[摘要]：自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所作為地質(zhì)行業(yè)的國家級科研院所，始終堅(jiān)持引領(lǐng)國內(nèi)探礦工程新設(shè)備、新技術(shù)、新方法、新工藝的使命與擔(dān)當(dāng)，不斷攀登地質(zhì)鉆機(jī)創(chuàng)新的新高度。
能源作為重要的基礎(chǔ)資源，為人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，隨著全球傳統(tǒng)的資源與能源供給形勢日趨嚴(yán)峻，世界范圍內(nèi)更深更復(fù)雜地層的勘探開發(fā)活動越來越多，勘查鉆探深度越來越深。地質(zhì)鉆機(jī)作為勘探工作的重要裝備，越來越成為鉆井技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志之一。
自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所（以下簡稱“探礦工程所”）作為地質(zhì)行業(yè)的國家級科研院所，始終堅(jiān)持引領(lǐng)國內(nèi)探礦工程新設(shè)備、新技術(shù)、新方法、新工藝的使命與擔(dān)當(dāng)，不斷攀登地質(zhì)鉆機(jī)創(chuàng)新的新高度。
近年來，探礦工程所成績斐然，比如為“海馬”號ROV配套研制反循環(huán)結(jié)殼鉆機(jī)；深部鉆探硬巖鉆進(jìn)技術(shù)、高溫鉆井液技術(shù)、超高溫高壓鉆井液流變性測試技術(shù)、小口徑渦輪鉆進(jìn)技術(shù)支持服務(wù)干熱巖/地?zé)峥辈殚_發(fā)……
而今，作為鉆探行業(yè)的領(lǐng)跑者，該所成功研發(fā)了世界首臺永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)系統(tǒng)。對此，《中國礦業(yè)報》記者近日采訪了探礦工程所能源地質(zhì)調(diào)查鉆探室副主任、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劉家榮，一探究竟。
雄安新區(qū)鉆井施工現(xiàn)場
8年科技攻關(guān)，
占領(lǐng)智能深部鉆機(jī)制高點(diǎn)
從容城高速口開下G18榮烏高速，我們沿著鄉(xiāng)間小路向東，穿過胡村，來到新成立的雄安新區(qū)容東起步區(qū)。在征遷殆盡、即將矗立起雄安新區(qū)的土地上，豁然看到一座50米高的鉆塔。“那就是我們的鉆井施工現(xiàn)場。”快到施工現(xiàn)場時，劉家榮激動地說。
一下車，劉家榮先把我們帶到“會議室”稍事安頓，便直奔現(xiàn)場了。環(huán)顧他說的這個會議室，就是臨時搭建的簡易房，一張桌子、幾個凳子，坐在里面仿佛能聽見頭頂嗚嗚的大風(fēng)，猶如置身在雄獅嘶吼的大山中，讓人瑟瑟發(fā)抖?？粗h(yuǎn)去的背影，記者心里暗暗想：野外地質(zhì)工作不僅辦公條件簡陋，還常年忍受風(fēng)吹日曬。
隨后，記者趕上他，看到他正在逐個環(huán)節(jié)檢查設(shè)備的運(yùn)行情況。記者不假思索地問：“當(dāng)初為什么要研制永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)呢？”
他一邊檢查鉆機(jī)設(shè)備，一邊回答說：“一是為推進(jìn)國家深地戰(zhàn)略的實(shí)施，必須要研制新型深地鉆探設(shè)備；二是為在深地鉆探設(shè)備的制造、運(yùn)行過程中，減少材料、能源的消耗。將稀土永磁電機(jī)及其控制技術(shù)應(yīng)用到深孔鉆探設(shè)備中的直接驅(qū)動工作部分，在國內(nèi)外都沒有成功的先例，而大功率(800kW)、大扭矩（60kN.m）、低頻的（0.01Hz-200Hz）的稀土永磁電機(jī)的實(shí)用化設(shè)計(jì)制造、與伺服控制系統(tǒng)的匹配，更是一大技術(shù)難題，成果應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣的深孔鉆機(jī)中更是難上加難。但稀土永磁電機(jī)又是一個節(jié)能的設(shè)備，一旦應(yīng)用于鉆探設(shè)備中，將大幅度減少設(shè)備重量，節(jié)省大量的原材料和能源。探礦工程所作為國內(nèi)鉆探新設(shè)備、新技術(shù)的領(lǐng)軍者，做這項(xiàng)利國利民的大事是義不容辭的。”
據(jù)他介紹，探礦工程所是在2011年夏天開始著手研發(fā)該技術(shù)。當(dāng)時，集全所技術(shù)優(yōu)勢，抽調(diào)電氣、機(jī)械、液壓、軟件設(shè)計(jì)、通信、地質(zhì)工程等多專業(yè)技術(shù)人才，迅速組建新型深部鉆機(jī)研制團(tuán)隊(duì)，對3000米鉆機(jī)進(jìn)行前期的研究工作，力求占領(lǐng)國內(nèi)甚至全球智能深部鉆機(jī)技術(shù)最高點(diǎn)。
雄安D20地?zé)崽讲删脚膱D
“電動永磁直驅(qū)鉆機(jī)是我們所自建立以來從未涉足的技術(shù)領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)面臨著無國內(nèi)外技術(shù)參考、無技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、無成熟經(jīng)驗(yàn)的‘三無’困難局面，可謂是摸著石頭過河，在不斷試驗(yàn)中探索經(jīng)驗(yàn)。”采訪時，劉家榮摸著這個被他視如珍寶的50米高的鉆塔說：“鉆機(jī)研制團(tuán)隊(duì)克服多方面的困難，冒嚴(yán)寒深入油田鉆井現(xiàn)場調(diào)研、經(jīng)多方周折進(jìn)入重型鍛鑄廠監(jiān)造關(guān)鍵部件的鍛造加工、通宵達(dá)旦緊盯永磁電動機(jī)及控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺試驗(yàn)、日夜倒班堅(jiān)守浙江西部山區(qū)和廣東惠州的試驗(yàn)井場，進(jìn)行工程試驗(yàn)改進(jìn)和技術(shù)保障，隨時解決試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題。由于鉆機(jī)重達(dá)100多噸，絞車提下鉆具重量也達(dá)100噸以上，提升高度達(dá)30多米，鉆進(jìn)深度可達(dá)3000多米，連續(xù)工作時間可達(dá)300多天，鉆機(jī)的可靠性和安全性是成敗的關(guān)鍵。施工中稍有偏差就會造成人身安全和設(shè)備損壞事故。已有的操作系統(tǒng)對永磁電機(jī)不適用，需要重新設(shè)計(jì)適合永磁直驅(qū)頂驅(qū)取心鉆進(jìn)工藝的操作系統(tǒng)。試驗(yàn)過程枯燥而又緊張，3000米永磁直驅(qū)鉆機(jī)在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)故障時，常常是操作工人由于緊張從鉆機(jī)平臺上往下跑，鉆機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的人則從井臺下往上跑，及時處理出現(xiàn)的故障，查找原因，研究解決的方法。在廠內(nèi)對鉆機(jī)連續(xù)進(jìn)行300多天的可靠性、安全性、實(shí)用性試驗(yàn)改進(jìn)后，我們又在浙江臨安和廣東惠州進(jìn)行了總計(jì)700多個工作日的工程試驗(yàn)。整個鉆機(jī)系統(tǒng)也經(jīng)歷了高溫、高濕、臺風(fēng)、雨雪、低溫環(huán)境下的考驗(yàn)，經(jīng)受了球形雷電的襲擊，達(dá)到可在各種環(huán)境下施工的水平，可靠性、安全性、實(shí)用性得到了驗(yàn)證，同時也歷練出了一支技術(shù)全面的鉆機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和施工管理團(tuán)隊(duì)。”
探礦工程所并不是唯一一個將永磁電機(jī)及其控制技術(shù)應(yīng)用到頂驅(qū)和鉆機(jī)絞車上的單位，但同時期的其他單位都沒有研制成功。探礦工程所鉆機(jī)研制團(tuán)隊(duì)在該所領(lǐng)導(dǎo)的大力支持和鼓勵下，從一次次的失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，積累知識，耐得住寂寞，頂?shù)米±涑盁嶂S，堅(jiān)信自己的選擇，從3000米、到4000米，在歷時8年、經(jīng)過上百次的試驗(yàn)和兩口井5000多米的施工驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，于2018年底，將新一代4000米永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)研制成功，并完成廠內(nèi)鉆孔試驗(yàn)，通過了現(xiàn)場驗(yàn)收，同時將鉆機(jī)應(yīng)用于雄安新區(qū)地?zé)崾┕ぶ?，?shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的恒壓、恒速自動化鉆進(jìn)。這在該技術(shù)領(lǐng)域?qū)賴鴥?nèi)首創(chuàng)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，處于國內(nèi)外深孔鉆機(jī)研制的最高水平，可謂8年磨一“鉆”，終成大器。
創(chuàng)新攀高峰，
開啟永磁新技術(shù)
哲學(xué)上說，新事物是指符合事物發(fā)展的客觀規(guī)律和前進(jìn)趨勢，具有強(qiáng)大生命力和遠(yuǎn)大前途的事物。那么，首臺將永磁變頻電機(jī)及精確控制技術(shù)成功應(yīng)用于深孔鉆探的設(shè)備，它有怎樣的強(qiáng)大生命力呢？
對此，劉家榮表示，該設(shè)備是將傳統(tǒng)鉆機(jī)用普通電機(jī)或液壓馬達(dá)，通過齒輪、鏈輪傳動，創(chuàng)新為用低速、大扭矩、大功率稀土永磁同步變頻電動機(jī)直接驅(qū)動絞車和鉆具回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備間的無齒輪傳動，從而簡化了鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了傳動效率，減少了使用維保成本和占地面積，更為重要的是可節(jié)約電能30%以上。
此外，在接受采訪時，他還表示，該設(shè)備具有以下特點(diǎn)——
一是節(jié)能減排助力綠色勘查。永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)用永磁變頻電機(jī)直接帶動鉆具和絞車滾筒回轉(zhuǎn)，就如同常用的汽車，不再需要離合器和變速箱，用動力機(jī)直接驅(qū)動車輪回轉(zhuǎn)一樣，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，減少了原材料的消耗，提高了傳動效率；普通電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子都要耗費(fèi)電能，而永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子是稀土永磁體，工作時不耗費(fèi)電能，同時，充分利用了永磁電機(jī)效率高和功率因數(shù)高的優(yōu)勢，可將傳統(tǒng)深孔鉆機(jī)提下鉆、送鉆兩套離合、傳動系統(tǒng)簡化為一套直驅(qū)系統(tǒng)，遠(yuǎn)高于液壓驅(qū)動與異步電機(jī)驅(qū)動的傳動方式。
二是能耗制動高效可靠。利用永磁電機(jī)本身和變頻控制系統(tǒng)的特性，用電磁力實(shí)現(xiàn)無摩擦剎車、懸停，減少了維護(hù)保養(yǎng)的成本；提下鉆速度控制準(zhǔn)確可靠，下鉆時利用永磁電機(jī)的發(fā)電功能控制速度，具備發(fā)電回饋電網(wǎng)的能力，具有極高的能源利用率，沒有摩擦副損耗，剎車過程平穩(wěn)柔和，對鋼絲繩的損傷小，相當(dāng)于汽車不再用盤剎制動，而用電磁力制動。
三是智能司鉆一體化。具備參數(shù)實(shí)時顯示功能，司鉆人員勞動強(qiáng)度低，回轉(zhuǎn)調(diào)速和絞車升降都可在司鉆房內(nèi)通過操作一個手柄和一個旋鈕完成，改變了傳統(tǒng)鉆機(jī)要次第操作幾個手柄和旋鈕才能完成的模式。顯示屏可監(jiān)控、修改鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù)和電機(jī)的電氣參數(shù)，可監(jiān)測電控房內(nèi)的溫度和濕度，可通過視頻觀察二層平臺、一層平臺、井口、泥漿泵的工作情況。
四是具備自動送鉆功能。試驗(yàn)與應(yīng)用孔均采取自動送鉆模式完成。根據(jù)鉆壓的變化，在司鉆臺顯示屏上調(diào)整自動送鉆的參數(shù)，簡單易學(xué)，對操作人員的培訓(xùn)時間短。正常鉆進(jìn)時，一層平臺上只需司鉆人監(jiān)控司鉆臺上的顯示屏，為未來的鉆機(jī)智能化打下基礎(chǔ)。
五是自動化鉆探作業(yè)能力強(qiáng)。頂驅(qū)的工作行程可達(dá)20米~30米以上，提下鉆時可通過長行程開泵掃孔工藝，大幅提高深孔鉆進(jìn)中處理縮孔、卡鉆、坍塌埋鉆事故的能力，提高定向鉆進(jìn)的效率，具備自動鉆柱處理功能，可實(shí)現(xiàn)自動擰卸口并上卸鉆桿。鉆機(jī)配置合理，兩臺氣動絞車協(xié)助裝卸鉆桿鉆具，液壓錨頭協(xié)助擰卸鉆桿和鉆鋌。頂驅(qū)液壓系統(tǒng)具有抓取、擰卸、保護(hù)鉆桿的功能，機(jī)械化程度較高，提高了鉆進(jìn)過程中的安全性。
采訪時，他一邊為記者講解絞車滾筒回轉(zhuǎn)的原理，一邊演示操作流程，或在司鉆房內(nèi)觀察鉆井參數(shù)顯示屏，或在室外觀察抽上來的地?zé)崴亢蜏囟取?/span>
看著他醉心地聽著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音，聞著從千米井下抽上的70℃地?zé)崴臍馕?，品嘗水的味道，記者對他油然生起了一種敬意，這也許就是他說的“作為中國地調(diào)人，當(dāng)這項(xiàng)科技創(chuàng)新在雄安地質(zhì)調(diào)查主戰(zhàn)場有所斬獲的時候，大概是我這輩子最開心的時刻”。
強(qiáng)力推進(jìn)，
打通成果轉(zhuǎn)化“最后一公里”
該項(xiàng)目屬于國家國際科技合作專項(xiàng)，在探礦工程所原3000米~3500米永磁直驅(qū)鉆機(jī)歷經(jīng)5年研制和工程試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)地質(zhì)調(diào)查主戰(zhàn)場地?zé)岣蔁釒r的主力需求，特別是華北區(qū)，有的放矢地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，投入資金進(jìn)行技術(shù)升級和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將主要用于小口徑ø89鉆桿取心鉆進(jìn)的3500米鉆機(jī)升級為可用ø114API鉆桿進(jìn)行大口徑深孔地?zé)徙@進(jìn)的4000米鉆機(jī)，可用于中國地調(diào)局目前承擔(dān)的地?zé)崽讲煽椎氖┕?，?xiàng)目在2018年12月1日通過試驗(yàn)現(xiàn)場驗(yàn)收。
項(xiàng)目的驗(yàn)收標(biāo)志著，永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)設(shè)備的成果研制進(jìn)入實(shí)用化階段。它體現(xiàn)了我國自主研發(fā)鉆機(jī)的能力，甚至達(dá)到國際領(lǐng)先水平，使得我國鉆探裝備研發(fā)水平成功躋身國際第一梯隊(duì)。
談起永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)的成果應(yīng)用與轉(zhuǎn)化，劉家榮表示，為實(shí)現(xiàn)科研成果快速和有效轉(zhuǎn)化，在完成廠內(nèi)實(shí)鉆試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2019年3月，探礦工程所在經(jīng)充分研究后決定投入資金，配齊新研制的永磁直驅(qū)鉆機(jī)在雄安新區(qū)施工所需的配套設(shè)備、井口工具、鉆具，應(yīng)用于所承擔(dān)的雄安新區(qū)D20井鉆探工程中，在短短半年內(nèi)，迅速推進(jìn)解決了成果轉(zhuǎn)化“最后一公里”的難題。
鉆機(jī)的研制人員深入現(xiàn)場，安裝設(shè)備，培訓(xùn)設(shè)備操作人員，開鉆后24小時跟班進(jìn)行技術(shù)支持和服務(wù)，極大地提高了工作效率，保證了現(xiàn)場的技術(shù)支持及時有效，有力支撐了雄安新區(qū)地?zé)崆鍧嵞茉凑{(diào)查評價項(xiàng)目的鉆探工程。應(yīng)用工程實(shí)施過程中，鉆機(jī)克服超硬燧石層難鉆進(jìn)技術(shù)難題，每千米平均電能消耗相比同項(xiàng)目傳統(tǒng)鉆機(jī)作業(yè)的D14井低30%。目前，鉆獲雄安新區(qū)起步區(qū)最大地?zé)岙a(chǎn)能的地?zé)峋?，鉆機(jī)已經(jīng)圓滿完成D20井的鉆探工作，充分驗(yàn)證了鉆機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，展現(xiàn)了鉆機(jī)設(shè)計(jì)上的先進(jìn)性、可靠性、實(shí)用性和操作的上簡捷、安全、高效，開拓了永磁直驅(qū)鉆機(jī)在大口徑能源資源鉆探工程的應(yīng)用前景，為雄安、京津冀地區(qū)乃至全國地?zé)豳Y源鉆探地質(zhì)調(diào)查提供了借鑒與指導(dǎo)。
自有科研成果集中應(yīng)用，
撐起“綠色井場”
鉆井現(xiàn)場不僅矗立著探礦工程所的鉆機(jī)，鉆機(jī)的頂驅(qū)、絞車和泥漿泵等主力配套設(shè)備也都是由探礦工程所自主研發(fā)。井場使用的固相控制系統(tǒng)同樣出自探礦工程所研發(fā)團(tuán)隊(duì)。固控采用多級罐封閉循環(huán)，有效降低鉆井液固相含量、恢復(fù)鉆井液性能。該井場是探礦工程所科研成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用的集中體現(xiàn)。
“我們在雄安開鉆井，嚴(yán)格按照‘綠色雄安’的要求，鉆井動力系統(tǒng)采用國網(wǎng)電力，替代柴油機(jī)動力驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場‘上不冒煙’；固控系統(tǒng)能夠幫助實(shí)現(xiàn)泥漿‘下不落地’。”采訪時劉家榮說。
創(chuàng)新沒有止境，任何創(chuàng)新都是“未完成的創(chuàng)新”。我們相信，在未來的鉆探工作中，永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)也將不斷創(chuàng)新，把先進(jìn)的鉆探技術(shù)引入到綠色勘查中，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘查與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)共贏的局面，為國家、為中國地調(diào)局黨組、為人民交出一份更出色的答卷。就像該鉆機(jī)科研團(tuán)隊(duì)為自己寫下的寄語一樣，“回首過去，我們感慨萬千；立足今日，我們胸有成竹；展望未來，我們信心百倍。”
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