水平定向钻机.docx

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水平定向钻机

水平定向钻机综合分析

水平定向钻机（第一部分）

◊徐工研究院张启君

概述

水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施（管道、电缆等）的一种施

工机械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土、卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工。

工作环境温度为-15C〜

+45C。

水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一

起的一项施工新技术，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设施工工程中。

水平定向钻进设备，在十几年

间也获得了飞速发展，成为发达国家中新兴的产业。

目前其发展趋势正朝着大型化和微型

化、适应硬岩作业、自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自动润滑、防触电

系统等自动化作业功能、超深度导向监控、应用范围广等特征发展。

该种设备一般适用于

管径$300〜$1200mm的^钢管、PE管，最大铺管长度可达1500m,适应于软土到硬岩多种土壤条件，应用前景广阔。

下面因此对水平定向钻的研究意义十分重要！

1水平定向钻机的相关产品与关键技术及分类

1.1国内外相关产品的发展特点

国内有徐工的ZD1245/ZD1550/ZD2070/ZD25100系列水平定向钻机，ZD系列水平定向钻

机在国内首次采用了电液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节

能、防触电报警等多项先进技术。

在钻杆自动装卸钻杆、自动锚固、自动润滑、自动钻进

和回拖、触电保护等方面具有创新点，主要技术性能指标达到了国外同类产品的先进水平，

在提高工作效率，安全防护，减轻劳动强度等方面居国内同类型产品的领先水平。

为目前

国内技术最先进，自动化程度最高的钻机。

中国地质科学院勘探技术研究所、连云港黄海

机械厂、北京土行孙非挖技术有限公司生产的DDW80、DDW100、DDW200系列水平定向钻、中联重科、深圳钻通公司生产的ZT10,ZT12、ZT15、ZT20系列水平定向钻。

在以

上的国内钻机中目前以徐工的ZD系列水平定向钻机的配备为最好，该系列产品在国内首

次采用了电液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电

报警等多项先进技术。

在钻杆自动装卸钻杆、自动锚固、自动润滑、自动钻进和回拖、触

电保护等方面领先，主要技术性能指标达到了国外同类产品的先进水平，在提高工作效率，

安全防护，减轻劳动强度等方面居国内同类型产品的领先水平。

国外的DitchWitch公司

是世界上生产非开挖定向钻机较先进的公司，具有先进的控制技术和良好的通讯设备，技术

性能先进、操作性能良好，目前生产的系列产品有JT520、JT920L、JT1720MI、JT4020

Ml、JT7020MI和广普型钻机JT2720AT、JT4020AT等中小型钻机。

DitchWitch的钻孔资料处理系统，可进行钻孔轨迹设计，进行相关钻孔数据的记录。

其中DitchWitch公司JT27

20/JT2720M、JT4020/JT4020M型定向钻是其在我国销售的主导产品。

VERMEER公司是世

界上另一非开挖设备的著名生产厂家，其水平定向钻机从迷你型钻机到大型钻机有多种型

号，主要有：

PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、D18*22、D24*26、D24*40、D33*44、D40*40、D50*100、D80*120、D100*120、D150*300、D200*300、D300*500等；美国CASE公司生产的60系列五种型号，美国凯斯公司是发展水平定向钻产业较晚的公司，产品有凯斯6010、凯斯6030等型号的新型定向钻，但生产的产品性能先进，尤其是在PL

C控制，自动更换钻杆等方面有其独特的先进性和优越性。

其中凯斯6030型定向钻是其在

我国销售的主导产品，主轴最大扭矩5423N.m，主轴三速旋转，最大进给力与回拖力均为13.6T，满载钻杆整机重量7.8T，可满足一般施工工程的需要。

典型的施工工程有上海信息

港工程、黄埔江工程等。

另外，生产水平定向钻机的国外公司还有美国的AUGERS公司，

INGERSOLL—RAND公司，德国的FLOWTEX、HUTTE公司，英国的POWERMOLE、STEVEVICK公司，瑞士的TERRA公司，加拿大的UTILX公司和意大利的TECNIWELL公司等。

目前国外水平定向钻的产品大都具有以下几个技术特点：

主轴驱动齿轮箱采用

高强度钢体结构，传动扭矩大，性能可靠；全自动的钻杆装卸存取装置；大流量的泥浆供应

系统和流量自动控制装置；先进的液压负载反馈，多种电气逻辑控制系统，高质量的PLC

电子电路系统确保长时间地工作可靠性；高强度整体式钻杆以及钻进和回拖钻具；快速锚固定位装置；先进的电子导向发射和接收系统。

综合国外水平定向钻机的特点，主要有：

1）中小型定向钻机多采用橡胶履带底盘，具有自行走功能，减小对人行道和草坪的损坏。

带

钻杆自动装卸装置，可方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率；大型钻

机带随车吊，便于吊装钻杆；

2）系列化程度高，从2T到600T,适合不同口径和长度，各类地层的施工；具有多种硬岩施

工方法，如泥浆马达、顶部冲击、双管钻进，能进行软、硬岩层的施工。

3）液压系统采用电液比例控制技术，或负荷传感系统，液压元件采用了国际先进成熟的产品；

4）应用先进的PLC控制和电液比例控制技术，主要实现四个方面的自动控制功能：

自动钻

进，自动回拖、自动锚固，和行走时的无级变速控制和转向控制，自动化程度高。

5）作业安全和舒适，具有驾驶室，具有无线（或有线）导向控制系统、地下电缆与管道探测技

术、防触电安全保护技术、远程控制紧急停机技术等安全措施，确保机器和人员的安全。

6）先进的钻进规划设计软件：

如VERMEER公司的ATLASBOREPLANNER软件和美国

十方公司的DRILLSMART软件等，专为HDD（水平定向钻进）施工而开发，可根据施工要求和资料，模拟生成设计施工路线和报告。

国内外同类技术及厂家比较表如表1、表2下：

表1国内外同类技术比较表

CASE6030沟神JT2720

最大回拖/进给力

136/136120/120

（KN）

108/108

动力头最大扭矩

（Nm）

|5423|

13660

5415

主轴最大转速|

（r/min）|

|215

威猛D24X40A

徐工ZD1245

徐工ZD1245

122/108

4500

1自动装卸钻杆

I有|

1~有~

1无1

|最大钻进长度（m）|

1300I

II3001

13001

|300|

|300|

自动锚固

有|

II有1

1有1

1无1

1有|

表2国内外同类厂家比较表

主要产品

已形成系列

北京土行孙

公司

中联重科

连云港黄海

机械厂

廊坊华元机

电

凯斯（美国）

Ditch

Witch（美国）

VERMEER

公司

DDW80、DDW100、DDW150、DDW200、

DDW250、DDW320

ZT-8、ZT-10、ZT-15、ZT-20、ZT-25

KSD15、KSD25

回拖力8~36吨

CASE6010、CASE6030、CASE6060、

CASE6080、CASE60100、CASE60120

JT920、JT1720、JT2720、JT4020、JT702C

PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、

D18*22、D24*26、D24*40、D33*44、

化、批量化,

年产量已达

160余台

已形成系列

化，批量化,

年产量已达

130余台

已批量生产,

年产量达20

余台

已形成系列

化，批量化,

年产量已达

50余台

主要从事大

型定向钻机

的生产，已形

成小规模

批量进口，年

销量20~30

批量进口，年

销量20~30

批量进口，年

销量20~30

拖式、自行走式均有,液控，钻杆手工装卸,无自动化

拖式、自行走式均有,液控，钻杆手工装卸,无自动化

自行走，动力系与主机两单元体，干湿两用，

全负荷敏感控制，英国技术，回拖力15〜25

拖式、自行走式均有,液控，钻杆手工装卸,无自动化

行走方式拖式，液压

系统进口，动力系统与

主机两单元体，回拖力

在80~300吨

电子控制，自动化程度高，动力强劲，可靠性

高。

电子控制，自动化程度

最高，动力强劲，可靠性高；钻岩技术先进,

注重人身保护

电子控制，自动化程度高，动力强劲，可靠性

目前的规模

1.2水平定向钻机分类

按照水平定向钻机所提供的推拉力和扭矩的大小，可将定向钻机分为大、中、小型三大类。

各类钻机的主要性能参数和应用范围见表3

表3水平定向钻机分类

1.3水平定向钻的关键技术

1.3.1中空动力头

中空动力头的设计的实现：

中空动力头是水平定向钻的关键作业部件，其可靠性及质量的好

坏将直接影响整机的正常使用，该部件应实现钻进和输送泥浆的功能，同时要考虑齿轮的润滑，泥浆输送系统的密封等。

动力头一般由低速大扭矩马达驱动减速机，由减速机驱动减速箱机构，由减速箱输出轴驱动钻杆转动，输出轴中空，输出轴一端接有旋转接头，通

过旋转接头注入泥浆。

另外目前在国内市场上12到15吨级的水平定向钻机，进口的主要有美国凯斯公司的6030、威猛公司的D24X40A、沟神公司的JT2720，国内厂家有北京土

行孙的DDW-150、连云港黄海的FDP-15、深圳钻通的ZT-15、徐工集团的ZD1245等。

其

国内外动力头性能参数对比见表4:

从上面的动力头的性能参数对比来看，国内动力头在推拉力、旋转扭矩、转速及泥浆通流量等参数基本相同，国外各厂家为了适应不同的用户

市场，主要参数各有所差别，有的侧重于大的旋转扭矩，有的侧重于大的推拉力。

一般而

言，最大输出扭矩的多少决定了钻机扩孔能力的大小，最大拉力的大小决定了拖拉管道的

长度。

事实上如果扩孔质量好，钻机不需要很大的拉力就能将管线拉动。

还应清楚动力头

采用的中、低速液压马达驱动，驱动方式；目前主要有三种：

选用通孔式低速大扭矩马达

直接驱动，泥浆直接从中间通孔输入，输出轴直接连接钻具。

此种方式受液压马达的限制，仅限于小型钻机中应用；选用低速大扭矩液压马达经齿轮箱驱动，根据回转扭矩的需要可以由一个液压马达驱动，也可以由两个、甚至是三个液压马达驱动。

液压马达可以在齿轮箱的前后对称，也可以环绕输出轴成环形或扇形布置。

马达有选用法国波克兰公司的径向

柱塞马达，如CASE、威猛的钻机；由于摆线马达价格较低，国内厂家多选用摆线马达。

齿轮箱一般需一级齿轮减速。

此种方式应用较普遍；液压马达通过减速机再经齿轮减速箱驱

动。

液压马达为高速马达，可以是一个或两个，减速机选用行星齿轮减速机。

齿轮箱一般需两级齿轮减速。

由于高速马达、行星减速机比较成熟，二者结合使动力头的转速范围更

宽，且其价格和低速大扭矩方案差不多，径向尺寸相对较小。

表4国内外动力头性能参数对比表

1.3.2导向定位

采用无线或有线探头发射装置及地面接收显示装置，探测深度一般为10~15M，且可