創新成果

隨著全球傳統的資源與能源供給形勢日趨嚴峻，世界范圍內更深更復雜地層的勘探開發活動越來越多，勘查鉆探深度越來越深。地質鉆機作為勘探工作的重要裝備，越來越成為鉆井技術水平高低的重要標志之一。

自然資源部中國地質調查局北京探礦工程研究所作為鉆探行業的領跑者，該所成功研發了世界首臺永磁直驅頂驅鉆機系統。據了解，將稀土永磁電機及其控制技術應用到深孔鉆探設備中的直接驅動工作部分，在國內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)的稀土永磁電機的實用化設計制造、與伺服控制系統的匹配，更是一大技術難題，成果應用于工作環境惡劣的深孔鉆機中更是難上加難。

雄安新區鉆井施工現場

自然資源部中國地質調查局北京探礦工程研究所能源地質調查鉆探室副主任、項目負責人劉家榮介紹，探礦工程所是在2011年夏天開始著手研發該技術。探礦工程所鉆機研制團隊在該所領導的大力支持和鼓勵下，從一次次的失敗中總結經驗，從3000米、到4000米，在歷時8年、經過上百次的試驗和兩口井5000多米的施工驗證的基礎上，于2018年底，將新一代4000米永磁直驅頂驅鉆機研制成功，并完成廠內鉆孔試驗，通過了現場驗收，同時將鉆機應用于雄安新區地熱施工中，實現了鉆機的恒壓、恒速自動化鉆進。這在該技術領域屬國內首創，擁有自主知識產權，處于國內外深孔鉆機研制的最高水平，可謂8年磨一“鉆”，終成大器。

那么，首臺將永磁變頻電機及精確控制技術成功應用于深孔鉆探的設備，它有怎樣的強大生命力呢?劉家榮表示，該設備是將傳統鉆機用普通電機或液壓馬達，通過齒輪、鏈輪傳動，創新為用低速、大扭矩、大功率稀土永磁同步變頻電動機直接驅動絞車和鉆具回轉，實現機械設備間的無齒輪傳動，從而簡化了鉆機結構設計，提高了傳動效率，減少了使用維保成本和占地面積，更為重要的是可節約電能30%以上。

在接受采訪時，他還表示，該設備具有以下特點：一是節能減排助力綠色勘查。普通電機定子和轉子都要耗費電能，而永磁電機的轉子是稀土永磁體，工作時不耗費電能，同時，充分利用了永磁電機效率高和功率因數高的優勢，可將傳統深孔鉆機提下鉆、送鉆兩套離合、傳動系統簡化為一套直驅系統，遠高于液壓驅動與異步電機驅動的傳動方式。二是能耗制動高效可靠。利用永磁電機本身和變頻控制系統的特性，用電磁力實現無摩擦剎車、懸停，減少了維護保養的成本;提下鉆速度控制準確可靠，下鉆時利用永磁電機的發電功能控制速度，具備發電回饋電網的能力，具有極高的能源利用率，沒有摩擦副損耗。三是智能司鉆一體化。具備參數實時顯示功能，司鉆人員勞動強度低，回轉調速和絞車升降都可在司鉆房內通過操作一個手柄和一個旋鈕完成，改變了傳統鉆機要次第操作幾個手柄和旋鈕才能完成的模式。四是具備自動送鉆功能。試驗與應用孔均采取自動送鉆模式完成。根據鉆壓的變化，在司鉆臺顯示屏上調整自動送鉆的參數，簡單易學，對操作人員的培訓時間短。五是自動化鉆探作業能力強。頂驅的工作行程可達20米~30米以上，提下鉆時可通過長行程開泵掃孔工藝，大幅提高深孔鉆進中處理縮孔、卡鉆、坍塌埋鉆事故的能力，提高定向鉆進的效率，具備自動鉆柱處理功能，可實現自動擰卸口并上卸鉆桿。

該項目屬于國家國際科技合作專項，在探礦工程所原3000米~3500米永磁直驅鉆機歷經5年研制和工程試驗的基礎上，瞄準地質調查主戰場地熱干熱巖的主力需求，特別是華北區，有的放矢地進行轉化，投入資金進行技術升級和結構優化，將主要用于小口徑ø89鉆桿取心鉆進的3500米鉆機升級為可用ø114API鉆桿進行大口徑深孔地熱鉆進的4000米鉆機，可用于中國地調局目前承擔的地熱探采孔的施工，項目在2018年12月1日通過試驗現場驗收。

項目的驗收標志著，永磁直驅頂驅鉆機設備的成果研制進入實用化階段。它體現了我國自主研發鉆機的能力，甚至達到國際領先水平，使得我國鉆探裝備研發水平成功躋身國際第一梯隊。為實現科研成果快速和有效轉化，在完成廠內實鉆試驗的基礎上，2019年3月，探礦工程所在經充分研究后決定投入資金，在短短半年內，迅速推進解決了成果轉化“最后一公里”的難題。

目前，鉆獲雄安新區起步區最大地熱產能的地熱井，鉆機已經圓滿完成D20井的鉆探工作，充分驗證了鉆機的設計參數，展現了鉆機設計上的先進性、可靠性、實用性和操作的上簡捷、安全、高效，開拓了永磁直驅鉆機在大口徑能源資源鉆探工程的應用前景，為雄安、京津冀地區乃至全國地熱資源鉆探地質調查提供了借鑒與指導。

創新沒有止境，任何創新都是“未完成的創新”。我們相信，在未來的鉆探工作中，永磁直驅頂驅鉆機也將不斷創新，把先進的鉆探技術引入到綠色勘查中，實現地質勘查與生態保護協調共贏的局面，為國家、為中國地調局黨組、為人民交出一份更出色的答卷。

(注：文章節選《做能源勘查設備研發“領跑者”——中國地質調查局北京探礦工程研究所永磁直驅頂驅鉆機研發應用紀實》，來源：《中國礦業報》，作者：劉盼盼)