-300、红星-400散装正循环转盘钻机，1974年前后研制成功了ZWY-550型反循环转盘式钻机，70年代末研制了SPC-300H型冲击回转复合式转盘钻机，改革开放后水井钻机得到迅速发展，在广泛吸收国外产品技术的基础上，结合我国的实际情况相继研制成功SPS系列、TSJ系列、RPS系列转盘式钻机，并促使全液压动力头式钻机也有了一个起步。

1.2　国内水井钻机的技术特点

我国自20世纪60年代初自行研制开发首台回转型水井钻机红星-300以来，经过近50年的发展，至今为止，中浅孔150～500m、中深孔600～1000m、深孔1500～3000m水文水井钻机均已完善，实现了进口仿制到自主研制的转变，由冲击钻机为主到回转钻机为主的转变，适用的钻井工艺方法冲击钻进、泥浆正循环钻进发展到泥浆正、反循环钻进、泵吸反循环钻进、气举反循环钻进、空气钻进、潜孔锤钻进等多种工艺方法，基本满足了国内水文水井及地热井的施工需要。

1.2.1　散装式水井钻机

目前我国比较普遍采用的还是泥浆正循环转盘式钻机，中浅孔大量使用的主要有SPJ-300型、SPS-400、SPS-600等，深水井用的较多的有TSJ-1500、TSJ-2000系列水源钻机、RPS-2500、RPS-3000型地热井钻机，其主要技术参数见表1。

①应用广泛的天津探矿机械厂及河北建勘钻探设备有限公司的中浅孔SPJ-300、SPS-400、SPS-600型水井钻机为机械式，平铺式结构布局，齿轮传动，传动路线短而有效，行星式卷扬机，带刹车机构，可实现钻具微动提升、下降，施工控制方便准确；

②石家庄煤矿机械厂生产的中深孔TSJ系列水源钻机可选配石油钻机转盘，传动为机械传动，行星式卷扬机，配备一级、二级水刹车装置，随着钻孔深度增加可加大水刹车功率，双猫头拉大钳拧卸钻具，效率高且节省钻具；

表1　国内部分散装水文水井钻机技术参数表
Table 1 Technical parameters sheet of part bulk hydrogeological water well drilling rig in China

表2　国内部分车装水文水井钻机技术参数表
Table 2 Technical parameters sheet of part vehicle mounted hydrogeological water well drilling rig in China

③张家口探矿机械厂研制的 RPS2500、RPS3000型钻机为机械传动、气动控制转盘式钻机，主要用于2 000～3 000m以内地热资源、地下水、石油、天然气的开发，钻机采用标准石油转盘，机械传动，气控操作，自动化程度较高，钻机动力由两台电动机加液力耦合器并车，深度在千米以内时，使用一台电机动力，深度超过千米后，提升钻具时两台动力机联合驱动，正常钻进时，仍可采用一台电机提供动力，节省能源，大钩提升能力大，速度快；使用标准石油大钩，双猫头拉大钳拧卸钻具，机械传动，行星卷扬，配有水刹车和制动盘水冷装置，该钻机能力介于浅层石油钻机和深层水井钻机之间。

1.2.2　车装式水井钻机

水文水井施工中除上述常见的散装钻机外，还可以看到的有自走式转盘钻机、车装式转盘钻机、全液压动力头钻机等，部分产品技术参数见表2。

①天津探矿机械厂SPC车装回转钻机系列，钻机的所有部件（包括柴油机、传动箱、转盘、卷扬机、钻塔、泥浆泵）均装在载重汽车上，钻机主操纵为机械操纵，辅助操纵采用液压控制，汽车底盘为满足客户使用需要可配用太拖拉汽车底盘、斯太尔汽车底盘、东风汽车底盘。

②河北建勘钻探设备有限公司开发研制的SPT系列拖车钻机，钻机为机械转盘式钻机，液压辅助操纵，钻机部件集成于半挂拖车上。其优势是配备了双主卷扬系统，加强钻塔承载能力，钻杆采用石油类钻杆，钻塔上部设有“环形道活门机构”，使主动钻杆通过环形道自动后退，让开孔口悬挂于塔内，接卸杆时塔上无人操作，节省了钻进辅助时间，提高钻机效率。钻机以其设备能力大、使用方便，近几年来在我国西北部地区占据了绝大部分市场。

③80年代末由勘探技术研究所和上海探矿机械厂合作研制成功了SDY-600型全液压动力头钻机，采用液压顶驱，可实现无级变速；90年代勘探技术研究所和张家口探矿机械厂开发研制了FD-300型全液压动力头车装水井钻机；宣化钻机制造厂家在吸收阿特拉斯TH-10水井钻机技术的基础上开发制造了SL-400、SL-500履带式全液压动力头水井钻机，这些都为我国发展全液压动力头式水井钻机发展起到了促进作用，是我国水文钻机的发展方向。

欧美各国在19世纪主要使用钢丝绳冲击式钻机，19世纪60年代，法国首先使用转盘回转式钻机，以后传入美国并得到迅速发展。20世纪50年代，开始发展反循环转盘回转式钻机，以后又出现了用压缩空气代替泥浆作为洗井介质的转盘回转式钻机，70年代开始发展全液压动力头式回转钻机，经过几十年的不断发展，技术水平已十分完善。

由于液压传动具有功率密度大、无级调速、自动控制、过载保护、简化结构的优点，全液压钻机已成为国外水井钻机的主流产品，钻机技术水平已经十分完善，钻进深度从400～3000m，产品多采用全液压顶驱和模块化设计，通过更换不同的执行模块满足不同的作业要求，钻机结构适应多种钻进工艺，自动化程度高，在钻进深度、设计先进性上均远远超过国产钻机。

国外对我国影响较大的水井钻机制造公司主要有：美国的SCHRAMM（雪姆）公司、瑞典的ATLAS. COPCO（阿特拉斯.科普柯）公司、德国的BAUER（宝峨）公司、韩国的大一公司等，部分钻机性能参数见表3。

表3　国内外部分全液压动力头水井钻机性能参数表
Table 3 Technical parameters sheet of part fully hydraulic top drive water well drilling rigs in both home and abroad

①钻机功能方面。我国钻机市场的主流还是泥浆正循环转盘钻机，机械操纵，设备庞大笨重，钻进工艺单一，钻进效率低，国外水井钻机采用的工艺方法多，自动化程度高，钻进速度高于国内产品。钻进高效适应多功能钻进工艺的水井钻机还是缺门产品。

②钻机结构方面。国外先进水井钻机主传动采用液压驱动，取消了主动钻杆、提吊游动系统等，使得钻机结构简化，技术成熟先进，性能大大优于国内产品。而我国只是将液压技术应用到水井钻机的辅助装置上，主结构仍普遍复杂笨重。虽然近年来全液压动力头水井钻机有了一个起步，但是由于国内工业基础水平的限制，主要是液压元件质量不高，品种规格不全，关键元件进口采购周期过长等，使我国的液压钻机还不能快速大规模发展。

③操作性能方面。国外先进的水井钻机配有显示齐全的仪表，能够随时掌握钻机钻进时工作参数，及时了解井下状况。我国的机械操纵钻机做不到这一点，钻机的使用水平还主要依赖于操作者对钻机使用的熟练程度及本人对各种地层的施工经验，钻机操作的人性化和自动化方面我们还需努力提高。

4.1　全液压动力头水井钻机的性能特点

全液压动力头式钻机由液压马达通过减速器驱动，并以沿塔架上下移动的动力头代替转盘式钻机上的转盘和水龙头，驱动钻杆和钻头旋转切削岩层。其特点是钻进速度快，钻具的装卸和下井管较简便，接长钻杆时无需提升钻具，简免了卷扬机、提升滑车、转盘、水龙头、方钻杆等一系列部件，与转盘钻机相比，具备如下优点。(www.xing528.com)

①全液压动力头是回转器、水龙头、提引器的集成，而转盘钻机必须有水龙头、转盘、提引器。

②全液压传动的动力头可实现无极调速，可满足不同的钻进工艺要求

③不需要使用方钻杆，加减钻杆及升降钻具时可节省大量辅助时间，从而提高纯钻时间，进而提高钻进效率，缩短施工周期；

④通过液压控制，可实现钻具的液压加压及减压钻进，转盘钻机不可以；

⑤可以实现回转与升降联动，方便处理孔壁垮塌，减少孔内事故；

⑥动力头钻机都是长行程给进方式，可满足多工艺钻进机械转速高的要求；

⑦机械化程度较高，每台班2人就可以完成，而转盘钻机一般需4-5人，相比而言节省了人力，降低劳动强度；

⑧钻具升降及接卸杆可实现机械化，由于动力头具有给进加压功能，下套管困难时动力头可帮助压入。

4.2　全液压动力头水井钻机的市场前景

全液压动力头水井钻机除了钻凿水井外，还涉及到煤层气井、煤矿瓦斯排放井、抢险救援井、地热井等特殊用途井的钻进。

目前国内使用的全液压动力头水井钻机大多数是从国外引进的。中国煤炭地质总局大地公司引进了美国雪姆T685WS、山东煤田二队引进了雪姆T130XD、山东煤田一队引进了阿特拉斯·柯普科集团的RD20、河南煤田豫中勘察工程公司引进了德国宝峨RB50全液压动力头式车装水文水井钻机，以及贵州地质勘察局引进了韩国大一生产的DL-500全液压动力头履带式水井钻机，都已说明全液压动力头式水井钻机国内市场潜力很大。

4.3　我国全液压水井钻机的新进展

为提升国产车装水井钻机的技术水平，实现大深度全液压水井钻机国产化，中国地质科学院勘探技术研究所开发研制了SDC-1000、SDC-1500系列多功能全液压车载钻机，并于2009年完成了样机的试制，随后的试验效果显示与同类进口钻机能力相当，钻机全液压动力头驱动，全液压操纵控制，可配套空气钻进、气举反循环、空气泡沫、液动潜孔锤钻进等，满足多功能钻进需要，钻机的试验成功，使我国的全液压动力头水井钻机国产化有了更进一步的发展（表3）。

①经过近几十年的发展，我国的水文水井钻机从无到有，形成了从150～3000m钻深能力的比较完整的转盘钻机系列，从安装型式方面，散装式、车载式、拖挂式都已齐备，基本满足了国内需要。

②国外先进的水井钻机广泛采用全液压传动，钻机结构简化，多为适应多种工艺钻进的多功能钻机；我国只是将液压技术应用在钻机的辅助装置上，现有水井钻机产品普遍为低水平机械结构，笨重复杂，钻进效率低。

③20世纪90年代研制的SDY-600、FD-300型全液压动力头钻机为我国发展多功能液压钻机起到了促进作用；正确合理的设计和使用液压系统，可提高设备的工作品质，勘探所在2009年试制成功的SDC-1000、SDC-1500大深度多功能全液压钻机，能力相当于进口同类产品，使全液压钻机国产化发展更进一步。

④为了适应不同地层钻进的需要，提高钻进效率，水井钻机正向多用途钻机及全液压传动与操纵的方向发展：即钻机配备有多种设备和附件，可采用冲击式、回转式和潜孔锤等多种钻井方式；还可采用泥浆洗井、压缩空气洗井和正、反循环洗井等方法。

⑤依靠科技进步和创新，研制多功能全液压动力头车装水井钻机，广泛采用液压技术促进钻机的机械化、自动化、智能化单元技术的开发，努力发展多功能钻机，并提高老产品的技术性能，缩短同国外先进技术的差距，是今后我国水井钻机发展的方向。

参考文献：

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[6]冯起赠.SDC-1000车装全液压钻机在煤层气施工中的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009（增刊）.

Water Well Drilling Rig Status Quo and Development Trend in China

Gao Zhanting
(Hebei Jiankan Drilling Equipment Co. Ltd.，Shijiazhuang，Hebei 050031)

Abstract：The paper has introduced development history of water well drilling rigs briefly and general situation，technical features at present. Through performance comparison of home and abroad，analyzed technological gap of rotary table water well rigs between Chi⁃na and abroad. Combined with fully hydraulic top drive water well rig technical characteristics，have advised to develop multifunction⁃al fully hydraulic top drive water well rig can greatly narrow the gap，thus the development orientation of water well rig in China.

Keywords：hydrogeological water well drilling rig; fully hydraulic top drive head; stepless speed regulation; drilling technology

中图分类号：P634.3

文献标识码：A

文章编号：1674-1803(2014)10-0065-04