国内外煤层气钻机

我国煤层气井用钻机概况(2009年)

1)国内的钻机

国内煤层气参数井、生产井使用的钻机人多是煤硐地质勘探钻机、水文水井钻机和小型石油钻机。如：TK.3魁立轴钻机、TSJ.1000型水源钻机、TSJ.2000钻机、GZ-2000钻机、ZJ20/1350石油钻机等。部分科研单位为适应煤层4I勘探开发的需要研制了一些新产品，主要是仿制和改进现有钻机，这些钻机从结构、性能参数及对施工煤层气井的适应性等方面来讲，还不尽如人意。

小型石油钻机实例：

本钻井工程为煤层气产能井钻井工程，工程甲方为晋煤集团蓝焰公司以及中石油华北油田沁水盆地煤层气勘探开发公司。井身结构：全井分一开、二开，一开深度20m-50m（达到基岩10m以下），孔径311.15mm；二开至完井，孔深400m-1200m，孔径215.9mm。目的与任务，获取目的煤层的埋深、厚度、煤岩及煤质特征，为后期产气提供基本参数依据。

2）坑道钻机

我国煤矿坑道钻探作业的主导机型为全液压动力头式坑道钻机。具有钻进效率高、工艺适应性强、操作安全、解体性好、易搬迁等特点。目前，国内全液压动力头式钻机的生产厂家较多，钻进能力从几十米到上千米，已形成多个系列。

ZDY6000LD(A)型履带式全液压坑道钻机

ZYL-6000全液压坑道钻机。

钻进示意图

配套钻杆

◆

目前煤矿井下所用的钻杆种类主要有外平钻杆、螺旋钻杆两种。 外平钻杆是最常用的一种类型，适用于井下常规钻进作业和稳定组合钻具

定向钻进。现有的规格主要有φ42，φ50，φ63·5，φ73，φ89 mm等，具体钻杆参数及配套钻头见下表。

螺旋钻杆主要用于满足松软煤层钻进和本煤层大直径救援孔的排粉需要。

螺旋钻杆接头形式多采用插接方式。可方便处理钻进过程中因塌孔、喷孔、掉块等形成的卡钻、埋钻等孔内事故。目前常用的规格主要有:φ78，φ88，φ100，φ110，φ130 mm等。

叶片式螺旋钻杆、浅槽螺旋钻杆两种。

晋城赵庄矿50 mm×1 000 mm的浅槽螺旋钻杆

叶片、插接式螺旋钻杆

配套钻头

煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工钻头一般以硬质合金和金刚石复合片(PDC)钻

头为主。硬质合金钻头一般只适用于本煤层、泥岩等低硬度地层的浅孔施工，目前大多数煤矿为提高钻进效率、节省起下钻时间，一般都采用PDC钻头。

多级组合钻具：主要用于严重突出煤层。主要原理是采用小口径钻头开孔、

逐级扩孔钻进的方法,分层次、阶段性逐级释放瓦斯,既保证了钻头钻进的稳定性,又减少了一次成孔瓦斯突出或喷孔事故的发生。组合防突钻头一般由三级组成,第一级钻头直径最小,然后通过组合接手将2个逐级增大的扩孔钻头组合在一起。常用的级配形式主要有φ59 mm/φ75 mm /φ94 mm和φ75 mm/φ94 mm /φ113 mm两种组合形式。

国内转盘钻机

① TK-3型钻机

TK.3型钻机是石家庄煤矿机械有限责任公司生产的机械传动、液雎给进的立轴式钻机，该钻机除了地质勘探外，也可用于金属、非金属矿床的岩心钻探以及水文地质勘查和工程施工钻进。煤层气勘探开发兴起后，TK.3型钻机也用于煤层气井钻进。它既适应于硬质合金钻进，又可用于会刚石钻进。该钻机效果图如图21所示。

表2.1TK-3型钻机主要技术参数表

②TSJ—1000型水源钻机

TSJ一1000型水源钻机是石家庄煤矿机械有限责任公司生产的一种转盘式钻机。具有结构紧凑、传动平稳、操作方便、安全密封性能好，可机械拧卸钻具等特点。适用于打水源、水文、矿井开发建设以及其他工程的大口径钻孔。

该钻机实际效果图

② TSJ一2000刮钻机

主要用于水源、中浅层石油、天然气，煤层气、地热等钻探。它具有机械传动、转盘回转、重心低、传动平稳、坚固耐用、操作安全、密封性能好、钻机布局合理、便于维修保养等特点。实际效果图如图所示。

③ GZ-2000型钻机

该钻机适用中浅层油井和深层冷热水的开发.也适用于天然气、盐井钻进、煤层气开采等工程。钻机具用机械传动，转盘回转，重心低、传动平稳，密封性能好.钻帆布局介理、便于维修保养等特点。效果图如图所示

2、国内车载钻机

①MD-750型履带式煤层气多功能钻机

MD-750型履带式煤层气多功能钻机是我公司在40余年来在钻孔机械研发、生产制造、实践的基础上，根据国内煤层气勘测开采的特点并结合国外煤层气开采的先进经验、理念，在设计中广泛征求施工单位的意见，而最新研制开发的具有自主知识产权的国内首台新型煤层气多功能钻机，较国外钻机相比结构简捷、性能优越、性价比好，是一款更适合中国国情的煤层气钻机。该钻机主要应用在煤层气开采、浅层石油的钻探、石油井的修井、地热水井施工、并可满足国内超深孔岩心孔的勘测钻进，也可用与工程抢险、矿山通风孔、排水管道的施工。

主要技术特点：

1. 主机采用全液压驱动、履带式底盘、越野性强，可适应多种复杂道路的进出场施工，爬坡能力强，运营成本低。

2. 主机动力采用两台柴油双动力配置，既可同时工作又可单独运行，大大提高了施工的安全性。

3. 钻机机架采用三角平动机构，增加了桅杆的稳定性。

4. 钻臂采用桅杆顶升链条倍速机构，结构简洁缩短了运输长度，增大了工作行程。

5. 动力头采用可翘式结构，最大翘升角度80°；同时动力头采用浮动主轴结构，还可平移850mm，方便钻杆的退卸。

6. 钻机回转采用低速大扭矩马达驱动，启动效率高，最大扭矩可达34000N.m，最高转速170r/min。

7. 独特的油管排列随动系统，排列整齐无干涉。

8. 井口采用远距离液压操作，并配钻杆卸扣装置。

9. 主机配有随机吊车，方便现场施工，减轻了施工人员的劳动强度。 10. 独立的操作工作室，可远距离操作，施工环境优越。 钻机主要技术参数

②HMC-800型车载式钻机

HMC-800型车载式煤层气多功能钻机是连云港黄海机械股份有限公司40余年来在钻孔机械研发、生产制造、实践的基础上，根据国内煤层气勘测开采的特点并结合国外煤层气开采的先进经验、理念研制的全液压车载煤层气钻机。该钻机主要应用于煤层气开采、浅层石油、天然气的钻探、石油井的修井、地热水井施工、并满足国内超深孔的勘测钻进需要，也可用于工程抢险、矿山通风孔、排水管道的施工。

主要技术特点

1. 主机采用全液压驱动、汽车专用底盘、通过能力强、移动迅速方便、运输成本低。

2. 钻臂采用桅杆顶升钢丝绳倍速机构，结构简洁，缩短了运输长度，增大了工作行程，动力头行程达15米，方便各种工艺施工。

3. 动力头采用可翘式结构，最大翘升角度85°，方便钻杆的退卸。 4. 钻机回转采用低速大扭矩马达驱动，运行效率高，最大扭矩可达20KN·m，最高转速170r/min，并且可以根据用户工艺需求配置不同参数的动力头。

车载钻机参数

ZJ20型煤层气钻机车（三节井架）是根据国内煤层气开发的需要而开发的新产品，也适用于山区油气田的钻井作业。与国内外相同井架高度、相同钻井深度的同类钻机相比，除具有一般钻机车的优点外，该机型通过采用自主开发的三节井架专利技术，将整车长缩短了30%，使车辆转弯半径更小，具有良好的道

路通过性能。底盘驱动形式为10×8，采用重负荷车桥和越野轮胎，越野能力强，适合丘陵、山区的路况行驶。

◆煤层气、山地油田钻修作业专用机型； ◆采用三节伸缩井架，车身缩短30%； ◆10×8加强型底盘，越野能力强；

◆配备应急动力源。 ④OC5510TZJ15/800Y钻机

OC5510TZJ15/800Y钻机车是一种将液压顶驱动力头钻机，安装与10х6汽车底盘上的车载钻机。可满足压缩空气钻井，泡沫钻井和泥浆钻井的钻探工程的施工。具有机动性好、作业效率高、钻孔质量好、低污染等特点。适用于煤矿区地面瓦斯抽采井施工、浅层石油及水文水井的施工，也可用于矿山抢险钻探施工。该钻机配备美国寿力可移动式双工况空气压缩机系统。

钻机车主要技术参数

南阳二机集团充分依托国家级企业技术中心的研发优势，继成功研制出MZJ15/900煤层气钻机投放市场后，新近又研制生产出MZJ10/400煤层气钻机，为我国煤层气钻机生产再添新品。该钻机具有良好的移运性，采用全液压传动和控制系统，动力充足、运行可靠、控制准确；直立无绷绳井架、无需地锚，稳定可靠，该机型钻机只需2个人便可进行钻井作业，减轻了劳动强度，提高了作业效率；配备有大排量高压空压机和泡沫泵，可以实现空气钻井、泥浆钻井、泡沫钻井。

2)国外煤层气钻井

国外煤层气钻井普遍采用空气钻井工艺，以美国为代表，其90％的开发井是用空气或泡沫进行钻井和完井，采用小型车载钻机和普通石油钻机，配备空压机等设备，并与空气锤配套使用，效果显著。

由于车载钻机能够适应不同钻探工艺，具有机动性强、搬迁、运输方便、现场就位准确便捷、自动化程度较高、劳动强度低、工作效率高等特点，在国外煤层气钻井作业中得到广泛应用。

由于国内还没有开发出专门用于煤层气钻井的钻

机，且煤层气水平井需要较高的提升吨位，特别是需要项驱加压给进，国内同样也没有对应型号的轻便设备，因而采用了带顶驱的大型石油钻机进行施工，造成施工成本居高不下。所以一部分单位为提高施工效率，降低成本，相继进口了美国、德国和意大利等国生产的、提升能力在50t左右的车载顶驱全液压多功能钻机，主要有：美国雪姆公司T130XD、T685WS钻机，德国宝峨公司RB40、RB50钻机，阿特拉斯RD20钻机，意大利钻力公司G系列钻机等。目前，我国引进的部分车载钻机分布如表。

(1)雪姆公司车载钻机

美国雪姆SCHRAMM钻机公司是著名的全液压车载钻机生产商及设备制造商之一。公司总部位于美国宾西法尼亚州的西切斯特，专业生产车载钻机。目前，美国雪姆公司年生产销售车载钻机140多台。在全球100多个国家中，拥有4000多位用户和6000多台钻机设备。尤其在煤层气的主要开采国里，雪姆钻机的使用亦更为普遍。公司仅在澳大利亚就有400多台设备，而在美国和加拿大的占有量也达到了近75％。公司在澳大利亚设有合资厂，在全球29个国家和地区设有销售技术服务中心，在中国北京设有办事处。美国雪姆公司已成为世界车载钻机领域的技术领导者和主要供应商。

国内引进的雪姆公司车载钻机主要有T130XD、T685WS两种型号，其实际效果图如图所示，

雪姆T130XD钻机

雪姆T685WS钻机

雪姆T130XD、T685WS

主要技术参数表

T130XD钻机是美国雪姆公司推出的高技术含量产品。它采用伸缩桅杆技术，直接采用液压桅杆升举和下放钻具，突破了钻探机械行业“大能力设备大型化"的传统。该钻机的主要优点如下：①设备整合度高、自动化程度高、工作方便快捷；②采用多回路、全开环、全自动保护的液压系统，设备可靠性好；③采用伸缩桅杆技术，钻机尺寸更小、能力更大；④采用倾斜桅杆技术，可以实现开孑L斜打；⑤采用动力头锁定装置，方便钻定向井、水平井；⑥可实现反循环钻进、跟管钻进等多种钻进工艺。

(2)宝峨公司车载钻机

宝峨集团旗下PRAKALA公司于1921年在德国汉诺威成立，2007年加入宝峨集团，是目目前欧洲第一大车载钻机制造商。其生产的PRAKALARB50、RB40深井钻机适应于煤层气参数井和生产井、深水井、矿山抢险救援井、地质勘察、地热开发等。

德国宝峨PRAKALARB50、RB40车载钻机技术特点如下：①采用汽车发动机PTO作为钻机液压系统的动力，“甲板”发动机仅作为空压机的动力，可以大大减低柴油消耗；②动力头为三级动力头，可根据不同的直径、钻井工艺、用途选择动力头的扭矩和钻速的组合。RB50动力头最大扭矩可达31000N·m，可满足大直径孔的需要。动力头最大转速可达330～400r/min

，可以满足绳索取心的需要；③

动力头内通径为150mm，并配有压缩空气入口，在钻杆内可以放入一根压缩空气管，因此可适用于气举反循环钻井工艺，适合较大直径的钻孔施工；④动力头可以一侧为轴，水平方向旋转移开，以便安装大直径的护简。动力头还可以翘起到水平位置，仅需一人即可装卸钻杆，大大减少了钻孔的辅助时间；⑤当载荷在15t以内时，采用油缸控制的滑轮组系统控制动力头的给进与提升。当载荷超过15t时，采用主卷扬机、滑轮组、重型吊钩系统提升和下放动力头，这套系统还配备了专门用于调节钻压的系统，可以有效的、定量地控制钻压，为钻井施工提供了可靠的保证；⑥可进行定向钻进、水平钻进。

洲南缘中公司引进的德国宝峨车载钻机在山西施工

河南煤田地质局引进的德国宝峨车载钻机在施工工地

宝峨RB50、RB40车载钻机参数表

(3)阿特拉斯车载钻机

阿特拉斯一科普柯公司总部位于瑞士首都斯德哥尔摩，2004年其成功收购了美幽英格索兰钻机事业部，成立阿特拉斯辛普柯钻探产品部。国内引进的主要为美国阿特拉斯-科普柯公司的RD20车载全液压动力头顶驰钻机。

(4)钻力DRILLMECG75、G55车载钻机

意大利钻力公司隶属意大利特莱维股份公司，是专业钻井设备制造商。G系列钻机是意大利钻力公司按钻井工业市场特殊需求而专业设计、生产的浅.深层井钻机。目前，国内已引进和即将引进的主要为G75和G100两种型号。

意大利DRILLMECG75、G100车载钻机参数表

5.国内普通钻机与进口车载钻机主要差距及原因分析

1）结构与设计上的差距

现用立轴及转盘钻机与国外车载全液压动力头顶驱钻机相比，从结构与设计上来说存在以下差距。

(1)回转系统

立轴式回转器采用悬臂安装，结构尺寸受到一定的限制，回转器通孔直径较小，不能通过粗径钻具，提下钻时回转器需要让开孔口；回转器不能兼做拧卸工具，需要另外配备拧管机。

转盘式回转器导向性差，变角范围小，且转盘的密封性能差。

而国外车载全液压动力头顶驱钻机，采用移动式回转器，具有：导向性好，可实现全方位钻进；回转器采用液压马达驱动，可以实现无级调速；与孔口夹持器配合，可以实现拧管机械化和自动化；具有较长的给进行程，可以实现连续钻进；在动力头上安装振动、冲击装置，可以实现复合式多功能钻进。

由煤层气井地质及钻井工艺要求，用于煤层气钻井的钻机回转器要能提供低转速、大扭矩，能配套粗径钻具，最好能实现无级调速。因此，立轴及转盘式回转器不如移动式回转器优越。

(2)给进系统

转盘式钻机采用主动钻杆给进机构。这种给进机构的不足是：不能准确控制给进参数；功能较少；劳动强度大；工作可靠性差。

立轴式及车载全液压动力头顶驱式钻机采用液压给进机构，与转盘式钻机的机械式给进机构相比，具有能较准确地控制和调节给进力和给进速度；能够利用液压仪表反映和显示孔内情况；工作安全可靠：功能齐全；操作方便省力：便于集中控制和远距离操作等优点。

因此，立轴式钻机及国外车载全液压动力头顶驱式钻机所采用的液压给进机构能更4煤层气井现用钻机性能分析好地适合煤层气钻井的需要。

(3)液压系统

转盘式钻机通常不采用液压系统。

立轴式钻机的液压系统一般为定量系统，其执行机构少，系统结构简单，传统的功率小，大多数都采用单泵(定量泵).单系统。由于钻进时，向前给进钻具、快速倒杆和前后移动钻机等情况下，系统所需的流量相差较大，向前给进钻具的时间长，而这种系统只能采用溢流阀，溢流调速和节流调速。因此，系统功率损失和发热量较大。

全液压动力头顶驱钻机的动力装置是液压马达或液压马达加机械变速箱。机械变速箱的作用是扩大液压马达的调速范围。故回转器转速和转矩的调节，实质上是液压马达的输出转矩和转速的调节。现用全液压动力头顶驱钻机采用变量马达变量系统，提供的功率大，可无级调速，扭矩大。

2）钻进能力上的差距

钻进能力上的差距，主要体现在以下几个方面：

(1)钻进速度

国外车载全液压动力头顶驱钻机钻进速度通常比目前国内使用的普通立轴及转盘钻机钻进速度要快得多。

(2)钻杆与煤层气井直径配套

钻杆直径直接影响回转器和升降机的能力与尺寸，以及回转钻进和提升钻具所需的功率。钻杆直径的选择主要与孔深、孔径和钻速有关。钻孔越深，孔径越大，所配的钻杆直径越大。当孔径大钻杆直径小时，钻杆在孔内易弯曲，造成工作条件恶化，不仅影响钻进速度和质量，也易引起孔内事故。煤层气井井身结构通常为：一开311.1mm，二开215.9mm。根据钻杆直径与钻孔直径级配关系，适合煤层气井钻孔的钻杆直径以114mm或127mm为宜。

对比现用钻机配套钻杆直径，可知全液压动力头顶驱钻机配套钻杆更适合煤层气井施工作业。

（3）工艺适应性上的差距

目前，国内煤层气井用普通钻机通常采用水基钻井液常规钻井工艺，虽然采取了一些保护煤层的措施，但现场实施时往往考虑井下安全因素而提高钻井液密度，使煤层保护效果差。美国的经验表明，欠平衡钻井技术是开发煤层气最有效的手段之一。对我国这种特低渗、低压煤层更应考虑空气(泡沫)等欠平衡钻井技术的应用，减少过平衡压力对煤层渗透率的损害，最大限度地降低工程技术对煤层气产出的阻碍。要采用空气(泡沫)钻井技术，最重要的是配备空压机等设备，但现用立轴及转盘钻机通常不能配备空压机，故不能采用空气（泡沫)钻井技术。

水平井能极大地提高煤层气采收率，因此越来越多的煤层气井将采用这种技术。通常，用于煤层气水平井施工作业的钻机需要较高的提升吨位，特别是需要顶驱加压给进，国内现在还没有对应型号的轻便设备，因而采用了带顶驱的大型

石油钻机进行施工，造成施工成本居高不下。所以一部分单位为提高施工效率，降低成本，相继进口了美国、德国和意大利等国生产的、提升能力在50t左右的车载项驱全液压多功能钻机。而引进的国外车载全液压动力头项驱钻机，配备有顶驱，可以施工水平井、定向井，可以满足目前比较先进的空气钻井、氮气钻井、雾化钻井、充气泡沫钻井、充气钻井液钻井的需要。

4）其他方面的差距

(1)为适应地貌开阔条件、集装程度较高的煤层气钻机研制虽然已经起步，但如何使其拆成便于公路运输的小块组件尚未考虑(即模块化)

(2)机械化、智能化进程滞后，水平较低，既影响钻机钻井速度和井身质量的提高，同时也影响在市场上的竞争力。

(3)各部件之间的合理配置还有待优化。各部件的配置不合理现象既增加一次性投资，也因匹配不当造成燃油消耗过大。

(4)国产底盘性能不过关，国外能达到载重大、体积小，而国产钻机为增大载重，不得不增大体积，导致生产成本高、也不能适应煤层气勘探开发区域的道路要求。而且为了保证质量与可靠性，普遍采用小钻机装大部件，或整体上加大动力储备，大量使用进口元器件，如柴油机、直流电动机、液压泵、液马达、控制阀、编程控制器等，虽然提高了整机可靠性，也大大增加了制造成本。

(5)煤层气钻机如何体现健康、安全与环保要求的自觉性还有待加强。

5）产生差距的原因分析

(1)重视不够。目前，大部分单位或使用国产水源钻机、石油钻机进行煤层气勘探开发，或引进国外车装钻机，对研发适合我国煤层气勘探开发的钻机的不太重视，寄希望于现有钻机，阻碍了煤层气钻机的研制。

(2)技术基础薄弱。可供钻机使用的国产基础件品种少，质量差，尤其是用于高移运性钻机的高速柴油机、液力机械换挡箱、小节距多排链、轴承等基础件不过关，使钻机结构及性能打不到设计的要求。

(3)设计理念落后。重主机轻配套的观念还没有根本改变。配套系统依然靠引进关键设备与技术支撑局面；钻机各个系统合理配置未受到重视，重硬件轻软件的倾向严重制约了钻机的发展。

(4)消化不力。引进国外先进技术后，在消化吸收上所做的工作还太少，再加上技术改造资金短缺，致使独创技术很少，另外制造技术与设备陈旧，劳动生产率低，零件加工工序多，使产品质量很难再上新的台阶。