電動直驅頂驅技術在礦產勘查行業中的應用

王 超

（河北省煤田地質局第四地質隊（河北省礦山生態修復與資源綜合利用研究中心）， 河北 張家口 075100）

0 引言

當前，礦產勘查施工技術的發展直接影響著我國能源開采的發展速度，在整個能源開發體系中起著舉足輕重的作用。作為先進礦產勘查設備的代表，近幾年電動直驅頂部驅動技術日漸發展和成熟，被廣泛應用于礦產勘查施工中，滿足了礦產勘查技術自動化和集成化的需求，適應了礦產勘查行業高新技術裝備的發展趨勢，應用效果十分顯著。

1 電動直驅頂部驅動的結構組成

電動直驅頂部驅動礦產勘查設備簡稱電動直驅頂驅，是近些年新研發的集機械、電氣、數字儀表等技術集中于一體的新型礦產勘查設備，是把傳統鉆機的動力部分由轉盤移動到井架上部，完成旋轉鉆柱鉆進、循環鉆井液、接單根、上卸扣、倒劃眼等多種操作的先進鉆井設備，頂部驅動礦產勘查設備廣泛應用于中深層鉆井作業，其應用范圍十分廣泛。電動直驅頂驅設備主要由主驅動電機水龍頭總成、管子處理裝置總成、上卸扣裝置總成、液壓系統、電控系統等部件構成。

1.1 主驅動電機水龍頭總成

主驅動電機和水龍頭總成是整個頂部驅動設備中非常重要的部分，由主電機、提升裝置、冷卻裝置、剎車裝置等部分構成，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，其負責在旋轉鉆進中給鉆桿提供動力，以及為整個系統供應循環鉆井液，從而帶動鉆頭不斷鉆進，起著動力來源的重要作用，可以同時承受下鉆和鉆井載荷，以保證鉆井作業的正常進行。同時基于方便修理以及經濟性的考慮，電動機的冷卻一般選擇風冷，在電機上通常會加裝高壓吹風設施，用來進行高壓通風，避免鉆探作業過程中出現燃燒等安全事故發生。

1.2 管子處理裝置總成

管子處理裝置主要由背鉗、旋轉結構、吊環傾斜裝置等部分組成，其中旋轉結構能夠獨立運動并連接吊環，達到360°自由旋轉的效果，可以任意抓取旋轉至需要的位置；背鉗上端與旋轉頭相連接，與旋轉頭一起旋轉，一般配備有鎖緊裝置用來上卸扣時鎖緊旋轉頭所用，背鉗在作業中可以做到自動定心，具備非常好的使用性能，這種結構形式也容易理解，維修更加方便，是非常簡潔實用的結構形式；吊環傾斜裝置主要由傾斜油缸、吊環、吊卡等組成，吊環與吊耳相連接，可以實現順方向和逆方向的運動。

1.3 液壓系統

電動直驅頂驅液壓系統主要由液壓剎車、背鉗緊鎖、液壓站、控制元件、管線等部分組成。主要變現形式為地面液壓站形式，工作形式較為復雜，通常表現為通過液壓動力源與控制執行系統來完成，液壓站一般與其他設備的液壓系統集成在一起。液壓系統由PLC 電路與電控系統合并配合使用，方可真正實現鉆機的液電程序配合控制。

1.4 電控系統

電動直驅頂驅電控系統有多種實時傳感器的控制措施，確保頂驅電驅動在作業下的控制精度和輸出轉矩。在由專業操作人員通過控制臺進行操控時，引入PLC 元件控制與控制裝置實時通訊和操控，對儀表、電纜進行集成，性能有保證，抗干擾性好，可實現電動頂驅的機、電、液、通訊一體化集成操控，具有監控、報警、診斷、連鎖等多種使用功能。

2 電動直驅頂部驅動的運行原理及狀況

鉆機電動直驅頂部驅動主要是通過電機直接驅動鉆柱，實現鉆井作業中的鉆進、提鉆、循環鉆井液、接單根、上卸扣和倒劃眼等多種操作。頂驅主機通過旋轉機構將動力傳遞給鉆桿組件，使其旋轉，從而推動鉆柱組件進行升降運動。這種運動主要是為了調整鉆頭的位置，以適應不同的鉆井工況。頂驅主機通過旋轉機構將動力傳遞給鉆桿組件，使其旋轉，從而帶動鉆柱組件進行回轉運動。這種運動主要是為了實現鉆井作業中的鉆進和提鉆動作。在循環鉆井液的過程中，鉆井液從鉆柱組件的下端進入，然后通過循環閥向上輸送，最后從上端排出。在接單根的過程中，頂驅系統會先將上端的管子固定住，然后向下移動鉆柱組件，從而實現與下端管子的對接。在上卸扣和倒劃眼的過程中，頂驅系統會通過旋轉機構調整管子的位置，使其對齊或錯開一定的角度，從而實現上卸扣和倒劃眼操作。

3 電動直驅頂部驅動應用的優勢

電動直驅頂驅設備是當代礦產勘查作業的重要先進設備，與傳統鉆機轉盤旋轉鉆進相比，電動直驅頂驅在操控便捷、鉆進高效、減少事故率、孔內實時監控等方面都有顯著的優勢。

3.1 節省接單根時間

自動直驅頂部驅動系統能夠做到直接以立根鉆進，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勘查作業效率，減少了至少一半的鉆具連接時間，也就直接節省了鉆井時間，縮短了建井周期，提高了經濟效益。

3.2 倒劃眼防止卡鉆

電動直驅頂部驅動由于不接方鉆桿就可以旋轉和循環泥漿液，所以在節省時間的基礎上，頂驅鉆井裝置能夠順利地將鉆桿從井眼取出，遇到突發情況，不需要進行單根劃眼，隨時可以開啟泥漿泵進行循環劃眼，這樣可以大大節省作業時間和降低事故發生率，提高安全系數。

3.3 有效提高人員安全性

電動直驅頂驅系統的使用可以大大縮短礦產勘查時間，且自動化水平高，可以大大降低鉆井工人勞動強度，具有操作安全便利的特點，標志著現代礦產勘查設備逐漸智能化和自動化，進而直接最大限度地降低了鉆井工人的勞動危險性，提高了安全系數，顯著降低了安全事故的發生率。

3.4 有效提高井下安全性

在起下鉆遇到異常時，頂驅的管子處理裝置可立即連接并開啟泥漿泵進行循環，進行劃眼作業，減少了卡鉆等情況的出現，頂驅系統一般還內置防噴器的功能，作業時如果出現井噴事故，司鉆可在第一時間遙控鉆桿上卸扣裝置，迅速實現與鉆桿柱的連接，從而及時循環鉆井液，進而避免事故的發生。

3.5 有效提高設備安全性

電動直驅頂部驅動鉆井設備可以實時觀測上卸扣扭矩，有效避免上卸扣扭矩過大，一旦鉆井作業過程中出現扭矩異常，電機可以自動實現停止旋轉，等異常消除后再重新旋轉鉆進，保證了頂驅設備正常運轉和使用，延長了設備使用年限，增加了頂驅的使用效益。

4 電動直驅頂部驅動的使用效果

4.1 效率和性能

采用電動直驅頂部驅動設備的鉆機具有較高的鉆孔效率和回拖速度，同時其鉆孔精度和穩定性也表現較好。這種驅動方式的效率和性能相當于或超過傳統驅動方式的鉆機。

4.2 操作和界面

電動直驅頂部驅動鉆機的操作系統和界面設計通常都相當直觀和易于使用，機手可以快速地完成設置和操作。此外，許多現代化的操作系統還包括了自動化和智能化功能，這使得鉆孔作業更加便捷和高效。

4.3 耐久性和維護

由于電動直驅頂部驅動鉆機去除了傳統驅動方式中的許多機械部件，因此其結構較為簡單，維護和保養也更加方便。同時，由于其驅動方式的可靠性，其耐久性也較長，能夠滿足長期鉆孔作業的需求。

4.4 噪音和振動

電動直驅頂部驅動鉆機在運行過程中產生的噪音和振動較低，這使得操作者在鉆孔作業過程中受到的影響較小。同時，這種驅動方式也有利于保護環境，減少對周圍環境的影響。

4.5 經濟性

電動直驅頂部驅動鉆機的初始投資成本可能較高，但由于其節能高效的特性，長期使用下來運行成本和維護成本會比傳統驅動方式的鉆機更低。同時，由于其自動化和智能化功能，可以減少人力成本地使用，提高工作效率。

電動直驅頂部驅動鉆機在效率和性能、操作和界面、耐久性和維護、噪音和振動以及經濟性等方面都表現出相當高的優勢。這種驅動方式的廣泛應用將會改變傳統鉆孔作業的模式，提高工作效率和作業質量。

5 電動直驅頂部驅動技術的應用案例

本文以電動直驅頂驅設備在內蒙古SNO116-19H 定向井項目施工中的實際應用情況為例。

5.1 項目背景

內蒙古SNO116-19H 定向井項目是一個定向鉆井項目，需要鉆探的井眼路徑并不是一條直線，而是需要不斷調整鉆頭的方向和角度，以繞過地下的斷層和裂縫等復雜地質條件。

在這個項目中，電動直驅頂部驅動技術被用于解決這個問題。頂部驅動技術是一種先進的鉆井設備，它可以將動力傳輸到頂部的驅動裝置，直接驅動鉆具旋轉鉆進，而不需要使用方鉆桿。相比傳統鉆機，它可以更快地更換鉆頭和鉆具，更好地控制鉆進過程，提高鉆井效率，并減少井下復雜情況的發生。

5.2 應用效果

在內蒙古SNO116-19H 定向井項目中，頂部驅動技術被用于滑動鉆井和導向。

在滑動鉆井過程中，頂部驅動技術通過旋轉控制頭和剛性管線總成之間形成的配合間隙來實現壓力調節、水平穩定、動力傳輸、速度控制以及自動測斜等功能。這樣可以更好地控制鉆頭的行進方向和深度，避免鉆頭偏離井眼路徑或過度推進。

而在導向過程中，頂部驅動技術可以通過調節鉆頭的姿態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。它還可以通過控制鉆壓、轉速及循環系統工作參數等措施來調整鉆頭的鉆進方向和深度。

5.3 應用反饋

內蒙古SNO116-19H 定向井項目能夠更好地應對復雜的地質條件，提高鉆井效率和質量，并確保鉆井作業的安全和順利進行。建設方對電動直驅頂驅鉆井設備在實際應用中的表現非常滿意，他們對該設備的穩定性和效率給予了高度評價，并表示這將大大提高他們的鉆井效率和精度。

電動頂部驅動設備是一種先進的鉆井設備，具有許多顯著的優點和良好的應用效果，能夠滿足各種鉆井項目需求。

6 頂部驅動技術的發展趨勢探析

我國電動直驅頂部驅動的未來發展趨勢是側部驅動系統的研發及應用，側部驅動相較頂部驅動結構更加簡單，成本更加低廉，其區別于頂驅系統的幾點優勢有：

1）側部驅動系統可保留傳統鉆機轉盤作為動力源的設計，提高傳統鉆機設備使用效益，降低改造成本；

2）側部驅動系統在使用效果上與頂驅系統保持同等水平的前提下，經濟性更高。

7 結語

電動直驅頂部驅動設備是近些年現代化鉆井技術的一大標志，在礦產勘查施工作業中的應用十分顯著，電動直驅頂部驅動設備自動化水平高，可以大大降低鉆井工人勞動強度，顯著提高生產效率，縮短建井周期，提高安全系數，降低項目成本，最終實現經濟效益的提升。因此電動直驅頂部驅動設備是礦產勘查設備技術發展的新趨勢，未來將得到越來越多的普及和使用。