地质岩心钻机发展方向分析(张伟)

1、关于我国地质岩心钻机发展方向的分析中国地质调查局汶川地震科学钻探工程中心张 伟 目前以及在可以预见到的将来，在地质钻探施工中得到应用的岩心钻机主要有两种，一种是立轴式钻机，另一种是全液压动力头钻机。目前在我国占主导地位的是立轴式钻机。动力头进入市场不久，但已显示出蓬勃发展的势头。 我们面临的问题是：我国的地质岩心钻机应该朝什么方向发展？地质岩心钻机的世界发展趋势20世纪二十年代，出现了螺旋给进钻机。20世纪三四十年代，液压式立轴钻机进入地质钻探市场。除了液压式立轴钻机之外，曾经还有手把式钻机和转盘钻机。这些钻机由于在技术性能和对钻进工艺的适应性方面不如立轴钻机，而逐渐被淘汰。在全液压动力头钻机

2、问世之前，液压式立轴钻机是地质钻机市场的主角。 自20世纪六七十年代起，随着液压技术的发展和液压元件质量的提高，出现了液压驱动和控制的顶驱式动力头钻机，瑞典阿特拉斯公司率先推出了泰美克系列钻机，宣告岩心钻机新时代的到来。全液压动力头钻机以其所具有的一些独特优点，自问世以来很快得到地质钻机市场的青睐，明显地撼动了液压立轴式钻机的王者宝座。 从钻探工作的大市场来看，顶驱式动力头钻机的产量和市场占有率呈明显增长的趋势仍在继续，可以说它将主宰地质钻机制造业的未来;但另一方面又必须看到，在固体矿产钻探这一重要领域，不仅目前市场占有的主要机型仍为立轴式钻机，而且从西方一些公司生产的不同类型钻机更新年限的统

3、计资料看，国外学者认为立轴式钻机在该领域内的有效使用至少仍要保持15一20年。（宋翔雁：浅析地质岩心钻机发展趋势，1992） 目前在发达国家立轴式岩心钻机已经被全液压动力头钻机所取代，各大钻机公司的各种宣传媒介上已经基本上看不见立轴式岩心钻机的踪影。Atlas Copco Christensen CS1000 P6L钻进深度：B 规格钻杆 1370 mN 规格钻杆 1070 m H 规格钻杆 730 m P 规格钻杆 400 m功率 : 131 KW 阿特拉斯澳大利UDRKL100型钻机类型: 直升机, 多功能钻深: HQ225 mNQ350 mBQ475 mRC60 m x 76 mm钻杆

4、运载方式: 车式，履带式，滑撬式重量:2250 kg特征:KL100型钻机是一种滑撬安装式，直升机运动移动的取芯/回转钻机，模块拆卸后可以由直升机直接运输。这种紧凑型设计适于在不易接近地区的钻探作业。UDR 300D型钻机类型: 深孔金刚石取芯钻机钻深: PQ1153 mHQ1582 mNQ2325 mBQ3023 m运载方式: 车式, 履带式，滑撬式重量: 4000kg特征: UDR300D型钻机是UDR系列取芯钻机的最新成员。这是一种动力强大、设计紧凑的深孔钻机。 这种钻机配有钻杆自动处理器，无需人工搬运钻杆，提高了生产率，改善了安全状况。长年LF90钻机钻深mBQ(55.6)1160NQ

5、(69.9)940HQ(88.9)640PQ(114.3)420主卷扬提升力 kg7258提升速度 m/min53容绳量 mm/m23绳索卷扬能力 kg 993速度 m/min433容绳量 mm/m1890给进行程 m 1830推进力 kg5585起拔力 kg7860钻探角度 90-30发动机功率 kw149动力头四档转速 rpm122-1250扭矩 Nm5322-519卡盘通孔直径 mm127公路配置重量 kg5656最大部件重量 kg 917发动机部件HYDRACORE 4000钻机动力 200马力钻进深度 m：BQ1524NQ1067HQ457PQ457加拿大HYDRACORE钻机钻机型

6、号购置年代 XY-4Longyer28LF-70CS1000P6LCS1000P6LF-90B-30HCS14LM-75钻 探工作量（m）1998年以前115001998年1130002002年50002003年1170002004年12360002005年31400002006年1160000合计13台套（张林霞：国内地质钻探市场和地质钻探技术应用现状研究）华锋钻探公司设备引进及年钻探工作量增加对比问题： -为什么在发达国家立轴式钻机被全液压动力头钻机所取代？ -为什么华锋这样的专业钻探公司要用动力头钻机，而不用立轴式钻机？我国地质岩心钻机的发展历史 上世纪六十年代研制成功立轴式岩心钻机。

7、上世纪70年代-90年代研制过全液压动力头钻机，并做出了样机。由于当时我国的液压技术水平低，钻机性能不佳，加之维修水平低和钻机成本高，没能进一步推广。 本世纪开始以来，开展了新一轮全液压动力头钻机研制攻关。2006年，在国家科技攻关项目和地质大调查项目的联合支持下，勘探技术研究所与天和众邦勘探技术有限公司率先在国内推出具有实用水平的YDX-3型1000m全液压动力头钻机。钻机一经问世，在市场上受到了广泛的关注和欢迎，至今销售情况良好，还出口到澳大利亚、俄罗斯和伊朗等国家。 山东探矿机械厂、连云港黄海探矿机械厂、张家口探矿机械厂、衡阳探矿机械厂等也纷纷推出了全液压动力头钻机产品，还有许多单位正在

8、研制具有不同钻深能力的全液压动力头钻机。 我国多家单位已经完成2000m以内全液压动力头钻机系列的研发。YDX-3型全液压动力头钻机（勘探技术研究所提供）中装集团 XD-5型全液压动力头岩心钻机连云港黄海机械厂 XYDX-5和XYDX-6型钻机山东省地质探矿机械厂XDL-5A型履带式全液压动力头岩心钻机问题： 从长远来看，我国到底应该是发展立轴式钻机，还是全液压动力头钻机？ 为了回答我国地质岩心发展方向问题，有必要对两种类型的钻机进行全面的对比评价。评价的基本要素应包括： -施工效率 -施工质量 -施工成本 -施工安全性 -钻机适应性 -处理事故能力施工效率的对比液压动力头钻机与立轴钻机的比较

9、液压动力头钻机立轴钻机给进行程 (m)30.6机械钻速 (m/h)1.81.5回次长度 (m)2.82.5起钻间隔 (m)5045起下钻速度 (m/h)170510钻进总时间 (h)556667起下钻总时间 (h)12449捞岩心总时间 (h)177197额外倒杆总时间 (h)0133钻进施工总时间 (h)8571046液压动力头钻机比立轴钻机节省钻进施工时间22.1%注：只考虑钻进、起下钻和打捞岩心时间不同钻机1000m钻进施工时间比较(软岩)液压动力头钻机立轴钻机给进行程 (m)30.6机械钻速 (m/h)1.31.1回次长度 (m)2.82.5起钻间隔 (m)3027起下钻速度 (m/h

10、)170510钻进总时间 (h)769909起下钻总时间 (h)19874捞岩心总时间 (h)175196额外倒杆总时间 (h)0133钻进施工总时间 (h)11421312液压动力头钻机比立轴钻机节省钻进施工时间14.9%注：只考虑钻进、起下钻和打捞岩心时间不同钻机1000m钻进施工时间比较(硬岩)钻孔深度（m）钻进施工时间（h）动力头钻机比立轴式钻机节省时间动力头钻机立轴式钻机500382492 28.7%10008561046 22.2%150014211657 16.6%200020792326 11.9%两种钻机在软岩中施工时间比较 钻孔深度（m）钻进施工时间（h）动力头钻机比立轴式

11、钻机节省时间动力头钻机立轴式钻机50051055421.7%10001154118013.8%1500191618828.7%2000282526523.3%两种钻机在硬岩中施工时间比较 动力头钻机不用钻塔，可明显节省施工时间并降低人工成本，在交通不便地区尤为突出。动力头钻机搬迁一般只需要1-2天时间。立轴式钻机搬迁一次一般需要4-7天。 动力头钻机可节省施工操作人员。 山东探矿机械厂研制的XD-3钻机2006年在山东省莱西市寺庄矿区进行生产试验。钻进的地层主要为钾化花岗岩，可钻性7-9级。主要采用75金刚石绳索取心钻具，钻至668.49m终孔。 获得的技术指标：平均台月效率770m，平均时效

12、2.45m，分别比同矿区其他型号钻机提高28.5%和22.5% 。（侯庆国：XD-3型全液压动力头式岩心钻机的研制与应用 ，2007）钻机总进尺(m)平均孔深(m)台月效率(m/台月)平均时效(m/h)纯钻 时间辅助 时间孔内事故时间设备维修时间LF-904694.50 938.90 770.35 2.48 43.2%51.0%5.2%0.6%YDX-35955.51 744.44 636.95 1.86 47.5%45.9%1.0%5.6%立轴式钻机6512.59 930.37 518.10 1.73 41.6%45.7%11.2%1.5%新疆黄山铜镍矿区不同钻机施工效率比较（马德义等:不同

13、类型岩心钻机在黄山铜镍矿钻探施工效果对比 ,2008）施工质量的对比 动力头钻机是长行程给进，一个回次钻进过程中工作平稳。而立轴式钻机立轴式钻机在一个回次中要倒杆4-5次。倒杆时可能造成岩心断裂，加大岩心堵塞的机率，岩心采取率会因此受到影响。在破碎地层，以上因素的影响尤为明显。因此动力头钻机的岩心采取率和岩心质量要优于立轴式钻机。施工成本的对比黄山镍矿不同钻机施工每米成本分析钻机总进尺（m）柴油成本(￥/m)综合成本(￥/m)XY-5 386856362YDX-3518434332LF-90 558546363新疆第六地质队马德义提供，2008注：综合成本考虑了钻机和钻杆摊销之外 的所有费用立

14、轴式钻机与动力头钻机每米施工成本比较钻机台月效率(m/台月)8年进尺(m)设备价格(￥)综合成本(￥/m)钻杆成本(￥/m)钻机成本(￥/m)总成本(￥/m)XY-5 500320003500003624011413YDX-36254000012000003324030402LF-90 7254640024000003634052455注：YDX-3比XY-5 台月效率高25%，LF-90比XY-5 台月效率高45%。 钻机费用摊销按8年算，每年按钻进8个台月算。 钻探合同价格，￥/m 动力头钻机8年总进尺，m 立轴式钻机8年总进尺，m 动力头钻机每米总成本，￥/m 立轴式钻机每米总成本，￥/

15、m动力头钻机的经济性优于立轴式钻机的判别准则 将不同钻机的每米总成本和8年总进尺数据带入以上计算公式，可以得出结论：当钻探合同价格高于358￥/m时，采用YDX-3型动力头钻机比XY-5型立轴式钻机经济性要好；当钻探合同价格高于548￥/m时，采用LF-90型动力头钻机比XY-5型立轴式钻机经济性要好。 问题：与立轴钻机相比，动力头钻机成本高、装机功率高，哪么动力头钻机何以能取代立轴钻机？ 答案：动力头钻机施工效率高，它在单位时间内比立轴钻机多打进尺获得的费用足以支付比立轴钻机多支出的设备摊销费和燃料费，因此施工成本比立轴钻机要低。动力头钻机能够取代立轴钻机的原因钻机适应性的对比 与立轴式钻机

16、相比，动力头钻机的转速范围宽，能够进行无级调速，能更好地满足不同钻进工艺方法如金刚石取心钻进、反循环连续取心（取样）钻进、定向钻进等的要求。 动力头钻机需要的钻进场地更小；能更方便地施工不同倾角的钻孔；更加容易地实现钻进参数监测和控制。钻机施工安全性对比 动力头钻机是长行程连续给进，不用倒杆，减少了孔内事故发生的几率。在破碎地层，尤为明显 。 动力头钻机的回转钻进过程更加平稳，也对减少孔内事故有利。 动力头钻机可减少设备安装导致的机械事故，减少高空作业的风险，尤其是斜孔施工。钻机处理事故能力的对比 同样深度能力的动力头钻机的起拔力比立轴式钻机的小，因此动力头钻机处理孔内事故的能力比立轴式钻机弱

17、。结 论 根据理论计算和实际应用的结果可得出结论：全液压动力头钻机在施工效率、施工质量、事故率、适应性和轻便性等方面，都要优于立轴式钻机。随着我国现代化程度的提高、液压元件质量提高和成本下降以及人力成本提高，动力头钻机相对立轴式钻机的对比优势会进一步加强。因此，从长远地看，全液压动力头钻机是我国地质岩心钻机的发展方向。动力头钻机的起下钻问题 动力头钻机的最大弱点是：提钻立根短，起下钻速度慢。 钻孔较浅时，起下钻时间占施工总时间的比例小，该问题不突出。 对于深孔施工，起下钻时间占施工总时间的比例明显增加，应该采取措施予以解决。采用不同立根长度时的起下钻总时间对比钻孔深度（m） 立根18m(510

18、m/h)立根9m(260m/h)立根6m(170m/h)5000.581.17 1.79 10002.13 4.17 6.38 15004.83 9.5014.54 20008.33 16.3325.00 250017.534.352.5单位：天不同深度的钻孔施工时间分解起下钻速度500m/h提钻间隔30m回次长度4m机械钻速1.5m/h不同深度的钻孔施工时间分解起下钻速度260m/h提钻间隔30m回次长度4m机械钻速1.5m/h不同深度的钻孔施工时间分解起下钻速度170m/h提钻间隔30m回次长度4m机械钻速1.5m/h起下钻速度500m/h提钻间隔30m回次长度4m机械钻速1.5m/h25

19、00m钻孔施工时间按孔段分解2500m钻孔施工时间按孔段分解起下钻速度260m/h提钻间隔30m回次长度4m机械钻速1.5m/h2500m钻孔施工时间按孔段分解起下钻速度170m/h提钻间隔30m回次长度4m机械钻速1.5m/h 在钻孔较浅时，液压动力头钻机比立轴式钻机在施工效率方面有明显的优势，随着钻孔加深，这种优势逐渐减小，原因是随着孔深加大动力头钻机的起下钻时间增加较快。 为了解决动力头钻机在深孔钻进时起下钻速度慢、时间长的问题，有专家提出为深孔动力头钻机配钻塔，实现长立根起下钻。此外，有钻塔和塔衣的钻机可为钻机操作人员提供一个较好的环境，有利于进一步提高施工效率。 中国地质装备总公司和安徽313地质队 联合研制的带塔液压动力头钻机FYD-22002010年6月，该钻机以2706.68m的深度创造了国产金刚石绳索取心钻进的孔深纪录。动力头钻机施工不同深度钻孔时 起下钻时间占施工总时间的比例 从多深的钻孔开始，应该为液压动力头钻机配置钻塔？ 立轴钻机无塔液压动力头钻机带塔液压动力头钻机机械钻速 (m/h)11.21.2回次长度 (m)2.52.82.8起钻间隔 (m)273030起下钻速度 (m/h)400170400不同钻机施工时间的比较-1立