永磁頂驅(qū)鉆機(jī)在頁巖氣勘探LC-1井的應(yīng)用

郭 坤，劉家榮，李 超

（北京探礦工程研究所，北京100083）

1 概述

浙江臨安頁巖氣區(qū)塊為2012年國土資源部20個公開招標(biāo)頁巖氣區(qū)塊之一，通過競標(biāo)，安徽能源集團(tuán)公司取得該區(qū)塊的勘探權(quán)。井區(qū)位于臨安區(qū)塊西北角島石鎮(zhèn)。

安徽省地礦局三一三地質(zhì)隊承接了浙江臨安島石鎮(zhèn)2520m頁巖氣勘探孔的施工，設(shè)計終孔?152mm，設(shè)計孔深2500m，全孔取芯。結(jié)合此項工程，使用北京探礦工程研究所研制的3000m直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)。

鉆機(jī)參數(shù)如下：

頂驅(qū)行程：22m；頂驅(qū)功率：260kW；

轉(zhuǎn)速：0～250r/min；絞車功率：2×260kW；

額定扭矩：15kN·m（單臺）；快繩速度：0～10m/s；

井架高度：39m；單繩提升力：135kN；

輪系：5×6；提升力：1350kN;

一層平臺高度：2.8m;二層平臺高度：17m。

2 施工技術(shù)方案

（1）全孔取芯，取芯直徑85mm。鉆具配長度3m及4.5m兩種規(guī)格?114mm繩索取芯鉆桿，加工過渡接頭使114接桿扣與頂驅(qū)主軸NC38接頭聯(lián)接。

（2）外管系統(tǒng)：鉆頭?152mm，配相應(yīng)的外管部件，如外管、彈卡室、彈卡擋頭等，部件外徑140mm。

（3）鉆鋌技術(shù)方案：

①鉆鋌規(guī)格：140mm×19mm，鉆鋌連接為13根，每根長度9m，總長度為117m，140mm鉆鋌重量56.7kg/m，鉆鋌總重量為6.63t。

②鉆鋌螺紋仿照相應(yīng)規(guī)格的API石油鉆鋌，鉆鋌連接用鉆鋌中接箍，鉆鋌中接箍兼扶正器作用，外徑比鉆頭小2mm，帶螺旋水槽，鉆鋌配套扳叉及墊叉。

③鉆鋌提升用吊卡，配相應(yīng)的提引接頭。

（4）過渡鉆桿技術(shù)方案：過渡鉆桿選用?127mm規(guī)格，過渡鉆桿是連接鉆鋌及?114mm繩索鉆桿的緩沖部件，長度為6m。

（5）扶正器：扶正器起扶正和緩沖作用，扶正帶長度300mm，外徑與鉆頭外徑尺寸一樣。

（6）繩索鉆桿金剛石擴(kuò)張器：扶正器上邊連接?114mm繩索取芯鉆桿，在單根繩索鉆桿之間連接一個擴(kuò)孔器，共連接2～5個擴(kuò)孔器，起修飾孔壁和扶正作用，擴(kuò)孔器外徑與鉆具擴(kuò)孔器同。

（7）鉆頭：外徑?152mm，內(nèi)徑?85mm。由于鉆頭的唇面與徑向比值較大因此綜合考慮鉆頭的性能，鉆頭要求冷卻和排粉效果好，減小唇面有效面積,增加鉆頭內(nèi)徑保徑等。

（8）繩索絞車：金石生產(chǎn)JS-3000型繩索取芯絞車，絞車配備9～11mm規(guī)格鋼絲繩，容繩量3100m，電機(jī)為11kW，滿足3000m深孔繩索取芯要求。

3 鉆機(jī)在施工過程中的應(yīng)用情況

開鉆前挖方井，長2.0m寬1.50m高2.20m，采用直徑?190mm三牙輪鉆頭開孔，鉆至5.69m處開始用，?152mm金鋼石鉆頭開始取芯，鉆進(jìn)至14.7m處分別采用190mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔至10.33m，用?300mm牙輪鉆頭擴(kuò)至7.21m，用?450mm牙輪鉆頭擴(kuò)至7.11m，分別下?426mm和?273mm套管下深至7m，用水泥固定套管，下?152mm金剛石鉆頭鉆進(jìn)取芯，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速80r/min,鉆壓10kN，泵量400L/min,泵壓1MPa。

3.1 絞車的的應(yīng)用情況

（1）開鉆前，由機(jī)長和班長分別操作，進(jìn)行絞車斷電制動試驗、緊急制動試驗。

（2）開鉆后，由于孔淺，為節(jié)省電費，先用一臺電機(jī)帶動絞車工作，正常送鉆工作時消耗的功率不到10kW，電流不超過10A。

（3）正式開鉆后，經(jīng)恒壓和恒速2種方案實際操作對比，最終選定恒速送鉆方案，根據(jù)鉆壓的變化調(diào)整快繩送鉆速度在3～12mm/s間。在電路故障導(dǎo)致斷電時，絞車安全鉗能及時剎死，沒有發(fā)生不工作的現(xiàn)象。

（4）絞車單電機(jī)工作到2015年8月15日，已經(jīng)鉆深1288m，超過設(shè)計孔深2520m的一半，啟用雙電機(jī)工作的鉆機(jī)計算機(jī)程序，將2臺電機(jī)與絞車聯(lián)接，雙電機(jī)帶動絞車工作后，提升鉆具時每臺電機(jī)的電流只有60A左右，電機(jī)的同步性優(yōu)異，電機(jī)電流差異性小。2015年8月15日雙電機(jī)帶動的絞車由孔深1288m工作至2016年2月1日終孔深度2328m。

3.2 頂驅(qū)的應(yīng)用情況

在用頂驅(qū)的進(jìn)行鉆進(jìn)應(yīng)用中，空鉆轉(zhuǎn)速可達(dá)到300r/min，顯示試驗轉(zhuǎn)速在3～160r/min間，頂驅(qū)的工作扭矩在4kN·m左右，最大扭矩達(dá)到過8kN·m,頂驅(qū)電機(jī)工作平穩(wěn)可靠,頂驅(qū)吊卡油缸可方便地帶動吊卡協(xié)助抓取鉆桿，回轉(zhuǎn)頭可左右回轉(zhuǎn)，背鉗可在任何位置上協(xié)助擰卸鉆桿，平衡油缸能夠在頂驅(qū)主軸和鉆柱螺扣松開后上跳保護(hù)絲扣，頂驅(qū)上扣和卸扣的轉(zhuǎn)速可在3～10r/min內(nèi)調(diào)節(jié)，液壓盤剎剎車可靠。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

2015年3月22日開鉆至2016年2月1日2328m終孔，共施工317d，其中調(diào)試、修理、保養(yǎng)設(shè)備29d，鉆機(jī)純工作時間288d。鉆進(jìn)效率最快達(dá)1m/h,鉆壓為20～40kN,泵壓在4MPa以下，泵量在300～450L/min間，由于高轉(zhuǎn)速下多次發(fā)生斷鉆桿事故，試驗時最高轉(zhuǎn)速限定在160r/min。

鉆進(jìn)地層，0～1506m為灰色硅質(zhì)泥灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r角礫、泥礫，有破碎和軟硬互層，1506～2328m為含有石英、長石、黑云母的白堊系灰色花崗巖，由于在花崗巖中鉆進(jìn)822m，頁巖氣不可能在花崗巖中存在，故提前終孔，沒有鉆進(jìn)到原設(shè)計的2520m深。

4 結(jié)論

經(jīng)過近一年的施工作業(yè)，施工單位按期完成了任務(wù)，對鉆機(jī)的評價如下：

（1）鉆機(jī)使用的永磁電機(jī)非常省電，下鉆時發(fā)電。2014年在距島石鎮(zhèn)直線距離30km的昌化鎮(zhèn)，用全液壓動力頭鉆機(jī)施工了?152mm孔徑的LC-02井，地層相近的勘探孔1000m，與現(xiàn)在施工的勘探孔在1000m工作量上做了對比，節(jié)省電費30%以上。

（2）鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，操作人員勞動強(qiáng)度低，回轉(zhuǎn)和升降都可在司鉆房內(nèi)操作手柄和旋紐完成，操作人員非常容易掌握，顯示屏可監(jiān)控修改鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù)和電機(jī)的電氣參數(shù)，可監(jiān)測電控房內(nèi)的溫度和濕度，可通過視頻觀察二層平臺、一層平臺、井口、泥漿泵的工作情況。

（3）絞車是直驅(qū)絞車，無齒輪傳動，沒有帶剎和剎車鉗，完全利用電機(jī)本身和變頻控制系統(tǒng)的特性進(jìn)行剎車、懸停，減少了維護(hù)保養(yǎng)的成本；提下鉆速度控制準(zhǔn)確可靠，下鉆時利用永磁電機(jī)的發(fā)電來控制速度，減少了日常維護(hù)的成本，剎車過程平穩(wěn)，對鋼絲繩的損傷小，在一年的工程試驗中，沒有更換過鋼絲繩，雙電機(jī)驅(qū)動的絞車提升能力強(qiáng)，運轉(zhuǎn)可靠，維護(hù)簡單，絞車在單電機(jī)驅(qū)動的情況下可提升2200m鉆具，在一臺電機(jī)有故障時仍能完成鉆進(jìn)工作。

（4）鉆機(jī)的自動送鉆功能準(zhǔn)確、實用、可靠，2328m的孔深大部分是用自動送鉆模式完成的，根據(jù)鉆壓的變化在司鉆臺顯示屏上調(diào)整自動送鉆的參數(shù)，簡單易學(xué)，操作人員易掌握。正常鉆進(jìn)時，一層平臺上只需司鉆房內(nèi)的司鉆在監(jiān)控司鉆臺上的顯示屏。

（5）鉆機(jī)配置合理，兩臺氣動絞車協(xié)助裝卸鉆桿鉆具，液壓錨頭協(xié)助擰卸鉆桿和鉆鋌,頂驅(qū)液壓系統(tǒng)具有抓取、擰卸、保護(hù)鉆桿的功能，機(jī)械化程度較高。

（6）頂驅(qū)的工作行程可達(dá)20m以上，提下鉆時可進(jìn)行長行程開泵掃孔工藝，處理鉆探事故時能力較強(qiáng)，有助于提高整體鉆進(jìn)時效。