XD-10DK型小口徑電動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)的研制與應(yīng)用

胡向陽，李 東，張篤昌，蔡順山，陳占榮，左立朝，張金龍，張曉璞

（1.河北永明地質(zhì)工程機(jī)械有限公司，河北 邢臺(tái) 055150；2.核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

核工業(yè)二一六大隊(duì)長期在新疆地區(qū)從事鈾礦勘探孔施工，鉆孔深度多在1000 m以淺，受地層因素限制，施工工藝以提鉆取心為主［1］，并且需要全孔取心。目前自動(dòng)化程度較高的全液壓鉆機(jī)雖然具有鉆進(jìn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、搬遷運(yùn)輸快等優(yōu)勢(shì)，但是由于動(dòng)力頭升降速度慢，且井架上沒有二層臺(tái)，起下鉆效率很低，無法適應(yīng)需要頻繁起下鉆的提鉆取心作業(yè)。因此，核工業(yè)二一六大隊(duì)目前主要的鉆探設(shè)備仍然是以XY-5型和XY-6型為主的立軸式巖心鉆機(jī)［2-4］（見圖1），面臨著勘探設(shè)備落后，勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全隱患多、鉆效提升困難等難題［5-6］。大部分地勘隊(duì)伍都存在同樣的問題。XY系列鉆機(jī)主要具有以下缺點(diǎn)：

圖1 XY-5型鉆機(jī)進(jìn)行鈾礦施工Fig.1 XY-5 drill at work for uranium exploration

（1）XY系列鉆機(jī)使用主動(dòng)鉆桿鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中還需要頻繁倒桿，液壓系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成設(shè)備故障停機(jī)率高等問題都嚴(yán)重影響鉆探效率的進(jìn)一步提升［2，7-10］。

（2）XY系列鉆機(jī)自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣等問題越來越難以被當(dāng)今時(shí)代的年輕人所接受，這是造成眾多地勘隊(duì)伍人才斷檔的主要因素。

核工業(yè)二一六大隊(duì)和河北永明地質(zhì)工程機(jī)械有限公司積極開展多輪交流，于2020年底達(dá)成統(tǒng)一意見，聯(lián)合研制一款鉆深1000 m的小口徑電動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)——XD-10DK型鉆機(jī)，用以替代當(dāng)前使用的XY-5型和XY-6型鉆機(jī)，助力新疆地區(qū)鈾礦勘探乃至全國的巖心鉆機(jī)更新?lián)Q代。

1 XD-10DK型鉆機(jī)的設(shè)計(jì)理念

（1）摒棄方鉆桿，采用頂部驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)工藝，取消導(dǎo)桿動(dòng)作，在非取心地層可以采用立根鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)效率［11］。

（2）頂驅(qū)上、下滑動(dòng)由液壓油缸驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)加、減壓鉆進(jìn)，鉆壓控制精確。

（3）采用負(fù)載雙通道設(shè)計(jì)方案，起下鉆時(shí)，頂驅(qū)可以讓開井口，使用絞車配合游車起下鉆，保留傳統(tǒng)鉆機(jī)起下鉆高效的特點(diǎn)。

（4）泥漿泵、絞車和頂驅(qū)采用最先進(jìn)的稀土永磁電動(dòng)直驅(qū)技術(shù)，簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)效率，降低設(shè)備故障停機(jī)率［12-13］。

（5）配套工程機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)司鉆房，改善司鉆的工作環(huán)境。

（6）整機(jī)分為鉆臺(tái)和主機(jī)2個(gè)模塊，單獨(dú)模塊外形尺寸和質(zhì)量滿足公路運(yùn)輸要求，提高搬遷效率。

（7）井架采用帶二層臺(tái)的高井架，有效高度18 m，可以一次起下14.1 m立根，保證起下鉆效率。

（8）配套專用機(jī)械手，配合控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化接單根動(dòng)作，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（9）底座結(jié)構(gòu)采用前高后低階梯結(jié)構(gòu)，前臺(tái)井口高1.9 m，方便安裝泥漿導(dǎo)管，后臺(tái)高度1.5 m，方便井口工人不彎腰擰卸鉆具，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（10）采用集中司鉆控制方式，鉆機(jī)液壓、電控、視頻監(jiān)控及鉆井儀表集中安裝在司鉆房?jī)?nèi)。

（11）配套數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔深、鉆頭位置、鉤載、鉆壓、游車高度、泵壓、泵量、轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和存儲(chǔ)。實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括關(guān)鍵部位軸承溫度、動(dòng)力頭舉升壓力、直驅(qū)絞車液壓盤剎制動(dòng)狀態(tài)、提鉆時(shí)游車?yán)Φ龋?4-16］。

（12）電控系統(tǒng)設(shè)置完善的保護(hù)功能，包括游車防上碰下砸、絞車手柄速度限幅、拉力限幅、反扭矩低速釋放、電機(jī)過載、失速等，避免人為操作失誤造成鉆井事故，提高施工安全性［14-16］。

2 XD-10DK型鉆機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)

XD-10DK型鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 XD-10DK型鉆機(jī)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of XD-10DK drill

3 XD-10DK型鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能特點(diǎn)

3.1 鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)布局

兩節(jié)伸縮式套裝井架、直驅(qū)絞車、直驅(qū)泥漿泵、液壓冷卻綜合站、電控柜統(tǒng)一布置在一整體橇裝底座上，直驅(qū)動(dòng)力頭、液壓動(dòng)力鉗與井架固定在一起，組成鉆機(jī)主機(jī)模塊。鉆臺(tái)上設(shè)有司鉆房升降平臺(tái)，升降平臺(tái)配套獨(dú)立液壓油泵，鉆臺(tái)和司鉆房組成鉆臺(tái)模塊，見圖2、圖3。

圖2 XD-10DK型鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)布局Fig.2 Overall structural layout of XD-10DK drill

圖3 搬遷中的XD-10DK型鉆機(jī)Fig.3 XD-10DK drill in movement

主機(jī)模塊與鉆臺(tái)模塊之間使用帶導(dǎo)向和定位結(jié)構(gòu)的銷軸與耳板連接，兩者之間僅有司鉆房動(dòng)力、通信和升降平臺(tái)動(dòng)力3根電纜，提高搬遷效率，同時(shí)還可以避免由于管線頻繁拆卸引起的故障，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 井架

井架有效高度18 m，二層臺(tái)高度13 m，滿足14.1 m立根快速起下鉆需求。

井架包括天車、井架主體、升降裝置、二層臺(tái)等附件，見圖4。

圖4 XD-10DK型鉆機(jī)井架Fig.4 Mast of XD-10DK drill

天車由天車架、主滑輪組、導(dǎo)向滑輪組、欄桿總成等組成，滑輪數(shù)量3個(gè)，配套避雷針和航空警示燈。

井架主體采用兩節(jié)伸縮式套裝結(jié)構(gòu)，井架起落、上下段伸縮與鎖緊均由液壓油缸驅(qū)動(dòng)，井架外側(cè)設(shè)有爬梯，方便工人上下天車與二層臺(tái)。

升降裝置由本體、滑輪組、鋼絲繩等組成，配合液壓油缸實(shí)現(xiàn)井架伸縮功能。

動(dòng)力頭與升降裝置固聯(lián)，使用液壓油缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭升降，實(shí)現(xiàn)加、減壓功能，通過檢測(cè)液壓油缸工作壓力，可以得到準(zhǔn)確的鉆壓數(shù)據(jù)，相比機(jī)械鉆機(jī)通過死繩拉力換算得到的鉆壓精確度更高。

3.3 鉆臺(tái)

鉆臺(tái)由立根臺(tái)、升降平臺(tái)、動(dòng)力鉗支架、坡道、斜梯和欄桿等組成，見圖5。

圖5 XD-10DK型鉆機(jī)鉆臺(tái)模塊Fig.5 Floor module of XD-10DK drill

鉆臺(tái)采用前高后低階梯結(jié)構(gòu)，立根臺(tái)高度1.5 m，井口增加0.4 m高動(dòng)力鉗支座，保證泥漿回流高度的同時(shí)，還便于井口工人取放墊叉，不用彎腰就能輕松完成擰卸扣作業(yè)。

司鉆房升降平臺(tái)可以將鉆臺(tái)模塊運(yùn)輸高度控制在2.5 m以內(nèi)，鉆臺(tái)前方和司鉆房門口各設(shè)一套帶護(hù)欄斜梯，方便井口工人和司鉆上下鉆臺(tái)。除井口正前方設(shè)坡道以外，在鉆桿處理裝置前方另設(shè)一套坡道，用于接單根時(shí)上提鉆具。鉆臺(tái)四周欄桿采用折疊式結(jié)構(gòu)，無須拆卸，進(jìn)一步提升搬家效率。

鉆臺(tái)面鉆桿處理裝置活動(dòng)區(qū)域噴涂危險(xiǎn)警示標(biāo)識(shí)，并設(shè)立護(hù)欄，避免機(jī)械手夾傷工人。

3.4 動(dòng)力頭

動(dòng)力頭總成由動(dòng)力頭、導(dǎo)向裝置、擺動(dòng)裝置、鎖緊裝置和緩沖裝置等組成，見圖6。

圖6 XD-10DK型鉆機(jī)動(dòng)力頭總成Fig.6 Power head assembly of XD-10DK drill

導(dǎo)向裝置用于固定動(dòng)力頭，兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)向滑輪，與設(shè)在井架下段上的滑軌配合，兩者共同組成動(dòng)力頭導(dǎo)向裝置。擺動(dòng)裝置由液壓油缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的移位，方便起下鉆時(shí)動(dòng)力頭讓開井口。動(dòng)力頭正常作業(yè)時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，其穩(wěn)定性由鎖緊裝置保證。

動(dòng)力頭采用無齒輪傳動(dòng)的稀土永磁電機(jī)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，電機(jī)定子鑲嵌在動(dòng)力頭外殼內(nèi)部，轉(zhuǎn)子使用脹緊套與動(dòng)力頭主軸固聯(lián)。

動(dòng)力頭主軸承選用TIMKEN品牌T451軸承，主電機(jī)采用水冷散熱，多套溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定子線圈和各軸承的運(yùn)行溫度，保證動(dòng)力頭長期、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

動(dòng)力頭主軸下部設(shè)有磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸的角速度與角位移，該變壓器采用無接觸結(jié)構(gòu)，質(zhì)量可靠，其安裝位置位于動(dòng)力頭下端蓋外側(cè)，方便更換。

動(dòng)力頭沖管總成上方鵝頸管處設(shè)有投球裝置，儲(chǔ)球筒內(nèi)可以預(yù)存5顆鋼球，不需要工人爬高，也不需要斷開動(dòng)力頭和井中鉆柱連接，由司鉆直接操控即可完成投球動(dòng)作。

動(dòng)力頭主軸下方設(shè)有緩沖裝置，鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)可以隔絕井底鉆柱產(chǎn)生的震動(dòng)，還方便進(jìn)行擰卸扣作業(yè)，避免司鉆誤操作損傷鉆具和保護(hù)接頭螺紋。

3.5 絞車［3，17］

絞車采用無變速機(jī)構(gòu)的變頻電機(jī)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，由直驅(qū)電機(jī)、卷筒軸總成、液壓盤剎、過卷防碰裝置、底座、護(hù)罩、編碼器等組成，見圖7。

圖7 XD-10DK型鉆機(jī)直驅(qū)絞車Fig.7 Direct drive winch of XD-10DK drill

兩臺(tái)直驅(qū)電機(jī)采用水冷散熱，布置在卷筒軸兩側(cè)，直接驅(qū)動(dòng)卷筒軸旋轉(zhuǎn)。

卷筒表面加工Lebus折線繩槽，改善排繩效果，延長鋼絲繩使用壽命。

卷筒軸兩端配套三組旋轉(zhuǎn)編碼器分別用于監(jiān)測(cè)兩臺(tái)直驅(qū)電機(jī)和卷筒軸的角位移和角速度。

直驅(qū)電機(jī)內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器監(jiān)測(cè)定子線圈運(yùn)行溫度，保證直驅(qū)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

卷筒主剎車采用液壓盤式剎車，輔助剎車采用無磨損的電機(jī)能耗制動(dòng)。

卷筒上配套過卷防碰裝置，與液壓盤式剎車聯(lián)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)防止游車碰天車的功能。

3.6 鉆桿處理裝置

鉆桿處理裝置由機(jī)械手、提引器、懸臂吊、液壓工具絞車和鋼絲繩等組成，見圖8。

圖8 鉆桿處理裝置作業(yè)Fig.8 Operation of the drill pipe handling unit

機(jī)械手由上下擺臂、轉(zhuǎn)軸、擺臂油缸等組成，上擺臂設(shè)有用于夾持鉆具的手指總成，手指總成由液壓油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作。下擺臂設(shè)有扶正鉆具的護(hù)筒，上、下擺臂在液壓油缸的驅(qū)動(dòng)下圍繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)將鉆具從等待位送到井口。

機(jī)械手只有等待位和井口兩個(gè)位置，上、下擺臂設(shè)有可調(diào)節(jié)機(jī)械限位機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、操控方便。

液壓工具絞車和懸臂吊固定在井架下段上，兩者配合鋼絲繩和提引器，由井口工人遙控，將地面鉆桿庫里的鉆具送到處于等待位的機(jī)械手內(nèi)。

提引器由下部的鉤體和上部的護(hù)筒組成，這種上“籠”、下“托”結(jié)構(gòu)，便于工人站在鉆臺(tái)面摘掛提引器，無需爬高，降低安全事故發(fā)生幾率。

3.7 液壓冷卻綜合站

液壓冷卻綜合站分為左右兩部分、上下兩層。左側(cè)上層為油箱，其上安裝液位計(jì)，吸、回油濾油器，加熱器等附件；左側(cè)下層布置有風(fēng)冷卻器、主油泵、副油泵、伺服泵、集成閥組、蓄能器組等附件。右側(cè)上層為水箱，右側(cè)下層布置有雙冷卻水泵、散熱器、高低壓管匯、壓力表等附件。

額定壓力5 MPa、流量180 L/min液壓主油泵可不間斷為機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)油缸、動(dòng)力頭擺動(dòng)油缸、鎖緊油缸等低壓執(zhí)行元件供油。額定壓力18 MPa、流量23 L/min副油泵為動(dòng)力鉗等高壓執(zhí)行元件供油。伺服泵組配合比例換向閥可保證加、減壓鉆進(jìn)控制精度，提高動(dòng)作平穩(wěn)性。

雙冷卻水泵（一用一備）為動(dòng)力頭、泥漿泵和絞車電機(jī)散熱提供冷卻液，保證各電機(jī)低耗、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.8 電氣控制系統(tǒng)［13-15］

鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用AC-DC-AC方案，4臺(tái)ABB ACS880系列變頻器分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)絞車電機(jī)、一臺(tái)泥漿泵電機(jī)和一臺(tái)動(dòng)力頭電機(jī)。

電控系統(tǒng)采用西門子S7系列PLC以及PROFINET總線技術(shù)。PLC與變頻器、司鉆操控臺(tái)等系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)備通過PROFINET連成現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)。

絞車快繩速度采用矢量控制方案，可以實(shí)現(xiàn)零速懸停功能；動(dòng)力頭可以實(shí)現(xiàn)額定扭矩堵轉(zhuǎn)功能；泥漿泵可以實(shí)現(xiàn)零排量保壓功能。

采集絞車電機(jī)和滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，自動(dòng)計(jì)算出游車的位置和速度，在觸摸屏中設(shè)定游車的上、下停車點(diǎn)及上、下減速點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)游車高度智能控制功能。

電氣控制系統(tǒng)具有恒壓和恒速兩種自動(dòng)送鉆模式。具有電機(jī)過流、過壓、過載保護(hù)等完善的保護(hù)功能和失風(fēng)、電機(jī)故障、變頻器故障、變壓器超溫等完善的報(bào)警功能。

電氣控制系統(tǒng)采用PLC+硬線冗余方案，當(dāng)某一設(shè)備或PLC的某一模塊出現(xiàn)問題時(shí)，可以通過旁路開關(guān)啟用硬線，繞開PLC直接控制設(shè)備，便于維修、查找故障原因。

3.9 司鉆房

司鉆房借用標(biāo)準(zhǔn)工程機(jī)械駕駛室，結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀。室內(nèi)配專用司鉆座椅，司鉆控制臺(tái)布置在座椅兩側(cè)扶手上。房體四周及頂部安裝5塊防彈玻璃，正面及頂部可以打開并配有防護(hù)網(wǎng)，室內(nèi)配一臺(tái)格力1.5P空調(diào)，改善司鉆的工作環(huán)境。

絞車控制采用進(jìn)口非線性手柄，布置在司鉆右手側(cè)。非線性手柄更加便于在低速狀態(tài)下精確控制游車速度。

司鉆右前方自上而下依次布置監(jiān)控顯示器、西門子觸摸屏、快繩拉力表、立管壓力表和鉆壓表，方便司鉆實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

為了方便司鉆與其他員工的交流，司鉆房外安裝了喊話擴(kuò)音器和報(bào)警器。

3.10 動(dòng)力鉗

與常規(guī)的液壓擰管機(jī)相比，該動(dòng)力鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，見圖9。

圖9 XD-10DK型鉆機(jī)動(dòng)力鉗Fig.9 Hydraulic power tong of XD-10DK drill

（1）采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化卸扣操作流程，提高卸扣效率。

（2）精確控制上扣扭矩，避免鉆具上扣扭矩不足二次進(jìn)扣造成接頭螺紋異常磨損。

（3）改善密封結(jié)構(gòu)，解決動(dòng)力鉗進(jìn)漿問題，降低動(dòng)力鉗故障率，提高工作可靠性。

4 XD-10DK型鉆機(jī)試用與優(yōu)化過程

4.1 第一次試用情況

2022年4月8日，XD-10DK型 鉆 機(jī) 現(xiàn) 場(chǎng) 試 驗(yàn) 在準(zhǔn)噶爾盆地車排子地區(qū)正式開鉆。2022年5月3日第一個(gè)鉆孔順利終孔（見圖10），終孔深度675.06 m，累計(jì)用時(shí)600 h。

圖10 XD-10DK型鉆機(jī)在新疆進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.10 Field test of XD-10DK drill in Xinjiang

4.1.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

第一個(gè)鉆孔試驗(yàn)結(jié)束之后，召開了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)交流會(huì)。對(duì)新鉆機(jī)在試驗(yàn)過程中體現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)做出肯定：

（1）鉆機(jī)主絞車、泥漿泵、動(dòng)力頭全部采用直驅(qū)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。

（2）司鉆房?jī)?nèi)鉆井儀表和顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示鉆壓、立管壓力、快繩拉力、動(dòng)力頭扭矩、轉(zhuǎn)速、泵量等鉆井參數(shù)，可以降低孔內(nèi)事故發(fā)生率。

（3）頂部驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)，不用主動(dòng)鉆桿，也不需要導(dǎo)桿，純鉆效率明顯高于常規(guī)機(jī)械鉆機(jī)。

（4）動(dòng)力頭設(shè)有緩沖裝置，運(yùn)行更平穩(wěn)，擰卸扣過程絞車控制更簡(jiǎn)單。

（5）鉆具處理機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，使用方便，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，有助于提高純鉆效率。

（6）鉆臺(tái)面高低階梯結(jié)構(gòu)，便于井口工人不彎腰操控動(dòng)力鉗擰卸扣，司鉆房配冷暖雙制式空調(diào)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境。

（7）絞車卷筒Lebus折線繩槽使用效果極佳，可以有效延長鉆井鋼絲繩壽命2倍以上。

（8）絞車無級(jí)變速與能耗制動(dòng)功能，確保起下鉆過程高效、平穩(wěn)、安全可控。

（9）鉆機(jī)過卷防碰、游車數(shù)顯防碰、動(dòng)力頭扭矩限幅、絞車?yán)退俣认薹缺Ｗo(hù)功能可以保障鉆井作業(yè)安全、運(yùn)行穩(wěn)定。

4.1.2 存在的問題

新鉆機(jī)在試驗(yàn)過程中也暴露出一些問題，例如：

（1）鉆機(jī)主機(jī)模塊加滿冷卻液、潤滑油和液壓油之后毛重接近30 t，常規(guī)鉆機(jī)搬家使用的25T吊車已經(jīng)無法滿足新鉆機(jī)的搬遷需求，需要選用100T吊車，增加了吊車租賃費(fèi)用，同時(shí)由于施工區(qū)域多為地基松軟的農(nóng)田或戈壁灘，100T重型吊車作業(yè)時(shí)移動(dòng)速度慢，無法充分發(fā)揮模塊化鉆機(jī)快速搬遷的特點(diǎn)。

（2）新鉆機(jī)與同一區(qū)塊另一臺(tái)XY-5型鉆機(jī)相比，施工效率偏低，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)開發(fā)初期鉆進(jìn)效率至少提高10%的目標(biāo)。

4.1.3 影響施工效率的因素

經(jīng)過對(duì)新鉆機(jī)試用過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響新鉆機(jī)施工效率的主要因素除了員工對(duì)新設(shè)備不熟悉，為了保證作業(yè)安全，刻意控制鉆進(jìn)速度以外，主要有以下因素：

（1）XY-5型鉆機(jī)在前期鉆柱重力不大的前提下，使用單輪滑車作業(yè)，300 m以后才換成雙輪滑車，而新鉆機(jī)在整個(gè)鉆孔施工過程中始終使用雙輪滑車作業(yè)。

（2）新鉆機(jī)采用絞車能耗制動(dòng)送滑車下落這種方式與XY-5型鉆機(jī)“自由落體”下鉆方式相比，單立根下鉆時(shí)間相差3倍（參見表2）。

表2 起下鉆效率對(duì)比Table 2 Comparison of tripping efficiency

（3）新款動(dòng)力鉗轉(zhuǎn)速慢，與傳統(tǒng)擰管機(jī)相比，擰扣時(shí)間增加1倍。

4.2 優(yōu)化改進(jìn)情況

通過深入對(duì)比分析，找到了新鉆機(jī)鉆進(jìn)效率低的原因，但是為了突出新鉆機(jī)施工作業(yè)安全性高的特點(diǎn)，沒有從降低滑車滑輪數(shù)量和調(diào)整下鉆方式這兩個(gè)方面提高效率，而是制定了以下優(yōu)化解決方案：

（1）在保證動(dòng)力鉗擰卸扣扭矩的前提下，調(diào)整液壓馬達(dá)型號(hào)，提高動(dòng)力鉗額定轉(zhuǎn)速。

（2）充分發(fā)揮頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)制造8 m加強(qiáng)型巖心管，替代當(dāng)前使用的6 m巖心管，減少取心干擰和起下鉆次數(shù)。

（3）設(shè)計(jì)干鉆取心法專用放泥漿閥，既解決了起鉆過程泥漿噴漿問題，又可以節(jié)省放泥漿24 s等待時(shí)間，提高起鉆效率。

在 優(yōu) 化 改 進(jìn) 期 間，2022年5月6日—6月4日 順利完成第二個(gè)鉆孔，并在6月8日開鉆第三個(gè)鉆孔（ZKC1-4）。6月11日優(yōu)化后的動(dòng)力鉗正式投入使用，6月21日8 m加強(qiáng)型巖心管投入使用。隨著工人操控新鉆機(jī)日趨熟練，即使在開鉆初期出現(xiàn)人員不整，無法滿足三班正常開鉆的情況，第三個(gè)鉆孔依然只用480 h就完成了675 m鉆孔深度，與第一個(gè)鉆孔相比鉆進(jìn)效率提高20%。7月2日（用時(shí)600 h）鉆孔深度達(dá)到770 m，與同區(qū)塊XY-5型鉆機(jī)同時(shí)期施工的ZKC4-3和ZKC4-5兩個(gè)鉆孔相比，鉆進(jìn)效率分別提升11%和19%。最終在7月21日順利完成第三個(gè)鉆孔，終孔深度達(dá)到975.24 m。不同鉆機(jī)鉆效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比見表3。

表3 鉆效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of drilling efficiency

通過3個(gè)鉆孔試驗(yàn)，新鉆機(jī)在作業(yè)安全、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工作環(huán)境、提高自動(dòng)化程度等方面都展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。在提高鉆進(jìn)效率方面也基本達(dá)到設(shè)計(jì)開發(fā)的預(yù)期目標(biāo)。隨著工人操控熟練程度的進(jìn)一步提升，以及放泥漿閥的順利應(yīng)用，新型鉆機(jī)與傳統(tǒng)XY-5、XY-6型鉆機(jī)相比，鉆進(jìn)效率提高20%以上的目標(biāo)也必將成為現(xiàn)實(shí)。

5 結(jié)語

XD-10DK型鉆機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已經(jīng)完成，性能指標(biāo)與功能達(dá)到了當(dāng)初的預(yù)期目標(biāo)，目前正在利用這臺(tái)鉆機(jī)積極開展繩索取心工藝驗(yàn)證，也在繼續(xù)鉆機(jī)改進(jìn)方案，首先解決鉆機(jī)主機(jī)模塊質(zhì)量大和滑車下鉆時(shí)碰動(dòng)力頭導(dǎo)向架問題，還要結(jié)合繩索取心試驗(yàn)效果，增加電驅(qū)動(dòng)繩索絞車及其配套電氣控制系統(tǒng)，把XD-10DK型鉆機(jī)打造成一款既適合提鉆取心工藝，又適合繩索取心工藝的新型巖心鉆機(jī)。