歐陽志強(qiáng)，陳剛，雷統(tǒng)平，譚穎，朱江龍

(1.衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，湖南 衡陽 421002；2.四川省煤田地質(zhì)局一四一隊(duì)， 四川 德陽 618000；3.中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102； 4.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100120)

XD系列電傳動(dòng)頂驅(qū)巖心鉆機(jī)的研制

歐陽志強(qiáng)1，陳剛2，雷統(tǒng)平1，譚穎1，朱江龍3,4

(1.衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，湖南 衡陽 421002；2.四川省煤田地質(zhì)局一四一隊(duì)， 四川 德陽 618000；3.中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102； 4.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100120)

為了升級(jí)改造傳統(tǒng)立軸式和液壓頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)，滿足深部鉆探和復(fù)雜地層鉆探的需要，作者將變頻電傳動(dòng)技術(shù)、高速頂驅(qū)鉆進(jìn)技術(shù)、金剛石繩索取心鉆探工藝融合為一體，先后開發(fā)了XD系列變頻電傳動(dòng)頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)。本文主要介紹了XD系列電傳動(dòng)頂驅(qū)巖心鉆機(jī)的研制過程，主要特征和配置、頂驅(qū)裝置及主要性能參數(shù)、在山東、四川和重慶等地的應(yīng)用情況和客戶評(píng)價(jià)以及需要進(jìn)一步優(yōu)化的問題。

電傳動(dòng)；頂驅(qū)；巖心；鉆機(jī)；深部

0 引言

國土資源系統(tǒng)科技創(chuàng)新大會(huì)提出“三深一土”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略，推進(jìn)科技創(chuàng)新，加快推進(jìn)地質(zhì)工作從淺部向深部轉(zhuǎn)變。增強(qiáng)深部勘查能力，支撐找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)，是地勘單位在未來一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展方向和工作重點(diǎn)。工欲善其事，必先利其器?，F(xiàn)代化勘查能力的核心在于勘查技術(shù)裝備體系的創(chuàng)新升級(jí)，深部巖心鉆探技術(shù)裝備是國家資源勘探、能源勘探、地球探索能力的最直接方法和手段。

在快速工業(yè)化發(fā)展中，將電氣化、液壓化、數(shù)字化等現(xiàn)代工業(yè)信息技術(shù)與金剛石鉆探、牙輪鉆井、空氣鉆進(jìn)等專業(yè)領(lǐng)域工程技術(shù)相融合，打造新型地質(zhì)鉆探裝備體系，為“深地探測”科技戰(zhàn)略和“能源安全”國家戰(zhàn)略的實(shí)施提供支撐，是中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司(以下簡稱“中裝集團(tuán)”)長期以來的科技創(chuàng)新主要目標(biāo)。

在持續(xù)優(yōu)化改造傳統(tǒng)的機(jī)械立軸式巖心鉆機(jī)，不斷升級(jí)優(yōu)化液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)、液壓頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)，但仍不能滿足深地、深礦、深水、深熱、深油、深鈾等多領(lǐng)域深鉆施工能力、工程效率及綜合效益的形勢下，中裝集團(tuán)自2011年開始啟動(dòng)深鉆裝備的新一輪探索與實(shí)踐，將變頻電傳動(dòng)技術(shù)、高速頂驅(qū)鉆進(jìn)技術(shù)、金剛石繩索取心鉆探工藝融合為一體，打造適用于深部鉆探及復(fù)雜地層鉆探的變頻電傳動(dòng)頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)。

1 研制歷程

1.1 探索階段

圖1 XD-35DB鉆機(jī)

2012年，中裝集團(tuán)以衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司(以下簡稱“衡陽探礦”)為生產(chǎn)基地，聯(lián)合中核集團(tuán)地礦事業(yè)部，針對(duì)中國鈾礦科學(xué)鉆探1井(CUSD-1)工程項(xiàng)目，自主研發(fā)國內(nèi)首臺(tái)XD-35DB電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)，見圖1。針對(duì)汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探4號(hào)孔(WFSD-4)，聯(lián)合成都探礦工藝研究所完成KZ-30DB電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)/轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)的研制。截止到2013年，分別完成了CUSD-1孔終孔直徑122 mm連續(xù)取心2818.88 m 和WFSD-4終孔直徑150 mm局部取心鉆進(jìn) 2338.77 m的實(shí)鉆驗(yàn)證。大型電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)式鉆機(jī)在確保3000 m以深的超深取心孔、大直徑超深孔等國家重大鉆探工程項(xiàng)目的實(shí)施中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，也獲得了理想的工程試驗(yàn)效果。

1.2 提升階段

2014年，在以上工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步優(yōu)化直驅(qū)頂驅(qū)裝置的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和適用性，結(jié)合國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(課題編號(hào)：2014AA06A607)，中裝集團(tuán)與中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所聯(lián)合研制了4000 m電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)，目前已完成試制及調(diào)試，擬進(jìn)入工程實(shí)驗(yàn)階段，見圖2。

圖2 XD-40DB鉆機(jī)

1.3 推廣階段

2014年起，為進(jìn)一步踐行電動(dòng)變頻鉆機(jī)在深孔取心鉆探工程領(lǐng)域的卓越優(yōu)勢，進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)在常規(guī)地勘單位的廣泛應(yīng)用，中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院、中裝集團(tuán)技術(shù)中心與衡陽探礦聯(lián)合研制了XD-20/30/40DB系列小型化頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)，分別滿足2000 m、3000 m、4000 m深度小口徑取心鉆探工程的發(fā)展需求，特點(diǎn)是整機(jī)功率適中、頂驅(qū)非直驅(qū)、整機(jī)成本低、配套簡潔，在取心鉆孔工程選型適配上更適合于地勘單位，見圖3。

圖3 XD-30DB鉆機(jī)

2 XD-20/30/40DB系列頂驅(qū)鉆機(jī)簡介

2.1 XD/DB系列鉆機(jī)的特征及配置

2.1.1 鉆塔

根據(jù)孔深，可選配≥70 t以上不同規(guī)格的K型或A型井架，凈空≥29 m，可實(shí)現(xiàn)高、低平臺(tái)的不同配置。

2.1.2 導(dǎo)軌

可選配油缸繃緊的兩根鋼絲繩導(dǎo)索，安裝方便；也可選配兩側(cè)井架上安裝的槽式導(dǎo)軌，增強(qiáng)中小口徑的頂驅(qū)回轉(zhuǎn)扭矩；還可選配井架后背安裝的大扭矩導(dǎo)軌，滿足10 000～40 000 Nm不同口徑鉆孔扭矩與18～27 m立根超長行程的鉆探需求。

2.1.3 主絞車

通過升降用主變頻電機(jī)、送鉆用小功率變頻電機(jī)、電磁離合器、變(減)速箱、液壓盤剎等裝置，實(shí)現(xiàn)快速提降作業(yè)和自動(dòng)送鉆作業(yè)，取消了石油鉆機(jī)常用的氣胎離合器、氣源和氣路控制系統(tǒng)，簡化控制模式，實(shí)現(xiàn)全電液控制。

2.1.4 液壓系統(tǒng)

為鉆機(jī)提供全方位的輔助作業(yè)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)加接、擰卸、提吊鉆桿，工具絞車移送鉆桿，液壓盤剎制動(dòng)及駐車等輔助動(dòng)作。

2.1.5 電氣系統(tǒng)

變頻控制房通過變頻器裝置和PLC實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的變頻控制及司鉆過程的輔助動(dòng)作；司鉆房通過旋鈕、屏幕、按鈕等實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的操作和監(jiān)控。

2.1.6 變頻泥漿泵

變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的泥漿泵，可無級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)流量和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)字化顯示。

2.1.7 工程配套體系

孔口夾持可選配加重木馬夾持器，也可選配重載液控卡盤夾持器，滿足50～127 mm口徑范圍內(nèi)、20～80 t載荷的薄壁地質(zhì)鉆桿鉆具的安全無損夾持，增加了開孔強(qiáng)制導(dǎo)向裝置；繩索絞車配有排繩機(jī)構(gòu)及繩長張力監(jiān)測系統(tǒng)；鉆桿吊卡、背鉗卡瓦、夾持器卡瓦、立根蘑菇頭等規(guī)格，滿足所有地質(zhì)、水井、石油鉆桿鉆具的配置規(guī)格需求。

2.1.8 公稱口徑

XD/DB系列鉆機(jī)為深孔適用機(jī)型，為確保設(shè)備的可靠性和能力儲(chǔ)備，性能參數(shù)中公稱孔深是以H口徑終孔為基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定的。

2.2 XD/DB系列電動(dòng)頂驅(qū)裝置

XD/DB系列電動(dòng)頂驅(qū)裝置的組成主要有：電機(jī)、水龍頭、托架、變速箱、背鉗、吊環(huán)(卡)、浮動(dòng)油缸、液壓閥組等，結(jié)構(gòu)示意見圖4。其中，電機(jī)、水龍頭、托架和變速箱實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和傳遞扭矩的功能，背鉗、吊環(huán)(卡)、浮動(dòng)油缸和液壓閥組實(shí)現(xiàn)加接單根和提下鉆等輔助作業(yè)功能。主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：雙變頻電機(jī)對(duì)稱布置、變速箱可高低擋切換、液壓卡盤式背鉗以及頂置嵌入式水龍頭。

圖4 XD-TD頂驅(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 XD/DB系列鉆機(jī)的性能參數(shù)

XD/DB系列鉆機(jī)的性能參數(shù)見表1。

3 頂驅(qū)鉆機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用情況

3.1 生產(chǎn)銷售

目前，XD/DB電動(dòng)頂驅(qū)式鉆機(jī)在衡陽探礦累計(jì)生產(chǎn)并銷售10臺(tái)套，分別用于整裝勘查、頁巖氣地質(zhì)調(diào)查、金礦勘探、煤層氣地質(zhì)調(diào)查、科學(xué)鉆探等領(lǐng)域，分布于山東、江西、四川、陜西、河北等省份，銷售情況及使用區(qū)域見表2。

表1 XD/DB系列電動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)表

表2 XD/DB電動(dòng)頂驅(qū)式鉆機(jī)的應(yīng)用情況

3.2 應(yīng)用情況

(1)XD-20DB型電動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)，山東禹城李屯鐵礦整裝勘查區(qū)，山東煤田三隊(duì)承擔(dān)工程施工任務(wù)，鉆深1430 m，施工周期為2016年6月18日～2016年9月28日，歷時(shí)100天，終孔直徑75 mm。

(2)XD-30DB型電動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)，四川雷波縣馬湖鄉(xiāng)頁巖氣地質(zhì)調(diào)查永地一井，四川省煤田地質(zhì)局141隊(duì)承擔(dān)工程任務(wù)，施工周期為2015年10月30日～2016年6月底，終孔直徑98 mm，深度1826 m。

(3)XD-30DB型電動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)，重慶市黔江頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井黔地4井，施工周期為2016年12月25日～2017年5月15日，實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)間為110 d，根據(jù)日?qǐng)?bào)顯示純鉆進(jìn)時(shí)間為1270 h，完鉆井深2258 m，終孔口徑95 mm，鉆進(jìn)過程十分順利，得到四川煤田地質(zhì)局的高度評(píng)價(jià)。

4 總體評(píng)價(jià)及存在的問題

XD/DB新型電動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)較于傳統(tǒng)鉆機(jī)，優(yōu)勢比較明顯，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)超低事故率。XD/DB系列變頻電傳動(dòng)鉆機(jī)，配以先進(jìn)的數(shù)字化操控司鉆臺(tái)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆孔內(nèi)各種鉆進(jìn)參數(shù)，司鉆人員對(duì)孔內(nèi)情況了然于胸，以數(shù)據(jù)代替經(jīng)驗(yàn)，尤其是對(duì)于鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)鉆桿、鉆頭的扭矩設(shè)定與實(shí)時(shí)查看，為確保復(fù)雜地層鉆進(jìn)的孔內(nèi)安全起到積極的預(yù)警與防護(hù)作用。在已施工的四個(gè)孔：永地1井1826 m，黔地4井2258 m，相山2818.88 m，齊河鐵礦1430 m，均未出現(xiàn)斷鉆、燒鉆等孔內(nèi)事故。

(2)安全性能高。電傳動(dòng)強(qiáng)大的過載特性，變頻控制自身特有的能耗制動(dòng)、零速懸停功能，絞車配置的液壓盤剎包含工作制動(dòng)、駐車制動(dòng)、緊急制動(dòng)，在施工現(xiàn)場發(fā)生斷電、斷液、防碰、過卷等各種異常情況下，均具備自動(dòng)和手動(dòng)剎車功能。

(3)工藝適用好。具備18 m及以上立根的長行程鉆進(jìn)、掃孔、劃眼功能，無需倒桿，對(duì)于復(fù)雜地層特別有效；快速加接單根，最大程度降低無泵循環(huán)周期，工藝性能優(yōu)越；頂驅(qū)的變速設(shè)計(jì)，具備金剛石取心鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速性能和大口徑鉆井的低速大扭矩性能；具備大深度重載鉆柱送鉆的鉆壓控制精度；卷揚(yáng)機(jī)的兩擋變頻設(shè)計(jì)，也最大程度地發(fā)揮了鉆機(jī)的起下鉆效率與事故處理能力大的雙重優(yōu)勢。

(4)整體性能好。整機(jī)模塊化便于搬遷運(yùn)輸，數(shù)字一體化集中操縱的人機(jī)關(guān)系，操作環(huán)境舒適度高，設(shè)備便于維護(hù)保養(yǎng)，電傳動(dòng)受環(huán)境影響程度低。

(5)配置標(biāo)準(zhǔn)化。變頻電機(jī)為高等級(jí)的冶金起重類變頻電機(jī)，變頻控制器均為國際品牌的工業(yè)重載變頻器，工程傳感器均為符合石油API標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，動(dòng)力及控制電纜均為高絕緣、高防護(hù)、高阻燃、帶屏蔽的特種鉆井電纜，配套的鉆桿鉆具、卡夾、擰卸、提吊工具均為標(biāo)準(zhǔn)化配置產(chǎn)品，整機(jī)產(chǎn)品制定標(biāo)準(zhǔn)操縱手冊(cè)，提供標(biāo)準(zhǔn)化的工廠培訓(xùn)和野外現(xiàn)場培訓(xùn)服務(wù)。

從多臺(tái)設(shè)備超過上萬米工程施工運(yùn)行的情況來看，出現(xiàn)問題多集中在新機(jī)型的第一次運(yùn)轉(zhuǎn)階段，如水龍頭漏漿、離合器打滑、頂驅(qū)潤滑故障、繩索絞車排繩等等，在施工過程和后期優(yōu)化過程中均得到了優(yōu)化設(shè)計(jì)和完善。其他有待進(jìn)一步解決的問題有：

(1)進(jìn)一步優(yōu)化淺孔加壓功能，尤其是定向鉆進(jìn)如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力加壓的問題，在煤層氣鉆井、地?zé)徙@井、油氣鉆井領(lǐng)域，進(jìn)一步拓展其工程應(yīng)用范疇；

(2)進(jìn)一步優(yōu)化遠(yuǎn)程信息化系統(tǒng)，完成自動(dòng)班報(bào)表生成系統(tǒng)，綜合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)；

(3)進(jìn)一步增強(qiáng)孔口自動(dòng)化系統(tǒng)，減輕孔口勞動(dòng)強(qiáng)度，增加機(jī)具配套性，縮短輔助時(shí)間，提高施工效率。

5 結(jié)語

歷經(jīng)2011年至今的設(shè)計(jì)、實(shí)踐、升級(jí)、改型、再實(shí)踐等研制過程，經(jīng)過國家科學(xué)鉆探、深部金礦勘查、深部鐵礦勘查、常規(guī)油氣地質(zhì)調(diào)查、頁巖氣地質(zhì)調(diào)查、煤層氣地質(zhì)調(diào)查等多領(lǐng)域鉆探工程10000m以上取心和全面鉆進(jìn)的實(shí)鉆檢驗(yàn)證明：電傳動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)在深孔、超深孔地質(zhì)鉆探領(lǐng)域，尤其是在深孔固體礦床復(fù)雜地層、深部煤系地層、深部油氣地層的超低事故率、安全性能、工藝適用、超低能耗、操控性能、標(biāo)準(zhǔn)化配置等方面具有明顯的優(yōu)勢。但在深孔電傳動(dòng)地質(zhì)裝備的整體發(fā)展過程中，還有很多需要進(jìn)一步適應(yīng)鉆探工藝、應(yīng)用領(lǐng)域、輔助作業(yè)多樣化及裝備規(guī)范化的升級(jí)空間，以取得更為廣闊的市場應(yīng)用效果。

2017-05-10

歐陽志強(qiáng)(1963-)，男，湖南湘陰人，衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司總工程師，教授級(jí)高工，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，從事地勘設(shè)備的研發(fā)，Tel: 0734-8320033，E-mail：technition@vip.sina.com。

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1009-282X(2017)04-0011-04