摘 要：本文介绍了ZJ40DBZ永磁直驱钻机及其在雄安新区 D20地热井中的实际应用。目前，该钻机已经圆满完成 D20井的钻探工作，展现了钻机设计上的先进性、可靠性、实用性和操作上的简捷、安全、高效的特点，为永磁直驱钻机在大口径能源资源钻探中的应用提供了参考和借鉴。
关键词：钻机;永磁电机;地热;钻井
0 引言
我国重视资源、能源的安全问题，对矿 产 资 源、新能源(如页岩气、干热岩、地热)的普查及勘探的工作量和深度不断增加，为了满足新能源勘探需求，北京探矿工程研究所自主研制了4000m 永磁直驱钻机，结合北京探矿工程研究所2019年承担的雄安新区 D20井钻探工程进行应用，完 成 了 该 工 程 的 钻进、取心、下套管等任务。实际钻井过程中，揭穿了中元古界蓟县系及长城系地层并进入了太古界片麻岩，提前达到地质目的，D20井较原 设 计 提 前 终 孔，终孔直径216mm。
1 D20井工程概况及钻前施工技术方案
1.1 D20井工程概况
D20井位位于容城县城 区 东 南，大 河 镇 东 里 村北约300m，钻孔构造位置为容城凸起北部东侧斜坡区。该区域没有地质勘探孔，D20井 主 要 为 揭 露容城凸起东南部斜坡带地层发育情况，基本查明地层结构及储盖组合特征，揭穿蓟县系热储层，揭露长城系热储层，探明深部碳酸盐岩热储的分布与地热地质条件，服务雄安新区地热开发规划。
1.2 D20井施工技术方案
钻前根据钻遇地层预测，考虑地热探采井的抽水试验要求，钻前 D20井井身结构设计如下：
(1)表层导向井(0～60m)。采用直径660.4mm钻头 无 心 回 转 钻 井，钻 至 井 深 60 m，下 入 直 径508.0mm、壁厚12mm 表层套管，下入深度60m，并进行水泥固井。
(2)一开钻进(60～1100m)。采用直径444.5mm钻头 无 心 回 转 钻 井，钻 至 井 深 1100 m，下 入 直 径339.7mm 套管，进行全井段水泥固井。
(3)二 开 钻 进 (1100～2400 m)。 采 用 直 径311.2mmPDC或牙轮钻头无心回转钻井，钻 至 井深2400m，下 入 直 径244.5mm 套 管，进 行 全 井 段水泥固井。
(4)三 开 钻 进 (2400～3000 m)。 采 用 直 径215.9mmPDC或牙轮钻头钻至井深3000m，裸眼完井。
2 ZJ40DBZ永磁直驱钻机主要结构及特点
2.1 钻塔
ZJ40DBZ永磁直驱钻机钻塔采用自起式、提升力2250kN 的 K 型塔，一层 平 台 高6m，可 下 装 防喷器及井口返浆导流装置，司钻房位于一层平台上，变频控制房位于地面，主绞车在一层平台下方，传扭梁在一层平台3m 以上，一层平台可放置140柱直径127mm 标准钻杆的立柱和各种辅助性工具，钻塔工作高度45m，总高54m，可起吊3个9.7m 的钻杆立柱，轮系为6×5，游动滑车为10绳。
2.2 提升系统
钻机的提升系统采用2台400kW 稀土永磁电机对向安装直接驱动绞车滚筒，通过变频调速实现提升钻具与自动送钻的功能。绞车滚筒采用里巴斯绳槽结构，具有不乱绳的特点。永磁电机可实现柔性刹车，极大地提高了配套钢丝绳的使用寿命。绞车安全刹车为液压盘刹，只在停电和长时间驻车时使用，无工作刹车，利用永磁电机的特性，绞车工作过程中可实现悬停和无摩擦刹车制动，不需要盘刹和带刹。绞车结构见图1。
提下钻和钻进时的送钻，用一套传动系统和控制系统完成，简化了钻机结构，减轻了钻机的重量。浅孔钻进时，可只用一台电机驱动绞车工作，钻进至一定深度后再启用两台电机工作模式，减少能耗和设备磨损。
2.3 回转系统
钻机的回转系统采用转盘/顶驱双模式，转盘电机和顶驱电机共用一台变频器，独立驱动，回转系统工作模式可通过开关 切 换 选 择。转 盘 型 号 ZP275，顶驱采用直驱结构，永磁电机转子直接驱动钻具，水龙头与 电 机 轴 中 空 轴 相 联，保 证 钻 井 过 程 中 泥 浆循环。
2.4 钻井泵
钻机配套钻井泵采用2台 F500泥浆泵和2台F1300泥浆泵，其中 F1300泥浆泵 由 永 磁 电 机 直 联泵的小齿轮轴驱动，无大小皮带轮和中间传动环节，提高了传动效率，节省了电能，简化了传动结构，降低了泵运行过程中的维护成本。
2.5 电控系统
钻 机 的 电 控 系 统 主 要 安 置 于 电 控 房 和 司 钻 房中。司 钻 房 和 电 控 房 内 主 CPU 为 西 门 子 S7-1200，采用profinet进行通信，二者之间通过网关相连，实 现 数 据 互 通，CPU 与 各 变 频 器 间 采 用 Profi-bus-DP进行通信。
司钻房内设开关柜、一体化座椅。一体 化 座 椅配置钻进参数触摸屏一体机、视频监控触摸屏及对讲喊话系统，完成钻机的控制操作、数据记录以及实时视频监控功能。所有的钻井设备的控制及监控都可以通过触摸屏和多功能操作杆在座椅式操作台上 实现。座椅 前 端 的 触 摸 屏 一 体 机 直 接 访 问 控 制 绞车、顶驱、泥浆泵等设备的 PLC，同时具备数据存储功能。图2为司钻房外观及内部图，图3为触摸屏显示界面。
电控房内设综合控制柜、变频控制系统，其中变频控制系统采用共直流母线，制动能量可实现通过制动电阻消耗也可回馈母线，制动方式可通过开关进行选择，见图4。 钻机的电控系统主要完成绞车变频器、顶驱/转盘变频器、顶驱液压系统、绞车液压系统的控制，同时完成电子防碰、恒速/恒压送钻功能。
防碰功能由电子防碰和硬防碰共同实现。电子防碰通过绞车电机轴端编码器的计数进行计算，触摸屏界面输入绞车滚筒直径、绳数、钢丝绳直径等参数，计算出游车实时高度。电子防碰设有上下预警点和上下停车点，当钻机的游车运行至上下预警点时，系统提示报警，游车速度自动按照程序内设定速度运行。该运行速度与司钻操作绞车速度手柄无关;当游车运行 至 上 下 停 车 点 时，游 车 速 度 为0，绞车安全钳抱闸刹车。此时司钻操作绞车速度手柄无反应，只有解除防碰后，操作绞车速度手柄游车方能运行。硬防碰类似于传统钻机的重锤防碰，是在井架上段(游车上行的极限安全位置)安置防碰杆，该防碰杆通过钢丝绳连接行程开关，当游车运行至极限安全位置时，行 程 开 关 动 作，游 车 运 行 速 度 为0，绞车安全钳抱闸。
钻机的恒速/恒压送钻功能是将传感器 检 测 到的钻压与给定钻压进行比较，将偏差作为控制算法的输入值，给出游车相应的运行速度。为了避免传感器受外界影响给出错误钻压，导致游车快速下放，自动送钻时对游车运行速度进行了范围限定。
3 ZJ40DBZ永磁直驱钻机示范应用效果
本项目因提前达到地质目的，揭穿中元古界蓟县系和长城系，进入太古界，故提前终孔。ZJ40DBZ永磁直驱钻机设计了施工过程中的“傻瓜式”操作模式，用一个手柄就可完成钻机的提下钻和送钻功能，司钻易掌握;整体结构简单化，设备易维护;各设备的一体化集中操作，减轻了钻工的工作强度;坚硬地层中的送钻精度高;下钻发电，系统耗能低。
经过施工钻 探 统 计，施 工 总 时 间 3132h，纯 钻时间为902h，占总作业时间的36.3%。测 井 时 间为82h，占总 作 业 时 间 的2.6%。下 管 及 固 井 时 间197h，占总作业时间的6.3%。抽水试验 时 间272h，占总作业时间的8.7%，辅助时间(起 下 钻、维 修保 养 设 备、洗 井 等 )1679 h，占 总 作 业 时 间 的46.1%。项目岩心平均采取率91.77%。由于钻机的绞车和泥浆泵采用了永磁电机作动力，与本地区施工的传统钻机相比，节省电费20%～30%。
4 结论
ZJ40DBZ永磁直驱钻机在雄安地热 D20井 钻探工程中，以舒适的工作环境、简洁的操作界面、人性化的操作方式将司钻从紧张、繁重的体力劳动中解放出来，使司钻专注于钻进参数的变化与调控，有效地保证了钻井的安全、提高了生产效率，降低了运营成本，较好地展示了该钻机的结构优点、自动化水平及节能优势，满足了大口径地热钻井的需要。该钻机配合固控系统，满足了雄安新区“上不冒烟，下不落地”的绿色勘查需求，同时可以在干热岩、页岩气等勘查领域进行推广应用。——论文作者：李超，刘家荣，郭坤，刘文武，王玉超
参考文献：
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