4000 m地質巖心鉆機在天津東麗區地熱資源調查中的示范應用

高鵬舉， 劉凡柏， 王躍偉， 任啟偉， 胡志興， 李文秀， 裴森龍

(1.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000； 2.河北省煤田地質局第二地質隊，河北 邢臺 054000；3.有色金屬礦產地質調查中心，北京 100012)

0 引言

4000 m地質巖心鉆機(XD-40型鉆機)是由中國地質科學院勘探技術研究(以下簡稱勘探所)牽頭自主研發的深部礦產資源勘查技術裝備，該鉆機試制完成后需要進行野外生產試驗，對鉆機的設計、制造質量及主要性能進行驗證。結合由勘探所承擔的地質調查子項目“京津石地熱資源調查”進行生產試驗。承擔終孔直徑216 mm、孔深4000 m地熱調查井(井號：CGSD-01)開鉆至二開完鉆期間鉆進、取心、下套管等工程任務。CGSD-01井由河北省煤田地質局第二地質隊承擔施工，于2017年11月20日開鉆，至2018年4月2日，鉆進深度達2258.83 m，完成二開鉆井工作，鉆機完成生產示范應用。

1 試驗條件

1.1 工作范圍及交通

鉆井位置在天津市東麗區麗湖環路西南角，工作區范圍為麗桐路以西，新地路以東，新楊道以北，錦鯉道以南(見圖1)。該地區地形平坦，地勢較低，平均海拔1.9 m。工作區緊鄰寧靜高速、京津高速，毗鄰天津濱海國際機場及天津港，交通便利，四通八達。孔位向南約165 m為新地河，約245 m處為北環鐵路；向西約485 m處為寧靜高速；向北及向東為蘆葦灘地，地面有積水坑，需做場地平整處理。

圖1 鉆井位置圖Fig.1 Drilling position

1.2 地質情況

工作區所處大地構造位置為華北準地臺(Ⅰ)-華北斷坳(Ⅱ)-滄縣隆起(Ⅲ)-潘莊凸起(Ⅳ)的中部東側[1-3]。潘莊凸起位于滄縣隆起北段，北以漢沽斷裂為界與王草莊凸起相鄰；西以天津斷裂為界與大城凸起相鄰；東以滄東斷裂為界與黃驊坳陷相鄰；南至海河斷裂。潘莊凸起基巖地層主要是中、新元古界、古生界地層，蓋層為新近系的館陶組、明化鎮組和第四系。

早奧陶世本區為海相淺水臺地碳酸鹽巖沉積環境，沉積了以微晶灰巖，白云質灰巖，微晶白云巖為主的碳酸鹽巖地層，沉積厚度500 m左右。中奧陶世峰期后，發生海退，直到中生代進入板內裂谷發育期，形成凹陷并在其中沉積了中生界。在新近紀，地質構造演化進入裂谷坳陷期，開始接受新近系沉積，期間經歷了長達300～410 Ma的風化剝蝕。在奧陶系與上覆中生界、新近系之間形成區域不整合面，不整合面以上沉積了河流相陸源碎屑巖。由于經歷了長期沉積間斷，經暴露、淋濾和風化剝蝕，使得奧陶系上部碳酸鹽巖發生了較強的巖溶作用，在潘莊凸起西南部形成了“潛山型”古風化殼巖溶。

1.3 鉆井結構

XD-40型鉆機完成施工0～2258.83 m井段。使用?660.4 mm鉆頭鉆進76 m，而后下入?508.0 mm導管并固井，對該井段松散地層封固，確保以下井段的施工安全。一開使用?445 mm鉆頭鉆進1468.53 m，鉆入寒武系10 m，下入?339.7 mm技術套管，封隔上部易坍塌、易漏失地層。二開使用?311.2 mm鉆頭鉆進深度2258.83 m后，下入?244.5 mm技術套管，封隔寒武系、青白口系易漏失地層以保證抽水水量。井身結構如圖2所示。

圖2 CGSD-01井井身結構Fig.2 Casing program of well CGSD-01

2 生產條件

2.1 井場布置

井場征地15.4 km2，鉆場周圍有消防道、排水溝。按照施工要求做好鉆前三通一平、設備進場安裝，井場布置如圖3所示，施工現場如圖4所示。

2.2 鉆井設備配置

1-機長房；2-巖心房；3-工具房；4-綜合房；5-防火砂；6-井控房；7-放噴管線；8-水罐；9-柴油機房；10-配電房；11-氣源房；12-主絞車平臺；13-逃生滑道；14-鉆機平臺；15-泥漿泵；16-泥漿罐；17-廢漿池；18-泥漿材料安置點；19-滑道；20-管架；21-會議室；22-儀器監控房；23-井隊生活區；24-指揮部生活區；25-衛生間

圖4 XD-40型鉆機外貌圖Fig.4 The appearance of XD-40 rig

鉆機主要技術參數如表1所示，其他配套裝置如表2所示。

2.3 鉆機就位

表1 XD-40型鉆機主要技術參數[4-6]Table 1 Main technical parameters of XD-40 rig[4-6]

表2 其他配套配置Table 2 Other matching configurations

2.3.1 安裝

項目組研究設計了一種新型的垂直起升的鉆塔井架結構,總體上分為天車、井架、底座、二層臺4大部分組成。K形井架為金屬桁架結構，共分七段，采用液壓油缸、鋼絲繩實現井架分段垂直升降，節約了占地面積，提高了安全性能。

2.3.2 調試

調試前，鉆機各部件加注潤滑油、潤滑脂、燃油、液壓油及冷卻水，檢查電纜、管線的連接和密封并確認正確、可靠，對各部件進行調試。

調試內容主要有： VFD系統供電系統調試、電氣傳動系統調試、司鉆控制室調試、儀器與儀表系統調試、氣源系統設備調試、液壓系統調試、絞車運轉調試、轉盤運轉調試、鉆井儀表調試、液壓與氣動機具調試、高壓管匯調試、鉆機監視與通訊系統調試、全機聯動調試。

3 示范應用情況

2017年11月20日開鉆，于2018年4月2日，鉆至2258.83 m，井徑311 mm。具體包括導管鉆井、下導管，一開鉆井、下套管，二開鉆井、取心。歷時123 d，施工時間跨度比較長。

3.1 導管段

2017年11月20日正式開鉆，至2017年11月23日鉆進深度76 m，完成導管段鉆進。2017年11月24日下入?508 mm導管，共75 m，固井、候凝。鉆具組合為： ?660.4 mm牙輪鉆頭+?203 mm鉆鋌+?178 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+108 mm方鉆桿。采用不分散聚合物鉆井液，鉆井液配方為：1 m3清水+3.91%膨潤土+0.35%CMC+0.57%鈉鹽+2.17%SAS +0.43%RH-3+0.35%RH-4。

3.2 一開

2017年11月27日開始一開鉆井，井徑445.5 mm，于2018年1月6日完成鉆進深度1468.53 m，完成一開鉆井及取心。2018年1月9日下入?339.7 mm套管，共1464 m，固井、候凝。全面鉆進鉆具組合： ?444.5 mm牙輪鉆頭/PDC鉆頭+?203 mm鉆鋌+?178 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+108 mm方鉆桿；取心鉆具組合： ?216 mm取心鉆頭+巖心管+?178 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+108 mm方鉆桿。一開鉆井液與導管段相同，使用不分散聚合物鉆井液。

3.3 二開

2018年1月15日開始二開鉆井，井徑311 mm，于2018年4月2日完成鉆進深度2258.83 m，完成二開鉆井及取心。全面鉆進鉆具組合：?311 mm牙輪鉆頭/PDC鉆頭+?203 mm鉆鋌+?178 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+108 mm方鉆桿；取心鉆具組合：?216 mm取心鉆頭+巖心管+?178 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+108 mm方鉆桿。采用鉀基(抑制性)鉆井液體系，鉆井液配方為：1 m3清水+3.91%膨潤土+0.35%KPAM+0.57%鈉鹽+1.30%KAHM+1.30%SMT+0.65%DFD-140+1.30%QS-2+0.43%RH-3+0.35%RH-4。各開次鉆進工藝參數如表3所示。

表3 鉆進工藝參數Table 3 Drilling parameters

4 鉆進效果

4.1 鉆井進尺

工程進度如圖5所示，日進尺如圖6所示。

2017年11月20日至2017年11月21日鉆前準備，用時2 d。

2017年11月22日至11月23日導管段鉆進，用時2 d，進尺76 m，平均日進尺為38 m。

2017年11月24日至2017年11月26日為導管段固井候凝，用時3 d。

2017年11月27日至2018年1月4日一開段鉆進，進尺1392.53 m，用時39 d平均日進尺為35.70 m。

圖5 鉆井深度圖Fig.5 Drilling depth along with the date change

圖6 鉆井日進尺圖Fig.6 Daily drilling footage

2018年1月5日至2018年1月13日一開測井、固井、候凝，用時9 d。

2018年1月14日至2018年4月2日二開鉆進，進尺790.3 m，共79 d，其中2018年2月11日至2018年2月21日春節放假11 d，2018年2月27日至2018年3月7日維修變頻器9 d，二開實際鉆進59 d，平均日進尺為13.39 m。

4.2 時間利用

此次施工為探采結合井，設計要求每鉆進100 m，取心一次，導致頻繁起下鉆，具體時間利用如圖7所示。純鉆進時間占41.10%，提下鉆時間占28.29%，鉆機故障、設備保養占7.83%。

圖7 時間利用圖Fig.7 Time utilization chart

5 鉆機性能表現

5.1 總體性能

在鉆進過程中，鉆機使用?127 mm鉆桿,鉆進深度達到2258.83 m，超過鉆機額定鉆深能力，鉆機的主要技術性能得到驗證。通過現場試驗，鉆機的優點主要有：

(1)鉆機操作簡單方便，人機配合友善。

(2)司鉆操作臺各項數據顯示明了，可以幫助司鉆清晰準確地判斷出井內和周圍設備的運轉情況。

(3)設備自動化程度比較高，大大減輕了工人的工作強度。

(4)井架垂直起升安全可靠，并節省占地空間。

(5)電機自帶加熱功能，可靠實用，解決了在寒冷地區不易啟動的問題。

(6)鉆機主要執行部件采用交流變頻電機作為動力，可更好地實現鉆探工程的低碳節能與環保。

5.2 各系統性能

5.2.1 提升系統

提升系統采用主絞車加游動滑車方式，提升能力大，便于處理孔內事故，空鉤運行速度大，節省提下鉆時間，提高鉆探效率，實現負載懸停，簡化操作，提高處理事故能力[7-9]。

根據設計書要求，提升系統提升力800 kN，主絞車單繩最大速度3 m/s。在一開下套管時提升力最大達到900 kN，大鉤空載運行時單繩最大速度達到8 m/s,已經超過設計要求。

勘探所自主研發的主絞車采用變頻電機驅動，采用交流變頻控制技術，實現智能化控制，如圖8、圖9所示。配備小功率送鉆電機，閉環控制實現鉆壓、鉆速在設定范圍內穩定可調，送鉆平穩精確。配有2處過卷閥防碰、1處游車防碰，有效防止誤操作導致的安全事故。液壓盤剎制動，滿足自動緊急制動[10]。主絞車電加熱功能配合潤滑系統，保證在寒冷環境下，絞車能夠正常工作。

圖8 主絞車及潤滑系統Fig.8 Main winch and lubrication system

圖9 主絞車防碰與天車防碰Fig.9 Anti-collision of main winch and crane

5.2.2 回轉系統

XD-40型鉆機配備轉盤和頂驅兩套回轉系統，根據此次工程鉆進工藝要求，采用轉盤系統進行施工。轉盤系統由變頻電機通過萬向軸連接轉盤，控制部分采用先進的交流變頻調速控制技術，具有無級調速、起動、制動、過載保護等性能，提高了效率、減少了振動、在可靠性方面具有明顯的優越性[11-12]。

根據任務書要求轉盤最高轉速80 r/min，最大扭矩20 kN·m。在工作中用到的轉盤最高轉速為75 r/min，最大扭矩為10.5 kN·m，如圖10所示。

圖10 回轉系統轉速表與轉矩表Fig.10 Rotary system tachometer and torque meter

5.2.3 液壓系統

鉆機液壓系統選用先進的負荷敏感控制系統、恒壓控制系統等，實現了液壓系統的高效運行。通過生產試驗證明液壓系統的控制原理及控制方式適合現場工況，匹配的液壓元器件適宜耐用，系統散熱及溫升正常。

液壓系統能夠順利實現鉆塔升降、盤剎開合、貓頭工作、動力鉗工作等功能。盤剎控制回路工作壓力穩定為7.5 MPa。輔助回路工作壓力穩定為16 MPa，油溫為20 ℃，如圖11所示。

圖11 液壓站及壓力顯示Fig.11 Hydraulic station and pressure display

5.2.4 交流變頻控制系統

XD-40型鉆機采用先進的全數字交流變頻控制技術，使用AC-VFD-AC交流變頻方式驅動鉆機主要執行部件(絞車、頂驅、轉盤等部件)[13-15]，變頻器如圖12所示。控制方式使用帶編碼器高精度速度閉環控制與不帶編碼器的矢量控制，實現了對轉矩、速度、加減速度及位置的控制，能夠滿足鉆井工藝要求。

圖12 變頻器實物圖Fig.12 Physical diagram of frequency converter

控制系統主要技術特點為采用主站、從站分布式布局設計，通過現場總線PROFIBUS-DP協議，連接到人機交互界面和變頻器控制單元。人機交互界面，可實現設備遠程啟停操作，實時設備數據顯示。同時系統采用上位機系統，采集現場設備運行數據，實時顯示運行參數，備份鉆井過程中的鉆井參數、電機參數等。實現了主絞車四象限運行，完美的實現絞車從0速到給定速度的無級調速，優秀的DTC(直接轉矩控制)控制性能滿足絞車在重載下的低速運行及零速懸停。

實現了轉盤低速運行及零速大扭矩停車功能，完備的系統控制防止轉盤在負載扭矩突然增大時發生倒轉。

5.2.5 操控及儀表參數監控系統

系統采用西門子S7-300系統實現邏輯控制，通過PROBUD-DP網絡與司鉆房內HMI、PC柜內工控機、變頻器實現通訊及控制。工控機主要用于裝置參數顯示、數據記錄、故障報警輸出等，如圖13、14所示。

圖13 司鉆房及監控Fig.13 Drilling room and monitoring screen

操控系統配備獨立的司鉆室，對鉆機的各執行機構實現集中控制，方便快捷，工況參數數字化顯示。實現了執行機構控制的精準化、輕便化，實現了電液比例控制、電子控制等多種控制方式整合應用。監測系統高度集成，實現對設備運行及鉆進工況參數進行實時檢測記錄。

5.2.6 數據存儲系統

配套工控機具有數據存儲功能，參數為研華工控機。參數如下：機箱IPC-610MB-25LDE/主板AIMB-701vg/CPU:i3-3220/內存:4 G/硬盤：1 T/DVD/。可將鉆機工作過程中工藝參數、部件運行參數、電機運行參數等存儲起來，并具有實時顯示、后期查看等功能，如圖15、16所示。

5.2.7 鉆機底座及鉆塔

鉆機底座與鉆塔為模塊式，具有較強的靈活性，運輸方便。采用銷軸連接，拆裝方便。根據在中試基地及現場的拆裝經驗，完成鉆機裝配需要6 d，拆卸需要3 d。

底座采用桁架結構。強度、剛度滿足鉆探設備承重及鉆進時穩定性要求，5 m的高度滿足現場井控及鉆井液固控管線要求。

圖14 工控機參數顯示畫面Fig.14 Industrial computer parametric display screen

圖15 數據實時記錄顯示Fig.15 Data real-time recording and display

圖16 數據存儲及查看Fig.16 Data storage and viewing

鉆塔采用液壓垂直起升方式，安全平穩，占地面積小。凈空高度31 m，滿足提19 m立根的要求。

6 問題及完善點

(1)優化鉆機總體布置，主要對底座、VFD房、空壓機等部件位置進一步優化。底座上應標明孔口的尺寸位置，優化底座模塊間安裝順序，以便于安裝。塔梯、護欄應做到形式統一、標號、清晰，以利于安裝。拆裝鉆機注意保護電纜接頭。

(2)主絞車工作時，平臺顫動較大，加裝支撐；保護罩上開窗，便于潤滑；主絞車無排繩器，鋼絲繩晃動明顯，應加裝排繩器。水龍頭盤根密封效果差，更換為加布盤根；水龍頭潤滑箱無標尺，無法確定潤滑油位置，不利于保養。高壓立管在塔架上的固定位置與設計有出入，影響立管管路的布置。立管壓力管路天冷凍住，影響數據顯示，加裝加熱裝置。起塔系統的斜撐位置造成鉆臺人員走動不便。液壓油箱無液位報警裝置，不利于液壓系統的保護。

(3)VFD房配電室應加裝應急電源開關與發電機接口，在停電時可做出應急操作；VFD房外制動電阻風扇功率偏小，導致散熱不及時，加裝大功率風扇。電控系統增加盤剎與絞車運行邏輯控制程序，防止剎車時運行絞車。

7 結論與建議

XD-40型巖心鉆機在野外生產示范試驗中，展示了它的全面性能，具有較高的機械化、自動化水平，配有高精度儀表及鉆參系統，滿足金剛石繩索取心、沖擊回轉、定向鉆進等深孔地質鉆探工藝要求，在以后的深部礦產資源勘查中能夠發揮更大作用。

該鉆機為多功能鉆探裝備，試制成功后，既可用于深孔巖心鉆進，也可用于我國地熱資源調查、淺部石油勘探，以及新興能源如煤層氣、頁巖氣、干熱巖等的勘探。既可以打叢式井，又可以鉆進定向孔，有非常大的潛在市場，技術成果應用轉化的前景良好，成果應用時間長，可得到持久的預期經濟和社會效益。