汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目深孔取心鉆探設(shè)備的研制與應(yīng)用

朱江龍，胡時友，黃洪波，劉躍進(jìn)，張 偉

（⒈中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083;2.中國地質(zhì)裝備總公司，北京100102;3.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734;4.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037）

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目深孔取心鉆探設(shè)備的研制與應(yīng)用

朱江龍1，2，胡時友3，黃洪波2，劉躍進(jìn)2，張 偉4

（⒈中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083;2.中國地質(zhì)裝備總公司，北京100102;3.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734;4.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037）

深孔取心鉆探設(shè)備是為滿足汶川地震斷裂帶科學(xué)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(xué)鉆探專用設(shè)備，包括KZ3000型全液壓鉆機(jī)以及深部鉆探配套用高壓泥漿泵和鉆桿鉆具等。該套設(shè)備集全液壓、高速頂驅(qū)、大口徑、深部取心于一身，具有綜合能力強(qiáng)、工藝適應(yīng)性廣、操控智能程度高等特點(diǎn)，在WFSD-2孔深部取心鉆探中，各項功能滿足設(shè)計要求，應(yīng)用情況良好。該套設(shè)備作為我國深部鉆探裝備的階段性創(chuàng)新成果，在科學(xué)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(xué)鉆探;深孔取心;鉆探設(shè)備;高速頂驅(qū);液壓驅(qū)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(xué)鉆探項目（WFSD，以下簡稱“汶川科學(xué)鉆探”），研究地震斷裂和地震機(jī)理，建立我國第二個深孔長期地震觀測站，為未來地震的監(jiān)測、預(yù)報或預(yù)警提供基本數(shù)據(jù)。

WFSD項目共設(shè)17個課題，其中“科學(xué)鉆探與科學(xué)測井”課題的主要任務(wù)是通過5口科學(xué)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(jìn)行科學(xué)實驗和長期監(jiān)測提供通道條件。該課題的順利實施將關(guān)系到整個項目的總體進(jìn)度和眾多科學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

1.2 項目對設(shè)備的要求

汶川科學(xué)鉆探具有以下特點(diǎn):一是地質(zhì)條件復(fù)雜，地層異常破碎且縮徑、涌水嚴(yán)重;二是取心質(zhì)量要求高，全孔取心，取心直徑≥85 mm;三是鉆孔設(shè)計口徑和深度大，WFSD-2孔原設(shè)計深度3000 m，開孔直徑445 mm，終孔直徑150 mm，5級井身結(jié)構(gòu)，采用逐級取心、分段擴(kuò)孔;四是鉆進(jìn)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(zhì)條件、工藝技術(shù)、取心效率以及鉆深能力的要求，相對于常規(guī)固體礦產(chǎn)巖心鉆探，對取心鉆探設(shè)備提出了更高的要求，即具有更強(qiáng)的取心鉆進(jìn)能力、大口徑擴(kuò)孔鉆進(jìn)能力以及復(fù)雜地層孔內(nèi)事故處理能力。

1.3 研制內(nèi)容

在當(dāng)時情況下，無論是鉆機(jī)、鉆桿、鉆具還是配套的泥漿泵，國內(nèi)外沒有任何一款現(xiàn)成產(chǎn)品能滿足汶川科學(xué)鉆探的特殊需求。

鉆機(jī)方面，標(biāo)稱3000 m小口徑取心的HXY-8B型立軸式巖心鉆機(jī)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?zé)徙@機(jī)或淺層油氣鉆機(jī)，無法滿足金剛石繩索取心工藝方法要求;石油鉆機(jī)的低速大扭矩頂驅(qū)無法滿足金剛石取心的高轉(zhuǎn)速要求。

基于上述情況，WFSD工程中心的專家團(tuán)隊經(jīng)過多次論證考察，認(rèn)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(shè)備:

（1）研制一套頂驅(qū)/轉(zhuǎn)盤組合式取心鉆機(jī)，以高轉(zhuǎn)速頂驅(qū)滿足150 mm口徑金剛石取心鉆進(jìn)3000 m需求，用大扭矩轉(zhuǎn)盤滿足多級井身結(jié)構(gòu)的擴(kuò)孔鉆進(jìn)需要，該鉆機(jī)型號定為KZ3000型;

（2）研制一臺可滿足3000 m取心鉆進(jìn)用的配套高壓泥漿泵;

2 設(shè)備研制

2.1 技術(shù)路線

以鉆機(jī)的集成創(chuàng)新為主體，鉆機(jī)要充分吸收HCD-6F型分體塔式全液壓巖心鉆機(jī)、RPS3000型轉(zhuǎn)盤式水文水井鉆機(jī)和德國RB130頂驅(qū)取心鉆進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)優(yōu)勢，以K31鉆塔和高架平臺為載體，配置高速頂驅(qū)和大扭矩轉(zhuǎn)盤，采用全液壓驅(qū)動、電液比例控制和智能化參數(shù)顯示控制，按照模塊化組合設(shè)計方式進(jìn)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(yōu)級配提供配套。

2.2 技術(shù)方案和參數(shù)

2.2.1 鉆機(jī)

功能上，KZ3000型全液壓鉆機(jī)由以下9個系統(tǒng)組成:（1）頂驅(qū)回轉(zhuǎn)系統(tǒng);（2）轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)系統(tǒng);（3）油缸給進(jìn)系統(tǒng);（4）絞車升降系統(tǒng);（5）操作監(jiān)控系統(tǒng);（6）液壓動力機(jī)組;（7）繩索取心絞車;（8）強(qiáng)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(tǒng)（包括2個泥漿灌、振動篩、離心機(jī)、射流混漿器及4臺攪拌機(jī)）、液壓動力機(jī)組和液壓絞車等;上層安裝液壓轉(zhuǎn)盤、獨(dú)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(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 KZ3000型鉆機(jī)布局圖

2.2.2 鉆桿主要參數(shù)

材質(zhì):≥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(fù)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(shù)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(jìn)行WFSD-2和WFSD-4孔取心鉆探設(shè)備的選型調(diào)研，在市場無可用產(chǎn)品的情況下，初步確定由中國地質(zhì)裝備總公司進(jìn)行設(shè)備方案的設(shè)計準(zhǔn)備，作為儲備方案;

表1 KZ3000型全液壓鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 BW280/30型高壓泥漿泵主要技術(shù)參數(shù)

（2）2009年2月至2009年5月中國地質(zhì)裝備總公司會同WFSD工程中心的專家對鉆機(jī)總體設(shè)計方案進(jìn)行研究，確定總體方案，5月5日通過了由業(yè)內(nèi)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(biāo)程序和全部圖紙設(shè)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(xié)件制造、鉆機(jī)組裝和廠內(nèi)調(diào)試;

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

在國內(nèi)外沒有成熟的設(shè)備及技術(shù)可供參考借鑒的情況下，中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所和中國地質(zhì)裝備總公司協(xié)同配合，通過科學(xué)論證、精心組織，在不到一年的時間里，順利完成了設(shè)備的設(shè)計、制造、組裝和調(diào)試工作，保障了汶川科學(xué)鉆探項目的順利推進(jìn)。

2.4 創(chuàng)新成果

借助WFSD項目深孔取心鉆探設(shè)備的研制，中國地質(zhì)裝備總公司、中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所以及業(yè)內(nèi)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(jī)、關(guān)鍵零部件和配套產(chǎn)品等方面取得了一系列創(chuàng)新成果，填補(bǔ)了我國地質(zhì)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(bǔ)充。

KZ3000型全液壓鉆機(jī)充分吸收和借鑒國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新，采用高速頂驅(qū)/大扭矩轉(zhuǎn)盤組合型式，集全液壓、高速頂驅(qū)、大口徑、深部取心于一身，在地質(zhì)勘探鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力、送鉆控制、智能操控和參數(shù)可視化方面取得一定的突破，是我國第一臺自主研發(fā)的智能化程度較高的3000 m全液壓大口徑深孔取心鉆機(jī)。

在關(guān)鍵零部件和配套產(chǎn)品方面，自主研發(fā)了一系列創(chuàng)新產(chǎn)品，并取得5項國家專利。自主研發(fā)了帶有張力測試裝置和自動排繩的4000 m液壓驅(qū)動繩索取心絞車，增減速柔和、張力監(jiān)測準(zhǔn)確、自動排繩可靠，大大提高了繩索取心打撈內(nèi)管的成功率;自主研發(fā)了適用于金剛石繩索取心用的高速頂驅(qū)，可以和無動力送鉆絞車相結(jié)合實現(xiàn)長行程取心、擴(kuò)孔、掃孔、倒劃眼等執(zhí)行動作;自主研發(fā)了可折疊式的頂驅(qū)反扭矩長行程桅桿，可在K塔上進(jìn)行上下、左右、前后調(diào)整，實現(xiàn)不摘頂驅(qū)讓開孔口，進(jìn)行轉(zhuǎn)盤擴(kuò)孔鉆進(jìn);自主研發(fā)了對心式強(qiáng)力拔管裝置，適配各種直徑的取心用鉆桿和擴(kuò)孔用鉆桿，可實時監(jiān)測起拔力;自主研發(fā)了適用于3000 m鉆深要求的高強(qiáng)度自接式整體鉆桿等。

3 應(yīng)用情況

3.1 整體運(yùn)行狀態(tài)

截止目前，WFSD項目深孔取心鉆探設(shè)備已完成汶川科學(xué)鉆探WFSD-2孔的鉆探施工，運(yùn)行區(qū)間為2010年7月10日至2012年4月29日，總體運(yùn)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(cè)鉆繞障施工，孔深1356.00～1468.38 m的套管開窗側(cè)鉆補(bǔ)心施工，取得了巖心采取率達(dá)到90.8%的良好效果。維護(hù)保養(yǎng)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(xué)鉆探WFSD-2孔的施工過程中，WFSD項目深孔取心鉆探設(shè)備完成的工藝過程有:取心鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、全面鉆進(jìn)/側(cè)鉆、下套管、處理孔內(nèi)事故等工作（詳見表3）。

3.2 綜合運(yùn)行評價

表3 鉆機(jī)不同孔段、工藝和運(yùn)行方式下運(yùn)行參數(shù)情況

WFSD工程中心在WFSD-2孔施工完成后對KZ3000型全液壓鉆機(jī)的運(yùn)行報告中對設(shè)備的綜合運(yùn)行評價為:WFSD深孔取心鉆機(jī)在汶川地震科學(xué)鉆探工程二號孔（WFSD-2）取心鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、全面鉆進(jìn)、下套管、處理孔內(nèi)事故等方面應(yīng)用，基本滿足WFSD-2孔各種鉆孔口徑及鉆進(jìn)工藝的施工需求。在三開擴(kuò)孔鉆進(jìn)、全面鉆進(jìn)，四開取心鉆進(jìn)時，孔徑大、鉆孔深、扭矩大、摩擦阻力大的情況下，轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)設(shè)計能力有限的條件下，結(jié)合不同規(guī)格的螺桿馬達(dá)和液動沖擊錘等孔底動力鉆具，滿足半合管提鉆取心，鉆進(jìn)平穩(wěn)，鉆機(jī)運(yùn)行正常。

3.3 鉆機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

WFSD項目深孔取心鉆探設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計，在汶川科學(xué)鉆探WFSD-2孔鉆進(jìn)施工過程中，得到了充分驗證，除系統(tǒng)運(yùn)行總體平穩(wěn)正常，各項功能滿足設(shè)計要求外，在頂驅(qū)、絞車、液壓驅(qū)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(jī)相比，表現(xiàn)優(yōu)越，呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

（1）精確的絞車自動送鉆系統(tǒng):KZ3000型鉆機(jī)配置的全液壓絞車不僅可實現(xiàn)大噸位（125 t）提升，還可以實現(xiàn)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(yīng)力較大的孔段，當(dāng)采用手動送鉆控制下鉆速度不穩(wěn)，出現(xiàn)憋泵、扭矩過大情況時，采用自動送鉆方式，可平穩(wěn)通過該地段。圖2是送鉆錄井狀態(tài)曲線。當(dāng)WFSD-2孔取心鉆進(jìn)至2210.95 m時，因2012年春節(jié)放假2天，再次下鉆時在距孔底60 m處遇阻，循環(huán)泥漿劃眼，手動送鉆，速度快且不穩(wěn)定，經(jīng)常憋泵，后來采取自動送鉆，很平穩(wěn)地穿過憋泵地段，當(dāng)泵壓穩(wěn)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(wěn)定的打撈系統(tǒng):自主研發(fā)的4000 m液壓驅(qū)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(jiān)測準(zhǔn)確靈敏、自動排繩平穩(wěn)可靠，提高了繩索取心打撈內(nèi)管的成功率。

圖2 送鉆錄井狀態(tài)

圖3 自動排繩裝置

（3）獨(dú)立司鉆智能操控:KZ3000型鉆機(jī)的所有運(yùn)動部件均通過計算機(jī)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(xiàn)比例電磁鐵精確電流控制、電磁鐵開關(guān)控制、數(shù)字和傳感器信號輸入、數(shù)據(jù)通信等多項功能，控制精確可靠。獨(dú)立的司鉆房提供設(shè)備的集中遠(yuǎn)程操作和控制，操作環(huán)境清潔、安全、穩(wěn)定（圖4），鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)直觀可視、菜單式界面便于調(diào)整（圖5），避免了手動調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定性。

（4）長行程的頂驅(qū)油缸給進(jìn)系統(tǒng):高速頂驅(qū)通過2個長行程油缸，可實現(xiàn)長行程（10 m）精確的鉆壓和鉆速控制（圖6），完成取心、擴(kuò)孔、掃孔、倒劃眼等執(zhí)行動作。

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

圖4 獨(dú)立司鉆房

圖5 操作界面

（6）強(qiáng)力拔管裝置:自主研發(fā)的BG250型拔管機(jī)（圖8）創(chuàng)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(xiàn)對心起拔;配備超高壓力電動液壓泵站，起拔能力高達(dá)2500 kN，并可實時監(jiān)控起拔力，具有較強(qiáng)的處理事故能力。在WFSD-2孔施工過程中，曾成功地處理過嚴(yán)重的卡鉆事故。

圖8 BG250型拔管機(jī)

4 存在的問題

KZ3000型鉆機(jī)在汶川科學(xué)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(jī)的絞車系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動方式是否合適，也是一個值得進(jìn)一步探討的問題。據(jù)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(jìn)行剎車，使絞車的液壓系統(tǒng)頻繁受到大的加速度和沖擊力的作用，系統(tǒng)部件容易損壞。

5 發(fā)展與思考

WFSD項目深孔取心鉆探設(shè)備作為我國在全液壓大口徑深部取心鉆探設(shè)備的全新嘗試，經(jīng)過WFSD-2孔實鉆驗證，探索了一條可完成頂驅(qū)取心鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)盤擴(kuò)孔鉆進(jìn)功能的低成本（相對于石油鉆探）深孔取心鉆探設(shè)備的技術(shù)路線。除用于3000 m左右的科學(xué)鉆探以外，還可用于3000～5000 m的深孔巖心鉆探、3000 m左右的地?zé)岷退乃@探和3000 m左右的煤層氣和淺層油氣鉆探等領(lǐng)域。此外，該設(shè)備的多個創(chuàng)新成果可移植到水文水井鉆機(jī)、巖心鉆機(jī)、煤層氣鉆機(jī)和淺層油氣鉆機(jī)，提升我國各類鉆探設(shè)備的技術(shù)水平。

隨著我國“攻深找盲”戰(zhàn)略和“深部探測”專項的實施，深部取心鉆機(jī)將迎來一個發(fā)展機(jī)遇期，同時在鉆進(jìn)能力、鉆進(jìn)效率和節(jié)能環(huán)保方面也將提出更高的要求。在實現(xiàn)途徑上，對現(xiàn)有的機(jī)械和液壓傳動巖心鉆機(jī)可以進(jìn)行進(jìn)一步的完善和優(yōu)化，但機(jī)械以及液壓傳動自身固有的弊端可能對更大功率應(yīng)用形成制約，而基于交流變頻技術(shù)的電驅(qū)電控巖心鉆機(jī)因其在傳動效率、控制智能、節(jié)能環(huán)保和維護(hù)保養(yǎng)等方面的優(yōu)勢，或?qū)樯畈咳⌒你@機(jī)的發(fā)展提供一條新的解決途徑。

［1］ 黃洪波，朱江龍，劉躍進(jìn).我國鉆探技術(shù)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(xué)鉆探項目的概況和鉆探技術(shù)［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(xué)鉆探二號孔取心鉆進(jìn)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(xué)鉆探項目的鉆探技術(shù)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(xué)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(dá).深孔巖心鉆探的技術(shù)關(guān)鍵［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（S1）.

［7］ 張偉，王達(dá)，劉躍進(jìn)，等.深孔取心鉆探裝備的優(yōu)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(xué)鉆探（WFSD）”項目之“科學(xué)鉆探與科學(xué)測井”課題

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