XD系列电传动顶驱岩心钻机的研制

欧阳志强，陈刚，雷统平，谭颖，朱江龙

(1.衡阳中地装备探矿工程机械有限公司，湖南 衡阳 421002；2.四川省煤田地质局一四一队， 四川 德阳 618000；3.中国地质装备集团有限公司，北京 100102； 4.中地装(北京)科学技术研究院，北京 100120)

XD系列电传动顶驱岩心钻机的研制

欧阳志强1，陈刚2，雷统平1，谭颖1，朱江龙3,4

(1.衡阳中地装备探矿工程机械有限公司，湖南 衡阳 421002；2.四川省煤田地质局一四一队， 四川 德阳 618000；3.中国地质装备集团有限公司，北京 100102； 4.中地装(北京)科学技术研究院，北京 100120)

为了升级改造传统立轴式和液压顶驱式岩心钻机，满足深部钻探和复杂地层钻探的需要，作者将变频电传动技术、高速顶驱钻进技术、金刚石绳索取心钻探工艺融合为一体，先后开发了XD系列变频电传动顶驱式岩心钻机。本文主要介绍了XD系列电传动顶驱岩心钻机的研制过程，主要特征和配置、顶驱装置及主要性能参数、在山东、四川和重庆等地的应用情况和客户评价以及需要进一步优化的问题。

电传动；顶驱；岩心；钻机；深部

0 引言

国土资源系统科技创新大会提出“三深一土”科技创新战略，推进科技创新，加快推进地质工作从浅部向深部转变。增强深部勘查能力，支撑找矿突破战略行动，是地勘单位在未来一段时间内的发展方向和工作重点。工欲善其事，必先利其器。现代化勘查能力的核心在于勘查技术装备体系的创新升级，深部岩心钻探技术装备是国家资源勘探、能源勘探、地球探索能力的最直接方法和手段。

在快速工业化发展中，将电气化、液压化、数字化等现代工业信息技术与金刚石钻探、牙轮钻井、空气钻进等专业领域工程技术相融合，打造新型地质钻探装备体系，为“深地探测”科技战略和“能源安全”国家战略的实施提供支撑，是中国地质装备集团有限公司(以下简称“中装集团”)长期以来的科技创新主要目标。

在持续优化改造传统的机械立轴式岩心钻机，不断升级优化液压动力头岩心钻机、液压顶驱式岩心钻机，但仍不能满足深地、深矿、深水、深热、深油、深铀等多领域深钻施工能力、工程效率及综合效益的形势下，中装集团自2011年开始启动深钻装备的新一轮探索与实践，将变频电传动技术、高速顶驱钻进技术、金刚石绳索取心钻探工艺融合为一体，打造适用于深部钻探及复杂地层钻探的变频电传动顶驱式岩心钻机。

1 研制历程

1.1 探索阶段

图1 XD-35DB钻机

2012年，中装集团以衡阳中地装备探矿工程机械有限公司(以下简称“衡阳探矿”)为生产基地，联合中核集团地矿事业部，针对中国铀矿科学钻探1井(CUSD-1)工程项目，自主研发国内首台XD-35DB电动直驱顶驱式岩心钻机，见图1。针对汶川地震断裂带科学钻探4号孔(WFSD-4)，联合成都探矿工艺研究所完成KZ-30DB电动直驱顶驱/转盘式钻机的研制。截止到2013年，分别完成了CUSD-1孔终孔直径122 mm连续取心2818.88 m 和WFSD-4终孔直径150 mm局部取心钻进 2338.77 m的实钻验证。大型电动直驱顶驱式钻机在确保3000 m以深的超深取心孔、大直径超深孔等国家重大钻探工程项目的实施中发挥了关键作用，也获得了理想的工程试验效果。

1.2 提升阶段

2014年，在以上工程实践基础上，为进一步优化直驱顶驱装置的结构，进一步提高产品的标准化和适用性，结合国家高技术研究发展计划(863计划)项目(课题编号：2014AA06A607)，中装集团与中国地质科学院勘探技术研究所联合研制了4000 m电动直驱顶驱式岩心钻机，目前已完成试制及调试，拟进入工程实验阶段，见图2。

图2 XD-40DB钻机

1.3 推广阶段

2014年起，为进一步践行电动变频钻机在深孔取心钻探工程领域的卓越优势，进一步推动电动顶驱式岩心钻机在常规地勘单位的广泛应用，中地装(北京)科学技术研究院、中装集团技术中心与衡阳探矿联合研制了XD-20/30/40DB系列小型化顶驱式岩心钻机，分别满足2000 m、3000 m、4000 m深度小口径取心钻探工程的发展需求，特点是整机功率适中、顶驱非直驱、整机成本低、配套简洁，在取心钻孔工程选型适配上更适合于地勘单位，见图3。

图3 XD-30DB钻机

2 XD-20/30/40DB系列顶驱钻机简介

2.1 XD/DB系列钻机的特征及配置

2.1.1 钻塔

根据孔深，可选配≥70 t以上不同规格的K型或A型井架，净空≥29 m，可实现高、低平台的不同配置。

2.1.2 导轨

可选配油缸绷紧的两根钢丝绳导索，安装方便；也可选配两侧井架上安装的槽式导轨，增强中小口径的顶驱回转扭矩；还可选配井架后背安装的大扭矩导轨，满足10 000～40 000 Nm不同口径钻孔扭矩与18～27 m立根超长行程的钻探需求。

2.1.3 主绞车

通过升降用主变频电机、送钻用小功率变频电机、电磁离合器、变(减)速箱、液压盘刹等装置，实现快速提降作业和自动送钻作业，取消了石油钻机常用的气胎离合器、气源和气路控制系统，简化控制模式，实现全电液控制。

2.1.4 液压系统

为钻机提供全方位的辅助作业动力，实现顶驱加接、拧卸、提吊钻杆，工具绞车移送钻杆，液压盘刹制动及驻车等辅助动作。

2.1.5 电气系统

变频控制房通过变频器装置和PLC实现各执行机构电机的变频控制及司钻过程的辅助动作；司钻房通过旋钮、屏幕、按钮等实现钻机的操作和监控。

2.1.6 变频泥浆泵

变频电机驱动的泥浆泵，可无级调速，实现流量和压力的实时监控和数字化显示。

2.1.7 工程配套体系

孔口夹持可选配加重木马夹持器，也可选配重载液控卡盘夹持器，满足50～127 mm口径范围内、20～80 t载荷的薄壁地质钻杆钻具的安全无损夹持，增加了开孔强制导向装置；绳索绞车配有排绳机构及绳长张力监测系统；钻杆吊卡、背钳卡瓦、夹持器卡瓦、立根蘑菇头等规格，满足所有地质、水井、石油钻杆钻具的配置规格需求。

2.1.8 公称口径

XD/DB系列钻机为深孔适用机型，为确保设备的可靠性和能力储备，性能参数中公称孔深是以H口径终孔为基准进行标定的。

2.2 XD/DB系列电动顶驱装置

XD/DB系列电动顶驱装置的组成主要有：电机、水龙头、托架、变速箱、背钳、吊环(卡)、浮动油缸、液压阀组等，结构示意见图4。其中，电机、水龙头、托架和变速箱实现回转和传递扭矩的功能，背钳、吊环(卡)、浮动油缸和液压阀组实现加接单根和提下钻等辅助作业功能。主要结构特点为：双变频电机对称布置、变速箱可高低挡切换、液压卡盘式背钳以及顶置嵌入式水龙头。

图4 XD-TD顶驱结构示意图

2.3 XD/DB系列钻机的性能参数

XD/DB系列钻机的性能参数见表1。

3 顶驱钻机的生产及应用情况

3.1 生产销售

目前，XD/DB电动顶驱式钻机在衡阳探矿累计生产并销售10台套，分别用于整装勘查、页岩气地质调查、金矿勘探、煤层气地质调查、科学钻探等领域，分布于山东、江西、四川、陕西、河北等省份，销售情况及使用区域见表2。

表1 XD/DB系列电动顶驱钻机的主要技术参数表

表2 XD/DB电动顶驱式钻机的应用情况

3.2 应用情况

(1)XD-20DB型电动顶驱钻机，山东禹城李屯铁矿整装勘查区，山东煤田三队承担工程施工任务，钻深1430 m，施工周期为2016年6月18日～2016年9月28日，历时100天，终孔直径75 mm。

(2)XD-30DB型电动顶驱钻机，四川雷波县马湖乡页岩气地质调查永地一井，四川省煤田地质局141队承担工程任务，施工周期为2015年10月30日～2016年6月底，终孔直径98 mm，深度1826 m。

(3)XD-30DB型电动顶驱钻机，重庆市黔江页岩气地质调查井黔地4井，施工周期为2016年12月25日～2017年5月15日，实际钻进时间为110 d，根据日报显示纯钻进时间为1270 h，完钻井深2258 m，终孔口径95 mm，钻进过程十分顺利，得到四川煤田地质局的高度评价。

4 总体评价及存在的问题

XD/DB新型电动顶驱钻机较于传统钻机，优势比较明显，主要体现在以下几点：

(1)超低事故率。XD/DB系列变频电传动钻机，配以先进的数字化操控司钻台，能实时监控钻孔内各种钻进参数，司钻人员对孔内情况了然于胸，以数据代替经验，尤其是对于钻进过程中孔内钻杆、钻头的扭矩设定与实时查看，为确保复杂地层钻进的孔内安全起到积极的预警与防护作用。在已施工的四个孔：永地1井1826 m，黔地4井2258 m，相山2818.88 m，齐河铁矿1430 m，均未出现断钻、烧钻等孔内事故。

(2)安全性能高。电传动强大的过载特性，变频控制自身特有的能耗制动、零速悬停功能，绞车配置的液压盘刹包含工作制动、驻车制动、紧急制动，在施工现场发生断电、断液、防碰、过卷等各种异常情况下，均具备自动和手动刹车功能。

(3)工艺适用好。具备18 m及以上立根的长行程钻进、扫孔、划眼功能，无需倒杆，对于复杂地层特别有效；快速加接单根，最大程度降低无泵循环周期，工艺性能优越；顶驱的变速设计，具备金刚石取心钻进的高转速性能和大口径钻井的低速大扭矩性能；具备大深度重载钻柱送钻的钻压控制精度；卷扬机的两挡变频设计，也最大程度地发挥了钻机的起下钻效率与事故处理能力大的双重优势。

(4)整体性能好。整机模块化便于搬迁运输，数字一体化集中操纵的人机关系，操作环境舒适度高，设备便于维护保养，电传动受环境影响程度低。

(5)配置标准化。变频电机为高等级的冶金起重类变频电机，变频控制器均为国际品牌的工业重载变频器，工程传感器均为符合石油API标准产品，动力及控制电缆均为高绝缘、高防护、高阻燃、带屏蔽的特种钻井电缆，配套的钻杆钻具、卡夹、拧卸、提吊工具均为标准化配置产品，整机产品制定标准操纵手册，提供标准化的工厂培训和野外现场培训服务。

从多台设备超过上万米工程施工运行的情况来看，出现问题多集中在新机型的第一次运转阶段，如水龙头漏浆、离合器打滑、顶驱润滑故障、绳索绞车排绳等等，在施工过程和后期优化过程中均得到了优化设计和完善。其他有待进一步解决的问题有：

(1)进一步优化浅孔加压功能，尤其是定向钻进如何实现强力加压的问题，在煤层气钻井、地热钻井、油气钻井领域，进一步拓展其工程应用范畴；

(2)进一步优化远程信息化系统，完成自动班报表生成系统，综合数据分析系统、工艺参数监控系统；

(3)进一步增强孔口自动化系统，减轻孔口劳动强度，增加机具配套性，缩短辅助时间，提高施工效率。

5 结语

历经2011年至今的设计、实践、升级、改型、再实践等研制过程，经过国家科学钻探、深部金矿勘查、深部铁矿勘查、常规油气地质调查、页岩气地质调查、煤层气地质调查等多领域钻探工程10000m以上取心和全面钻进的实钻检验证明：电传动顶驱钻机在深孔、超深孔地质钻探领域，尤其是在深孔固体矿床复杂地层、深部煤系地层、深部油气地层的超低事故率、安全性能、工艺适用、超低能耗、操控性能、标准化配置等方面具有明显的优势。但在深孔电传动地质装备的整体发展过程中，还有很多需要进一步适应钻探工艺、应用领域、辅助作业多样化及装备规范化的升级空间，以取得更为广阔的市场应用效果。

2017-05-10

欧阳志强(1963-)，男，湖南湘阴人，衡阳中地装备探矿工程机械有限公司总工程师，教授级高工，机械设计制造及其自动化专业，从事地勘设备的研发，Tel: 0734-8320033，E-mail：technition@vip.sina.com。

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1009-282X(2017)04-0011-04