王 超

（河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì)（河北省礦山生態(tài)修復(fù)與資源綜合利用研究中心）， 河北 張家口 075100）

0 引言

當(dāng)前，礦產(chǎn)勘查施工技術(shù)的發(fā)展直接影響著我國能源開采的發(fā)展速度，在整個(gè)能源開發(fā)體系中起著舉足輕重的作用。作為先進(jìn)礦產(chǎn)勘查設(shè)備的代表，近幾年電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)日漸發(fā)展和成熟，被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查施工中，滿足了礦產(chǎn)勘查技術(shù)自動(dòng)化和集成化的需求，適應(yīng)了礦產(chǎn)勘查行業(yè)高新技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢，應(yīng)用效果十分顯著。

1 電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)組成

電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)礦產(chǎn)勘查設(shè)備簡稱電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)，是近些年新研發(fā)的集機(jī)械、電氣、數(shù)字儀表等技術(shù)集中于一體的新型礦產(chǎn)勘查設(shè)備，是把傳統(tǒng)鉆機(jī)的動(dòng)力部分由轉(zhuǎn)盤移動(dòng)到井架上部，完成旋轉(zhuǎn)鉆柱鉆進(jìn)、循環(huán)鉆井液、接單根、上卸扣、倒劃眼等多種操作的先進(jìn)鉆井設(shè)備，頂部驅(qū)動(dòng)礦產(chǎn)勘查設(shè)備廣泛應(yīng)用于中深層鉆井作業(yè)，其應(yīng)用范圍十分廣泛。電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)設(shè)備主要由主驅(qū)動(dòng)電機(jī)水龍頭總成、管子處理裝置總成、上卸扣裝置總成、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部件構(gòu)成。

1.1 主驅(qū)動(dòng)電機(jī)水龍頭總成

主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和水龍頭總成是整個(gè)頂部驅(qū)動(dòng)設(shè)備中非常重要的部分，由主電機(jī)、提升裝置、冷卻裝置、剎車裝置等部分構(gòu)成，其上端與游車或者大鉤相連接，下端與管理處理裝置相連接，其負(fù)責(zé)在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中給鉆桿提供動(dòng)力，以及為整個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)循環(huán)鉆井液，從而帶動(dòng)鉆頭不斷鉆進(jìn)，起著動(dòng)力來源的重要作用，可以同時(shí)承受下鉆和鉆井載荷，以保證鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行。同時(shí)基于方便修理以及經(jīng)濟(jì)性的考慮，電動(dòng)機(jī)的冷卻一般選擇風(fēng)冷，在電機(jī)上通常會(huì)加裝高壓吹風(fēng)設(shè)施，用來進(jìn)行高壓通風(fēng)，避免鉆探作業(yè)過程中出現(xiàn)燃燒等安全事故發(fā)生。

1.2 管子處理裝置總成

管子處理裝置主要由背鉗、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、吊環(huán)傾斜裝置等部分組成，其中旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)并連接吊環(huán)，達(dá)到360°自由旋轉(zhuǎn)的效果，可以任意抓取旋轉(zhuǎn)至需要的位置；背鉗上端與旋轉(zhuǎn)頭相連接，與旋轉(zhuǎn)頭一起旋轉(zhuǎn)，一般配備有鎖緊裝置用來上卸扣時(shí)鎖緊旋轉(zhuǎn)頭所用，背鉗在作業(yè)中可以做到自動(dòng)定心，具備非常好的使用性能，這種結(jié)構(gòu)形式也容易理解，維修更加方便，是非常簡潔實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式；吊環(huán)傾斜裝置主要由傾斜油缸、吊環(huán)、吊卡等組成，吊環(huán)與吊耳相連接，可以實(shí)現(xiàn)順方向和逆方向的運(yùn)動(dòng)。

1.3 液壓系統(tǒng)

電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)液壓系統(tǒng)主要由液壓剎車、背鉗緊鎖、液壓站、控制元件、管線等部分組成。主要變現(xiàn)形式為地面液壓站形式，工作形式較為復(fù)雜，通常表現(xiàn)為通過液壓動(dòng)力源與控制執(zhí)行系統(tǒng)來完成，液壓站一般與其他設(shè)備的液壓系統(tǒng)集成在一起。液壓系統(tǒng)由PLC 電路與電控系統(tǒng)合并配合使用，方可真正實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的液電程序配合控制。

1.4 電控系統(tǒng)

電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)電控系統(tǒng)有多種實(shí)時(shí)傳感器的控制措施，確保頂驅(qū)電驅(qū)動(dòng)在作業(yè)下的控制精度和輸出轉(zhuǎn)矩。在由專業(yè)操作人員通過控制臺(tái)進(jìn)行操控時(shí)，引入PLC 元件控制與控制裝置實(shí)時(shí)通訊和操控，對儀表、電纜進(jìn)行集成，性能有保證，抗干擾性好，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)頂驅(qū)的機(jī)、電、液、通訊一體化集成操控，具有監(jiān)控、報(bào)警、診斷、連鎖等多種使用功能。

2 電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行原理及狀況

鉆機(jī)電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)主要是通過電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)鉆柱，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)中的鉆進(jìn)、提鉆、循環(huán)鉆井液、接單根、上卸扣和倒劃眼等多種操作。頂驅(qū)主機(jī)通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給鉆桿組件，使其旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)鉆柱組件進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)主要是為了調(diào)整鉆頭的位置，以適應(yīng)不同的鉆井工況。頂驅(qū)主機(jī)通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給鉆桿組件，使其旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)鉆柱組件進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)主要是為了實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)中的鉆進(jìn)和提鉆動(dòng)作。在循環(huán)鉆井液的過程中，鉆井液從鉆柱組件的下端進(jìn)入，然后通過循環(huán)閥向上輸送，最后從上端排出。在接單根的過程中，頂驅(qū)系統(tǒng)會(huì)先將上端的管子固定住，然后向下移動(dòng)鉆柱組件，從而實(shí)現(xiàn)與下端管子的對接。在上卸扣和倒劃眼的過程中，頂驅(qū)系統(tǒng)會(huì)通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整管子的位置，使其對齊或錯(cuò)開一定的角度，從而實(shí)現(xiàn)上卸扣和倒劃眼操作。

3 電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的優(yōu)勢

電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)設(shè)備是當(dāng)代礦產(chǎn)勘查作業(yè)的重要先進(jìn)設(shè)備，與傳統(tǒng)鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)在操控便捷、鉆進(jìn)高效、減少事故率、孔內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面都有顯著的優(yōu)勢。

3.1 節(jié)省接單根時(shí)間

自動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠做到直接以立根鉆進(jìn)，可以不受方鉆桿長度限制，這就避免了每9 m 接單根的繁瑣工作程序，這就大大提高了礦產(chǎn)勘查作業(yè)效率，減少了至少一半的鉆具連接時(shí)間，也就直接節(jié)省了鉆井時(shí)間，縮短了建井周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 倒劃眼防止卡鉆

電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)由于不接方鉆桿就可以旋轉(zhuǎn)和循環(huán)泥漿液，所以在節(jié)省時(shí)間的基礎(chǔ)上，頂驅(qū)鉆井裝置能夠順利地將鉆桿從井眼取出，遇到突發(fā)情況，不需要進(jìn)行單根劃眼，隨時(shí)可以開啟泥漿泵進(jìn)行循環(huán)劃眼，這樣可以大大節(jié)省作業(yè)時(shí)間和降低事故發(fā)生率，提高安全系數(shù)。

3.3 有效提高人員安全性

電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)系統(tǒng)的使用可以大大縮短礦產(chǎn)勘查時(shí)間，且自動(dòng)化水平高，可以大大降低鉆井工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有操作安全便利的特點(diǎn)，標(biāo)志著現(xiàn)代礦產(chǎn)勘查設(shè)備逐漸智能化和自動(dòng)化，進(jìn)而直接最大限度地降低了鉆井工人的勞動(dòng)危險(xiǎn)性，提高了安全系數(shù)，顯著降低了安全事故的發(fā)生率。

3.4 有效提高井下安全性

在起下鉆遇到異常時(shí)，頂驅(qū)的管子處理裝置可立即連接并開啟泥漿泵進(jìn)行循環(huán)，進(jìn)行劃眼作業(yè)，減少了卡鉆等情況的出現(xiàn)，頂驅(qū)系統(tǒng)一般還內(nèi)置防噴器的功能，作業(yè)時(shí)如果出現(xiàn)井噴事故，司鉆可在第一時(shí)間遙控鉆桿上卸扣裝置，迅速實(shí)現(xiàn)與鉆桿柱的連接，從而及時(shí)循環(huán)鉆井液，進(jìn)而避免事故的發(fā)生。

3.5 有效提高設(shè)備安全性

電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)鉆井設(shè)備可以實(shí)時(shí)觀測上卸扣扭矩，有效避免上卸扣扭矩過大，一旦鉆井作業(yè)過程中出現(xiàn)扭矩異常，電機(jī)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)停止旋轉(zhuǎn)，等異常消除后再重新旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，保證了頂驅(qū)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用，延長了設(shè)備使用年限，增加了頂驅(qū)的使用效益。

4 電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)的使用效果

4.1 效率和性能

采用電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)設(shè)備的鉆機(jī)具有較高的鉆孔效率和回拖速度，同時(shí)其鉆孔精度和穩(wěn)定性也表現(xiàn)較好。這種驅(qū)動(dòng)方式的效率和性能相當(dāng)于或超過傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的鉆機(jī)。

4.2 操作和界面

電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的操作系統(tǒng)和界面設(shè)計(jì)通常都相當(dāng)直觀和易于使用，機(jī)手可以快速地完成設(shè)置和操作。此外，許多現(xiàn)代化的操作系統(tǒng)還包括了自動(dòng)化和智能化功能，這使得鉆孔作業(yè)更加便捷和高效。

4.3 耐久性和維護(hù)

由于電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)去除了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式中的許多機(jī)械部件，因此其結(jié)構(gòu)較為簡單，維護(hù)和保養(yǎng)也更加方便。同時(shí)，由于其驅(qū)動(dòng)方式的可靠性，其耐久性也較長，能夠滿足長期鉆孔作業(yè)的需求。

4.4 噪音和振動(dòng)

電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)較低，這使得操作者在鉆孔作業(yè)過程中受到的影響較小。同時(shí)，這種驅(qū)動(dòng)方式也有利于保護(hù)環(huán)境，減少對周圍環(huán)境的影響。

4.5 經(jīng)濟(jì)性

電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的初始投資成本可能較高，但由于其節(jié)能高效的特性，長期使用下來運(yùn)行成本和維護(hù)成本會(huì)比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的鉆機(jī)更低。同時(shí)，由于其自動(dòng)化和智能化功能，可以減少人力成本地使用，提高工作效率。

電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在效率和性能、操作和界面、耐久性和維護(hù)、噪音和振動(dòng)以及經(jīng)濟(jì)性等方面都表現(xiàn)出相當(dāng)高的優(yōu)勢。這種驅(qū)動(dòng)方式的廣泛應(yīng)用將會(huì)改變傳統(tǒng)鉆孔作業(yè)的模式，提高工作效率和作業(yè)質(zhì)量。

5 電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用案例

本文以電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)設(shè)備在內(nèi)蒙古SNO116-19H 定向井項(xiàng)目施工中的實(shí)際應(yīng)用情況為例。

5.1 項(xiàng)目背景

內(nèi)蒙古SNO116-19H 定向井項(xiàng)目是一個(gè)定向鉆井項(xiàng)目，需要鉆探的井眼路徑并不是一條直線，而是需要不斷調(diào)整鉆頭的方向和角度，以繞過地下的斷層和裂縫等復(fù)雜地質(zhì)條件。

在這個(gè)項(xiàng)目中，電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)被用于解決這個(gè)問題。頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一種先進(jìn)的鉆井設(shè)備，它可以將動(dòng)力傳輸?shù)巾敳康尿?qū)動(dòng)裝置，直接驅(qū)動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，而不需要使用方鉆桿。相比傳統(tǒng)鉆機(jī)，它可以更快地更換鉆頭和鉆具，更好地控制鉆進(jìn)過程，提高鉆井效率，并減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

5.2 應(yīng)用效果

在內(nèi)蒙古SNO116-19H 定向井項(xiàng)目中，頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)被用于滑動(dòng)鉆井和導(dǎo)向。

在滑動(dòng)鉆井過程中，頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)控制頭和剛性管線總成之間形成的配合間隙來實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)、水平穩(wěn)定、動(dòng)力傳輸、速度控制以及自動(dòng)測斜等功能。這樣可以更好地控制鉆頭的行進(jìn)方向和深度，避免鉆頭偏離井眼路徑或過度推進(jìn)。

而在導(dǎo)向過程中，頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)鉆頭的姿態(tài)和角度來精確控制井眼的走向，以確保鉆頭能夠沿著正確的路徑前進(jìn)。它還可以通過控制鉆壓、轉(zhuǎn)速及循環(huán)系統(tǒng)工作參數(shù)等措施來調(diào)整鉆頭的鉆進(jìn)方向和深度。

5.3 應(yīng)用反饋

內(nèi)蒙古SNO116-19H 定向井項(xiàng)目能夠更好地應(yīng)對復(fù)雜的地質(zhì)條件，提高鉆井效率和質(zhì)量，并確保鉆井作業(yè)的安全和順利進(jìn)行。建設(shè)方對電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)鉆井設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)非常滿意，他們對該設(shè)備的穩(wěn)定性和效率給予了高度評(píng)價(jià)，并表示這將大大提高他們的鉆井效率和精度。

電動(dòng)頂部驅(qū)動(dòng)設(shè)備是一種先進(jìn)的鉆井設(shè)備，具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)和良好的應(yīng)用效果，能夠滿足各種鉆井項(xiàng)目需求。

6 頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢探析

我國電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)的未來發(fā)展趨勢是側(cè)部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用，側(cè)部驅(qū)動(dòng)相較頂部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更加低廉，其區(qū)別于頂驅(qū)系統(tǒng)的幾點(diǎn)優(yōu)勢有：

1）側(cè)部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可保留傳統(tǒng)鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤作為動(dòng)力源的設(shè)計(jì)，提高傳統(tǒng)鉆機(jī)設(shè)備使用效益，降低改造成本；

2）側(cè)部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在使用效果上與頂驅(qū)系統(tǒng)保持同等水平的前提下，經(jīng)濟(jì)性更高。

7 結(jié)語

電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)設(shè)備是近些年現(xiàn)代化鉆井技術(shù)的一大標(biāo)志，在礦產(chǎn)勘查施工作業(yè)中的應(yīng)用十分顯著，電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)設(shè)備自動(dòng)化水平高，可以大大降低鉆井工人勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高生產(chǎn)效率，縮短建井周期，提高安全系數(shù)，降低項(xiàng)目成本，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的提升。因此電動(dòng)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)設(shè)備是礦產(chǎn)勘查設(shè)備技術(shù)發(fā)展的新趨勢，未來將得到越來越多的普及和使用。