蔡順山，孟祥森，董瑞

（核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

近年來，核工業(yè)二一六大隊砂巖型鈾礦鉆探施工鉆機主要以國產(chǎn)立軸式鉆機為主，當前立軸式鉆機采取機械傳動，存在傳動效率低、自動化程度低、勞動強度高、安全環(huán)保性能低、集成化程度低、給進行程短、操作工序繁瑣等問題［1］，立軸式鉆機的可靠性不足和高耗低能缺點，在一定程度上制約了當前砂巖型鈾礦鉆探生產(chǎn)效率。

為了降低鉆探成本，鉆機應(yīng)當具備安全可靠、結(jié)構(gòu)先進、節(jié)能環(huán)保等特點和優(yōu)勢，為此國內(nèi)外對于鉆探設(shè)備的改造已經(jīng)向電動化改造方向發(fā)展，鉆探設(shè)備的直驅(qū)化和智能化已成為鉆探設(shè)備發(fā)展的主流方向。2015 年，北京探礦工程研究所率先研發(fā)了永磁直驅(qū)電動鉆機，實現(xiàn)了鉆機結(jié)構(gòu)和能效的雙“革命”，研制的ZJ30-70DBZ 系列永磁直驅(qū)頂驅(qū)電動鉆機是國內(nèi)最早、最先進的永磁直驅(qū)深部電動鉆探設(shè)備。在浙江頁巖氣勘查LC-1 井、廣東惠熱1 井和雄安新區(qū)D20 地?zé)峋@探工程中得到了廣泛應(yīng)用，全面滿足綠色、環(huán)保、“泥漿不落地”等施工要求。

電動直驅(qū)技術(shù)是將電機與負載直連，實現(xiàn)對負載的直接驅(qū)動，能簡化中間傳動環(huán)節(jié)，縮短傳動鏈，提高傳動效率［2］。傳統(tǒng)巖心鉆機、泥漿泵采用大功率三相異步電機，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修成本高、傳動效率低。永磁直驅(qū)電動鉆機采用稀土永磁同步變頻電機直接驅(qū)動，是對傳統(tǒng)巖心鉆機的創(chuàng)新性改革，實現(xiàn)電機與絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等大功率主體設(shè)備無齒直聯(lián)，減少傳動裝置與變速機構(gòu)，使鉆機整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時，憑借永磁同步電機本身的高效、高功率因數(shù)的特性，使該類型裝備具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢［3］。

為適應(yīng)地質(zhì)勘查隊伍鉆探設(shè)備轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量發(fā)展的趨勢，以及綠色低碳、節(jié)能環(huán)保鉆探的要求，對傳統(tǒng)立軸式鉆機的改造勢在必行［4］。因此，核工業(yè)二一六大隊依托鈾礦勘查項目，與河北永明地質(zhì)工程機械有限公司合作，將稀土永磁電動直驅(qū)和信息自動化技術(shù)應(yīng)用于鈾礦鉆探工程，研制一款適用于鈾礦鉆探作業(yè)的快裝式電動直驅(qū)鉆機，并命名為XD-10DK。

1 XD-10DK 型鉆機技術(shù)特點

XD-10DK 型鉆機是一款模塊式電動直驅(qū)鉆機。鉆機主要由司鉆控制系統(tǒng)、直驅(qū)頂驅(qū)、機械手系統(tǒng)、直驅(qū)絞車、液壓系統(tǒng)、電控配電系統(tǒng)、直驅(qū)泥漿泵等組成。

XD-10DK 鉆機的作業(yè)狀態(tài)高度為21 m，其動力頭最大額定靜鉤載200 kN，最大鉤載360 kN，最大名義鉆井深度為1 000 m（Φ60 mm 鉆桿），泥漿泵最大排量為390 L/min。鉆機主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 XD-10DK 鉆機主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of XD-10DK drilling rig

XD-10DK 鉆機的絞車、頂驅(qū)、泥漿泵均采用電直驅(qū)技術(shù)，司鉆室集中控制鉆機液壓、電控系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控及鉆井儀表組。鉆機由鉆臺模塊、鉆機主體模塊兩部分組成，具有高效率、多裝載形式等特點。

2 XD-10DK 鉆機應(yīng)用

2.1 工區(qū)概況

工區(qū)位于準噶爾盆地西部車排子地區(qū)，工區(qū)出露地層主要為第四系、古近系和白堊系，地層以褐紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾礫巖、灰色砂礫巖、含礫砂巖、中細砂巖夾灰色泥質(zhì)巖為主，巖石的可鉆性為2～6 級。

2.2 鉆進效率與鉆孔質(zhì)量分析

2022 年，XD-10DK 電動直驅(qū)鉆機（簡稱電動鉆機）在車排子工區(qū)共完成6 個鉆孔的施工，總鉆探工作量4 809.74 m，其中最大孔深是981.30 m，平均孔深801.62 m，平均臺月效率為853.03 m/臺月。使用電動鉆機、立軸式鉆機施工的鉆探指標對比如表2 所示。

表2 電動鉆機與立軸式鉆機施工情況對比表Table 2 Comparison of construction conditions between electric drive drilling rig and vertical shaft drilling rig

由表2 可知，在同工區(qū)施工條件、地層條件、孔深等基本相同的情況下，電動鉆機采用電機直驅(qū)鉆進方式，與立軸式鉆機的機械式傳動相比，能夠減少鉆機維修的輔助時間，提高臺月效率。電動鉆機施工的平均臺月效率為853.03 m/臺月，普通立軸式鉆機的平均臺月效率為703.04 m/臺月，電動鉆機臺月效率比傳統(tǒng)立軸式鉆機高21.33 %（圖1）。

圖1 電動鉆機與立軸鉆機臺月效率對比Fig.1 Monthly drilling meters of electric drilling rig and vertical shaft drilling rig

圖2 為兩種鉆機的機械鉆速對比，由圖2可見，電動鉆機的小時效率高于立軸式鉆機。其主要原因是電動鉆機采用動力頭直驅(qū)鉆進方式，取消了原有立軸式鉆機的倒桿操作，其輔助時間相對減少。而且電動鉆機采用無級變速直驅(qū)電機，鉆進參數(shù)實時可調(diào)，鉆進效率更高，平均機械鉆速為3.52 m/h，電動鉆機的機械鉆速比傳統(tǒng)立軸式鉆機高14.29 %（表2，圖2）。

圖2 電動鉆機與立軸鉆機機械鉆速對比Fig.2 Hourly efficiency of electric drilling and vertical shaft drilling

在使用普通單管提鉆取心工藝的相同條件下，電動鉆機的鉆孔偏斜度控制得更好，偏斜距離有效降低（表2，圖3）。主要原因是電動鉆機具有鉆壓自動控制系統(tǒng)，能夠減少干鉆取心導(dǎo)致的鉆孔偏斜；電動鉆機的恒壓送鉆能夠精準控制鉆壓，自動送鉆，減少鉆壓變化導(dǎo)致的鉆孔偏斜。電動鉆機的巖心采取率比立軸式鉆機高15.48%，由于電動鉆機取消了倒桿操作，避免了立軸式鉆機倒桿過程中由于操作失誤導(dǎo)致的掉心現(xiàn)象，因此鉆進巖心更加平穩(wěn)，巖心采取率相對較高［5］（圖4）。

圖3 電動鉆機與立軸鉆機百米斜度對比Fig.3 Hundred-meter inclination of electric drilling and vertical shaft drilling

圖4 電動鉆機與立軸鉆機平均采取率對比Fig.4 Average recovery rate of electric drilling and vertical shaft drilling

2.3 鉆機的安全與環(huán)保性能分析

XD-10DK 電動鉆機的控制全部集中于司鉆控制室。在鉆進過程中，數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)可以對泵壓、流量、扭矩等鉆進參數(shù)變化做出判斷并發(fā)出預(yù)警，提示設(shè)備操作可能出現(xiàn)的異常，防止發(fā)生鉆探事故，保障孔內(nèi)安全。而傳統(tǒng)立軸式鉆機的操作主要依靠的是機長的熟練程度，其操作隨意性較大，容易導(dǎo)致孔內(nèi)事故的發(fā)生［6］。

2022 年，在車排子工區(qū)6 口鉆孔鉆探過程中，使用電動鉆機在施工過程中未發(fā)生孔內(nèi)事故和孔內(nèi)復(fù)雜情況，有效保障了鉆孔作業(yè)安全和高效鉆探。電動鉆機配備機械手系統(tǒng)和自動投球裝置，在正常鉆進中，可實現(xiàn)自動加鉆桿，干擰前實現(xiàn)自動投球，無需鉆工上塔和登高投球，單次取心爬塔次數(shù)由2 次減少為1 次，有效地減少高空作業(yè)次數(shù)，降低安全風(fēng)險。

XD-10DK 電動鉆機采用DB-5Z 直驅(qū)絞車，絞車由兩臺37.5 kW 的交流變頻電動機直接與滾筒軸相聯(lián)，取消了離合器，滾筒與主電機完全同步，為單軸絞車［7］。絞車采用交流變頻驅(qū)動，可實現(xiàn)無極調(diào)速，大大提高了功率的利用率。永磁同步電機可精準控制，可編程邏輯控制器（PLC）可以通過控制電機轉(zhuǎn)子位移和正負力矩閉環(huán)平衡達到制動或鎖定的效果。該功能可以智能化地控制絞車的運行和懸停，在液壓送鉆情況下，避免了起下鉆的溜鉆、頓鉆、制動失效和頂天車等惡性事故的發(fā)生［3］。DB-5Z 直驅(qū)絞車滾筒體表面采用里巴斯（Lebus）繩槽，排繩整齊，可延長鋼絲繩使用壽命，避免鋼絲繩排列不整齊導(dǎo)致的鋼絲繩異常磨損和斷裂問題，有效地避免人身傷害事故的發(fā)生。直驅(qū)絞車取消立軸式鉆機采用的帶式摩擦制動方式，采用液壓盤剎系統(tǒng)，可防止制動系統(tǒng)不靈活導(dǎo)致的溜鉆、跑鉆等事故的發(fā)生［8］。絞車安裝游車防碰裝置，能夠避免鋼絲繩過卷導(dǎo)致的游車碰天車的事故。

XD-10DK 電動鉆機采用XD-36Z 頂驅(qū)系統(tǒng)，額度載荷360 kN，最大扭矩5 000 N·m。頂驅(qū)系統(tǒng)采用直驅(qū)方式，取消了立軸式鉆機的立軸倒桿操作，使得鉆進過程更加平穩(wěn)。頂驅(qū)系統(tǒng)采用動力頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)，避免立軸式鉆機回轉(zhuǎn)機構(gòu)水龍頭高壓管在高速旋轉(zhuǎn)情況下纏繞立軸、水接頭墜落等事故的發(fā)生［9］。電驅(qū)鉆機二層臺也進行了設(shè)計優(yōu)化，使得井架工工作空間更大，降低了勞動強度，保障高空作業(yè)人員的安全（圖5）。

圖5 立軸式鉆機鉆塔工作臺與電驅(qū)鉆機工作臺對比示意圖（紅色區(qū)域表示人員可活動空間）Fig.5 Schematic diagram showing the drilling tower workbench of a vertical shaft drilling rig and an electric drive drilling rig（red indicates personnel movable space）

XD-10DK 電動鉆機采用DBZ-390/15A 型變量臥式3 缸單作用活塞泵，該泥漿泵采用永磁同步直驅(qū)伺服電機，其泵量動態(tài)可調(diào)，節(jié)約了更換缸套的維護時間，提升作業(yè)效率，滿足深部地層鉆探工程的施工要求。

XD-10DK 電動鉆機的司鉆控制房，融合機、電、計算機及通訊、人機工程等技術(shù)于一體，為司鉆提供了舒適的工作環(huán)境、簡捷的操作空間、方便的觀察視野，將操作人員從緊張、繁重、簡單的體力勞動中解放出來，使司鉆更專注于鉆井工藝，有效地保證了鉆探安全，提高了生產(chǎn)效率。在XD-10DK 電動鉆機一體化的司鉆控制房，鉆機操作功能是依靠手柄和操作按鈕來實現(xiàn)的，比傳統(tǒng)立軸式鉆機的換擋式操作更加簡單易學(xué)，這是地勘裝備轉(zhuǎn)型升級、智能提升的具體體現(xiàn)［10］。XD-10DK 電動鉆機具有雙向信息傳輸?shù)哪K，可以實現(xiàn)鉆進參數(shù)的實時記錄和傳輸，使得遠程傳輸、遠程診斷和遠程控制成為現(xiàn)實，進一步提升鉆探信息化、數(shù)字化的能力。數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)可以遠程回傳現(xiàn)場的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為技術(shù)人員對現(xiàn)場的預(yù)判提供數(shù)據(jù)的支撐。

電動鉆機采用模塊化、集成化設(shè)計，減少對鉆場環(huán)境的影響。鉆機模塊化設(shè)計有利于機臺標準化建設(shè)。絞車采用電機直接驅(qū)動，沒有減速箱和離合器，不需要潤滑系統(tǒng)，沒有自然環(huán)境污染的風(fēng)險，節(jié)約維護保養(yǎng)成本。

2.4 鉆機的經(jīng)濟性分析

傳統(tǒng)立軸式鉆機主要依靠電機帶動機械傳動的方式進行鉆進，一般采用“動力機構(gòu)+傳動機構(gòu)+變速機構(gòu)+執(zhí)行機構(gòu)”的驅(qū)動方式［11］，使得鉆機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行維護費用居高不下。而電動鉆機的泥漿泵、絞車和動力頭都采用直驅(qū)電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，降低鉆機的維護費用（表2）。動力頭輸出軸下端設(shè)計有浮動減震裝置，方便卸扣的同時，還可以降低鉆進過程中鉆柱震動對動力頭的沖擊，降低鉆進過程中由于跳鉆導(dǎo)致的鉆具磨損，減少管材成本。

XD-10DK 型鉆機采用模塊化設(shè)計，其主體結(jié)構(gòu)分為主機模塊和鉆井平臺模塊，兩個模塊可以整體吊裝、運輸；長途運輸可將兩個模塊分別拆解、分體運輸，滿足公路運輸條件。電動鉆機結(jié)構(gòu)緊湊，可節(jié)省運輸費用和器材成本，包括管材、傳動部件、潤滑油、維修配件等［12］。

XD-10DK 型鉆機鉆塔為分段式設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機自主起塔和放塔作業(yè)，提高鉆機的搬遷、安裝效率，降低鉆塔起放風(fēng)險，降低搬遷成本。

3 XD-10DK 鉆機未來改進方向

XD-10DK 電動鉆機在搬遷和運輸過程中可拆分為井架模塊和鉆臺模塊，其中井架模塊自重達到30 t，而鉆臺模塊只有6 t 左右，自重分配不合理。由于孔位分散、基本位于農(nóng)田或戈壁灘，地基較為松散，且基本不對鉆機地基進行固化處理，因此需使用50 t 汽車吊車進行設(shè)備吊裝，搬遷較為困難且費用較高、效率低。未來將對兩個模塊的重量分配進行優(yōu)化設(shè)計，從而達到高效搬遷的目的。

XD-10DK 電動鉆機與傳統(tǒng)立軸式鉆機相比，其結(jié)構(gòu)、配件、油路系統(tǒng)、電子元件等進行了革新設(shè)計，因此對于設(shè)備操作人員提出了更高的要求，尤其是其電、油路系統(tǒng)維修復(fù)雜，要求人員具有更高的知識儲備和維修技能，在一定程度下制約了該型鉆機的推廣應(yīng)用［12］。因此鉆機應(yīng)在配件的標準化、設(shè)備維修的簡便性方面進行進一步的優(yōu)化與改進。

XD-10DK 電動鉆機在設(shè)計上存在一些缺陷，其二層工作臺高度為13 m，而目前機臺常用的鉆桿立根長度為13.5 m，這就導(dǎo)致井架工需要彎腰才能摘掛鉆桿，存在一定的風(fēng)險。XD-10DK 電動鉆機井架為JJ30/18-K 型井架，井架主要由上段、下段、天車、鉆臺總成和后臺等部件組成，該井架的下段凈寬度為1.7 m，打開動力頭狀態(tài)下動力頭離井架下段中性線距離為50 mm，這就導(dǎo)致游車在運動過程中容易碰撞動力頭，影響提下鉆速度。

另外XD-10DK 電動鉆機鉆臺模塊寬度為2.3 m，在去除井口模塊的情況下剩余面積過小，留給井口工的活動空間過小，導(dǎo)致孔口泥漿噴濺嚴重，影響鉆工的安全。因此建議在保留動力頭可以打開的狀態(tài)下，加大滑車的運行空間，避免相互碰撞。另外需調(diào)整工作臺高度和司鉆模塊位置，使塔上和孔口的操作空間進一步優(yōu)化，以提高鉆工的安全性，降低勞動強度。

4 結(jié)論

1）將稀土永磁電動直驅(qū)和現(xiàn)代信息自動化技術(shù)應(yīng)用于鈾礦鉆探領(lǐng)域，研發(fā)XD-10DK電動直驅(qū)鉆機，在準噶爾盆地車排子地區(qū)砂巖型鈾礦6 個鉆孔獲得成功應(yīng)用，驗證了鉆機的可靠性。

2）與傳統(tǒng)的立軸式鉆機相比，電動鉆機具有施工效率高、可操作性強、孔身質(zhì)量好等特點，在深鉆孔優(yōu)快鉆探方面有一定的技術(shù)優(yōu)勢，能有效地提高巖心采取率，降低鉆孔孔斜。

3）電動鉆機具有燃料消耗少、環(huán)境保護好的特點，在提高鉆探安全、提高鉆探生產(chǎn)管理方面有突出的優(yōu)勢，其模塊化設(shè)計有效提高了機臺的搬遷效率和鉆機的運輸效率。

4）電動鉆機維護保養(yǎng)方便，其電子化、智能化設(shè)計，有效降低勞動強度，減少孔內(nèi)事故，提高動力傳動效率，降低鉆機維修成本。

5）綠色環(huán)保、安全可靠、節(jié)能高效的新型電動鉆機是未來地質(zhì)勘探巖心鉆探設(shè)備轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的理想裝備。