田 炯，劉家榮

(1.河北冀勘工程機械有限公司，石家莊 051530；2.北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 稀土永磁直驅電動機

稀土永磁電機是20世紀70年代初期出現(xiàn)的一種新型永磁電機，其電機轉子是釹鐵硼稀土永磁體，不需要勵磁線圈。稀土永磁電機應用場合遍及工程裝備、交通運輸、風力發(fā)電、泵類、石油化工、采礦、航空、航海、航天、兵器等各個領域?！爸袊圃?025”列出的十大重點領域中有七個領域提出了對稀土永磁電機的要求[1-2]，“節(jié)能工程”的重點之一是推廣應用稀土永磁電機。稀土永磁電機具有節(jié)能、體積小、高效率、低噪聲、維護維修成本低的優(yōu)點[3-4]，基于上述優(yōu)點，從2011年起，我們將稀土永磁電機及控制技術應用于3000～7000 m鉆機中[5]。

2 永磁直驅鉆機(絞車)的技術特點

普通鉆機傳動鏈比較復雜，使用時需經(jīng)常維護保養(yǎng)，永磁直驅鉆機直驅結構簡潔，電機轉子軸直接驅動絞車滾筒回轉，傳動鏈簡單，材料節(jié)省20%～30%。

總體來說，永磁直驅鉆機與傳統(tǒng)鉆機相比有以下特點：①鉆機模塊化設計，絞車、轉盤、泥漿泵各自獨立驅動，相互間沒有尺寸鏈約束，組裝拆卸簡便，可配套使用；②鉆機系統(tǒng)結構簡單，提下鉆、送鉆均由同一套永磁電機完成；③操作簡單、重量輕、運輸成本低，絞車和頂驅由稀土永磁電機直接驅動，實現(xiàn)無齒輪傳動；④可恒速、恒壓自動送鉆，節(jié)能環(huán)保，省電20%～30%；⑤無需盤剎和帶剎、輪轂制動，采用能耗制動技術，可實現(xiàn)無摩擦剎車、任意位置懸停功能；⑥司鉆作業(yè)自動化，自動參數(shù)記錄和監(jiān)測，電控系統(tǒng)可方便地對鉆機進行升級改造(如以后加裝頂驅、鐵鉆工及鐵架子工等)，人機交互界面友好舒適。

表1 鉆機結構形式及性能對比

3 永磁直驅鉆機控制部分特點

3.1 鉆機驅動方式

異步電動機的效率和功率因數(shù)與負載率直接相關。當負載率低于50%時，其效率和功率因數(shù)會急劇下降，異步電機在負載率低時，其效率和功率因數(shù)非常低；當輸出功率不到額定功率的10%時，異步電機的效率不到40%，功率因數(shù)不到20%。地質鉆機在大多數(shù)工況下負載率不足20%，導致普通電動鉆機的提下鉆和送鉆由兩套電機傳動系統(tǒng)完成，兩套電機傳動系統(tǒng)功率相差20倍以上。因此：

(1) 鉆機提升系統(tǒng)選擇永磁電機直接驅動絞車滾筒，提下鉆和送鉆由一套電機系統(tǒng)完成，制動方式采用能耗制動+回饋電網(wǎng)(根據(jù)電網(wǎng)情況選用)，耗能低，易維護，見圖1。

圖1 永磁電機直驅絞車

(2) 鉆機泥漿泵采用永磁電機直接驅動方式，無級變速，耗能低，應用便捷。

(3) 根據(jù)鉆機回轉系統(tǒng)的使用環(huán)境和特點，轉盤采用異步電機驅動，經(jīng)濟劃算。

3.2 控制方式

主CPU采用國外知名品牌，通信網(wǎng)絡采用Profinet，采用一體化座椅加雙觸摸屏配置，完成鉆機的控制操作、數(shù)據(jù)記錄及實時視頻監(jiān)控的功能。

采用集成式司鉆控制座椅司鉆可以完成所有鉆井設備的控制和監(jiān)控，以舒適的工作環(huán)境、簡潔的操作界面和人性化的操作方式將司鉆從緊張、繁重的體力勞動中解放出來，使司鉆專注于鉆進參數(shù)的變化與調控，有效地保證了鉆井的安全，提高了生產效率。

上位機采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，下位機采用Profibus-DP和Moudbus等通信，二者之間通過網(wǎng)關相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。座椅集成了視頻監(jiān)控和對講系統(tǒng)，使鉆機的操作更符合人體工程學的原理，確保了司鉆與外部的可靠溝通。

3.3 控制對象

PLC主要實現(xiàn)對鉆機系統(tǒng)的自動控制，包括絞車控制、轉盤控制及液壓站控制等，采集鉆機系統(tǒng)的鉆井參數(shù)，包括懸重、鉆壓、立管壓力、回轉扭矩、回轉轉速、鉤速、送鉆速度、游車高度以及各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)和電氣參數(shù)等。

3.4 調試電氣

(1)司鉆臺控制電機系統(tǒng)主動力電纜連接開關和交流電抗器，其中兩臺伺服器控制同軸連接的絞車電機，為了保證同軸連接的兩臺絞車電機驅動卷筒時的轉速和轉矩同步性，使用了光纖同步技術。

(2)設計的核心邏輯控制系統(tǒng)軟件程序用西門子PLC，通過總線通訊技術實現(xiàn)變頻器與PLC之間的信息交換與控制。

(3)移動控制VFD房集裝箱內設GGD電源柜、變頻器柜、主控制柜，同時配備空調、照明等附屬設備。司鉆房內裝工控機和操控系統(tǒng)及顯示屏。

(4)實現(xiàn)絞車電機定子溫度的傳感與顯示，回轉和絞車速度、扭矩的傳感與顯示，絞車死繩端拉力、鉆具提離孔底大鉤負荷、鉆壓的傳感與顯示，大鉤高度的傳感與顯示。

(5)系統(tǒng)同時提供機械手柄及按鈕式操作的傳統(tǒng)操作方式，改變控制變量，實現(xiàn)系統(tǒng)控制?，F(xiàn)場斷電時，顯示屏依然可工作30 min顯示數(shù)據(jù)，恢復供電時自動重啟，控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)的信號線保證抗干擾。

(6)液壓盤式剎車由液壓動力源、剎車盤、液壓控制部分、安裝在支架上的安全鉗(常閉)組、管路總成等組成。

3.5 自動送鉆

自動送鉆系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、變頻器、懸重傳感器、速度傳感器、電機及絞車等組成。司鉆可根據(jù)鉆井參數(shù)要求設定鉆壓，自動送鉆系統(tǒng)依據(jù)實際鉆壓的變化來控制實際送鉆速度。當實際鉆壓小于設定鉆壓時，鉆進速度持續(xù)增加到設定鉆進速度，當實際鉆壓大于設定鉆壓時，絞車快速反轉，直到實際鉆壓與設定鉆壓的差值在設定范圍內。自動送鉆系統(tǒng)的硬件部分主要由信號檢測變送單元、控制單元、變頻器、執(zhí)行機構單元和上位機監(jiān)控單元等構成，如圖2～圖5所示。

圖2 變頻自動送鉆原理

圖3 司鉆主界面

圖4 絞車工作界面

圖5 轉盤工作界面

井下至地面無鉆壓信息直接傳遞，均為計算值，因此采用多輪組繩系的絞車鉆壓誤差范圍大。為了防止恒速送鉆過程中發(fā)生事故，采用了鉆壓保護、鉆進扭矩保護以及操作絞車手柄時自動送鉆失效三重保護。如若觸發(fā)保護條件，絞車懸停不再送鉆，并有相應報警進行提示。

4 應用實例

4.1 浙江臨安LC-1井(圖6)

圖6 永磁直驅鉆機在浙江臨安施工2328 m全孔取心頁巖氣孔

2015—2016年,成功研制的3000 m永磁直驅頂驅鉆機應用于浙江臨安頁巖氣勘查LC-1井的全孔取心鉆探工程中[5]，0～1500 m為沉積巖，下部為花崗巖，完鉆井深2328 m。與相距20 km同類型的LC-2井施工鉆機相比，節(jié)約電能超過30%，鉆機自動化水平及人機友好水平受鉆探一線好評。

4.2 廣東惠州惠熱1井(圖7)

圖7 永磁直驅鉆機在廣東惠州施工3009 m惠熱1井干熱巖井

2017～2018年，3000 m永磁直驅頂驅鉆機應用于中國地質調查局承擔的國家惠熱1井地熱井勘探工程，完鉆井深3009 m，地層為花崗巖，是廣東省最深地熱井，井口放噴溫度達127 ℃，進一步驗證了永磁直驅頂驅鉆機的節(jié)能、可靠、實用和經(jīng)濟，擁有巨大的推廣價值。

4.3 河北雄安D20井(圖8)

圖8 永磁直驅電動鉆機在雄安新區(qū)施工3000 m地熱井

2019年，利用永磁直驅技術成功研制的新一代4000 m永磁直驅頂驅鉆機、固控設備系統(tǒng)和永磁直驅泥漿泵系統(tǒng)，應用于中國地質調查局雄安新區(qū)清潔能源評價調查項目D20井3000 m深的鉆探工作中，在類似的工況下，比周圍傳統(tǒng)鉆機施工同類井節(jié)能30%以上。

4.4 安徽淮南岳張集礦(圖9)

圖9 永磁直驅鉆機在安徽淮南岳張集礦施工

2021年,4000 m永磁直驅電動鉆機服務安徽淮南岳張集礦東-1煤上采區(qū)灰?guī)r水害區(qū)域治理工程。工程30個近水平分支孔，鉆探工作量3萬多米，工期900天，垂直孔深1000 m，水平段1000 m。

圖10 司鉆控制房

截至2021年11月底，鉆進進尺10 000 m，90%的進尺用恒壓自動送鉆方式完成。與傳統(tǒng)鉆機相比，ZJ-40DBZ電動變頻直驅鉆機在淮南礦區(qū)展現(xiàn)了明顯優(yōu)勢：操控簡單、平均節(jié)省電能30%、精確送鉆、自動化程度高等。鉆機絞車和主力泥漿泵采用節(jié)能的稀土永磁電機直驅，傳動效率高，對井場的電力容量要求小于同類鉆機，節(jié)能效果明顯。

5 結論

第四代永磁同步全數(shù)字直驅電動鉆機是可靠性高、能夠應對復雜井況、操作簡單、技術先進、節(jié)能的新一代鉆井設備，為世界首臺將稀土永磁變頻電機及精確控制技術成功應用于深孔鉆探的設備。由傳統(tǒng)鉆機用普通電機或液壓馬達通過齒輪、鏈輪傳動，發(fā)展為用低速、大扭矩、大功率稀土永磁同步變頻電動機直接驅動絞車和鉆具回轉，實現(xiàn)機械設備間的無齒輪傳動，簡化了鉆機結構，減輕了鉆機重量，提高了傳動效率，減少了使用維護成本，并可節(jié)約電能20%～30%。