永磁頂驅鉆機在頁巖氣勘探LC-1井的應用

郭 坤，劉家榮，李 超

（北京探礦工程研究所，北京100083）

1 概述

浙江臨安頁巖氣區塊為2012年國土資源部20個公開招標頁巖氣區塊之一，通過競標，安徽能源集團公司取得該區塊的勘探權。井區位于臨安區塊西北角島石鎮。

安徽省地礦局三一三地質隊承接了浙江臨安島石鎮2520m頁巖氣勘探孔的施工，設計終孔?152mm，設計孔深2500m，全孔取芯。結合此項工程，使用北京探礦工程研究所研制的3000m直驅頂驅鉆機進行施工作業。

鉆機參數如下：

頂驅行程：22m；頂驅功率：260kW；

轉速：0～250r/min；絞車功率：2×260kW；

額定扭矩：15kN·m（單臺）；快繩速度：0～10m/s；

井架高度：39m；單繩提升力：135kN；

輪系：5×6；提升力：1350kN;

一層平臺高度：2.8m;二層平臺高度：17m。

2 施工技術方案

（1）全孔取芯，取芯直徑85mm。鉆具配長度3m及4.5m兩種規格?114mm繩索取芯鉆桿，加工過渡接頭使114接桿扣與頂驅主軸NC38接頭聯接。

（2）外管系統：鉆頭?152mm，配相應的外管部件，如外管、彈卡室、彈卡擋頭等，部件外徑140mm。

（3）鉆鋌技術方案：

①鉆鋌規格：140mm×19mm，鉆鋌連接為13根，每根長度9m，總長度為117m，140mm鉆鋌重量56.7kg/m，鉆鋌總重量為6.63t。

②鉆鋌螺紋仿照相應規格的API石油鉆鋌，鉆鋌連接用鉆鋌中接箍，鉆鋌中接箍兼扶正器作用，外徑比鉆頭小2mm，帶螺旋水槽，鉆鋌配套扳叉及墊叉。

③鉆鋌提升用吊卡，配相應的提引接頭。

（4）過渡鉆桿技術方案：過渡鉆桿選用?127mm規格，過渡鉆桿是連接鉆鋌及?114mm繩索鉆桿的緩沖部件，長度為6m。

（5）扶正器：扶正器起扶正和緩沖作用，扶正帶長度300mm，外徑與鉆頭外徑尺寸一樣。

（6）繩索鉆桿金剛石擴張器：扶正器上邊連接?114mm繩索取芯鉆桿，在單根繩索鉆桿之間連接一個擴孔器，共連接2～5個擴孔器，起修飾孔壁和扶正作用，擴孔器外徑與鉆具擴孔器同。

（7）鉆頭：外徑?152mm，內徑?85mm。由于鉆頭的唇面與徑向比值較大因此綜合考慮鉆頭的性能，鉆頭要求冷卻和排粉效果好，減小唇面有效面積,增加鉆頭內徑保徑等。

（8）繩索絞車：金石生產JS-3000型繩索取芯絞車，絞車配備9～11mm規格鋼絲繩，容繩量3100m，電機為11kW，滿足3000m深孔繩索取芯要求。

3 鉆機在施工過程中的應用情況

開鉆前挖方井，長2.0m寬1.50m高2.20m，采用直徑?190mm三牙輪鉆頭開孔，鉆至5.69m處開始用，?152mm金鋼石鉆頭開始取芯，鉆進至14.7m處分別采用190mm牙輪鉆頭擴孔至10.33m，用?300mm牙輪鉆頭擴至7.21m，用?450mm牙輪鉆頭擴至7.11m，分別下?426mm和?273mm套管下深至7m，用水泥固定套管，下?152mm金剛石鉆頭鉆進取芯，鉆機轉速80r/min,鉆壓10kN，泵量400L/min,泵壓1MPa。

3.1 絞車的的應用情況

（1）開鉆前，由機長和班長分別操作，進行絞車斷電制動試驗、緊急制動試驗。

（2）開鉆后，由于孔淺，為節省電費，先用一臺電機帶動絞車工作，正常送鉆工作時消耗的功率不到10kW，電流不超過10A。

（3）正式開鉆后，經恒壓和恒速2種方案實際操作對比，最終選定恒速送鉆方案，根據鉆壓的變化調整快繩送鉆速度在3～12mm/s間。在電路故障導致斷電時，絞車安全鉗能及時剎死，沒有發生不工作的現象。

（4）絞車單電機工作到2015年8月15日，已經鉆深1288m，超過設計孔深2520m的一半，啟用雙電機工作的鉆機計算機程序，將2臺電機與絞車聯接，雙電機帶動絞車工作后，提升鉆具時每臺電機的電流只有60A左右，電機的同步性優異，電機電流差異性小。2015年8月15日雙電機帶動的絞車由孔深1288m工作至2016年2月1日終孔深度2328m。

3.2 頂驅的應用情況

在用頂驅的進行鉆進應用中，空鉆轉速可達到300r/min，顯示試驗轉速在3～160r/min間，頂驅的工作扭矩在4kN·m左右，最大扭矩達到過8kN·m,頂驅電機工作平穩可靠,頂驅吊卡油缸可方便地帶動吊卡協助抓取鉆桿，回轉頭可左右回轉，背鉗可在任何位置上協助擰卸鉆桿，平衡油缸能夠在頂驅主軸和鉆柱螺扣松開后上跳保護絲扣，頂驅上扣和卸扣的轉速可在3～10r/min內調節，液壓盤剎剎車可靠。

3.3 應用結果

2015年3月22日開鉆至2016年2月1日2328m終孔，共施工317d，其中調試、修理、保養設備29d，鉆機純工作時間288d。鉆進效率最快達1m/h,鉆壓為20～40kN,泵壓在4MPa以下，泵量在300～450L/min間，由于高轉速下多次發生斷鉆桿事故，試驗時最高轉速限定在160r/min。

鉆進地層，0～1506m為灰色硅質泥灰巖和泥質灰巖、灰巖角礫、泥礫，有破碎和軟硬互層，1506～2328m為含有石英、長石、黑云母的白堊系灰色花崗巖，由于在花崗巖中鉆進822m，頁巖氣不可能在花崗巖中存在，故提前終孔，沒有鉆進到原設計的2520m深。

4 結論

經過近一年的施工作業，施工單位按期完成了任務，對鉆機的評價如下：

（1）鉆機使用的永磁電機非常省電，下鉆時發電。2014年在距島石鎮直線距離30km的昌化鎮，用全液壓動力頭鉆機施工了?152mm孔徑的LC-02井，地層相近的勘探孔1000m，與現在施工的勘探孔在1000m工作量上做了對比，節省電費30%以上。

（2）鉆機結構簡單，操作人員勞動強度低，回轉和升降都可在司鉆房內操作手柄和旋紐完成，操作人員非常容易掌握，顯示屏可監控修改鉆機的鉆進參數和電機的電氣參數，可監測電控房內的溫度和濕度，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。

（3）絞車是直驅絞車，無齒輪傳動，沒有帶剎和剎車鉗，完全利用電機本身和變頻控制系統的特性進行剎車、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來控制速度，減少了日常維護的成本，剎車過程平穩，對鋼絲繩的損傷小，在一年的工程試驗中，沒有更換過鋼絲繩，雙電機驅動的絞車提升能力強，運轉可靠，維護簡單，絞車在單電機驅動的情況下可提升2200m鉆具，在一臺電機有故障時仍能完成鉆進工作。

（4）鉆機的自動送鉆功能準確、實用、可靠，2328m的孔深大部分是用自動送鉆模式完成的，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，操作人員易掌握。正常鉆進時，一層平臺上只需司鉆房內的司鉆在監控司鉆臺上的顯示屏。

（5）鉆機配置合理，兩臺氣動絞車協助裝卸鉆桿鉆具，液壓錨頭協助擰卸鉆桿和鉆鋌,頂驅液壓系統具有抓取、擰卸、保護鉆桿的功能，機械化程度較高。

（6）頂驅的工作行程可達20m以上，提下鉆時可進行長行程開泵掃孔工藝，處理鉆探事故時能力較強，有助于提高整體鉆進時效。