臧臣坤，黃洪波，周政，朱江龍，何磊，劉凡柏，李文秀，孫軍盈，韓菲

(1. 中國地質(zhì)裝備集團有限公司，北京 100102； 2. 中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120；3.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展并進入工業(yè)化中后期，對石油、天然氣、銅、鐵等礦產(chǎn)資源的需求一直維持高位，多種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源對外依存度居高不下，且呈上升趨勢，尤其是近年來因國際環(huán)境的逐步惡化，國家礦產(chǎn)資源安全形勢嚴(yán)峻。目前，我國固體礦產(chǎn)勘探和采礦深度主要在500～1000 m，向地球深部要資源存在較大潛力和空間。同時，隨著我國綜合實力的不斷提升，我國陸續(xù)部署和開展了一系列探索地球深部奧秘的科學(xué)鉆探工程，深部鉆探成為近十年乃至未來的工作熱點[1]。

隨著鉆進深度不斷加大，井口輔助作業(yè)時間占比大幅度增加，勞動強度也顯著加大，原有中淺深度主要依靠人工的井口作業(yè)體系已經(jīng)不能適應(yīng)，加之我國鉆探工人隊伍年輕化和人力成本的不斷攀升，對自動化程度高的深孔巖心鉆探成套裝備的需求日趨強烈。為響應(yīng)黨中央“向地球深部進軍”的號召，彌補我國大深度地質(zhì)巖心自動化裝備發(fā)展的不足，我國在2018年啟動了5000 m智能鉆探技術(shù)與裝備研發(fā)項目，旨在研發(fā)滿足深孔鉆進的輕量化、模塊化、自動化程度高的先進技術(shù)裝備。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，我國地質(zhì)鉆探仍在大量使用20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的XY系列機械立軸巖心鉆機。50年來，主要通過增加功率來提升鉆深能力，鉆深4000 m的XY-9鉆機已接近極限。機械立軸巖心鉆機自動化程度極低，作業(yè)效率低，除壓力表外幾乎沒有任何數(shù)據(jù)顯示，施工作業(yè)全靠操作者經(jīng)驗，在深孔時工作風(fēng)險較大。

20世紀(jì)90年代，我國全液壓鉆機的研制和產(chǎn)業(yè)化得到了快速發(fā)展，設(shè)計鉆深達(dá)到了3000 m，在2000 m深度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性。液壓鉆機具有一定的自動化能力，可將多項參數(shù)數(shù)字化顯示，但在深孔鉆探中存在機械效率低、施工能耗大、綜合成本高等問題，無法滿足當(dāng)前深孔巖心鉆探高效、安全、節(jié)能的新需求。

2010年之后，中國地質(zhì)裝備集團有限公司借鑒石油行業(yè)先進設(shè)備，結(jié)合巖心鉆探工藝特點，研發(fā)了一系列電傳動立軸式巖心鉆機和電傳動頂驅(qū)式巖心鉆機，鉆深能力達(dá)到了4000 m，表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟性、安全性、工藝適應(yīng)性以及操作舒適性，但孔口作業(yè)自動化程度較低[3,4]。

國外地質(zhì)礦產(chǎn)勘查鉆機大量采用全液壓高轉(zhuǎn)速動力頭式巖心鉆機，并對鉆機進行了自動化、智能化方面的升級，采用機、電、液一體化和計算機控制鉆進方式，送鉆精度得到大幅度提升。設(shè)備參數(shù)及工藝參數(shù)實時顯示，實時優(yōu)化，為科學(xué)鉆進提供數(shù)據(jù)支撐。通過配備井口機器人，實現(xiàn)井口作業(yè)一鍵操作，自動化、智能化水平較高。

2 總體技術(shù)方案

隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的提高，5000 m地質(zhì)巖心鉆機以地質(zhì)工程需要、地質(zhì)行業(yè)特征為出發(fā)點，在已有4000 m交流變頻電驅(qū)動巖心鉆機的基礎(chǔ)上，采用國際先進的交流變頻驅(qū)動技術(shù)、智能化電液控制技術(shù)、高精度傳感等技術(shù)，在滿足鉆深能力基本目標(biāo)的前提下，實現(xiàn)設(shè)備的輕量化、模塊化和高安全性。

頂驅(qū)系統(tǒng)集機、電、液、信息于一體，代表了鉆井工藝技術(shù)的最高水平，無需主動鉆桿，直接從井架頂部進行長行程作業(yè)，工作效率及安全性有了很大的提升，已經(jīng)成為油氣勘探開發(fā)不可或缺的重要裝備，在地質(zhì)巖心鉆探中也有不少成功應(yīng)用案例。此次對頂驅(qū)系統(tǒng)進行了全新的升級，采用液壓換擋模式，可實現(xiàn)兩擋轉(zhuǎn)速輸出，進一步拓寬頂驅(qū)裝置的工藝適用性，做到一機多用。

針對地質(zhì)鉆桿薄壁外平的特點，研制了滿足地質(zhì)巖心鉆探需求的鐵鉆工、自動井架工和自動貓道機，與頂驅(qū)裝置配合使用，實現(xiàn)重載深孔管柱作業(yè)的初步自動化，改善管柱作業(yè)工人勞動強度和環(huán)境，提高作業(yè)效率和安全性[1-5]。

3 主要結(jié)構(gòu)及特點

5000 m自動化地質(zhì)巖心鉆機主要由梁柱式平臺、新型直升井架、天車、雙速頂驅(qū)、鐵鉆工、自動井架工、自動貓道機、主絞車、繩索絞車、機械扶手、司鉆房、液壓站、VFD房、氣源房、其他井口作業(yè)裝置等部件組成，如圖1所示，可以滿足114繩索取心鉆具5000 m鉆深能力需求。頂驅(qū)、主絞車、轉(zhuǎn)盤等需要采用大功率電機驅(qū)動的部件采用600 V電源驅(qū)動，降低電纜直徑，其余部件采用400 V電源驅(qū)動。

圖1 5000 m地質(zhì)巖心鉆機示意圖Fig.1 Schematic diagram of 5000 m geological core drill

該鉆機具有以下特點：①采用先進的AC-VFD-AC電傳動模式，執(zhí)行部件無級調(diào)速，可獲得良好的鉆進特性；②VFD對交流變頻系統(tǒng)一對一控制，數(shù)據(jù)采集唯一，工藝參數(shù)準(zhǔn)確；③模塊化設(shè)計、多種組合方式；④采用直升井架，對井場空間要求低，同時井架下部采用人字塔形式，增加平臺作業(yè)面積；⑤配有頂驅(qū)、鐵鉆工、自動井架工、自動貓道機，可實現(xiàn)加接鉆桿自動化作業(yè)，降低勞動強度，提高自動化程度；⑥配置主副司鉆座椅，管柱作業(yè)流程全部集成在副司鉆座椅上，與主司鉆配合度高，提高輔助作業(yè)安全，改善管柱作業(yè)環(huán)境。

3.1 平臺井架

此次平臺井架采用與4000 m巖心鉆機相類似的垂直起升井架，由2條起升液壓缸、4段井架、天車、人字架以及連接板組成，如圖2所示。與之前的垂直起升井架不同，此次井架采用傳統(tǒng)K形井架和直升井架相結(jié)合的方式，井架在人字架內(nèi)完全起升后，通過連接板將井架和人字架固連在一起，既保留了垂直起升井架用地少、安全性高等優(yōu)點，又克服了井口作業(yè)面積小的缺點。

圖2 新型直升井架及平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of new derrick and platform

平臺采用梁柱式結(jié)構(gòu)，在滿足承載需求的前提下，盡可能降低平臺重量，實現(xiàn)設(shè)備的輕量化設(shè)計。平臺分為前后平臺，前平臺高度7.5 m，為安裝井控裝置及泥漿回流裝置提供了放置空間；后平臺高度0.8 m，主要放置主絞車、繩索絞車和盤剎液壓站，保證作業(yè)平臺上沒有鋼絲繩運行，防止井口作業(yè)人員因誤碰鋼絲繩導(dǎo)致的安全事故。

3.2 電頂驅(qū)系統(tǒng)

電頂驅(qū)系統(tǒng)主要由2臺132 kW的交流變頻電機、液壓換擋變速箱、水龍頭、提環(huán)、滑車、提吊承載機構(gòu)、擺管機構(gòu)、背鉗系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等組成，可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、給進、提放鉆具、泥漿循環(huán)、頂部擰卸鉆桿、管柱作業(yè)等功能[7]。

頂驅(qū)系統(tǒng)采用雙電機驅(qū)動，兩臺交流變頻電機驅(qū)動變速箱輸入軸，分別通過2級齒輪減速輸出扭矩給主軸，變速箱只傳遞扭矩，不承受軸向載荷。鉆進過程中的鉆柱載荷由水龍頭的加長主軸承擔(dān)，起下鉆時的管柱載荷由水龍頭殼體與提吊裝置承擔(dān)。水龍頭主軸從變速箱輸出軸中心穿過，兩者之間通過花鍵傳遞扭矩且有軸向定位機構(gòu)。該頂驅(qū)系統(tǒng)綜合考慮不同鉆進工藝需求，設(shè)計了兩擋變速機構(gòu)，液壓換擋，操作簡單方便。高速擋在0～600 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無級調(diào)速，扭矩可達(dá)到9300 N·m，滿足金剛石繩索取心鉆進工藝需求；低速擋在0～200 r/min 無級調(diào)速，額定扭矩28 500 N·m，可適應(yīng)牙輪全面鉆進等工藝需求，做到一機多用,頂驅(qū)外形見圖3。

圖3 雙速頂驅(qū)示意圖Fig.3 Schematic diagram of double-speed top drive

3.3 主絞車

主絞車由一臺500 kW主電機、一臺32 kW送鉆電機、兩擋變速箱、送鉆減速箱、卷筒組件、氣胎離合器、盤剎等組成。提下鉆時由主電機驅(qū)動卷筒組件重載快速回轉(zhuǎn)，提升起下鉆的效率。正常鉆進時采用送鉆電機、送鉆減速機驅(qū)動變速箱及卷筒組件慢速回轉(zhuǎn)，滿足金剛石鉆進對鉆壓、機械鉆速的需求，同時降低設(shè)備能耗和噪聲，改善作業(yè)環(huán)境。

主絞車設(shè)有兩擋變速，手動換擋。在淺孔時，載荷較小，采用高速擋運行，可以進一步提升提下鉆速度，減少輔助作業(yè)時間；深孔或處理孔內(nèi)事故時采用低速擋，可實現(xiàn)最大提升能力。主絞車具有電機懸停和液壓盤剎剎車功能，安全性高[8]，其三維效果圖見圖4。

圖4 主絞車示意圖Fig.4 Schematic diagram of main winch

3.4 鐵鉆工

鐵鉆工用于鉆探過程中接卸鉆桿、鉆鋌作業(yè)，夾持直徑范圍89～150 mm，無需更換顎板。鐵鉆工由立柱、平行運移機構(gòu)、背鉗、卸扣鉗、旋扣鉗、傳感系統(tǒng)等部件組成，其中背鉗負(fù)責(zé)夾持孔內(nèi)鉆桿，主鉗負(fù)責(zé)卸開第一扣或擰緊最后一扣，旋扣器負(fù)責(zé)旋進或旋出鉆桿之間的螺紋。鐵鉆工的旋扣鉗和扭矩鉗分離，旋扣鉗只作正反向旋扣。鐵鉆工上各執(zhí)行液壓缸均安裝位置傳感器、壓力傳感器等，通過對位置及壓力等關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控、判斷，可實現(xiàn)鉆具上卸扣一鍵化作業(yè)。鐵鉆工具備司鉆房和本地兩種操作模式，僅需一人操作即可滿足鉆井作業(yè)上卸鉆桿的自動化操作，其三維示意圖見圖5。

圖5 鐵鉆工示意圖Fig.5 Schematic diagram of iron roughneck

3.5 自動井架工

自動井架工主要功能是替代二層臺井架工人，將立根從孔口中心放置到鉆桿盒內(nèi)，或?qū)⒘⒏鶑你@桿盒內(nèi)放置到孔口中心，主要由二層臺、機械手、攝像頭組件等組成。

二層臺主要由二層臺本體和指梁鎖組成，指梁鎖由氣缸控制，裝有傳感器并進行編號，可通過遙控器或工控機精確控制相應(yīng)指梁鎖的開合，防止立根從指梁內(nèi)傾倒，同時為機械手提供位置參數(shù)。

機械手主要由回轉(zhuǎn)機構(gòu)、平移機構(gòu)、夾爪、環(huán)持爪、角度傾斜機構(gòu)、大臂移動機構(gòu)、小臂繩索機構(gòu)等組成，均由液壓馬達(dá)或液壓缸驅(qū)動。大臂前傾抓到鉆桿后，大臂縮回、旋轉(zhuǎn)，沿猴臺移動至對應(yīng)指梁位置后，將鉆桿放置指梁鎖內(nèi)，指梁鎖閉合，完成立根的自動作業(yè)。在增強作業(yè)安全性的同時，自動井架工可降低人工勞動強度并改善了作業(yè)環(huán)境，能夠提高作業(yè)效率，降低作業(yè)周期，其三維示意見圖6。

圖6 自動井架工示意圖Fig.6 Schematic diagram of automatic derrick man

3.6 自動貓道機

自動貓道機主要由底座、滑臂、滑車、壓管裝置、挑管裝置、翻管裝置等組成，所有動作均由液壓馬達(dá)或液壓缸驅(qū)動，運行平穩(wěn)，主要實現(xiàn)鉆桿從鉆桿架到平臺或從平臺到鉆桿架上運移的自動化作業(yè)。大臂上設(shè)計有三個鉆桿槽，可同時運移三根鉆桿，提高效率，節(jié)約輔助時間。貓道機上關(guān)鍵部位均安裝有傳感器，根據(jù)設(shè)定可實現(xiàn)貓道機的一鍵送鉆及一鍵甩鉆作業(yè)，其三維示意見圖7。

圖7 自動貓道機示意圖Fig.7 Schematic diagram of automatic catwalk

3.7 繩索取心絞車

5000 m繩索取心絞車主要由電機、卷筒、離合器、盤剎、智能排繩機構(gòu)等組成。通過離合器和盤剎的配合使用，可以實現(xiàn)無動力可控自由落鉤功能，降低能耗。智能排繩機構(gòu)包含雙向絲杠、排繩電機、導(dǎo)桿等，通過程序設(shè)定，控制雙向絲桿的移動方向和移動距離，可適配不同直徑的鋼絲繩，適用范圍廣[9]。繩索取心絞車的三維示意圖見圖8。

圖8 繩索取心絞車示意圖Fig.8 Schematic diagram of wireline coring winch

3.8 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要由VFD房和司鉆房兩大結(jié)構(gòu)部分組成，核心控制邏輯包含電氣傳動部分、系統(tǒng)控制部分和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)三大部分。系統(tǒng)采用西門子變頻驅(qū)動技術(shù)，分別驅(qū)動絞車電機、轉(zhuǎn)盤電機、頂驅(qū)電機、泥漿泵電機和自動送鉆電機等，通過PLC技術(shù)、總線通訊技術(shù)及電氣化系統(tǒng)控制技術(shù)實現(xiàn)一對一控制，可做到數(shù)據(jù)反饋唯一并精準(zhǔn)控制。通過profibus-DP現(xiàn)場總線控制技術(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)各主要裝置和鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、反饋及顯示等功能，與程序相關(guān)聯(lián)，遇危險狀況時自動停止運行，保證設(shè)備的穩(wěn)定工作及人員安全。

司鉆房內(nèi)配置主、副2個司鉆座椅(圖9)，主司鉆控制主絞車、頂驅(qū)、繩索取心絞車、孔口卡盤等鉆進相關(guān)裝置，副司鉆控制鐵鉆工、井架工、貓道、貓頭、機械扶手等井口作業(yè)裝置。每個座椅上均配備有4臺工控機，1臺顯示鉆進工藝參數(shù)和設(shè)備運行參數(shù)，并可進行參數(shù)調(diào)整，另外1臺為視頻監(jiān)控。兩臺工控機互為冗余，當(dāng)其中1臺發(fā)生故障時，可切換至另外1臺進行應(yīng)急控制。主副司鉆參數(shù)及監(jiān)控顯示互通，確保主副司鉆均可實時了解設(shè)備的運行狀態(tài)，更好地配合操作。

圖9 雙司鉆座椅Fig.9 Double driller control seats

3.9 液壓系統(tǒng)

除主要部件由變頻電機驅(qū)動外，頂驅(qū)輔助動作、自動化作業(yè)裝置等仍需液壓驅(qū)動，考慮功能的獨立性以及空間位置，液壓系統(tǒng)配備3個液壓站：一是盤剎液壓系統(tǒng)，采用恒壓變量泵系統(tǒng)，雙電機雙泵模式，用一備一，確保盤剎的安全可靠，控制主絞車、繩索取心絞車的液壓盤剎；二是綜合液壓系統(tǒng)，為頂驅(qū)、井架工、鐵鉆工、貓頭、機械扶手裝置提供液壓動力，采用3個電機驅(qū)動3個恒壓變量泵，可實現(xiàn)頂驅(qū)、鐵鉆工、井架工3個部件的單獨供油；三是貓道液壓系統(tǒng)，為貓道及井架起升提供動力。

4 主要技術(shù)參數(shù)(表1)

表1 5000 m地質(zhì)巖心鉆機主要技術(shù)參數(shù)

表1(續(xù))

5 廠內(nèi)調(diào)試情況

5000 m自動化巖心鉆機加工完成后，在中地裝張家口探礦機械有限公司產(chǎn)業(yè)園內(nèi)進行了預(yù)組裝和調(diào)試，對各執(zhí)行部件及電控系統(tǒng)進行了全方位測試，各部件運行平穩(wěn)，未發(fā)生沖擊、異響、發(fā)熱等現(xiàn)象。重點對頂驅(qū)、鐵鉆工、井架工、貓道機等自動化裝置進行了單獨調(diào)試和整體聯(lián)調(diào)，通過雙司鉆的配合操作，實現(xiàn)了鉆桿和立根的自動化作業(yè)。

目前,該套設(shè)備已運達(dá)施工現(xiàn)場，正在組裝。隨后將進行生產(chǎn)實驗，驗證設(shè)備的鉆進能力和井口自動化裝置的可靠性與實用性。

6 結(jié)語

5000 m自動化地質(zhì)巖心鉆機的研制是國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目“5000 m智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備研發(fā)及應(yīng)用示范”中的重點課題之一，主要任務(wù)是研發(fā)滿足5000 m深度的自動化程度較高的、輕量化、模塊化的先進地質(zhì)巖心鉆機，配套研發(fā)的井口作業(yè)裝置自動化程度高，可降低工人勞動強度，提高鉆進效率。與其他研制智能控制系統(tǒng)相關(guān)課題相結(jié)合，為全井場無人化操作提供技術(shù)支撐，可為我國深部礦產(chǎn)資源勘查、深部科學(xué)鉆探等領(lǐng)域提供先進的裝備保障。

5000 m地質(zhì)巖心鉆機頂驅(qū)系統(tǒng)同時具備高速回轉(zhuǎn)和低速大扭矩回轉(zhuǎn)兩種轉(zhuǎn)速，井口自動化作業(yè)裝置同時適用于繩索取心鉆桿和石油鉆桿。因此，該設(shè)備既可用于深孔地質(zhì)巖心鉆探施工，也可用于淺層油氣、地?zé)?、煤層氣等的大口徑鉆探，一機多用，具有很大的市場潛力，技術(shù)成果轉(zhuǎn)化前景良好。