能源作為重要的基礎資源，為人類社會經濟發展做出了巨大的貢獻。但是，隨著全球傳統的資源與能源供給形勢日趨嚴峻，世界範圍內更深更復雜地層的勘探開發活動越來越多，勘查鑽探深度越來越深。地質鑽機作為勘探工作的重要裝備，越來越成為鑽井技術水平高低的重要標誌之一。
自然資源部中國地質調查局北京探礦工程研究所（以下簡稱“探礦工程所”）作為地質行業的國家級科研院所，始終堅持引領國內探礦工程新設備、新技術、新方法、新工藝的使命與擔當，不斷攀登地質鑽機創新的新高度。
近年來，探礦工程所成績斐然，比如為“海馬”號ROV配套研製反循環結殼鑽機；深部鑽探硬巖鑽進技術、高溫鑽井液技術、超高溫高壓鑽井液流變性測試技術、小口徑渦輪鑽進技術支持服務乾熱巖/地熱勘查開發……
而今，作為鑽探行業的領跑者，該所成功研發了世界首臺永磁直驅頂驅鑽機系統。對此，《中國礦業報》記者近日採訪了探礦工程所能源地質調查鑽探室副主任、項目負責人劉家榮，一探究竟。
雄安新區鑽井施工現場
8年科技攻關，
佔領智能深部鑽機制高點
從容城高速口開下G18榮烏高速，我們沿著鄉間小路向東，穿過胡村，來到新成立的雄安新區容東起步區。在徵遷殆盡、即將矗立起雄安新區的土地上，豁然看到一座50米高的鑽塔。“那就是我們的鑽井施工現場。”快到施工現場時，劉家榮激動地說。
一下車，劉家榮先把我們帶到“會議室”稍事安頓，便直奔現場了。環顧他說的這個會議室，就是臨時搭建的簡易房，一張桌子、幾個凳子，坐在裡面彷彿能聽見頭頂嗚嗚的大風，猶如置身在雄獅嘶吼的大山中，讓人瑟瑟發抖。看著他遠去的背影，記者心裡暗暗想：野外地質工作不僅辦公條件簡陋，還常年忍受風吹日曬。
隨後，記者趕上他，看到他正在逐個環節檢查設備的運行情況。記者不假思索地問：“當初為什麼要研製永磁直驅頂驅鑽機呢？”
他一邊檢查鑽機設備，一邊回答說：“一是為推進國家深地戰略的實施，必須要研製新型深地鑽探設備；二是為在深地鑽探設備的製造、運行過程中，減少材料、能源的消耗。將稀土永磁電機及其控制技術應用到深孔鑽探設備中的直接驅動工作部分，在國內外都沒有成功的先例，而大功率(800kW)、大扭矩（60kN.m）、低頻的（0.01Hz-200Hz）的稀土永磁電機的實用化設計製造、與伺服控制系統的匹配，更是一大技術難題，成果應用於工作環境惡劣的深孔鑽機中更是難上加難。但稀土永磁電機又是一個節能的設備，一旦應用於鑽探設備中，將大幅度減少設備重量，節省大量的原材料和能源。探礦工程所作為國內鑽探新設備、新技術的領軍者，做這項利國利民的大事是義不容辭的。”
據他介紹，探礦工程所是在2011年夏天開始著手研發該技術。當時，集全所技術優勢，抽調電氣、機械、液壓、軟件設計、通信、地質工程等多專業技術人才，迅速組建新型深部鑽機研製團隊，對3000米鑽機進行前期的研究工作，力求佔領國內甚至全球智能深部鑽機技術最高點。
雄安D20地熱探採井航拍圖
“電動永磁直驅鑽機是我們所自建立以來從未涉足的技術領域。團隊面臨著無國內外技術參考、無技術標準、無成熟經驗的‘三無’困難局面，可謂是摸著石頭過河，在不斷試驗中探索經驗。”採訪時，劉家榮摸著這個被他視如珍寶的50米高的鑽塔說：“鑽機研製團隊克服多方面的困難，冒嚴寒深入油田鑽井現場調研、經多方周折進入重型鍛鑄廠監造關鍵部件的鍛造加工、通宵達旦緊盯永磁電動機及控制系統試驗檯試驗、日夜倒班堅守浙江西部山區和廣東惠州的試驗井場，進行工程試驗改進和技術保障，隨時解決試驗過程中出現的問題。由於鑽機重達100多噸，絞車提下鑽具重量也達100噸以上，提升高度達30多米，鑽進深度可達3000多米，連續工作時間可達300多天，鑽機的可靠性和安全性是成敗的關鍵。施工中稍有偏差就會造成人身安全和設備損壞事故。已有的操作系統對永磁電機不適用，需要重新設計適合永磁直驅頂驅取心鑽進工藝的操作系統。試驗過程枯燥而又緊張，3000米永磁直驅鑽機在試驗過程中出現故障時，常常是操作工人由於緊張從鑽機平臺上往下跑，鑽機設計團隊的人則從井臺下往上跑，及時處理出現的故障，查找原因，研究解決的方法。在廠內對鑽機連續進行300多天的可靠性、安全性、實用性試驗改進後，我們又在浙江臨安和廣東惠州進行了總計700多個工作日的工程試驗。整個鑽機系統也經歷了高溫、高溼、颱風、雨雪、低溫環境下的考驗，經受了球形雷電的襲擊，達到可在各種環境下施工的水平，可靠性、安全性、實用性得到了驗證，同時也歷練出了一支技術全面的鑽機設計團隊和施工管理團隊。”
探礦工程所並不是唯一一個將永磁電機及其控制技術應用到頂驅和鑽機絞車上的單位，但同時期的其他單位都沒有研製成功。探礦工程所鑽機研製團隊在該所領導的大力支持和鼓勵下，從一次次的失敗中總結經驗，積累知識，耐得住寂寞，頂得住冷嘲熱諷，堅信自己的選擇，從3000米、到4000米，在歷時8年、經過上百次的試驗和兩口井5000多米的施工驗證的基礎上，於2018年底，將新一代4000米永磁直驅頂驅鑽機研製成功，並完成廠內鑽孔試驗，通過了現場驗收，同時將鑽機應用於雄安新區地熱施工中，實現了鑽機的恆壓、恆速自動化鑽進。這在該技術領域屬國內首創，擁有自主知識產權，處於國內外深孔鑽機研製的最高水平，可謂8年磨一“鑽”，終成大器。
創新攀高峰，
開啟永磁新技術
哲學上說，新事物是指符合事物發展的客觀規律和前進趨勢，具有強大生命力和遠大前途的事物。那麼，首臺將永磁變頻電機及精確控制技術成功應用於深孔鑽探的設備，它有怎樣的強大生命力呢？
對此，劉家榮表示，該設備是將傳統鑽機用普通電機或液壓馬達，通過齒輪、鏈輪傳動，創新為用低速、大扭矩、大功率稀土永磁同步變頻電動機直接驅動絞車和鑽具迴轉，實現機械設備間的無齒輪傳動，從而簡化了鑽機結構設計，提高了傳動效率，減少了使用維保成本和佔地面積，更為重要的是可節約電能30%以上。
此外，在接受採訪時，他還表示，該設備具有以下特點——
一是節能減排助力綠色勘查。永磁直驅頂驅鑽機用永磁變頻電機直接帶動鑽具和絞車滾筒迴轉，就如同常用的汽車，不再需要離合器和變速箱，用動力機直接驅動車輪迴轉一樣，簡化了結構，減輕了重量，減少了原材料的消耗，提高了傳動效率；普通電機定子和轉子都要耗費電能，而永磁電機的轉子是稀土永磁體，工作時不耗費電能，同時，充分利用了永磁電機效率高和功率因數高的優勢，可將傳統深孔鑽機提下鑽、送鑽兩套離合、傳動系統簡化為一套直驅系統，遠高於液壓驅動與異步電機驅動的傳動方式。
二是能耗制動高效可靠。利用永磁電機本身和變頻控制系統的特性，用電磁力實現無摩擦剎車、懸停，減少了維護保養的成本；提下鑽速度控制準確可靠，下鑽時利用永磁電機的發電功能控制速度，具備發電回饋電網的能力，具有極高的能源利用率，沒有摩擦副損耗，剎車過程平穩柔和，對鋼絲繩的損傷小，相當於汽車不再用盤剎制動，而用電磁力制動。
三是智能司鑽一體化。具備參數實時顯示功能，司鑽人員勞動強度低，迴轉調速和絞車升降都可在司鑽房內通過操作一個手柄和一個旋鈕完成，改變了傳統鑽機要次第操作幾個手柄和旋鈕才能完成的模式。顯示屏可監控、修改鑽機的鑽進參數和電機的電氣參數，可監測電控房內的溫度和溼度，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。
四是具備自動送鑽功能。試驗與應用孔均採取自動送鑽模式完成。根據鑽壓的變化，在司鑽臺顯示屏上調整自動送鑽的參數，簡單易學，對操作人員的培訓時間短。正常鑽進時，一層平臺上只需司鑽人監控司鑽臺上的顯示屏，為未來的鑽機智能化打下基礎。
五是自動化鑽探作業能力強。頂驅的工作行程可達20米~30米以上，提下鑽時可通過長行程開泵掃孔工藝，大幅提高深孔鑽進中處理縮孔、卡鑽、坍塌埋鑽事故的能力，提高定向鑽進的效率，具備自動鑽柱處理功能，可實現自動擰卸口並上卸鑽桿。鑽機配置合理，兩臺氣動絞車協助裝卸鑽桿鑽具，液壓錨頭協助擰卸鑽桿和鑽鋌。頂驅液壓系統具有抓取、擰卸、保護鑽桿的功能，機械化程度較高，提高了鑽進過程中的安全性。
採訪時，他一邊為記者講解絞車滾筒迴轉的原理，一邊演示操作流程，或在司鑽房內觀察鑽井參數顯示屏，或在室外觀察抽上來的地熱水量和溫度。
看著他醉心地聽著機械運轉的聲音，聞著從千米井下抽上的70℃地熱水的氣味，品嚐水的味道，記者對他油然生起了一種敬意，這也許就是他說的“作為中國地調人，當這項科技創新在雄安地質調查主戰場有所斬獲的時候，大概是我這輩子最開心的時刻”。
強力推進，
打通成果轉化“最後一公里”
該項目屬於國家國際科技合作專項，在探礦工程所原3000米~3500米永磁直驅鑽機歷經5年研製和工程試驗的基礎上，瞄準地質調查主戰場地熱乾熱巖的主力需求，特別是華北區，有的放矢地進行轉化，投入資金進行技術升級和結構優化，將主要用於小口徑ø89鑽桿取心鑽進的3500米鑽機升級為可用ø114API鑽桿進行大口徑深孔地熱鑽進的4000米鑽機，可用於中國地調局目前承擔的地熱探採孔的施工，項目在2018年12月1日通過試驗現場驗收。
項目的驗收標誌著，永磁直驅頂驅鑽機設備的成果研製進入實用化階段。它體現了我國自主研發鑽機的能力，甚至達到國際領先水平，使得我國鑽探裝備研發水平成功躋身國際第一梯隊。
談起永磁直驅頂驅鑽機的成果應用與轉化，劉家榮表示，為實現科研成果快速和有效轉化，在完成廠內實鑽試驗的基礎上，2019年3月，探礦工程所在經充分研究後決定投入資金，配齊新研製的永磁直驅鑽機在雄安新區施工所需的配套設備、井口工具、鑽具，應用於所承擔的雄安新區D20井鑽探工程中，在短短半年內，迅速推進解決了成果轉化“最後一公里”的難題。
鑽機的研製人員深入現場，安裝設備，培訓設備操作人員，開鑽後24小時跟班進行技術支持和服務，極大地提高了工作效率，保證了現場的技術支持及時有效，有力支撐了雄安新區地熱清潔能源調查評價項目的鑽探工程。應用工程實施過程中，鑽機克服超硬燧石層難鑽進技術難題，每千米平均電能消耗相比同項目傳統鑽機作業的D14井低30%。目前，鑽獲雄安新區起步區最大地熱產能的地熱井，鑽機已經圓滿完成D20井的鑽探工作，充分驗證了鑽機的設計參數，展現了鑽機設計上的先進性、可靠性、實用性和操作的上簡捷、安全、高效，開拓了永磁直驅鑽機在大口徑能源資源鑽探工程的應用前景，為雄安、京津冀地區乃至全國地熱資源鑽探地質調查提供了借鑑與指導。
自有科研成果集中應用，
撐起“綠色井場”
鑽井現場不僅矗立著探礦工程所的鑽機，鑽機的頂驅、絞車和泥漿泵等主力配套設備也都是由探礦工程所自主研發。井場使用的固相控制系統同樣出自探礦工程所研發團隊。固控採用多級罐封閉循環，有效降低鑽井液固相含量、恢復鑽井液性能。該井場是探礦工程所科研成果轉化應用的集中體現。
“我們在雄安開鑽井，嚴格按照‘綠色雄安’的要求，鑽井動力系統採用國網電力，替代柴油機動力驅動，實現現場‘上不冒煙’；固控系統能夠幫助實現泥漿‘下不落地’。”採訪時劉家榮說。
創新沒有止境，任何創新都是“未完成的創新”。我們相信，在未來的鑽探工作中，永磁直驅頂驅鑽機也將不斷創新，把先進的鑽探技術引入到綠色勘查中，實現地質勘查與生態保護協調共贏的局面，為國家、為中國地調局黨組、為人民交出一份更出色的答卷。就像該鑽機科研團隊為自己寫下的寄語一樣，“回首過去，我們感慨萬千；立足今日，我們胸有成竹；展望未來，我們信心百倍。”
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