国外中小口径浅层岩土钻机的多功能化

朱江龙，潘 飞

（中国地质装备总公司，北京100102；中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083）

国外中小口径浅层岩土钻机的多功能化

朱江龙1，2，潘 飞1

（中国地质装备总公司，北京100102；中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083）

本文从分析知名厂商的典型机型入手，对中小口径钻探设备如何实现多功能化进行了总结，论述了不同工艺的适用性、多机具适配、多结构的变化、多工法的嫁接等方式来实现多功能，便于国内钻探设备研制时借鉴。

多功能；多工艺；液压顶冲；潜孔锤；钻机

浅层地表的岩土钻掘，与人类生活息息相关，涉及到人居环境的方方面面，也是全球基础工程建设的主要投资方向：城市建筑的基础、公路铁路的隧道、山体基坑的边坡、水利水电的坝基、浅层能源的开采、地质灾害的治理、工程地质勘查、环境地质勘查等等。由于其适用领域的广泛性，施工环境的多样性，浅层地表的复杂性，浅层钻探的密集设计，基础建设的投资效率等等，因此，国内外所有的浅层地表钻探设备，都具备一个共性：多功能特征，以实现其高效率。

国内外众多的浅表岩土钻探设备，如何体现其“多功能”含义，实现其“多功能”模式，全球多家钻探设备制造企业有着不同的诠释和研制路线。本文选择了几种典型的“多功能”钻机进行相关的论述。

1 “多种钻进工艺”实现“多功能”

美国宝长年Boartlongyear公司的LX系列机型（LX4、LX6、LX10机型），原机型为DB520、DB525及DB540型，其外形见图1，技术参数见表1，该系列机型可适用多种钻进工艺方法：

表1 LX系列钻机的主要钻进参数

图1 长年公司LX6（DB525）机型

（1）岩心钻进（绳索取心或提钻取心）；

（2）回转钻进；

（3）螺旋钻进；

（4）空气钻进（潜孔锤钻进）。

采用以上钻进工艺，可以实现设备的一机多用途：

（1）工程勘察；

（2）取心钻探；

（3）标贯取样；

（4）微型桩孔；

（5）高压旋喷；

（6）水文钻孔；

（7）矿产勘探。

那么，长年LX系列机型又是如何实现多工艺，一机多用途呢？通过表2可以看出，长年公司通过设计回转动力头的高低档位、变量马达、马达组合以及选配不同的动力头等一系列技术路线，以获得高速回转取心钻进、低速回转DTH钻进以及大扭矩双动力头跟管钻进等不同工艺所需要的扭矩和转速要求，从而达到一机多用的“多功能”运行效果。

表2 LX系列钻机的适配动力头

2 “顶部冲击头”实现“多功能”

欧州知名企业的多功能钻机，如卡萨格兰蒂（Kasagrand）、宝长年（Boartlongyear）、土力（Soilmec）、克莱姆（Klemm）等等，其顶部冲击动力头大多配套的是德国克虏伯（Krupp）公司和欧钻（Eurodrill）公司的相关产品，见表3。

表3 克虏伯与欧钻公司液压动力头型号

在多种型式的动力头中，液压顶部冲击头较为广泛地体现其驱动钻杆冲击并回转的多功能特性，钻杆与套管都可以实现高频冲击与回转钻进，液压顶部冲击头的结构如图2和图3，部分典型液压顶部冲击头的技术参数如表4。

图2 欧钻液压冲击头

图3 欧钻液压顶部冲击头示意图

表4 液压顶部冲击头技术参数

在多功能岩土钻机的顶部动力头结构中，最能体现“多功能”特性的是顶部双动力头中的液压冲击回转－回转头double－head drilling（rotary－percussion），见图4和图5。此类复合型顶部动力头，既具备了高频冲击回转钻杆，大扭矩回转套管，内、外管回转保持不同的旋转方向，内、外管又可以保持同步，也可以在任意位置进行超前钻进，充分体现了针对浅层地表复杂地层的“多功能”特性。德国欧钻公司双动力头（液压冲击回转－回转头）的部分型号技术参数列表，见表5。

图4 欧钻公司液压冲击回转－回转头

表5 欧钻部分液压顶部冲击双动力头技术参数

图5 欧钻公司液压冲击回转－回转头图

3 “底冲钻具”（空气潜孔锤）与双回转动力头实现“多功能”

在依靠上述结构实现钻杆的顶部冲击回转与外套管的回转之外，一些专业化公司，如美国长年公司，为双回转头钻机设计了另一种“多功能”模式：外套管回转，钻杆顶部回转＋潜孔锤底部冲击的钻进模式，见图6和图7。这种通过孔底冲击钻具的配套实现的多功能模式，与顶部冲击回转钻进相比较，各自具备一定的优势，详见表6。

图6 欧钻公司双回转动力头

图7 潜孔锤钻具与双回转头的衔接

表6 液压顶锤与空气潜孔锤的优劣势比较

4 全方位变幅机构及可变桅杆实现“多功能”

表7为意大利土力（Soilmec）公司的中小型岩土钻机的应用领域，通过表7可以看出，多功能钻机的每一种基本机型都具备变幅机构，以满足不同施工环境的应用，且在附加一定的附属装置，如旋喷附件、双动力头、加长桅杆等之后，更拓展了该机型的多功能性。与土力公司相同，克莱姆、卡萨、长年等同类产品的结构型式都具有灵活机动、全方位拓展的变幅机构，见图8。

表7 意大利土力公司中小型岩土钻机应用领域

图8 多功能钻机的摆幅机构

5 “多种施工工法”的嫁接实现“多功能”

以日本矿研RPD系列钻机为例，主机结构与其他企业同类产品类似，在管棚、锚固、锚索、抢险、水井等施工中与其他钻机也没有区别。而其整机“多功能”则更多表现在主机之外的附加装置的嫁接及施工工法的延展上。如：MWD超前地质预报、PS冲击钢丝绳取心工法、防突发水和注浆止水工法等等。RPD系列钻机是通过传感器信息处理技术、注浆止水技术及钢丝绳取心技术与钻机载体设计之间的融合，实现其在铁路隧道、水电坝基建设中注浆孔、爆破孔、管棚支护钻探中的综合效能（钻注一体、钻取一体、超前预报）。

5.1 MWD超前地质预报工法

MWD工法通过钻机上安装的各种传感器，测定、分析钻机钻孔时采集到的数据（钻孔深度、钻孔速度、转速、扭矩、旋转压力、打击能、打击数、打击压力、推进力、送水量、排水量、送水压力、排水压力等），即时掌握掌子面前方的地质状况，如：岩盘软硬、有无涌水、有无空洞（溶洞）。采集到的数据和曲线图表可以即时反应在显示器上，操作员可以边观测显示器的数据变化边进行钻孔作业。钻探数据可即时保存便于后期研究。

5.2 PS冲击式钢丝绳取心工法

PS冲击式钢丝绳取心工法是将绳索取心钻心钻具在多功能钻机上的适配，可以无需拔出钻杆，在易坍塌的软弱破碎岩层中进行取心作业，而且加入冲击功能后可以实现鹅卵石和沙砾层的快速取心。

图9 MWD工法示意图

图10 PS钢丝绳取心工法

5.3 防涌、防突水和注浆止水工法

RPD钻机的钻具内部都设有单向阀，钻孔过程中可阻止地下突发水通过钻具涌出；根据不同地质条件，还配有各种型号的高压孔口止水装置。遇有高压地下水时，可采取注浆止水或排水的方法处理。

图11 注浆止水装置

综上所述，国外中小口径岩土钻机的多功能实现方式有所不同，但其基本特点，如：全液压动力头驱动、全方位变幅机构、具有顶部冲击功能等是相同的。几大知名厂商，如土力、宝峨、阿特拉斯、卡萨、长年等的产品各具特色，都已具备成熟的多功能钻机产品体系，并不断在谋求其新兴领域（油页岩）的拓展和完善。目前，国内同类产品正处于快速发展阶段，不同技术层次的多功能钻机不断在基坑、隧道、边坡、勘查、水电、抗旱、地温能等市场上推出，多数机型侧重于适用潜孔锤跟管钻进工艺方法，而针对不同钻进工艺、施工工法、适用地层、应用环境的，技术集成度较高的多功能钻机产品尚未形成系列化研制和规模化生产，希望能够从国外同类产品中得到一些借鉴。

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2012－04－04

朱江龙（1974－），男（汉族），1997年长春地质学院探矿工程专业毕业，中国地质大学钻井工程在读博士，目前任中国地质装备总公司技术中心产品开发部主任，高级工程师，长期从事钻探设备开发工作，Tel：13701073721，E－mail：zhujianglong＠cgeg.com.cn。