劉凡柏， 高鵬舉， 任啟偉， 沈懷浦， 臧臣坤， 李文秀， 湯小仁， 伍曉龍， 高明帥

(1.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000; 2.中國地質裝備集團有限公司，北京 100102)

1 概況

隨著我國經濟規(guī)模的不斷擴大以及人口的持續(xù)增長，對石油、天然氣、鐵、銅、鉻、鉀鹽等礦產資源的需求急劇增加，對深部勘探技術提出了迫切需求。新的成礦理論研究及深部定位預測驗證結果，顯示我國礦產資源地殼深部找礦潛力巨大，有望取得重大找礦突破。以科學研究為目的的鉆探工程大多鉆遇地層復雜、鉆探深度大、均需全孔取心，且在目的層取心率比礦產勘探的還要高，對深孔巖心鉆探裝備及技術提出了更高的需求。因此，開展4000 m地質巖心成套技術裝備研究，對提升我國的鉆探技術水平，滿足資源勘探的迫切需求是非常必要的，對于緩解目前資源短缺制約我國經濟發(fā)展的“瓶頸”、發(fā)現(xiàn)新的礦產地、實現(xiàn)資源產業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義。為此，在經過充分論證后，2014年由科技部批準立項，在資源環(huán)境技術領域重大項目“深部礦產資源勘探技術”下設立“4000 m地質巖心鉆探成套技術裝備”研究課題，課題編號為：2014AA06A607，其主要研究內容之一就是進行4000 m地質巖心鉆機的研制。

2 國內外研究現(xiàn)狀

國內固體礦產勘查巖心鉆機主要是20世紀70年代發(fā)展起來的機械立軸式鉆機，鉆探深度一般在3000 m以內，大大落后于先進工業(yè)國家的巖心鉆探水平?！笆濉?、“十一五”期間國內多家研究機構、生產廠家完成的2000 m以內新一代系列化全液壓動力頭鉆機，也是適用于小口徑中深孔(2000 m以內)地質金剛石取心鉆探，但在進行超深孔、更大口徑、復雜地層勘探時，已有鉆探裝備在施工時存在施工效率低、周期長、能耗大、成本高、勞動強度大等共性問題,不能滿足深孔巖心鉆探科學、安全、高效的需求。中國地質裝備集團有限公司在直驅電傳動地質頂驅鉆進系統(tǒng)方向做了一系列的探索，2012年研制的XD35DB型電傳動分體式頂驅創(chuàng)造了當年P口徑2818.88 m的國內取心鉆探記錄。

西方發(fā)達國家無論是在新設備研制上還是在新工藝方法的應用上都有了突飛猛進的發(fā)展。國外地質礦產勘查用鉆機已大量采用全液壓高轉速動力頭式鉆機，具有無塔升降鉆具、長行程給進、取心效果好、鉆探效率高等優(yōu)點，鉆進深度一般在3000 m以內，少數(shù)幾個機型鉆深超過4000 m，但存在著采購使用成本高、深孔鉆進效率低等問題。國外金剛石繩索取心技術水平很高，南非采用繩索取心鉆進最大深度達到5422 m，其采用的繩索取心鉆桿材質好，鋼級高，使用壽命長，應用效果好，但進口價格較高。

國內外常規(guī)的石油鉆機也可用于巖心鉆探，其回轉系統(tǒng)有轉盤回轉及頂驅回轉兩種型式，均是低速大扭矩輸出，最高轉速200 r/min左右，不適用于金剛石鉆探工藝的需求。其配備的升降系統(tǒng)與高井架可進行長立根提下鉆，在進行深孔鉆進時提下鉆效率高。交流變頻電傳動系統(tǒng)與機械傳動系統(tǒng)相比具有系統(tǒng)能耗小，運行經濟性好，穩(wěn)速精度高，運行可靠，參數(shù)穩(wěn)定，調試簡便，維護方便等優(yōu)點，在綠色勘探的今天得到越來越多的應用，交流變頻電傳動替代機械傳動已成為必然趨勢。

3 總體技術方案

頂驅作為當今深部油氣鉆井的先進設備，可以直接從井架上部旋轉鉆柱進行超長行程的復雜地層鉆探，降低深孔鉆探事故的發(fā)生幾率；其輔助作業(yè)系統(tǒng)可進行自動加減單根、立根、起下鉆等作業(yè)，大大減少輔助作業(yè)時間，提高鉆進效率。因此4000 m地質巖心鉆機回轉系統(tǒng)要采用頂驅系統(tǒng)，主要是在高轉速下進行取心鉆進。同時為了應對不同的工況需求，在井架底部應設計有轉盤回轉系統(tǒng)，可進行大扭矩低轉速鉆進。深孔巖心鉆進一大特點是施工周期長，為減少施工時間，鉆機升降系統(tǒng)應能進行長立根提下鉆，為此設計的鉆機塔架應能滿足長立根提下鉆的要求。根據(jù)國內外巖心鉆機發(fā)展趨勢，鉆機的電傳電控系統(tǒng)應采用目前國際先進的全數(shù)字交流變頻技術及自動化、智能化控制技術、計算機控制技術、現(xiàn)場總線通訊和程序控制技術等，實現(xiàn)回轉系統(tǒng)的無級調速和司鉆的智能化控制，實現(xiàn)對鉆井參數(shù)和電器參數(shù)的顯示、儲存、傳輸、打印，實現(xiàn)鉆井作業(yè)的數(shù)字化、智能化、信息化、網絡化的控制和管理。

4 主要結構及特點

4000 m交流變頻電驅動地質巖心鉆機(三維效果及實物外形見圖1)采用H規(guī)格鉆具鉆深能力4000 m，主要由垂直起升式井架、底座、天車、游車大鉤、電頂驅、電驅轉盤、電驅主絞車與自動送鉆系統(tǒng)、電驅繩索取心絞車、液氣系統(tǒng)、VFD房、司鉆室、電驅泥漿泵等組成，另外配套齊全了液壓吊卡、吊環(huán)、吊鉗、氣動卡盤、液壓錨頭、動力鉗、水龍頭、倒繩機、地面高壓管匯系統(tǒng)、防墜器、安全帶等附屬設備與安全器具。該鉆機以400 V電源為源動力，采用全轉矩控制、機械化作業(yè)、數(shù)字化操作的工作模式，融機、電、液、氣、電子及信息化于一體，滿足金剛石繩索取心、沖擊回轉、定向鉆進、反循環(huán)連續(xù)取心(樣)等多種深孔地質鉆探工藝要求，可廣泛應用于地質勘探、水文水井、煤田、油氣田勘探等施工領域。

圖1 4000 m地質巖心鉆機三維效果及實物外形

4.1 井架平臺

通過調研、收集資料，研究設計了一種新型的垂直起升的鉆塔井架結構?？傮w上由天車、井架、底座、二層臺4大部分組成。K形井架，金屬桁架結構，共分七段，采用液壓油缸鏈條倍速給進機構實現(xiàn)井架分段垂直升降。在鉆井過程中，用于安放和懸掛提升系統(tǒng)，承受鉆具重力，存放鉆桿或鉆鋌等，承載能力為135 t。垂直起升鉆塔具有可顯著地減少鉆探現(xiàn)場征用土地、安全性高、技術含金量大等優(yōu)點，另外鉆機5 m高的前場平臺為井口安裝井控設備、泥漿回流管等提供了充?？臻g。

4.2 電驅繩索取心絞車

主要由交流變頻調速電機、減速機、電磁離合器、鉗盤制動器、卷筒、智能排繩機構等組成。采用交流變頻驅動與控制，實現(xiàn)轉速的無級控制；具備盤剎制動與能耗制動雙制動模式，可實現(xiàn)安全制動與零速可靠懸停；采用電磁離合器與盤剎結合，可實現(xiàn)絞車的無動力可控自由下落，降低能耗與生產運營成本，深孔時取心操作節(jié)能效果更加顯著；智能排繩機構通過PLC及人機界面控制伺服電機回轉，經行星減速機減速后驅動梯形螺桿旋轉，帶動排繩小車完成排繩，同時完成繩速、張力、下入孔深等數(shù)據(jù)的實時記錄，大大延長了鋼絲繩壽命，降低生產運營成本，可適用不同規(guī)格直徑的鋼絲繩。其三維圖見圖2。

4.3 主絞車

圖2 繩索絞車三維圖

創(chuàng)新一體化集成設計400 kW大功率提下鉆系統(tǒng)與15 kW小功率送鉆系統(tǒng)于主絞車一身，大功率升降系統(tǒng)在進行提下鉆作業(yè)時可提高作業(yè)效率，小功率送鉆系統(tǒng)在正常鉆進時可有效降低能耗，減少成本，實現(xiàn)了深部礦產資源綠色勘查。該絞車由主電機、送鉆電機、主減速機、送鉆減速機、氣胎離合器、聯(lián)軸器、盤式剎車、卷筒、機架等主要部件組成，使用液壓盤式剎車為應急剎車與駐車剎車，電機制動電阻能耗制動為主要剎車，實現(xiàn)鉆具的懸停，運行安全可靠，其整體組裝后的三維效果見圖3。

圖3 主絞車三維圖

4.4 電頂驅系統(tǒng)

電頂驅系統(tǒng)主要由直驅電機、水龍頭、主要承載機構、擺管上卸扣裝置、滑車、液壓傳動與控制系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)幾大部分組成，具有回轉、泥漿循環(huán)、加接單根、起下立根、擰卸絲扣等綜合功能。電頂驅采用低速大扭矩交流變頻電機直接驅動，在0～600 r/min間可無級調速，有利于以金剛石鉆進為主體的各種高效鉆進工藝對轉速的選擇；其液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)頂驅平衡、背鉗提升、背鉗夾緊、吊環(huán)擺臂、吊環(huán)自垂、液壓吊卡開合等功能，可大幅度降低勞動強度、提高鉆進時鉆井操作的安全性、降低輔助工作時間、提高鉆進效率。其三維效果見圖4。

圖4電頂驅三維效果圖

4.5 電驅轉盤

采用ZP175型轉盤，通過萬向軸與變頻電機連接，由變頻電機直接驅動，結構進一步簡化；頂驅與轉盤兩種回轉方式共用一套變頻控制器，通過旋鈕來切換，從而減少電控系統(tǒng)的成本，有利于以后產業(yè)化、市場化。其三維效果見圖5。

圖5 轉盤系統(tǒng)結構

4.6 電傳動及電控系統(tǒng)

根據(jù)地質巖心鉆機的特點，確保系統(tǒng)的安全性、可靠性、整體性、先進性和實用性，充分發(fā)揮變頻傳動系統(tǒng)和網絡技術優(yōu)勢，系統(tǒng)采用西門子公司S7-300可編程序控制器、ABB ACS880系列變頻器、Profibus工業(yè)網絡及智能操作單元構成鉆機一體化控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)如圖6所示。

圖6電控系統(tǒng)圖

(1)系統(tǒng)電源采用交流400 V AC和690 V AC雙電源母線方案，保證一體化控制系統(tǒng)的電源電壓及頻率的穩(wěn)定，降低電纜數(shù)量及重量，現(xiàn)場使用便利。

(2)電傳動系統(tǒng)采用ABB ACS880系列全數(shù)字直接轉矩控制電壓型交流變頻調速裝置“1對1”方式驅動，滿足鉆井工藝對電傳動的要求。

(3)根據(jù)鉆機負荷，采用制動單元和制動電阻代替輔助剎車，滿足鉆進工藝要求，實現(xiàn)各回轉系統(tǒng)平穩(wěn)減速。

(4)通過Profibus-DP現(xiàn)場總線控制技術，可實現(xiàn)對系統(tǒng)各主要裝置和鉆井參數(shù)的采集、處理、遠程數(shù)據(jù)傳輸通訊、監(jiān)視和控制。數(shù)據(jù)經處理后在司鉆電控臺上進行顯示，并可通過綜合柜的工控機進行記錄和打印。

(5)MCC供電回路設計滿足4000 m鉆機各工況要求。MCC單元采用快速連接器和電纜，滿足快速安裝移運要求。

(6)VFD房(圖7)內放置絞車、轉盤/頂驅、自動送鉆、取心絞車、泥漿泵變頻驅動柜各1套，以及PLC綜合柜、進線開關柜、MCC供電柜、電源母線及轉盤/頂驅切換柜各1套，集成度高，便于運輸。

圖7 VFD房實物

(7)司鉆房(圖8)內安裝有電視監(jiān)控系統(tǒng)、司鉆操作系統(tǒng)、通訊對講喊話系統(tǒng)、以及環(huán)境調節(jié)系統(tǒng)等。司鉆房和外部信號及電源連接均采用快速連接器連接，司鉆電控臺具有鉆機操作和顯示報警的齊備功能。

(8)自動游車位置控制系統(tǒng)通過編碼器、控制器可以對游車運行高度進行全過程監(jiān)控，當游車超過安全區(qū)域，系統(tǒng)自動控制游車減速和軟停，有效地防止游車上碰下砸事故的發(fā)生，提高鉆速及鉆進質量。

4.7 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是鉆機的輔助系統(tǒng)，為了避免液壓系統(tǒng)間的相互干擾，液壓系統(tǒng)設計為3個不同的系統(tǒng)：一是盤剎液壓系統(tǒng)，由電機單獨驅動，所需流量小，采用恒壓變量系統(tǒng)，盤剎動作時反應時間短，工作更可靠。二是電頂驅液壓系統(tǒng)，專門給電頂驅上液壓動作提供動力油源，也是采用恒壓變量系統(tǒng)，減小電頂驅液壓動作的反應時間。三是鉆機的輔助液壓系統(tǒng)，主要用于起升井架、動力鉗工作、液壓貓頭伸縮、巖心打撈架收放等輔助性動作。該系統(tǒng)采用負荷敏感控制系統(tǒng)，可根據(jù)不同工況要求提供不同的壓力與所需的匹配流量，便于現(xiàn)場操作，安全可靠，液壓系統(tǒng)原理見圖9。

圖9鉆機液壓系統(tǒng)原理

5 主要技術參數(shù)(見表1)

表1 4000 m巖心鉆機主要技術參數(shù)

6 生產應用情況

4000 m交流頻電驅巖心鉆機的生產應用結合中國地質調查局部署的地調項目“京津石地熱資源調查”和“天津潘莊凸起構造區(qū)地熱資源調查”，在天津東麗湖地區(qū)進行地熱調查井(CGSD-01井)的施工(圖10)，施工單位為河北省煤田地質局二隊，生產試驗鉆進時間為2017年11月20日-2018年4月2日。CGSD-01井于2017年11月20日開鉆，通過該井施工，摸清天津東麗湖地區(qū)深部熱儲的地質結構與空間分布、物性特征，獲取系列地熱-水文地質參數(shù)，評價深層地熱資源及其可利用性，在此基礎上，實施深部熱儲實時監(jiān)測，獲取長周期批量監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)深部地熱監(jiān)測的技術突破，初步建立中深層地熱資源勘查-開發(fā)-監(jiān)測-科研示范基地，支撐中國地質調查局地熱能源勘查開發(fā)工程技術中心的建設。

圖10 CGSD-01井施工現(xiàn)場

生產應用期間，CGSD-01井開孔孔徑660.4 mm，采用?127 mm普通石油鉆桿、?660.4 mm鉆頭，完成鉆探工作量80 m，下入?508 mm的套管80 m，然后進行固井；一開?444.5 mm鉆深達到1469.53 m，下入?339.7 mm套管1467 m，期間進行了多次定深取心，完成了測井、固井等一開的全部工作。二開?311.2 mm鉆深達到2258.83 m，超過該鉆機額定鉆深能力25.44%。整個試驗歷時123 d，累計正常取心20回次，取出?105 mm的巖心總長超130余米(圖11)，巖心采取率>90%，達到了地質取心要求。整個生產應用期間，鉆機工作正常，現(xiàn)場的鉆工認為該鉆機技術含量高，操作簡便，安全性與可靠性高，使用成本低，鉆機的主要技術性能得到初步驗證。

圖11 部分取出的巖心

7 結語

4000 m地質巖心鉆機可滿足礦產資源勘查“攻深找盲”和“探尋第二找礦空間”戰(zhàn)略以及深部地球科學研究的需求，其研制是一項高技術、創(chuàng)新性的研究工作，項目成果填補了國內相關技術產品的空白，有效提高了我國資源勘探的深度，與物探、化探等技術共同形成適合我國固體礦產資源特點的深部勘探技術體系，提高了我國地質鉆探技術整體水平。成果的推廣應用必將產生系列重大勘查成果，有效拓展資源勘查空間，快速發(fā)現(xiàn)一批新的礦產地，滿足我國經濟社會高速發(fā)展對資源的需求，為國家重大戰(zhàn)略計劃的實施提供了有力技術保障。

4000 m地質巖心鉆機為多功能鉆探裝備，既可用于深孔巖心鉆進，也可用于我國淺部石油勘探，以及新興能源如煤層氣、頁巖氣、干熱巖等的勘探，既可以打叢式井，又可以鉆進定向孔，因此，該鉆機將有非常大的潛在市場，技術成果應用轉化的前景良好。