李 超，劉家榮，郭 坤，劉文武，王玉超

（北京探礦工程研究所，北京100083）

0 引言

隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展，鉆機系統(tǒng)由交流變頻驅(qū)動取代可控硅直流驅(qū)動，交流變頻鉆機系統(tǒng)具有機械鉆機和直流電驅(qū)動鉆機無法比擬的優(yōu)勢，成為行業(yè)趨勢。隨著地熱（干熱巖）、頁巖氣等陸域清潔能源及深部資源勘探開發(fā)的需要，大功率、大排量和高泵壓泥漿泵的需求量也隨之增加。由于地質(zhì)勘探工作環(huán)境的限制，要求泥漿泵在結(jié)構(gòu)方面外形尺寸要小，安裝占地空間小，并且需要滿足大口徑探采井取心時泵壓、排量的要求［1-7］。大排量泥漿泵作為鉆井施工中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能水平和使用壽命直接影響著鉆井速度和生產(chǎn)成本。

在各種形式的泵中，往復式柱塞泵由于具有能在高壓下輸送高粘度、大密度、高含砂量液體的特性，因而在鉆井作業(yè)中得到了廣泛的應用。目前，國內(nèi)多采用三缸單作用往復式鉆井泵，該泵存在著：（1）鉆井泵和電機傳動系統(tǒng)質(zhì)量大，不利于設(shè)備的搬遷。（2）傳動鏈較長，傳動效率低，維護成本高。（3）驅(qū)動泵電機的用電量占鉆機系統(tǒng)的50%以上，但在低負載率時功率因數(shù)和效率較低。（4）由于皮帶輪的存在，導致泵小齒輪軸承受了皮帶的徑向力，繼而影響了軸承壽命［8-14］。

1 地熱鉆井對泥漿泵的性能需求

鉆井過程中所需泵量，要滿足泥漿從井底沿鉆桿和井壁的環(huán)狀間隙將巖渣返上井口的速度。井徑越大，所需的泵量越大；上返速度高、攜帶巖屑能力強，但又不能對井壁產(chǎn)生沖刷，以免影響井壁的穩(wěn)定。鉆井過程中，泥漿泵的泵量必須滿足鉆井需要，不能過大也不能過小，泵量過小時巖屑不能及時排出增加了鉆頭的重復破碎量，并提高了鉆頭由于冷卻不足帶來的“燒鉆”概率；在破碎地層泵量過大時會因沖刷增大了塌孔或埋鉆的概率及對巖心的破壞作用［15-16］。

北京探礦工程研究所承擔的“雄安新區(qū)地熱清潔能源調(diào)查評價”項目D20 鉆井工程，根據(jù)鉆前工程設(shè)計：

（1）開孔用?660.4 mm 鉆頭，鉆穿第四系覆蓋層進入巖石層2 m，具體鉆進深度根據(jù)實際鉆遇地層確定。下入?508 mm 表層套管，水泥固井，封固地表疏松層、風化層。

（2）一開用?444.5 mm 鉆頭鉆至井深532 m（穿過漏失層段，根據(jù)實際鉆遇地層調(diào)整），下入?339.7 mm 套管530 m，固井水泥返至地面。

（3）二開用?311.2 mm 鉆頭鉆至井深約2400 m，下入?244.5 mm 套管約2400 m（根據(jù)實際鉆遇地層及地層完整情況可調(diào)整），固井水泥返至地面。

（4）三開用?215.9 mm 鉆頭鉆至井深3000 m，裸眼完井。

參考其他地熱井施工中泥漿泵的應用，在剛下鉆時需要使用小泵量使井內(nèi)泥漿循環(huán)起來，然后再用大泵量進行正常鉆進。在開孔及大口徑井段時，需要使用大泵量循環(huán)上返泥漿以攜帶巖屑；隨著井深增加，泵壓較開孔階段要增加?；谛郯驳責徙@井工程的井身結(jié)構(gòu)，通過調(diào)研相關(guān)泥漿泵廠家產(chǎn)品的性能參數(shù)，選擇了F-1300 型泥漿泵配合北京探礦工程研究所自有的永磁直驅(qū)控制系統(tǒng)用于該工程中。該泵最大缸徑180 mm，沖程長度305 mm，齒輪傳動比4.206。F-1300 型泥漿泵性能參數(shù)見表1（按容積效率100%和機械效率90%換算）。

表1 F-1300 型泥漿泵性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of F-1300 mud pump

2 永磁直驅(qū)變頻泥漿泵的整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)泥漿泵的特性可知，泵量與沖數(shù)成正比。在相同的缸套直徑下，泵量和電機轉(zhuǎn)速成正比，泵壓和電機轉(zhuǎn)矩成正比。正常鉆進中，泥漿泵的泵量和泵壓均在額定點以下使用（對于泥漿泵電機端來說相當于低負載使用），而泥漿泵驅(qū)動電機的選型往往大于正常鉆進時實際需要，導致正常鉆進時驅(qū)動電機負載率低。

永磁電機具有高功率因數(shù)和高效率、功率因數(shù)隨負載變化很小的特性，可實現(xiàn)低速大扭矩。以其作為泥漿泵的驅(qū)動電機，既可以簡化泥漿泵的傳動結(jié)構(gòu)，又可以達到節(jié)能的目的。

F-1300 型泥漿泵的大小齒輪傳動比4.206，選用直驅(qū)該泵的永磁電機的額定功率1000 kW，額定電壓660 V，額定轉(zhuǎn)速504 r/min。永磁同步電動機直接通過聯(lián)軸器與泵小齒輪軸相聯(lián)，取消傳統(tǒng)泥漿泵的皮帶、皮帶輪、中間車、氣胎離合器。電機軸與小齒輪軸聯(lián)接為球籠式聯(lián)軸器，易裝拆。冷卻風機固定于電機的上部，強制風冷。參見圖1。

圖1 F-1300 型永磁直驅(qū)泥漿泵在雄安地熱鉆井應用現(xiàn)場Fig.1 F-1300 permanent magnet direct drive mud pump in Xiongan geothermal drilling

泥漿泵永磁電機配合變頻控制系統(tǒng)，采用矢量控制模式實現(xiàn)無級調(diào)速。無級調(diào)速的優(yōu)勢在于泵壓在較小范圍內(nèi)運行時，即電機額定轉(zhuǎn)矩以下，可以實現(xiàn)恒泵壓下泵量的無級調(diào)節(jié)，泥漿泵負載大小對電機效率和功率因數(shù)影響不大。當遇阻或泵壓加大時，電機運行于額定轉(zhuǎn)速以下，用于鉆井過程中的固井或井下事故處理。在破碎地層取心需改變泵量時，只需調(diào)節(jié)電機工作頻率，不需要更換缸套，此工況尤其適合地質(zhì)鉆探中取心和全面鉆進交替進行的情況。在本例中電機工作頻率＜84 Hz（額定頻率）運行時，泥漿泵電機工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間，泥漿泵電機始終維持較高的效率和功率因數(shù)，在整個鉆井期間節(jié)能效果明顯。

永磁直驅(qū)變頻泥漿泵操作控制接入司鉆房的一體化座椅中，司鉆可以遠程操作泥漿泵啟停并調(diào)節(jié)泵量，一體化座椅上的與該泵相關(guān)的操作按鈕與鉆機等其它部分操作按鈕分區(qū)供電，保證了鉆井期間鉆機絞車、轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)在檢修時泥漿泵仍能正常工作。

3 現(xiàn)場應用

根據(jù)雄安D20 地熱鉆井工程施工期間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鉆遇各地層期間泥漿泵的泵壓和泵量數(shù)據(jù)見表2。

表2 永磁直驅(qū)變頻泥漿泵運行情況Table 2 Performance of the permanent magnet direct drive variable frequency mud pump

實際鉆井過程中，發(fā)生了下鉆后開鉆泵壓陡然升高的情況，排除地面因素并大距離活動鉆具后，初步判斷鉆頭水眼堵塞。采用0～1 Hz 啟動永磁直驅(qū)泥漿泵，利用永磁電機的懸停模式，當泵壓接近于泥漿泵安全閥設(shè)定壓力值時，泵沖減速為零，提升并回轉(zhuǎn)鉆具，多次嘗試后，泵壓在14 MPa 時成功將堵塞水眼沖開，恢復正常鉆進。區(qū)別于交流異步電機驅(qū)動的泥漿泵，永磁直驅(qū)泥漿泵采用超低泵沖處理堵塞水眼，減少了提鉆次數(shù)，節(jié)省了鉆探生產(chǎn)成本。

永磁直驅(qū)變頻泥漿泵在雄安地熱鉆井中的應用，表現(xiàn)出了噪聲低、節(jié)能、操作便捷、排量無級調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

在雄安D20 地熱井鉆井工程中，永磁直驅(qū)變頻泥漿泵控制系統(tǒng)接入司鉆房，便于司鉆人員操作，實現(xiàn)泵量的無級調(diào)節(jié)，鉆井過程中可隨時調(diào)節(jié)泵量，滿足了大口徑地熱鉆探中的取心要求。

新型永磁直驅(qū)泥漿泵的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)電驅(qū)動泵組：

（1）與傳統(tǒng)泥漿泵組相比，結(jié)構(gòu)更加緊湊合理，質(zhì)量輕、搬遷運輸成本低。

（2）取消了中間傳動裝置（皮帶、皮帶輪、中間車、離合器等），減少了一級傳動，較傳統(tǒng)電驅(qū)泥漿泵提高了傳動效率，減小了噪聲和振動。

（3）永磁電機直接裝到原來大皮帶輪的位置，免去了皮帶張緊維護，消除了皮帶的傳動損耗，減輕了鉆工的勞動強度。

（4）工作時，泵小齒輪軸軸頭僅承受電機轉(zhuǎn)矩和自身的載荷，不承受帶傳動或鏈傳動所帶來的張力的作用，小齒輪軸的受力情況得到了明顯的改善，軸、齒輪、軸承的工作壽命顯著提高。