李 超，劉家榮，郭 坤，劉文武，王玉超

（北京探礦工程研究所，北京100083）

0 引言

隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展，鉆機(jī)系統(tǒng)由交流變頻驅(qū)動(dòng)取代可控硅直流驅(qū)動(dòng)，交流變頻鉆機(jī)系統(tǒng)具有機(jī)械鉆機(jī)和直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，成為行業(yè)趨勢(shì)。隨著地?zé)幔ǜ蔁釒r）、頁(yè)巖氣等陸域清潔能源及深部資源勘探開(kāi)發(fā)的需要，大功率、大排量和高泵壓泥漿泵的需求量也隨之增加。由于地質(zhì)勘探工作環(huán)境的限制，要求泥漿泵在結(jié)構(gòu)方面外形尺寸要小，安裝占地空間小，并且需要滿(mǎn)足大口徑探采井取心時(shí)泵壓、排量的要求［1-7］。大排量泥漿泵作為鉆井施工中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能水平和使用壽命直接影響著鉆井速度和生產(chǎn)成本。

在各種形式的泵中，往復(fù)式柱塞泵由于具有能在高壓下輸送高粘度、大密度、高含砂量液體的特性，因而在鉆井作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)多采用三缸單作用往復(fù)式鉆井泵，該泵存在著：（1）鉆井泵和電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量大，不利于設(shè)備的搬遷。（2）傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，傳動(dòng)效率低，維護(hù)成本高。（3）驅(qū)動(dòng)泵電機(jī)的用電量占鉆機(jī)系統(tǒng)的50%以上，但在低負(fù)載率時(shí)功率因數(shù)和效率較低。（4）由于皮帶輪的存在，導(dǎo)致泵小齒輪軸承受了皮帶的徑向力，繼而影響了軸承壽命［8-14］。

1 地?zé)徙@井對(duì)泥漿泵的性能需求

鉆井過(guò)程中所需泵量，要滿(mǎn)足泥漿從井底沿鉆桿和井壁的環(huán)狀間隙將巖渣返上井口的速度。井徑越大，所需的泵量越大；上返速度高、攜帶巖屑能力強(qiáng)，但又不能對(duì)井壁產(chǎn)生沖刷，以免影響井壁的穩(wěn)定。鉆井過(guò)程中，泥漿泵的泵量必須滿(mǎn)足鉆井需要，不能過(guò)大也不能過(guò)小，泵量過(guò)小時(shí)巖屑不能及時(shí)排出增加了鉆頭的重復(fù)破碎量，并提高了鉆頭由于冷卻不足帶來(lái)的“燒鉆”概率；在破碎地層泵量過(guò)大時(shí)會(huì)因沖刷增大了塌孔或埋鉆的概率及對(duì)巖心的破壞作用［15-16］。

北京探礦工程研究所承擔(dān)的“雄安新區(qū)地?zé)崆鍧嵞茉凑{(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目D20 鉆井工程，根據(jù)鉆前工程設(shè)計(jì)：

（1）開(kāi)孔用?660.4 mm 鉆頭，鉆穿第四系覆蓋層進(jìn)入巖石層2 m，具體鉆進(jìn)深度根據(jù)實(shí)際鉆遇地層確定。下入?508 mm 表層套管，水泥固井，封固地表疏松層、風(fēng)化層。

（2）一開(kāi)用?444.5 mm 鉆頭鉆至井深532 m（穿過(guò)漏失層段，根據(jù)實(shí)際鉆遇地層調(diào)整），下入?339.7 mm 套管530 m，固井水泥返至地面。

（3）二開(kāi)用?311.2 mm 鉆頭鉆至井深約2400 m，下入?244.5 mm 套管約2400 m（根據(jù)實(shí)際鉆遇地層及地層完整情況可調(diào)整），固井水泥返至地面。

（4）三開(kāi)用?215.9 mm 鉆頭鉆至井深3000 m，裸眼完井。

參考其他地?zé)峋┕ぶ心酀{泵的應(yīng)用，在剛下鉆時(shí)需要使用小泵量使井內(nèi)泥漿循環(huán)起來(lái)，然后再用大泵量進(jìn)行正常鉆進(jìn)。在開(kāi)孔及大口徑井段時(shí)，需要使用大泵量循環(huán)上返泥漿以攜帶巖屑；隨著井深增加，泵壓較開(kāi)孔階段要增加?；谛郯驳?zé)徙@井工程的井身結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)研相關(guān)泥漿泵廠(chǎng)家產(chǎn)品的性能參數(shù)，選擇了F-1300 型泥漿泵配合北京探礦工程研究所自有的永磁直驅(qū)控制系統(tǒng)用于該工程中。該泵最大缸徑180 mm，沖程長(zhǎng)度305 mm，齒輪傳動(dòng)比4.206。F-1300 型泥漿泵性能參數(shù)見(jiàn)表1（按容積效率100%和機(jī)械效率90%換算）。

表1 F-1300 型泥漿泵性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of F-1300 mud pump

2 永磁直驅(qū)變頻泥漿泵的整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)泥漿泵的特性可知，泵量與沖數(shù)成正比。在相同的缸套直徑下，泵量和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，泵壓和電機(jī)轉(zhuǎn)矩成正比。正常鉆進(jìn)中，泥漿泵的泵量和泵壓均在額定點(diǎn)以下使用（對(duì)于泥漿泵電機(jī)端來(lái)說(shuō)相當(dāng)于低負(fù)載使用），而泥漿泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型往往大于正常鉆進(jìn)時(shí)實(shí)際需要，導(dǎo)致正常鉆進(jìn)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載率低。

永磁電機(jī)具有高功率因數(shù)和高效率、功率因數(shù)隨負(fù)載變化很小的特性，可實(shí)現(xiàn)低速大扭矩。以其作為泥漿泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，既可以簡(jiǎn)化泥漿泵的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，又可以達(dá)到節(jié)能的目的。

F-1300 型泥漿泵的大小齒輪傳動(dòng)比4.206，選用直驅(qū)該泵的永磁電機(jī)的額定功率1000 kW，額定電壓660 V，額定轉(zhuǎn)速504 r/min。永磁同步電動(dòng)機(jī)直接通過(guò)聯(lián)軸器與泵小齒輪軸相聯(lián)，取消傳統(tǒng)泥漿泵的皮帶、皮帶輪、中間車(chē)、氣胎離合器。電機(jī)軸與小齒輪軸聯(lián)接為球籠式聯(lián)軸器，易裝拆。冷卻風(fēng)機(jī)固定于電機(jī)的上部，強(qiáng)制風(fēng)冷。參見(jiàn)圖1。

圖1 F-1300 型永磁直驅(qū)泥漿泵在雄安地?zé)徙@井應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 F-1300 permanent magnet direct drive mud pump in Xiongan geothermal drilling

泥漿泵永磁電機(jī)配合變頻控制系統(tǒng)，采用矢量控制模式實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。無(wú)級(jí)調(diào)速的優(yōu)勢(shì)在于泵壓在較小范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，即電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩以下，可以實(shí)現(xiàn)恒泵壓下泵量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，泥漿泵負(fù)載大小對(duì)電機(jī)效率和功率因數(shù)影響不大。當(dāng)遇阻或泵壓加大時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以下，用于鉆井過(guò)程中的固井或井下事故處理。在破碎地層取心需改變泵量時(shí)，只需調(diào)節(jié)電機(jī)工作頻率，不需要更換缸套，此工況尤其適合地質(zhì)鉆探中取心和全面鉆進(jìn)交替進(jìn)行的情況。在本例中電機(jī)工作頻率＜84 Hz（額定頻率）運(yùn)行時(shí)，泥漿泵電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間，泥漿泵電機(jī)始終維持較高的效率和功率因數(shù)，在整個(gè)鉆井期間節(jié)能效果明顯。

永磁直驅(qū)變頻泥漿泵操作控制接入司鉆房的一體化座椅中，司鉆可以遠(yuǎn)程操作泥漿泵啟停并調(diào)節(jié)泵量，一體化座椅上的與該泵相關(guān)的操作按鈕與鉆機(jī)等其它部分操作按鈕分區(qū)供電，保證了鉆井期間鉆機(jī)絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)/頂驅(qū)在檢修時(shí)泥漿泵仍能正常工作。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)雄安D20 地?zé)徙@井工程施工期間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆遇各地層期間泥漿泵的泵壓和泵量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 永磁直驅(qū)變頻泥漿泵運(yùn)行情況Table 2 Performance of the permanent magnet direct drive variable frequency mud pump

實(shí)際鉆井過(guò)程中，發(fā)生了下鉆后開(kāi)鉆泵壓陡然升高的情況，排除地面因素并大距離活動(dòng)鉆具后，初步判斷鉆頭水眼堵塞。采用0～1 Hz 啟動(dòng)永磁直驅(qū)泥漿泵，利用永磁電機(jī)的懸停模式，當(dāng)泵壓接近于泥漿泵安全閥設(shè)定壓力值時(shí)，泵沖減速為零，提升并回轉(zhuǎn)鉆具，多次嘗試后，泵壓在14 MPa 時(shí)成功將堵塞水眼沖開(kāi)，恢復(fù)正常鉆進(jìn)。區(qū)別于交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的泥漿泵，永磁直驅(qū)泥漿泵采用超低泵沖處理堵塞水眼，減少了提鉆次數(shù)，節(jié)省了鉆探生產(chǎn)成本。

永磁直驅(qū)變頻泥漿泵在雄安地?zé)徙@井中的應(yīng)用，表現(xiàn)出了噪聲低、節(jié)能、操作便捷、排量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

在雄安D20 地?zé)峋@井工程中，永磁直驅(qū)變頻泥漿泵控制系統(tǒng)接入司鉆房，便于司鉆人員操作，實(shí)現(xiàn)泵量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，鉆井過(guò)程中可隨時(shí)調(diào)節(jié)泵量，滿(mǎn)足了大口徑地?zé)徙@探中的取心要求。

新型永磁直驅(qū)泥漿泵的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)泵組：

（1）與傳統(tǒng)泥漿泵組相比，結(jié)構(gòu)更加緊湊合理，質(zhì)量輕、搬遷運(yùn)輸成本低。

（2）取消了中間傳動(dòng)裝置（皮帶、皮帶輪、中間車(chē)、離合器等），減少了一級(jí)傳動(dòng)，較傳統(tǒng)電驅(qū)泥漿泵提高了傳動(dòng)效率，減小了噪聲和振動(dòng)。

（3）永磁電機(jī)直接裝到原來(lái)大皮帶輪的位置，免去了皮帶張緊維護(hù)，消除了皮帶的傳動(dòng)損耗，減輕了鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）工作時(shí)，泵小齒輪軸軸頭僅承受電機(jī)轉(zhuǎn)矩和自身的載荷，不承受帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)所帶來(lái)的張力的作用，小齒輪軸的受力情況得到了明顯的改善，軸、齒輪、軸承的工作壽命顯著提高。