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行业动态

国内外钻井技术装备发展现状
发布时间:2022年06月10日

20 世纪 60 年代,国内外开始机械破岩凿井装备研究,大直径井筒机械破岩钻井装备主要有竖井钻机、竖井掘进机、反井钻机、斜井硬岩掘进机等类型。鉴于钻井装备性能和制造能力是钻井技术发展的关键,本文主要围绕适用不同地质条件和工程条件的钻井装备及其工程实践展开论述。

(一)竖井钻机钻井

20 世纪中期,美国休斯公司的 CSD300 型、德国维尔特集团公司的 L40 型竖井钻机代表了当时的先进水平,但材料、装备加工制造水平和经济成本制约了机械破岩凿井技术的发展。到 20 世纪末,由于采矿工业变化,多数国家此项技术的研发处于暂时停滞状态或转行到隧道掘进机等领域。

为解决我国东部富水深厚冲积层建井难题,由北京中煤矿山工程有限公司联合国内企业和高校,在国家“七五”“十五”科技攻关项目与“十一五” 科技支撑项目的资助下相继开展了钻井法凿井技术研究。在国外钻机基础上,升级改造了 L40/1000 型钻机,后续又研制了具有自主知识产权的 AS12/800 型、AD130/1000 型等大型竖井钻机装备 [12],形成了钻井直径小于 7.7 m 井筒“一钻成井”、直径 10.8 m 井筒“一扩成井”快速钻井工艺,最大钻井深度为 660 m,标志着我国竖井钻机钻井技术发展达到了新高度,处于国际领先水平。钻井法具有机械化程度高、钻进自动控制、井下无人的优势,逐步拓展应用于海上风电桩基钻井工程。中国平煤神马能源化工集团有限责任公司研制的 ZDZD-100 型全液压竖井钻机,在钻进能力、钻井直径方面处于国际先进水平,正在陕西省可可盖煤矿全岩地层进行直径 8.5 m、深度 538 m 的“一钻成井”试验。

(二)反井钻机钻井

德国海瑞克股份公司、加拿大 Redpath 公司、澳大利亚特瑞泰克国际投资有限公司一直致力于反井钻机和反井钻井技术研发,研制的 RBR900 型、 G330SP 型是目前最大型的反井钻机,设计钻井深度达 2000 m,扩孔刀盘的直径范围为 1~8 m。20 世纪 80 年代开始,北京中煤矿山工程有限公司研制了适用于稳定地层条件不同地下工程领域井筒施工的 LM 系列、BMC100~BMC600 系列反井钻机,最大钻井直径为 6 m,钻井最大深度为 592 m [13]。北京中煤矿山工程有限公司组织研制的智能控制 BMC1000 型反井钻机,设计钻井直径为 7 m,钻井深度可达 1000 m,拥有完全自主知识产权的核心设备性能和稳定的技术状态;采用模块化设计,设备外形紧凑,满足狭窄场地情况下灵活运行的要求,适用于地下工程的反井钻井。这标志着我国大直径井筒反井钻井技术和装备制造取得重大进展。

(三)竖井掘进机钻井

20 世纪 60 年代开始,美国和德国主导研究全断面和部分断面竖井掘进机。德国维尔特公司研制了部分断面竖井掘进机和 SB-VI-580/750 型上排渣竖井掘进机,海瑞克股份公司制造了悬臂截割破岩上排渣竖井掘进机并提出了大滚轮破岩上排渣竖井掘进机概念 [14~16]。美国罗宾斯公司研制了“ω” 形钻头结构的 241SB-184 型竖井掘进机,基尼公司研制了球形钻头结构的 VDS400/2430 型竖井掘进机 [17]。截至目前,国外竖井掘进机凿井直径约为 8 m、深度在 700 m 左右,但掘进速度低、相对成本高。

“十二五”时期由北京中煤矿山工程有限公司承担国家“863”计划项目的“矿山竖井掘进机研制” 课题,研制出了国内首台(套)MSJ5.8/1000/1.6D 型竖井掘进机,该机采用锥形全断面钻头破岩和导井式下排渣方式。2020 年,采用首台(套)下排渣竖井掘进机开展了云南省以礼河水电站钻井工业性试验,完成钻井深度为 282.5 m、导孔直径为 1.4 m、掘进直径为 5.8 m 的出线竖井工程 [18]。中铁工程装备集团有限公司研制的 SBM/1000 型全断面硬岩竖井掘进机,采用全断面刀盘破岩和机械排渣方式,2021 年年底完成了浙江省宁海抽水蓄能电站竖井工程工业性试验,钻井深度为 198 m、钻井直径为 7.83 m。中交天和机械设备制造有限公司研制的“首创号”超大直径硬岩竖井掘进机,采用全断面刀盘破岩和半淹井流体排渣方式,2021 年年底在新疆 尔自治区天山胜利隧道 2 号竖井始发,设计钻井直径为 11.4 m。相关产品的研制和应用,标志着我国基本掌握了竖井掘进机技术体系。与此同时, 2021 年科学技术部组织并立项了“千米竖井硬岩全断面掘进机关键技术与装备”重点专项。国内城市用下沉式竖井掘进机(VSM)装备处于设计研发阶段,依靠进口 VSM 设备和技术服务导致成本居高不下。2020 年,我国引进的德国海瑞克股份公司 VSM12000 型沉井式竖井掘进机,采用了部分断面截割破岩和潜入式泵吸反循环排渣,完成了南京市建邺区沉井地下车库项目,最大开挖深度为 68 m,钻井直径为 12.8 m。

(四)斜井掘进机钻井

全断面硬岩隧道掘进机(TBM)已逐渐成为城市地铁、铁路隧道、引水隧洞等基础设施建设的重要设备,不仅解决了普通钻爆法危险性高、劳动强度大等问题,而且一定程度上解决了综掘机破岩能力不足、硬岩掘进效率低的问题。根据统计结果,采用 TBM 的掘进速度可达到钻爆法的 3~10 倍,为综掘法的 2~8 倍,体现了减人提效、安全可靠、经济环保的优势。我国 TBM 施工技术主要是用于平巷或隧洞开挖,而国外较多开展了 TBM 斜井工程实践,TBM 斜井钻井直径通常为 3~10 m,上坡角度大于 37°,下坡角度小于 30°,最大钻井长度为 1010 m。据不完全统计,全球有 85 个斜井项目采用了 TBM 施工,其中 60 余个为抽水蓄能电站的斜井项目 [19]

我国在大坡度、长距离、深埋深等复杂条件下 TBM 斜井建设领域的应用处于起步阶段。国家 “十一五”科技支撑计划示范工程“盾构施工煤矿长距离斜井关键技术研究与示范”,采用中国铁建重工集团研制的单护盾 TBM 掘进机掘进神东补连塔煤矿 2 号副井,5.5°连续下坡,TBM 掘进长度为 2718.2 m,开挖直径为 7.62 m,平均月进尺为 546 m。2021 年,陕西延长石油(集团)有限责任公司可可盖煤矿主副斜井采用中国铁建重工集团股份有限公司研发的 ZTT7130 型敞开式全断面 TBM 掘进机进行施工,主斜井设计倾角为 5.6°,TBM 掘进 5040.9 m,掘进直径 7.13 m;副斜井设计倾角为 6°,TBM 掘进 5041.3 m。这是目前国内煤系地层 TBM 掘进的最长距离 [20]

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