汶川地震斷裂帶科學鉆探項目深孔取心鉆探設備的研制與應用

朱江龍，胡時友，黃洪波，劉躍進，張 偉

（⒈中國地質大學〈北京〉，北京100083;2.中國地質裝備總公司，北京100102;3.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734;4.中國地質調查局，北京 100037）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目深孔取心鉆探設備的研制與應用

朱江龍1，2，胡時友3，黃洪波2，劉躍進2，張 偉4

（⒈中國地質大學〈北京〉，北京100083;2.中國地質裝備總公司，北京100102;3.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734;4.中國地質調查局，北京 100037）

深孔取心鉆探設備是為滿足汶川地震斷裂帶科學鉆探項目（WFSD）3000 m深部取心鉆探需要而自主研制的我國首套科學鉆探專用設備，包括KZ3000型全液壓鉆機以及深部鉆探配套用高壓泥漿泵和鉆桿鉆具等。該套設備集全液壓、高速頂驅、大口徑、深部取心于一身，具有綜合能力強、工藝適應性廣、操控智能程度高等特點，在WFSD-2孔深部取心鉆探中，各項功能滿足設計要求，應用情況良好。該套設備作為我國深部鉆探裝備的階段性創新成果，在科學鉆探、深部找礦和淺層油氣鉆采中，具有一定的推廣價值。

汶川地震;地震斷裂帶;科學鉆探;深孔取心;鉆探設備;高速頂驅;液壓驅動;智能控制

1 項目的提出

1.1 項目背景

2008年四川汶川特大地震后，國家迅速組織啟動了汶川地震斷裂帶科學鉆探項目（WFSD，以下簡稱“汶川科學鉆探”），研究地震斷裂和地震機理，建立我國第二個深孔長期地震觀測站，為未來地震的監測、預報或預警提供基本數據。

WFSD項目共設17個課題，其中“科學鉆探與科學測井”課題的主要任務是通過5口科學群鉆的取心鉆探、測井和錄井施工，為地震研究提供巖心和測井資料，為在地層深部進行科學實驗和長期監測提供通道條件。該課題的順利實施將關系到整個項目的總體進度和眾多科學目標的實現。

1.2 項目對設備的要求

汶川科學鉆探具有以下特點:一是地質條件復雜，地層異常破碎且縮徑、涌水嚴重;二是取心質量要求高，全孔取心，取心直徑≥85 mm;三是鉆孔設計口徑和深度大，WFSD-2孔原設計深度3000 m，開孔直徑445 mm，終孔直徑150 mm，5級井身結構，采用逐級取心、分段擴孔;四是鉆進工藝方法采用大直徑繩索取心鉆具，半合管取心為主。特定的地質條件、工藝技術、取心效率以及鉆深能力的要求，相對于常規固體礦產巖心鉆探，對取心鉆探設備提出了更高的要求，即具有更強的取心鉆進能力、大口徑擴孔鉆進能力以及復雜地層孔內事故處理能力。

1.3 研制內容

在當時情況下，無論是鉆機、鉆桿、鉆具還是配套的泥漿泵，國內外沒有任何一款現成產品能滿足汶川科學鉆探的特殊需求。

鉆機方面，標稱3000 m小口徑取心的HXY-8B型立軸式巖心鉆機無法滿足大直徑取心的鉆深能力和口徑要求;采用提鉆取心的3000 m的地熱鉆機或淺層油氣鉆機，無法滿足金剛石繩索取心工藝方法要求;石油鉆機的低速大扭矩頂驅無法滿足金剛石取心的高轉速要求。

基于上述情況，WFSD工程中心的專家團隊經過多次論證考察，認為必須重新研制一整套針對本項目的特定需求的取心鉆探設備:

（1）研制一套頂驅/轉盤組合式取心鉆機，以高轉速頂驅滿足150 mm口徑金剛石取心鉆進3000 m需求，用大扭矩轉盤滿足多級井身結構的擴孔鉆進需要，該鉆機型號定為KZ3000型;

（2）研制一臺可滿足3000 m取心鉆進用的配套高壓泥漿泵;

2 設備研制

2.1 技術路線

以鉆機的集成創新為主體，鉆機要充分吸收HCD-6F型分體塔式全液壓巖心鉆機、RPS3000型轉盤式水文水井鉆機和德國RB130頂驅取心鉆進系統的結構和技術優勢，以K31鉆塔和高架平臺為載體，配置高速頂驅和大扭矩轉盤，采用全液壓驅動、電液比例控制和智能化參數顯示控制，按照模塊化組合設計方式進行集成式研制;同時以鉆桿材料為突破口，提升鉆桿的鉆深能力，泥漿泵以壓力和流量的最優級配提供配套。

2.2 技術方案和參數

2.2.1 鉆機

功能上，KZ3000型全液壓鉆機由以下9個系統組成:（1）頂驅回轉系統;（2）轉盤回轉系統;（3）油缸給進系統;（4）絞車升降系統;（5）操作監控系統;（6）液壓動力機組;（7）繩索取心絞車;（8）強力起拔裝置;（9）鉆塔與平臺。

布局上，鉆井平臺分上下2層。下層布置鉆井液固控系統（包括2個泥漿灌、振動篩、離心機、射流混漿器及4臺攪拌機）、液壓動力機組和液壓絞車等;上層安裝液壓轉盤、獨立司鉆房、全液壓繩索取心絞車、液氣大鉗、液壓“貓頭”和2臺氣動絞車等，最大限度地拓寬井口的工作空間（圖1）。鉆機主要技術參數見表1。

圖1 KZ3000型鉆機布局圖

2.2.2 鉆桿主要參數

材質:≥S135;

鉆桿長度:鉆桿有效長度9 m;

連接形式:自接式整體鉆桿。

2.2.3 配套高壓泥漿泵

臥式三缸往復單作用柱塞泵，5種流量和5種壓力級配，滿足不同孔徑、孔深或鉆探工藝的需要，主要參數見表2。

2.3 研制過程

（1）2008年6月至2009年2月在WFSD-1孔施工期間，WFSD工程中心著手進行WFSD-2和WFSD-4孔取心鉆探設備的選型調研，在市場無可用產品的情況下，初步確定由中國地質裝備總公司進行設備方案的設計準備，作為儲備方案;

表1 KZ3000型全液壓鉆機主要技術參數

表2 BW280/30型高壓泥漿泵主要技術參數

（2）2009年2月至2009年5月中國地質裝備總公司會同WFSD工程中心的專家對鉆機總體設計方案進行研究，確定總體方案，5月5日通過了由業內專家組成的專家委員會的審查;

（3）2009年5月至2009年10月完成招標程序和全部圖紙設計工作;

（4）2009年10月至2010年5月完成外購件采購、加工件和外協件制造、鉆機組裝和廠內調試;

（5）2010年6月至2010年7月完成WFSD-2孔現場組裝試車，順利交付。

在國內外沒有成熟的設備及技術可供參考借鑒的情況下，中國地質科學院探礦工藝研究所和中國地質裝備總公司協同配合，通過科學論證、精心組織，在不到一年的時間里，順利完成了設備的設計、制造、組裝和調試工作，保障了汶川科學鉆探項目的順利推進。

2.4 創新成果

借助WFSD項目深孔取心鉆探設備的研制，中國地質裝備總公司、中國地質科學院探礦工藝研究所以及業內專家針對深部取心鉆探的特殊要求，開展了大量工作。在整機、關鍵零部件和配套產品等方面取得了一系列創新成果，填補了我國地質勘探裝備的諸多空白，是對我國深部取心鉆探裝備體系的一次有益的完善和補充。

KZ3000型全液壓鉆機充分吸收和借鑒國內外先進技術進行集成創新，采用高速頂驅/大扭矩轉盤組合型式，集全液壓、高速頂驅、大口徑、深部取心于一身，在地質勘探鉆機的鉆進能力、送鉆控制、智能操控和參數可視化方面取得一定的突破，是我國第一臺自主研發的智能化程度較高的3000 m全液壓大口徑深孔取心鉆機。

在關鍵零部件和配套產品方面，自主研發了一系列創新產品，并取得5項國家專利。自主研發了帶有張力測試裝置和自動排繩的4000 m液壓驅動繩索取心絞車，增減速柔和、張力監測準確、自動排繩可靠，大大提高了繩索取心打撈內管的成功率;自主研發了適用于金剛石繩索取心用的高速頂驅，可以和無動力送鉆絞車相結合實現長行程取心、擴孔、掃孔、倒劃眼等執行動作;自主研發了可折疊式的頂驅反扭矩長行程桅桿，可在K塔上進行上下、左右、前后調整，實現不摘頂驅讓開孔口，進行轉盤擴孔鉆進;自主研發了對心式強力拔管裝置，適配各種直徑的取心用鉆桿和擴孔用鉆桿，可實時監測起拔力;自主研發了適用于3000 m鉆深要求的高強度自接式整體鉆桿等。

3 應用情況

3.1 整體運行狀態

截止目前，WFSD項目深孔取心鉆探設備已完成汶川科學鉆探WFSD-2孔的鉆探施工，運行區間為2010年7月10日至2012年4月29日，總體運行時間659天。累計取心鉆探工作量1550.41 m，最終鉆探孔深2283.56 m，孔深675.05～1349.50 m的側鉆繞障施工，孔深1356.00～1468.38 m的套管開窗側鉆補心施工，取得了巖心采取率達到90.8%的良好效果。維護保養及檢修停工時間24個工作日，維修時間率為4.8%。

在汶川科學鉆探WFSD-2孔的施工過程中，WFSD項目深孔取心鉆探設備完成的工藝過程有:取心鉆進、擴孔鉆進、全面鉆進/側鉆、下套管、處理孔內事故等工作（詳見表3）。

3.2 綜合運行評價

表3 鉆機不同孔段、工藝和運行方式下運行參數情況

WFSD工程中心在WFSD-2孔施工完成后對KZ3000型全液壓鉆機的運行報告中對設備的綜合運行評價為:WFSD深孔取心鉆機在汶川地震科學鉆探工程二號孔（WFSD-2）取心鉆進、擴孔鉆進、全面鉆進、下套管、處理孔內事故等方面應用，基本滿足WFSD-2孔各種鉆孔口徑及鉆進工藝的施工需求。在三開擴孔鉆進、全面鉆進，四開取心鉆進時，孔徑大、鉆孔深、扭矩大、摩擦阻力大的情況下，轉盤/頂驅設計能力有限的條件下，結合不同規格的螺桿馬達和液動沖擊錘等孔底動力鉆具，滿足半合管提鉆取心，鉆進平穩，鉆機運行正常。

3.3 鉆機運行特點

WFSD項目深孔取心鉆探設備的創新設計，在汶川科學鉆探WFSD-2孔鉆進施工過程中，得到了充分驗證，除系統運行總體平穩正常，各項功能滿足設計要求外，在頂驅、絞車、液壓驅動、控制、打撈和事故處理等方面，與市場上其他在用的取心鉆機相比，表現優越，呈現以下特點。

（1）精確的絞車自動送鉆系統:KZ3000型鉆機配置的全液壓絞車不僅可實現大噸位（125 t）提升，還可以實現無動力可控精確送鉆（送鉆精度:3000～5000 N），在膨脹縮徑、坍塌掉塊、地應力較大的孔段，當采用手動送鉆控制下鉆速度不穩，出現憋泵、扭矩過大情況時，采用自動送鉆方式，可平穩通過該地段。圖2是送鉆錄井狀態曲線。當WFSD-2孔取心鉆進至2210.95 m時，因2012年春節放假2天，再次下鉆時在距孔底60 m處遇阻，循環泥漿劃眼，手動送鉆，速度快且不穩定，經常憋泵，后來采取自動送鉆，很平穩地穿過憋泵地段，當泵壓穩定時，又可以采用手動送鉆，這樣交替變換送鉆方式，順利劃眼到底。

（2）穩定的打撈系統:自主研發的4000 m液壓驅動繩索取心絞車帶有張力測試裝置和自動排繩裝置（圖3），在增減速時柔和平順、張力的監測準確靈敏、自動排繩平穩可靠，提高了繩索取心打撈內管的成功率。

圖2 送鉆錄井狀態

圖3 自動排繩裝置

（3）獨立司鉆智能操控:KZ3000型鉆機的所有運動部件均通過計算機控制，控制器采用Bosch Rexroth公司提供的BODAS可編程專用液壓控制微處理器，實現比例電磁鐵精確電流控制、電磁鐵開關控制、數字和傳感器信號輸入、數據通信等多項功能，控制精確可靠。獨立的司鉆房提供設備的集中遠程操作和控制，操作環境清潔、安全、穩定（圖4），鉆機運行參數直觀可視、菜單式界面便于調整（圖5），避免了手動調節的不穩定性。

（4）長行程的頂驅油缸給進系統:高速頂驅通過2個長行程油缸，可實現長行程（10 m）精確的鉆壓和鉆速控制（圖6），完成取心、擴孔、掃孔、倒劃眼等執行動作。

（5）全液壓驅動:KZ3000型鉆機的轉盤、主絞車、頂驅、繩索絞車、給進油缸和其他輔助動作全部采用液壓驅動，回轉的無極調速可提供更好的鉆探工藝適應性，實現更靈活的模塊化組合，提高過載情況下的有效保護，可實現有效的機電液一體化控制。獨立的液壓動力站（圖7），通過快速接頭與站外執行器連接，便于整體搬遷和安裝。

圖4 獨立司鉆房

圖5 操作界面

（6）強力拔管裝置:自主研發的BG250型拔管機（圖8）創造性地采用大直徑帶有中心通孔的起拔

圖6 長行程油缸

圖7 液壓動力站

油缸，可實現對心起拔;配備超高壓力電動液壓泵站，起拔能力高達2500 kN，并可實時監控起拔力，具有較強的處理事故能力。在WFSD-2孔施工過程中，曾成功地處理過嚴重的卡鉆事故。

圖8 BG250型拔管機

4 存在的問題

KZ3000型鉆機在汶川科學鉆探二號孔的使用過程中，也暴露出一些問題。其中，大功率下的傳動效率過低的問題比較突出，這也是液壓傳動無法避免的弊端。此外，在大功率和重載條件下鉆機的絞車系統采用液壓驅動方式是否合適，也是一個值得進一步探討的問題。據分析，深鉆施工中起下鉆過程中，絞車要頻繁地在重載條件下進行剎車，使絞車的液壓系統頻繁受到大的加速度和沖擊力的作用，系統部件容易損壞。

5 發展與思考

WFSD項目深孔取心鉆探設備作為我國在全液壓大口徑深部取心鉆探設備的全新嘗試，經過WFSD-2孔實鉆驗證，探索了一條可完成頂驅取心鉆進和轉盤擴孔鉆進功能的低成本（相對于石油鉆探）深孔取心鉆探設備的技術路線。除用于3000 m左右的科學鉆探以外，還可用于3000～5000 m的深孔巖心鉆探、3000 m左右的地熱和水文水井鉆探和3000 m左右的煤層氣和淺層油氣鉆探等領域。此外，該設備的多個創新成果可移植到水文水井鉆機、巖心鉆機、煤層氣鉆機和淺層油氣鉆機，提升我國各類鉆探設備的技術水平。

隨著我國“攻深找盲”戰略和“深部探測”專項的實施，深部取心鉆機將迎來一個發展機遇期，同時在鉆進能力、鉆進效率和節能環保方面也將提出更高的要求。在實現途徑上，對現有的機械和液壓傳動巖心鉆機可以進行進一步的完善和優化，但機械以及液壓傳動自身固有的弊端可能對更大功率應用形成制約，而基于交流變頻技術的電驅電控巖心鉆機因其在傳動效率、控制智能、節能環保和維護保養等方面的優勢，或將為深部取心鉆機的發展提供一條新的解決途徑。

［1］ 黃洪波，朱江龍，劉躍進.我國鉆探技術裝備“十一五”回顧與“十二五”展望［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（1）.

［2］ 張偉，賈軍，胡時友.汶川地震科學鉆探項目的概況和鉆探技術［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（S1）.

［3］ 張偉，賈軍.汶川地震科學鉆探二號孔取心鉆進方法的選擇［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（7）.

［4］ 張偉.夏威夷科學鉆探項目的鉆探技術和施工情況［J］.探礦工程，1999，（4）.

［5］ 胡時友，宋軍，張偉，等.汶川地震斷裂帶科學鉆探（WFSD）項目鉆探和測井課題的組織實施與管理［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（12）.

［6］ 王達.深孔巖心鉆探的技術關鍵［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（S1）.

［7］ 張偉，王達，劉躍進，等.深孔取心鉆探裝備的優化配置［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（10）.

The Research and Application of Deep Hole Core Drilling Equipment for Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project

ZHU Jiang-long1，2，HU Shi-you3，HUANG Hong-bo2，LIU Yue-jin2，ZHANG Wei4（1.China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.China Geo-equipment Coporation，Beijing 100102，China;3.The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 611734，China;4.China Geological Survey，Beijing 100037，China）

Deep hole core drilling equipment，including KZ3000 drill rig，high-pressure mud pump and wire-line coring rods and tools，is the first scientific drilling system in China，which was independently designed and manufactured to meet the needs of Wenchuan earthquake fault scientific drilling project（WFSD）.The equipment is set fully hydraulic，high-speed top drive，large diameter and deep coring in one，featuring good comprehensive capability，wide process adaptability and high intelligence of manipulation.During the WFSD-2 deep hole core drilling，it worked well by meeting the design requirements in all functions.As stage innovations for deep drilling equipment，it has a potential market value in scientific drilling，deep prospecting and shallow oil and gas drilling.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;deep hole coring;drilling equipment;high-speed top drive;hydraulic drive;intelligent control

P634.3

A

1672-7428（2012）09-0022-06

2012-08-08

科技部科技支撐計劃專項“汶川地震斷裂帶科學鉆探（WFSD）”項目之“科學鉆探與科學測井”課題

朱江龍（1974-），男（漢族），山西運城人，中國地質大學（北京）博士研究生在讀，中國地質裝備總公司副總工程師，地質工程專業，長期從事鉆探設備開發工作，北京市朝陽區望京西園221號博泰大廈1503，zhujianglong@cgeg.com.cn。