XD-10DK型小口徑電動頂驅(qū)鉆機的研制與應用

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)工程機械有限公司，河北 邢臺 055150；2.核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

核工業(yè)二一六大隊長期在新疆地區(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。目前自動化程度較高的全液壓鉆機雖然具有鉆進效率高、勞動強度低、搬遷運輸快等優(yōu)勢，但是由于動力頭升降速度慢，且井架上沒有二層臺，起下鉆效率很低，無法適應需要頻繁起下鉆的提鉆取心作業(yè)。因此，核工業(yè)二一六大隊目前主要的鉆探設備仍然是以XY-5型和XY-6型為主的立軸式巖心鉆機［2-4］（見圖1），面臨著勘探設備落后，勞動強度大、安全隱患多、鉆效提升困難等難題［5-6］。大部分地勘隊伍都存在同樣的問題。XY系列鉆機主要具有以下缺點：

圖1 XY-5型鉆機進行鈾礦施工Fig.1 XY-5 drill at work for uranium exploration

（1）XY系列鉆機使用主動鉆桿鉆進，鉆進過程中還需要頻繁倒桿，液壓系統(tǒng)和機械傳動結(jié)構復雜，造成設備故障停機率高等問題都嚴重影響鉆探效率的進一步提升［2，7-10］。

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

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

1 XD-10DK型鉆機的設計理念

（1）摒棄方鉆桿，采用頂部驅(qū)動鉆進工藝，取消導桿動作，在非取心地層可以采用立根鉆進，提高鉆進效率［11］。

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

（3）采用負載雙通道設計方案，起下鉆時，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)鉆機起下鉆高效的特點。

（4）泥漿泵、絞車和頂驅(qū)采用最先進的稀土永磁電動直驅(qū)技術，簡化傳動鏈，提高傳動效率，降低設備故障停機率［12-13］。

（5）配套工程機械標準司鉆房，改善司鉆的工作環(huán)境。

（6）整機分為鉆臺和主機2個模塊，單獨模塊外形尺寸和質(zhì)量滿足公路運輸要求，提高搬遷效率。

（7）井架采用帶二層臺的高井架，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）配套專用機械手，配合控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動化接單根動作，降低工人勞動強度。

（9）底座結(jié)構采用前高后低階梯結(jié)構，前臺井口高1.9 m，方便安裝泥漿導管，后臺高度1.5 m，方便井口工人不彎腰擰卸鉆具，降低工人勞動強度。

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

（11）配套數(shù)字化檢測技術，實現(xiàn)對孔深、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)實時監(jiān)控和存儲。實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)，包括關鍵部位軸承溫度、動力頭舉升壓力、直驅(qū)絞車液壓盤剎制動狀態(tài)、提鉆時游車拉力等［14-16］。

（12）電控系統(tǒng)設置完善的保護功能，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型鉆機的基本技術參數(shù)

XD-10DK型鉆機的技術參數(shù)見表1。

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

3 XD-10DK型鉆機的結(jié)構設計與功能特點

3.1 鉆機整體結(jié)構布局

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)動力頭、液壓動力鉗與井架固定在一起，組成鉆機主機模塊。鉆臺上設有司鉆房升降平臺，升降平臺配套獨立液壓油泵，鉆臺和司鉆房組成鉆臺模塊，見圖2、圖3。

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

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

主機模塊與鉆臺模塊之間使用帶導向和定位結(jié)構的銷軸與耳板連接，兩者之間僅有司鉆房動力、通信和升降平臺動力3根電纜，提高搬遷效率，同時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、二層臺等附件，見圖4。

圖4 XD-10DK型鉆機井架Fig.4 Mast of XD-10DK drill

天車由天車架、主滑輪組、導向滑輪組、欄桿總成等組成，滑輪數(shù)量3個，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，井架起落、上下段伸縮與鎖緊均由液壓油缸驅(qū)動，井架外側(cè)設有爬梯，方便工人上下天車與二層臺。

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

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

3.3 鉆臺

鉆臺由立根臺、升降平臺、動力鉗支架、坡道、斜梯和欄桿等組成，見圖5。

圖5 XD-10DK型鉆機鉆臺模塊Fig.5 Floor module of XD-10DK drill

鉆臺采用前高后低階梯結(jié)構，立根臺高度1.5 m，井口增加0.4 m高動力鉗支座，保證泥漿回流高度的同時，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)。

司鉆房升降平臺可以將鉆臺模塊運輸高度控制在2.5 m以內(nèi)，鉆臺前方和司鉆房門口各設一套帶護欄斜梯，方便井口工人和司鉆上下鉆臺。除井口正前方設坡道以外，在鉆桿處理裝置前方另設一套坡道，用于接單根時上提鉆具。鉆臺四周欄桿采用折疊式結(jié)構，無須拆卸，進一步提升搬家效率。

鉆臺面鉆桿處理裝置活動區(qū)域噴涂危險警示標識，并設立護欄，避免機械手夾傷工人。

3.4 動力頭

動力頭總成由動力頭、導向裝置、擺動裝置、鎖緊裝置和緩沖裝置等組成，見圖6。

圖6 XD-10DK型鉆機動力頭總成Fig.6 Power head assembly of XD-10DK drill

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

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

動力頭主軸承選用TIMKEN品牌T451軸承，主電機采用水冷散熱，多套溫度傳感器實時監(jiān)測定子線圈和各軸承的運行溫度，保證動力頭長期、穩(wěn)定、可靠運行。

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

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

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

3.5 絞車［3，17］

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

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

兩臺直驅(qū)電機采用水冷散熱，布置在卷筒軸兩側(cè)，直接驅(qū)動卷筒軸旋轉(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)測兩臺直驅(qū)電機和卷筒軸的角位移和角速度。

直驅(qū)電機內(nèi)部設有溫度傳感器監(jiān)測定子線圈運行溫度，保證直驅(qū)電機穩(wěn)定運行。

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能耗制動。

卷筒上配套過卷防碰裝置，與液壓盤式剎車聯(lián)動可以實現(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

機械手由上下擺臂、轉(zhuǎn)軸、擺臂油缸等組成，上擺臂設有用于夾持鉆具的手指總成，手指總成由液壓油缸驅(qū)動實現(xiàn)夾緊和松開動作。下擺臂設有扶正鉆具的護筒，上、下擺臂在液壓油缸的驅(qū)動下圍繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)將鉆具從等待位送到井口。

機械手只有等待位和井口兩個位置，上、下擺臂設有可調(diào)節(jié)機械限位機構，結(jié)構簡單、實用、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械手內(nèi)。

提引器由下部的鉤體和上部的護筒組成，這種上“籠”、下“托”結(jié)構，便于工人站在鉆臺面摘掛提引器，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，吸、回油濾油器，加熱器等附件；左側(cè)下層布置有風冷卻器、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械手擺動油缸、動力頭擺動油缸、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、減壓鉆進控制精度，提高動作平穩(wěn)性。

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

3.8 電氣控制系統(tǒng)［13-15］

鉆機驅(qū)動系統(tǒng)采用AC-DC-AC方案，4臺ABB ACS880系列變頻器分別驅(qū)動兩臺絞車電機、一臺泥漿泵電機和一臺動力頭電機。

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

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

采集絞車電機和滾筒運轉(zhuǎn)信號，自動計算出游車的位置和速度，在觸摸屏中設定游車的上、下停車點及上、下減速點，實現(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送鉆模式。具有電機過流、過壓、過載保護等完善的保護功能和失風、電機故障、變頻器故障、變壓器超溫等完善的報警功能。

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

3.9 司鉆房

司鉆房借用標準工程機械駕駛室，結(jié)構緊湊，外形美觀。室內(nèi)配專用司鉆座椅，司鉆控制臺布置在座椅兩側(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網(wǎng)，室內(nèi)配一臺格力1.5P空調(diào)，改善司鉆的工作環(huán)境。

絞車控制采用進口非線性手柄，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，方便司鉆實時監(jiān)控鉆機的運行狀態(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音器和報警器。

3.10 動力鉗

與常規(guī)的液壓擰管機相比，該動力鉗結(jié)構優(yōu)勢明顯，見圖9。

圖9 XD-10DK型鉆機動力鉗Fig.9 Hydraulic power tong of XD-10DK drill

（1）采用液壓馬達驅(qū)動，簡化卸扣操作流程，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扣造成接頭螺紋異常磨損。

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

4 XD-10DK型鉆機試用與優(yōu)化過程

4.1 第一次試用情況

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

圖10 XD-10DK型鉆機在新疆進行現(xiàn)場試驗Fig.10 Field test of XD-10DK drill in Xinjiang

4.1.1 技術優(yōu)勢

第一個鉆孔試驗結(jié)束之后，召開了現(xiàn)場試驗交流會。對新鉆機在試驗過程中體現(xiàn)的技術優(yōu)勢做出肯定：

（1）鉆機主絞車、泥漿泵、動力頭全部采用直驅(qū)結(jié)構，結(jié)構簡單，性能可靠。

（2）司鉆房內(nèi)鉆井儀表和顯示屏可以實時顯示鉆壓、立管壓力、快繩拉力、動力頭扭矩、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)動鉆進，不用主動鉆桿，也不需要導桿，純鉆效率明顯高于常規(guī)機械鉆機。

（4）動力頭設有緩沖裝置，運行更平穩(wěn)，擰卸扣過程絞車控制更簡單。

（5）鉆具處理機械手結(jié)構簡單、可靠，使用方便，降低工人勞動強度的同時，有助于提高純鉆效率。

（6）鉆臺面高低階梯結(jié)構，便于井口工人不彎腰操控動力鉗擰卸扣，司鉆房配冷暖雙制式空調(diào)，降低工人勞動強度，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）絞車無級變速與能耗制動功能，確保起下鉆過程高效、平穩(wěn)、安全可控。

（9）鉆機過卷防碰、游車數(shù)顯防碰、動力頭扭矩限幅、絞車拉力和速度限幅等保護功能可以保障鉆井作業(yè)安全、運行穩(wěn)定。

4.1.2 存在的問題

新鉆機在試驗過程中也暴露出一些問題，例如：

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

（2）新鉆機與同一區(qū)塊另一臺XY-5型鉆機相比，施工效率偏低，沒有達到設計開發(fā)初期鉆進效率至少提高10%的目標。

4.1.3 影響施工效率的因素

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

（1）XY-5型鉆機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，而新鉆機在整個鉆孔施工過程中始終使用雙輪滑車作業(yè)。

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

表2 起下鉆效率對比Table 2 Comparison of tripping efficiency

（3）新款動力鉗轉(zhuǎn)速慢，與傳統(tǒng)擰管機相比，擰扣時間增加1倍。

4.2 優(yōu)化改進情況

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

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

（2）充分發(fā)揮頂部驅(qū)動鉆機結(jié)構優(yōu)勢，設計制造8 m加強型巖心管，替代當前使用的6 m巖心管，減少取心干擰和起下鉆次數(shù)。

（3）設計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等待時間，提高起鉆效率。

在 優(yōu) 化 改 進 期 間，2022年5月6日—6月4日 順利完成第二個鉆孔，并在6月8日開鉆第三個鉆孔（ZKC1-4）。6月11日優(yōu)化后的動力鉗正式投入使用，6月21日8 m加強型巖心管投入使用。隨著工人操控新鉆機日趨熟練，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，第三個鉆孔依然只用480 h就完成了675 m鉆孔深度，與第一個鉆孔相比鉆進效率提高20%。7月2日（用時600 h）鉆孔深度達到770 m，與同區(qū)塊XY-5型鉆機同時期施工的ZKC4-3和ZKC4-5兩個鉆孔相比，鉆進效率分別提升11%和19%。最終在7月21日順利完成第三個鉆孔，終孔深度達到975.24 m。不同鉆機鉆效數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比見表3。

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

通過3個鉆孔試驗，新鉆機在作業(yè)安全、降低勞動強度、改善工作環(huán)境、提高自動化程度等方面都展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。在提高鉆進效率方面也基本達到設計開發(fā)的預期目標。隨著工人操控熟練程度的進一步提升，以及放泥漿閥的順利應用，新型鉆機與傳統(tǒng)XY-5、XY-6型鉆機相比，鉆進效率提高20%以上的目標也必將成為現(xiàn)實。

5 結(jié)語

XD-10DK型鉆機的現(xiàn)場試驗已經(jīng)完成，性能指標與功能達到了當初的預期目標，目前正在利用這臺鉆機積極開展繩索取心工藝驗證，也在繼續(xù)鉆機改進方案，首先解決鉆機主機模塊質(zhì)量大和滑車下鉆時碰動力頭導向架問題，還要結(jié)合繩索取心試驗效果，增加電驅(qū)動繩索絞車及其配套電氣控制系統(tǒng)，把XD-10DK型鉆機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。