创新成果
随着全球传统的资源与能源供给形势日趋严峻，世界范围内更深更复杂地层的勘探开发活动越来越多，勘查钻探深度越来越深。地质钻机作为勘探工作的重要装备，越来越成为钻井技术水平高低的重要标志之一。
自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所作为钻探行业的领跑者，该所成功研发了世界首台永磁直驱顶驱钻机系统。据了解，将稀土永磁电机及其控制技术应用到深孔钻探设备中的直接驱动工作部分，在国内外都没有成功的先例，而大功率(800kW)、大扭矩(60kN.m)、低频的(0.01Hz-200Hz)的稀土永磁电机的实用化设计制造、与伺服控制系统的匹配，更是一大技术难题，成果应用于工作环境恶劣的深孔钻机中更是难上加难。
雄安新区钻井施工现场
自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所能源地质调查钻探室副主任、项目负责人刘家荣介绍，探矿工程所是在2011年夏天开始着手研发该技术。探矿工程所钻机研制团队在该所领导的大力支持和鼓励下，从一次次的失败中总结经验，从3000米、到4000米，在历时8年、经过上百次的试验和两口井5000多米的施工验证的基础上，于2018年底，将新一代4000米永磁直驱顶驱钻机研制成功，并完成厂内钻孔试验，通过了现场验收，同时将钻机应用于雄安新区地热施工中，实现了钻机的恒压、恒速自动化钻进。这在该技术领域属国内首创，拥有自主知识产权，处于国内外深孔钻机研制的最高水平，可谓8年磨一“钻”，终成大器。
那么，首台将永磁变频电机及精确控制技术成功应用于深孔钻探的设备，它有怎样的强大生命力呢?刘家荣表示，该设备是将传统钻机用普通电机或液压马达，通过齿轮、链轮传动，创新为用低速、大扭矩、大功率稀土永磁同步变频电动机直接驱动绞车和钻具回转，实现机械设备间的无齿轮传动，从而简化了钻机结构设计，提高了传动效率，减少了使用维保成本和占地面积，更为重要的是可节约电能30%以上。
在接受采访时，他还表示，该设备具有以下特点：一是节能减排助力绿色勘查。普通电机定子和转子都要耗费电能，而永磁电机的转子是稀土永磁体，工作时不耗费电能，同时，充分利用了永磁电机效率高和功率因数高的优势，可将传统深孔钻机提下钻、送钻两套离合、传动系统简化为一套直驱系统，远高于液压驱动与异步电机驱动的传动方式。二是能耗制动高效可靠。利用永磁电机本身和变频控制系统的特性，用电磁力实现无摩擦刹车、悬停，减少了维护保养的成本;提下钻速度控制准确可靠，下钻时利用永磁电机的发电功能控制速度，具备发电回馈电网的能力，具有极高的能源利用率，没有摩擦副损耗。三是智能司钻一体化。具备参数实时显示功能，司钻人员劳动强度低，回转调速和绞车升降都可在司钻房内通过操作一个手柄和一个旋钮完成，改变了传统钻机要次第操作几个手柄和旋钮才能完成的模式。四是具备自动送钻功能。试验与应用孔均采取自动送钻模式完成。根据钻压的变化，在司钻台显示屏上调整自动送钻的参数，简单易学，对操作人员的培训时间短。五是自动化钻探作业能力强。顶驱的工作行程可达20米~30米以上，提下钻时可通过长行程开泵扫孔工艺，大幅提高深孔钻进中处理缩孔、卡钻、坍塌埋钻事故的能力，提高定向钻进的效率，具备自动钻柱处理功能，可实现自动拧卸口并上卸钻杆。
该项目属于国家国际科技合作专项，在探矿工程所原3000米~3500米永磁直驱钻机历经5年研制和工程试验的基础上，瞄准地质调查主战场地热干热岩的主力需求，特别是华北区，有的放矢地进行转化，投入资金进行技术升级和结构优化，将主要用于小口径ø89钻杆取心钻进的3500米钻机升级为可用ø114API钻杆进行大口径深孔地热钻进的4000米钻机，可用于中国地调局目前承担的地热探采孔的施工，项目在2018年12月1日通过试验现场验收。
项目的验收标志着，永磁直驱顶驱钻机设备的成果研制进入实用化阶段。它体现了我国自主研发钻机的能力，甚至达到国际领先水平，使得我国钻探装备研发水平成功跻身国际第一梯队。为实现科研成果快速和有效转化，在完成厂内实钻试验的基础上，2019年3月，探矿工程所在经充分研究后决定投入资金，在短短半年内，迅速推进解决了成果转化“最后一公里”的难题。
目前，钻获雄安新区起步区最大地热产能的地热井，钻机已经圆满完成D20井的钻探工作，充分验证了钻机的设计参数，展现了钻机设计上的先进性、可靠性、实用性和操作的上简捷、安全、高效，开拓了永磁直驱钻机在大口径能源资源钻探工程的应用前景，为雄安、京津冀地区乃至全国地热资源钻探地质调查提供了借鉴与指导。
创新没有止境，任何创新都是“未完成的创新”。我们相信，在未来的钻探工作中，永磁直驱顶驱钻机也将不断创新，把先进的钻探技术引入到绿色勘查中，实现地质勘查与生态保护协调共赢的局面，为国家、为中国地调局党组、为人民交出一份更出色的答卷。
(注：文章节选《做能源勘查设备研发“领跑者”——中国地质调查局北京探矿工程研究所永磁直驱顶驱钻机研发应用纪实》，来源：《中国矿业报》，作者：刘盼盼)
