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(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000; 2.中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102)

1 概況

隨著我國經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及人口的持續(xù)增長，對(duì)石油、天然氣、鐵、銅、鉻、鉀鹽等礦產(chǎn)資源的需求急劇增加，對(duì)深部勘探技術(shù)提出了迫切需求。新的成礦理論研究及深部定位預(yù)測(cè)驗(yàn)證結(jié)果，顯示我國礦產(chǎn)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(xué)研究為目的的鉆探工程大多鉆遇地層復(fù)雜、鉆探深度大、均需全孔取心，且在目的層取心率比礦產(chǎn)勘探的還要高，對(duì)深孔巖心鉆探裝備及技術(shù)提出了更高的需求。因此，開展4000 m地質(zhì)巖心成套技術(shù)裝備研究，對(duì)提升我國的鉆探技術(shù)水平，滿足資源勘探的迫切需求是非常必要的，對(duì)于緩解目前資源短缺制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”、發(fā)現(xiàn)新的礦產(chǎn)地、實(shí)現(xiàn)資源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義。為此，在經(jīng)過充分論證后，2014年由科技部批準(zhǔn)立項(xiàng)，在資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域重大項(xiàng)目“深部礦產(chǎn)資源勘探技術(shù)”下設(shè)立“4000 m地質(zhì)巖心鉆探成套技術(shù)裝備”研究課題，課題編號(hào)為：2014AA06A607，其主要研究內(nèi)容之一就是進(jìn)行4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)的研制。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)固體礦產(chǎn)勘查巖心鉆機(jī)主要是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的機(jī)械立軸式鉆機(jī)，鉆探深度一般在3000 m以內(nèi)，大大落后于先進(jìn)工業(yè)國家的巖心鉆探水平?！笆濉薄ⅰ笆晃濉逼陂g國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)廠家完成的2000 m以內(nèi)新一代系列化全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，也是適用于小口徑中深孔(2000 m以內(nèi))地質(zhì)金剛石取心鉆探，但在進(jìn)行超深孔、更大口徑、復(fù)雜地層勘探時(shí)，已有鉆探裝備在施工時(shí)存在施工效率低、周期長、能耗大、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等共性問題,不能滿足深孔巖心鉆探科學(xué)、安全、高效的需求。中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司在直驅(qū)電傳動(dòng)地質(zhì)頂驅(qū)鉆進(jìn)系統(tǒng)方向做了一系列的探索，2012年研制的XD35DB型電傳動(dòng)分體式頂驅(qū)創(chuàng)造了當(dāng)年P(guān)口徑2818.88 m的國內(nèi)取心鉆探記錄。

西方發(fā)達(dá)國家無論是在新設(shè)備研制上還是在新工藝方法的應(yīng)用上都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。國外地質(zhì)礦產(chǎn)勘查用鉆機(jī)已大量采用全液壓高轉(zhuǎn)速動(dòng)力頭式鉆機(jī)，具有無塔升降鉆具、長行程給進(jìn)、取心效果好、鉆探效率高等優(yōu)點(diǎn)，鉆進(jìn)深度一般在3000 m以內(nèi)，少數(shù)幾個(gè)機(jī)型鉆深超過4000 m，但存在著采購使用成本高、深孔鉆進(jìn)效率低等問題。國外金剛石繩索取心技術(shù)水平很高，南非采用繩索取心鉆進(jìn)最大深度達(dá)到5422 m，其采用的繩索取心鉆桿材質(zhì)好，鋼級(jí)高，使用壽命長，應(yīng)用效果好，但進(jìn)口價(jià)格較高。

國內(nèi)外常規(guī)的石油鉆機(jī)也可用于巖心鉆探，其回轉(zhuǎn)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)及頂驅(qū)回轉(zhuǎn)兩種型式，均是低速大扭矩輸出，最高轉(zhuǎn)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(jìn)行長立根提下鉆，在進(jìn)行深孔鉆進(jìn)時(shí)提下鉆效率高。交流變頻電傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相比具有系統(tǒng)能耗小，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好，穩(wěn)速精度高，運(yùn)行可靠，參數(shù)穩(wěn)定，調(diào)試簡便，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在綠色勘探的今天得到越來越多的應(yīng)用，交流變頻電傳動(dòng)替代機(jī)械傳動(dòng)已成為必然趨勢(shì)。

3 總體技術(shù)方案

頂驅(qū)作為當(dāng)今深部油氣鉆井的先進(jìn)設(shè)備，可以直接從井架上部旋轉(zhuǎn)鉆柱進(jìn)行超長行程的復(fù)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(jìn)行自動(dòng)加減單根、立根、起下鉆等作業(yè)，大大減少輔助作業(yè)時(shí)間，提高鉆進(jìn)效率。因此4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)要采用頂驅(qū)系統(tǒng)，主要是在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行取心鉆進(jìn)。同時(shí)為了應(yīng)對(duì)不同的工況需求，在井架底部應(yīng)設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，可進(jìn)行大扭矩低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。深孔巖心鉆進(jìn)一大特點(diǎn)是施工周期長，為減少施工時(shí)間，鉆機(jī)升降系統(tǒng)應(yīng)能進(jìn)行長立根提下鉆，為此設(shè)計(jì)的鉆機(jī)塔架應(yīng)能滿足長立根提下鉆的要求。根據(jù)國內(nèi)外巖心鉆機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，鉆機(jī)的電傳電控系統(tǒng)應(yīng)采用目前國際先進(jìn)的全數(shù)字交流變頻技術(shù)及自動(dòng)化、智能化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線通訊和程序控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的無級(jí)調(diào)速和司鉆的智能化控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井參數(shù)和電器參數(shù)的顯示、儲(chǔ)存、傳輸、打印，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的數(shù)字化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的控制和管理。

4 主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

4000 m交流變頻電驅(qū)動(dòng)地質(zhì)巖心鉆機(jī)(三維效果及實(shí)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(qū)、電驅(qū)轉(zhuǎn)盤、電驅(qū)主絞車與自動(dòng)送鉆系統(tǒng)、電驅(qū)繩索取心絞車、液氣系統(tǒng)、VFD房、司鉆室、電驅(qū)泥漿泵等組成，另外配套齊全了液壓吊卡、吊環(huán)、吊鉗、氣動(dòng)卡盤、液壓錨頭、動(dòng)力鉗、水龍頭、倒繩機(jī)、地面高壓管匯系統(tǒng)、防墜器、安全帶等附屬設(shè)備與安全器具。該鉆機(jī)以400 V電源為源動(dòng)力，采用全轉(zhuǎn)矩控制、機(jī)械化作業(yè)、數(shù)字化操作的工作模式，融機(jī)、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(zhuǎn)、定向鉆進(jìn)、反循環(huán)連續(xù)取心(樣)等多種深孔地質(zhì)鉆探工藝要求，可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、水文水井、煤田、油氣田勘探等施工領(lǐng)域。

圖1 4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)三維效果及實(shí)物外形

4.1 井架平臺(tái)

通過調(diào)研、收集資料，研究設(shè)計(jì)了一種新型的垂直起升的鉆塔井架結(jié)構(gòu)?？傮w上由天車、井架、底座、二層臺(tái)4大部分組成。K形井架，金屬桁架結(jié)構(gòu)，共分七段，采用液壓油缸鏈條倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)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(chǎng)征用土地、安全性高、技術(shù)含金量大等優(yōu)點(diǎn)，另外鉆機(jī)5 m高的前場(chǎng)平臺(tái)為井口安裝井控設(shè)備、泥漿回流管等提供了充?？臻g。

4.2 電驅(qū)繩索取心絞車

主要由交流變頻調(diào)速電機(jī)、減速機(jī)、電磁離合器、鉗盤制動(dòng)器、卷筒、智能排繩機(jī)構(gòu)等組成。采用交流變頻驅(qū)動(dòng)與控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級(jí)控制；具備盤剎制動(dòng)與能耗制動(dòng)雙制動(dòng)模式，可實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)與零速可靠懸停；采用電磁離合器與盤剎結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)絞車的無動(dòng)力可控自由下落，降低能耗與生產(chǎn)運(yùn)營成本，深孔時(shí)取心操作節(jié)能效果更加顯著；智能排繩機(jī)構(gòu)通過PLC及人機(jī)界面控制伺服電機(jī)回轉(zhuǎn)，經(jīng)行星減速機(jī)減速后驅(qū)動(dòng)梯形螺桿旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)排繩小車完成排繩，同時(shí)完成繩速、張力、下入孔深等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄，大大延長了鋼絲繩壽命，降低生產(chǎn)運(yùn)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(shè)計(jì)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(jìn)行提下鉆作業(yè)時(shí)可提高作業(yè)效率，小功率送鉆系統(tǒng)在正常鉆進(jìn)時(shí)可有效降低能耗，減少成本，實(shí)現(xiàn)了深部礦產(chǎn)資源綠色勘查。該絞車由主電機(jī)、送鉆電機(jī)、主減速機(jī)、送鉆減速機(jī)、氣胎離合器、聯(lián)軸器、盤式剎車、卷筒、機(jī)架等主要部件組成，使用液壓盤式剎車為應(yīng)急剎車與駐車剎車，電機(jī)制動(dòng)電阻能耗制動(dòng)為主要?jiǎng)x車，實(shí)現(xiàn)鉆具的懸停，運(yùn)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(qū)系統(tǒng)

電頂驅(qū)系統(tǒng)主要由直驅(qū)電機(jī)、水龍頭、主要承載機(jī)構(gòu)、擺管上卸扣裝置、滑車、液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)幾大部分組成，具有回轉(zhuǎn)、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(qū)采用低速大扭矩交流變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，在0～600 r/min間可無級(jí)調(diào)速，有利于以金剛石鉆進(jìn)為主體的各種高效鉆進(jìn)工藝對(duì)轉(zhuǎn)速的選擇；其液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)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(dòng)強(qiáng)度、提高鉆進(jìn)時(shí)鉆井操作的安全性、降低輔助工作時(shí)間、提高鉆進(jìn)效率。其三維效果見圖4。

圖4電頂驅(qū)三維效果圖

4.5 電驅(qū)轉(zhuǎn)盤

采用ZP175型轉(zhuǎn)盤，通過萬向軸與變頻電機(jī)連接，由變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化；頂驅(qū)與轉(zhuǎn)盤兩種回轉(zhuǎn)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(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化。其三維效果見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.6 電傳動(dòng)及電控系統(tǒng)

根據(jù)地質(zhì)巖心鉆機(jī)的特點(diǎn)，確保系統(tǒng)的安全性、可靠性、整體性、先進(jìn)性和實(shí)用性，充分發(fā)揮變頻傳動(dòng)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(wǎng)絡(luò)及智能操作單元構(gòu)成鉆機(jī)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(chǎng)使用便利。

(2)電傳動(dòng)系統(tǒng)采用ABB ACS880系列全數(shù)字直接轉(zhuǎn)矩控制電壓型交流變頻調(diào)速裝置“1對(duì)1”方式驅(qū)動(dòng)，滿足鉆井工藝對(duì)電傳動(dòng)的要求。

(3)根據(jù)鉆機(jī)負(fù)荷，采用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻代替輔助剎車，滿足鉆進(jìn)工藝要求，實(shí)現(xiàn)各回轉(zhuǎn)系統(tǒng)平穩(wěn)減速。

(4)通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各主要裝置和鉆井參數(shù)的采集、處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通訊、監(jiān)視和控制。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后在司鉆電控臺(tái)上進(jìn)行顯示，并可通過綜合柜的工控機(jī)進(jìn)行記錄和打印。

(5)MCC供電回路設(shè)計(jì)滿足4000 m鉆機(jī)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(yùn)要求。

(6)VFD房(圖7)內(nèi)放置絞車、轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)、自動(dòng)送鉆、取心絞車、泥漿泵變頻驅(qū)動(dòng)柜各1套，以及PLC綜合柜、進(jìn)線開關(guān)柜、MCC供電柜、電源母線及轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)切換柜各1套，集成度高，便于運(yùn)輸。

圖7 VFD房實(shí)物

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

(8)自動(dòng)游車位置控制系統(tǒng)通過編碼器、控制器可以對(duì)游車運(yùn)行高度進(jìn)行全過程監(jiān)控，當(dāng)游車超過安全區(qū)域，系統(tǒng)自動(dòng)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(jìn)質(zhì)量。

4.7 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是鉆機(jī)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(shè)計(jì)為3個(gè)不同的系統(tǒng)：一是盤剎液壓系統(tǒng)，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，所需流量小，采用恒壓變量系統(tǒng)，盤剎動(dòng)作時(shí)反應(yīng)時(shí)間短，工作更可靠。二是電頂驅(qū)液壓系統(tǒng)，專門給電頂驅(qū)上液壓動(dòng)作提供動(dòng)力油源，也是采用恒壓變量系統(tǒng)，減小電頂驅(qū)液壓動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間。三是鉆機(jī)的輔助液壓系統(tǒng)，主要用于起升井架、動(dòng)力鉗工作、液壓貓頭伸縮、巖心打撈架收放等輔助性動(dòng)作。該系統(tǒng)采用負(fù)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(chǎng)操作，安全可靠，液壓系統(tǒng)原理見圖9。

圖9鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理

5 主要技術(shù)參數(shù)(見表1)

表1 4000 m巖心鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

6 生產(chǎn)應(yīng)用情況

4000 m交流頻電驅(qū)巖心鉆機(jī)的生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合中國地質(zhì)調(diào)查局部署的地調(diào)項(xiàng)目“京津石地?zé)豳Y源調(diào)查”和“天津潘莊凸起構(gòu)造區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查”，在天津東麗湖地區(qū)進(jìn)行地?zé)嵴{(diào)查井(CGSD-01井)的施工(圖10)，施工單位為河北省煤田地質(zhì)局二隊(duì)，生產(chǎn)試驗(yàn)鉆進(jìn)時(shí)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(chǔ)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與空間分布、物性特征，獲取系列地?zé)?水文地質(zhì)參數(shù)，評(píng)價(jià)深層地?zé)豳Y源及其可利用性，在此基礎(chǔ)上，實(shí)施深部熱儲(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取長周期批量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)深部地?zé)岜O(jiān)測(cè)的技術(shù)突破，初步建立中深層地?zé)豳Y源勘查-開發(fā)-監(jiān)測(cè)-科研示范基地，支撐中國地質(zhì)調(diào)查局地?zé)崮茉纯辈殚_發(fā)工程技術(shù)中心的建設(shè)。

圖10 CGSD-01井施工現(xiàn)場(chǎng)

生產(chǎn)應(yīng)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(jìn)行固井；一開?444.5 mm鉆深達(dá)到1469.53 m，下入?339.7 mm套管1467 m，期間進(jìn)行了多次定深取心，完成了測(cè)井、固井等一開的全部工作。二開?311.2 mm鉆深達(dá)到2258.83 m，超過該鉆機(jī)額定鉆深能力25.44%。整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)123 d，累計(jì)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(dá)到了地質(zhì)取心要求。整個(gè)生產(chǎn)應(yīng)用期間，鉆機(jī)工作正常，現(xiàn)場(chǎng)的鉆工認(rèn)為該鉆機(jī)技術(shù)含量高，操作簡便，安全性與可靠性高，使用成本低，鉆機(jī)的主要技術(shù)性能得到初步驗(yàn)證。

圖11 部分取出的巖心

7 結(jié)語

4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)可滿足礦產(chǎn)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(xué)研究的需求，其研制是一項(xiàng)高技術(shù)、創(chuàng)新性的研究工作，項(xiàng)目成果填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)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(shù)共同形成適合我國固體礦產(chǎn)資源特點(diǎn)的深部勘探技術(shù)體系，提高了我國地質(zhì)鉆探技術(shù)整體水平。成果的推廣應(yīng)用必將產(chǎn)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(chǎn)地，滿足我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展對(duì)資源的需求，為國家重大戰(zhàn)略計(jì)劃的實(shí)施提供了有力技術(shù)保障。

4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)為多功能鉆探裝備，既可用于深孔巖心鉆進(jìn)，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(jìn)定向孔，因此，該鉆機(jī)將有非常大的潛在市場(chǎng)，技術(shù)成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化的前景良好。