我国深孔钻探装备的发展与展望

 

刘跃进，朱江龙，潘飞，黄洪波 

（中国地质装备总公司，北京100102)

摘要：在认真总结目前深部钻探存在的问题、系统分析深部钻探的特点以及对装备的要求的基础上，围绕钻探装备在目前深部钻探实践中的不适应性，提出深孔钻探装备的发展思路，并简单介绍了交流变频电驱动岩心钻机的研究实验情况，对建立我国深部钻探装备体系具有一定的参考价值。

关键词：深孔钻探；钻探装备；发展展望；交流变频电驱动岩心钻机

1  概述

“十一五”以来，为缓解我国经济社会持续发展与矿产资源供给的深层次矛盾，增强资源勘探对国家经济安全的保障能力，实现找矿重大突破，我国陆续实施了危机矿山接替资源找矿、攻深找盲和深部找矿等多项重大行动，找矿突破战略上升到国家战略层面，地质勘查工作开始由浅部地表找矿向深部找矿的重大转型，极大地推进了我国深部钻探工作的发展。据不完全统计，截止到2010年底，我国共完成2000m以深的小口径取心钻探生产孔30余口，钻深记录2706.68m（安徽地矿局313队，霍邱）。“十二五”以来，国家和各省地勘局进一步加大了深部钻探的工作力度，深部钻探发展明显加速，截止到目前，2000m以深的小口径取心钻探生产孔预计在100口左右，钻深记录超过3300m（山东地矿局三队，莱州，目前尚未终孔）。

同时，出于各类科学研究的需要，近几年国家及各部门相继启动了各类科学钻探项目计划，如地球深部探测计划、汶川地震断裂带科学钻探工程项目等，在全国部署了数十口深度超过2000m的科学钻探孔（群），对我国深孔（特深孔）钻探起到了重要的推动作用。

深部找矿和科学钻探驱动的我国深孔（特深孔）施工在数量上的快速发展和在深度上的不断拓深，有力推动了深部钻探理论和技术的发展，给深部钻探装备的发展也带来了前所未有的机遇。但是，钻探深度的不断深入，对包括钻机、泥浆泵、孔口装置和钻杆钻具在内的钻探装备体系提出了更新更高的要求，因此，系统分析深部钻探的特点以及对装备的要求，梳理总结目前深部钻探装备的发展现状和存在的问题，研究解决途径，理清发展思路，并在实践中不断验证，从而逐步建立适应深部钻探特点和要求的全方位的深部钻探装备综合体系，是我国钻探装备行业亟待解决的课题。

2  深孔钻探对设备提出新的要求

按照《地质岩心钻探规程》（DZ/T 0227-2010）的地质岩心钻孔深度分级标准，深度1000~3000m为深孔，超过3000m为特深孔。适用于1000~2000m钻孔深度的岩心钻探设备经过一段时间的发展，目前逐渐走向成熟。因此，本次集中研究钻深超过2000m、钻进工艺主要采用小口径绳索取心同时兼备扩孔钻进和提钻取心能力的深孔（特深孔）施工特点和对装备的要求。

钻深不断深入带来的直接结果是钻杆总长度和总质量的增加，空间和质量的变化到达一定规模后将产生质变，形成深孔钻探相对中浅孔钻探不同的特点，在钻深能力、工艺适应性、钻探效率、钻探经济性、操作控制和劳动强度等方面对装备提出不同的要求。

2.1  钻深能力

钻机方面，除必须考虑钻杆自重增加对钻深能力的影响外，深孔钻探孔身变形导致的孔壁与钻杆之间的摩擦力增加对钻机钻深能力的影响，相对于中浅孔来说更为显著，要求主机和配套泥浆泵具有更高的动力机功率和传动效率。从钻杆钻具来看，必须从强度和刚度2个方面解决随深度增加导致的钻杆具自重不断增加的问题，同时钻杆接头的形式和强度也是需要重点考虑的因素。

2.2  工艺适应性

相对于中浅孔钻探，深孔（特深孔）钻探大多采取多级孔身结构设计，这就要求设备回转系统具备更为宽泛的扭矩和转速范围，具备同时满足高转速金刚石取心钻进和大扭矩扩孔钻进要求的能力。

2.3  钻探效率

随着钻孔深度加大，机台运行成本费用将会逐渐加大，相对中浅孔钻探，施工方对钻探效率将会更加关注。深孔钻探中，地层条件趋于复杂，孔内事故出现的可能性增大，处理难度也会增加；同时，钻杆单根、立根及套管柱的拧卸等孔口辅助作业次数和时间也会随钻探深度延伸和提下钻次数增加呈非线性增加，因此，设备的事故处理能力以及孔口作业的效率将成为影响深孔钻探综合效率的主要因素。

2.4  钻探经济性

深孔钻探大部分施工周期较长，钻探经济性必须重视。在影响钻探经济性的诸多因素里，跟设备相关的，除上述钻探效率外，动力机到执行件的传动效率的提高对经济性的影响在深孔钻探中将变得越来越显著，同时也是节能环保型钻探装备所必须考虑的重要因素之一。

2.5  操作控制

中浅孔钻探中，操作工人依靠几个主要参数甚至凭借操作手柄的手感就可以判断设备运行情况和孔底钻进状况，随着钻深逐渐增加，这种简单的监控将越来越无法适应孔底和钻进过程中复杂的情况。全面的钻进参数采集、集中的参数可视化显示和故障预警以及智能的集中操控可有效减少孔内事故，降低操作强度，是深孔钻探装备发展的必然趋势之一，控制系统在整机中占的成本比例也将越来越高。

2.6  劳动强度

劳动强度一方面体现在司钻操作的强度，在施工周期较长时，从操作上尽量减轻操作强度，提供舒适的操作空间。更重要的一方面是，随着钻深增加，正常钻进或者处理事故起下钻的拧卸和加接钻杆的次数将是影响劳动强度的主要因素，对于提钻取心工艺或者复杂地层必须提钻取心的情况尤其如此。如果所有工作依靠人工来完成，以3000m为例，18m立根，按每次加接拧卸钻杆人工摆臂24次计算，而一回次完整的提下钻需要摆臂8000次，钻探工人的劳动强度和劳动量之大可以想象，变得无法忍受。所以，对于深孔钻探，必须建立一套完整的机械化的卡夹拧卸装置系统，这同时也是大幅提高钻探综合效率的必然选择。

3  我国深孔钻探装备发展现状分析

3.1  深孔钻探装备发展现状

近几年来，受深孔钻探市场快速增长的驱动，我国的深孔钻探装备取得一定进展。

钻杆方面，如中国地质装备总公司所属无锡钻探工具厂与中国地质科学院勘探技术研究所合作，以国家863项目为依托，从新材料入手，结合扣型优化和热处理工艺创新，陆续开发了一系列高强度绳索取心钻杆，经安徽霍邱和山东莱州等国内各个深部钻探孔施工验证，性能可靠，创造并保持着目前我国小口径绳索钻探的最深记录。

孔口装置机械化方面，中国地质装备总公司国家级技术中心针对绳索取心钻杆的规格、扣型、材质、适用扭矩和转速特点，开发的SQ114/8型绳索取心钻杆专用液压钳，充分借鉴了石油动力钳和地质拧管机的结构特点和功能优势，夹持可靠、对中性能良好、操作简单、卸扣效率高、可与目前市面上所有地质钻机衔接，可大幅度降低劳动强度，大大缩短施工周期，提下钻节能降耗显著，并可有效保护钻杆丝扣，目前在全国地质钻探使用单位得到迅速推广。

钻机方面，2条技术主线齐头并进：机械立轴式岩心钻机方面，以中国地质装备总公司所属张家口中地装备探矿工程机械有限公司和连云港黄海机械厂为代表，通过增加动力机功率配备进行纵向系列化，型号从XY-5陆续发展到XY-6和XY-8，甚至到XY-9，最大设计钻深能力到4000m（NQ），是我国目前已完成的2000m以深钻探孔的主要施工装备；全液压岩心钻机方面，在北京天和众邦勘探技术股份有限公司、连云港黄海机械厂、中国地质装备总公司所属企业和中国地质科学勘探技术研究所的共同努力下，我国全液压岩心钻机的研制和产业化得到快速推进，设计钻深达到3000m（NQ），在1000~2000m深度范围表现出了良好的适应性，但由于投入使用率不高等原因，目前已完成的钻深超过2000m孔的施工中，全液压钻机占比不高。

3.2  我国深孔钻探装备发展存在的问题

尽管近年来深孔钻探装备的发展取得一定进展，但由于时间短，总体来说，设备发展滞后于市场的需求。单纯从技术角度来看，具体表现如下。

（1) 钻杆钻具。总体性能在3500m以深缺乏实际施工的验证，同时新型材料钻杆如铝合金钻杆尚缺乏系统研究。

（2) 孔口作业装置。卡夹拧卸孔口作业机械化刚刚起步，没有得到足够的重视，产品研发尚未形成体系。

（3) 钻机。总体来说，存在2个方面的问题。一是在用的两类型岩心钻机因存在无法回避或解决的固有缺陷导致在深孔钻探中存在不同程度的不适应性。全液压岩心钻机由于其传动效率低能耗大、桅杆式结构起下钻效率低劳动强度大以及故障检测维护复杂等固有或者结构性缺陷，在超过2000m深度时，其结构适应性、钻探综合效率和钻探经济性大大降低。机械立轴式钻机依靠增加动力功率配置来提高钻深能力，但会出现极限，同时如何保证深孔重载时的可靠性、确保20~30t小口径钻具在震动工况下的安全有效夹持以及操作控制智能化和集中化难度大等一系列问题，是其在2000m以深，尤其是超过3000m的特深孔施工中无法回避的主要难点。二是利用控制技术和信息技术提升传统钻机的能力和性能方面做得不够。

可以说，正是由于钻探装备发展的滞后，在一定程度上导致目前我国深孔钻探施工存在诸如施工效率低、周期长、能耗大、成本高、劳动强度大等共性问题。从面来看，以我国钻探施工水平较高、深孔施工数量较多的山东省为例，该省“十一五”期间共完成2000m以深钻探孔13个，平均终孔深度2133m，平均施工周期接近7个月，平均台月效率300m左右。从点来看，以安徽地矿局313地质队2010年创造了2706.68m小口径绳索取心钻探记录的安徽霍邱周集铁矿深部找矿项目ZK1725号孔为例，正常起下钻时间占10.34%，正常下套管时间占1.57%，处理事故时间占19.06%，综合考虑各种因素，钻杆拧卸相关时间占比可达30%以上，而实际纯钻进时间仅占18.73%。

4  深孔钻探设备的发展思考

在目前深孔岩心钻探工艺技术尚无新突破的情况下，在保证钻深能力的前提下，如何通过选择、匹配、优化以及提高信息技术和控制技术在钻探设备中的应用水平，来有效提高深孔钻探设备的工艺适应性、钻探综合效率和钻探经济性以及降低劳动强度呢？笔者拟从下面8个方面进行思考，并尝试给出建议，供业内专家参考。

4.1  动力机选择

根据目前电力燃料折合比价测算以及国家环保要求的日趋严格，深孔钻探钻机优先推荐用电，而不用柴油发动机，网电供应非常便捷，临时停电或缺电地区可以用发电机供电。

4.2  传动方式选择和匹配

液压驱动具有功率质量比大，体积小，压力、流量可控性好，可柔性传送动力等优点；但传动效率较低，能耗较大，液压管路安装、维护较为复杂；过载能力低导致处理事故能力较弱。

在深孔钻探过程中，提升系统和回转系统较为理想的方式是选择交流变频电机+机械传动，尤其是在深孔提钻取心作业较多时，绞车选择电动机+机械传动可能更为合理。考虑到顶驱安装电机的空间受限，或顶驱重量限制，可以选择液压传动或者交流异步电机直驱。

交流异步电机质量稳定、规格齐全，在对尺寸要求不高的情况下有着良好的性价比；稀土永磁同步电机尺寸优势明显，但是价格较高，弱磁控制尚有一定技术风险。

4.3  控制系统选择

液压控制、电液比例控制以及电控系统均能提供良好的操作集中性和舒适性，而电控系统相对于前二者，能更方便地与信息技术集成，提供非常良好的操纵智能化和数据显示可视化，并且具有很宽泛和便捷的调整配置能力，具有更高的控制粒度，在深孔钻探设备中具有明显优势。交流变频控制技术目前比较成熟，国产变频器在小功率端完全可以替代进口产品，性价比较好，大功率尤其是对可靠性要求较高的应用，可采用进口产品。其他辅助动作可采用液压驱动控制，或通过电液信号转化，与电控系统集成。

4.4  动力分配方案

机械立轴钻机的回转和提升共用一个电机，在深孔钻探作业过程中，绞车所需要功率往往要大于回转需要的功率，如果发生憋钻，B系列、N系列绳索取心钻杆很容易被拧断，二者同一个动力，也无法单独给回转器限扭。

全液压钻机顶驱回转和主卷扬提升一般是共用主泵，复杂地层遇孔内事故需要回转提升复合动作时互相有干扰；深孔钻探时，绳索绞车应单独配备一个小型动力机，打捞时关闭主动力。

深孔钻探钻机的动力分配可借鉴石油钻机的做法，转盘、顶驱和绞车三大系统独立驱动，独立控制，可方便对某一个执行端进行单独设定，同时也可以保证复合动作的实现。

4.5  工艺适用性

全液压岩心钻机因其长行程不倒杆、无极调速精度高、可机上加杆、重复钻进堵心或坍塌掉块几率低、对孔壁扰动少以及方便打斜孔等优势，工艺适用性肯定优于立轴钻机，在2000m以浅的岩心钻探施工中应具有较好的发展空间。2000m以深的深孔及特深孔施工中，回转系统采用顶驱+转盘的组合将会更加理想，既能保证绳索取心工艺，同时也具备转盘扩孔钻进能力。

4.6  桅杆与钻塔的取舍

深孔钻探需要进行大量孔口作业，相对于桅杆式结构，采用钻塔和长立根可大幅度提高提下钻效率，降低人员劳动强度。而且桅杆式钻机因为孔口板窄小以及钻孔轴线到轨道面的空间限制，导致无法使用动力拧卸工具，孔口作业效率在深孔钻探时将明显下降。所以在进行1500m以深提钻取心或地层复杂需要频繁提钻的绳索取心施工时，除非增设快速拧卸装置、机械摆管机构、钻杆存放架等配置，否则不建议选择桅杆式钻机。重载钻塔与长行程轨道相结合，可以提供更高的提钻效率和更强的事故处理能力，是深孔岩心钻探较为理想的总体结构。

4.7  孔口辅助作业装置

孔口辅助作业在中浅孔钻探时，人工操作方式在劳动强度、钻探效率和钻探经济性等方面引发的负面影响尚不太明显，但在深孔（特深孔）钻探中，起下钻、加接单根、下套管、固井、测井、打捞等孔口作业的机械化是一个必须解决的问题，在一定程度上体现了钻探装备发展现代化的水平。

4.8  设备运维

液压系统的使用、维护、保养、故障诊断比较复杂，机械传动与电驱动钻机相对较为简单。

综上所述，采用重载钻塔、长行程导轨、网电或柴油发电机动力供应、顶部驱动加转盘、交流变频控制和独立司钻监控系统的交流变频电驱动岩心钻机，配备机械化的孔口辅助作业装置，可有效满足深孔钻探的工艺要求，大幅提高钻探综合效率和钻探经济性，显著降低钻探劳动强度，是深孔（特深孔）钻探装备的发展趋势。

5  全电驱控制钻机的研制情况

“十二五”以来，我国部分装备制造企业和科研院所相继启动了适用于深孔钻探的交流变频电驱动岩心钻机的研制，其中，中国地质装备总公司国家级技术中心开发、衡阳中地装备探矿工程机械有限公司生产制造的XD35DB型和KZ30DB型交流变频电驱动岩心钻机作为我国首批交流变频电驱动岩心钻机，目前已经分别在核工业局江西相山地区中国铀矿第一科学深钻项目和汶川地震断裂带科学钻探4号孔（WFSD-4）中投入实际的生产钻探施工。

XD35DB型和KZ30DB型交流变频电驱动岩心钻机均采用K型重载钻塔加长导轨型式，立根18m，导轨行程20m；采用顶部驱动，从井架空间上部直接旋转钻柱，沿井架内导轨上下移动，通过绞车实现减压钻进功能，完成回转钻进、钻井液循环、接立根/单根、上卸扣、倒划眼等操作；使用AC-VFD-AC交流变频方式驱动钻机主要执行部件，实现顶驱、绞车、转盘（KZ30DB配备）全程无级调速，辅助动作采用液压驱动；控制方式采用全数字化交流变频控制技术，通过电传系统PLC、触摸屏和气电液及仪表参数一体化设计，实现钻机智能化司钻控制。

截止发稿时，2台钻机在江西相山和四川平武WFSD-4号孔的实际生产钻探工作中运转具体情况如下。

四川平武WFSD-4号孔：采用转盘扩孔提钻取心钻进工艺，牙轮钻头全断面钻进，钻进深度485m，钻头直径316.6mm，表套ø444.5mm，深24m。

江西相山工地：采用ø150mm钻头、ø140mm单管钻具、ø114绳索取心钻杆，单管提钻取心钻进到50m，下第一层套管；之后更换为ø122mm钻头、ø114绳索取心钻具和钻杆，绳索取心工艺钻进，目前钻进深度203m，进尺速度2~3m/h。

2台钻机总体运行平稳正常，在钻进施工的各环节中，恒钻速送钻和恒钻压送钻控制平稳，打捞张力和深度传感精确，上扣卸扣扭矩控制精确，加接钻杆全机械化操作，孔口装置稳定可靠，对转盘扩孔提钻取心工艺和绳索取心钻进工艺均表现出了良好的适应性。具体表现在：

（1）起下钻作业：采用液压吊卡+自动卡盘，单吊卡作业比先进的石油钻机采用的双吊卡作业往前推进了一步，单吊卡的打开、扣合和锁紧，全部采用液压驱动，安全可靠，节省大量的人力；

（2）加接杆作业：全部作业流程（加杆、卸杆、对扣、拧扣、卸扣）采用机械化作业，液压驱动背钳、前后摆吊卡和锥盘导向装置上下移位，交流变频控制上扣扭矩，工序自然流畅，安全可靠；

（3）打捞作业：采用交流变频电机+电磁离合器+ 液压盘刹+自动排绳系统+多参数传感系统（深度+张力），在主动可控打捞模式及可控自由落体打捞模式下，电子手柄控制交流变频电机，速度平稳柔和；排绳整齐有序，自动换向；张力传感器给司钻提供安全解卡、安全到位指示；深度传感提醒司钻投放打捞器的精确位置；电磁离合器和液压盘刹配合良好，很好地实现了打捞装置在泥浆浮力作用下的自由落体运动，并可实现柔性制动。

（4）孔口装置：孔口卡盘可承载1000kN以上的钻具重力，打开闭合控制自如，可实现自动锁死；孔口动力钳可控制上扣扭矩，脱扣低档低转速大扭矩，旋扣高档高转速小扭矩，可满足大直径绳索取心钻进起下钻过程中的钻杆拧卸的工艺需要，很好地解决了深孔钻探过程中的钻探效率和劳动强度问题。

6  结论

在将来较长的一段时间内，深孔（特深孔）钻探的需求将会呈现平稳增长的态势，尤其是在国民经济发展所需的贵金属和稀有金属勘探、科学钻探以及国家安全所需的战略矿产资源的勘探方面，深孔（特深孔）钻探将会出现持续快速的增长，深孔钻探装备具有一定的发展空间，而交流变频电驱动岩心钻机因其在钻探综合效率、钻探经济性、工艺适应性、操控智能化等方面的优越表现，在2000m以深的深孔（特深孔）钻探方面具有良好的适应性，应该作为主要的发展方向之一。当然，在电驱动岩心钻机技术得到实践充分验证后，能否有效降低生产制造成本将是其有效推广的先决条件。

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专家简介:刘跃进(1958 - )，男(汉族)，河北蠡县人，1982年毕业于中国地质大学（武汉）勘探机械专业，中国地质装备