隨著全球傳統(tǒng)的資源與能源供給形勢日趨嚴(yán)峻，世界范圍內(nèi)更深更復(fù)雜地層的勘探開發(fā)活動越來越多，勘查鉆探深度越來越深。地質(zhì)鉆機(jī)作為勘探工作的重要裝備，越來越成為鉆井技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志之一。

自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所作為鉆探行業(yè)的領(lǐng)跑者，該所成功研發(fā)了世界首臺永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)系統(tǒng)。據(jù)了解，將稀土永磁電機(jī)及其控制技術(shù)應(yīng)用到深孔鉆探設(shè)備中的直接驅(qū)動工作部分，在國內(nèi)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(jī)的實(shí)用化設(shè)計(jì)制造、與伺服控制系統(tǒng)的匹配，更是一大技術(shù)難題，成果應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣的深孔鉆機(jī)中更是難上加難。

雄安新區(qū)鉆井施工現(xiàn)場

自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所能源地質(zhì)調(diào)查鉆探室副主任、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劉家榮介紹，探礦工程所是在2011年夏天開始著手研發(fā)該技術(shù)。探礦工程所鉆機(jī)研制團(tuán)隊(duì)在該所領(lǐng)導(dǎo)的大力支持和鼓勵下，從一次次的失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從3000米、到4000米，在歷時(shí)8年、經(jīng)過上百次的試驗(yàn)和兩口井5000多米的施工驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，于2018年底，將新一代4000米永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)研制成功，并完成廠內(nèi)鉆孔試驗(yàn)，通過了現(xiàn)場驗(yàn)收，同時(shí)將鉆機(jī)應(yīng)用于雄安新區(qū)地?zé)崾┕ぶ?，?shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的恒壓、恒速自動化鉆進(jìn)。這在該技術(shù)領(lǐng)域?qū)賴鴥?nèi)首創(chuàng)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，處于國內(nèi)外深孔鉆機(jī)研制的最高水平，可謂8年磨一“鉆”，終成大器。

那么，首臺將永磁變頻電機(jī)及精確控制技術(shù)成功應(yīng)用于深孔鉆探的設(shè)備，它有怎樣的強(qiáng)大生命力呢？劉家榮表示，該設(shè)備是將傳統(tǒng)鉆機(jī)用普通電機(jī)或液壓馬達(dá)，通過齒輪、鏈輪傳動，創(chuàng)新為用低速、大扭矩、大功率稀土永磁同步變頻電動機(jī)直接驅(qū)動絞車和鉆具回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備間的無齒輪傳動，從而簡化了鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了傳動效率，減少了使用維保成本和占地面積，更為重要的是可節(jié)約電能30%以上。

在接受采訪時(shí)，他還表示，該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：一是節(jié)能減排助力綠色勘查。普通電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子都要耗費(fèi)電能，而永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子是稀土永磁體，工作時(shí)不耗費(fèi)電能，同時(shí)，充分利用了永磁電機(jī)效率高和功率因數(shù)高的優(yōu)勢，可將傳統(tǒng)深孔鉆機(jī)提下鉆、送鉆兩套離合、傳動系統(tǒng)簡化為一套直驅(qū)系統(tǒng)，遠(yuǎn)高于液壓驅(qū)動與異步電機(jī)驅(qū)動的傳動方式。二是能耗制動高效可靠。利用永磁電機(jī)本身和變頻控制系統(tǒng)的特性，用電磁力實(shí)現(xiàn)無摩擦剎車、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(shí)利用永磁電機(jī)的發(fā)電功能控制速度，具備發(fā)電回饋電網(wǎng)的能力，具有極高的能源利用率，沒有摩擦副損耗。三是智能司鉆一體化。具備參數(shù)實(shí)時(shí)顯示功能，司鉆人員勞動強(qiáng)度低，回轉(zhuǎn)調(diào)速和絞車升降都可在司鉆房內(nèi)通過操作一個手柄和一個旋鈕完成，改變了傳統(tǒng)鉆機(jī)要次第操作幾個手柄和旋鈕才能完成的模式。四是具備自動送鉆功能。試驗(yàn)與應(yīng)用孔均采取自動送鉆模式完成。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)，對操作人員的培訓(xùn)時(shí)間短。五是自動化鉆探作業(yè)能力強(qiáng)。頂驅(qū)的工作行程可達(dá)20米~30米以上，提下鉆時(shí)可通過長行程開泵掃孔工藝，大幅提高深孔鉆進(jìn)中處理縮孔、卡鉆、坍塌埋鉆事故的能力，提高定向鉆進(jìn)的效率，具備自動鉆柱處理功能，可實(shí)現(xiàn)自動擰卸口并上卸鉆桿。

該項(xiàng)目屬于國家國際科技合作專項(xiàng)，在探礦工程所原3000米~3500米永磁直驅(qū)鉆機(jī)歷經(jīng)5年研制和工程試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)地質(zhì)調(diào)查主戰(zhàn)場地?zé)岣蔁釒r的主力需求，特別是華北區(qū)，有的放矢地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，投入資金進(jìn)行技術(shù)升級和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將主要用于小口徑?89鉆桿取心鉆進(jìn)的3500米鉆機(jī)升級為可用?114API鉆桿進(jìn)行大口徑深孔地?zé)徙@進(jìn)的4000米鉆機(jī)，可用于中國地調(diào)局目前承擔(dān)的地?zé)崽讲煽椎氖┕?，?xiàng)目在2018年12月1日通過試驗(yàn)現(xiàn)場驗(yàn)收。

項(xiàng)目的驗(yàn)收標(biāo)志著，永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)設(shè)備的成果研制進(jìn)入實(shí)用化階段。它體現(xiàn)了我國自主研發(fā)鉆機(jī)的能力，甚至達(dá)到國際領(lǐng)先水平，使得我國鉆探裝備研發(fā)水平成功躋身國際第一梯隊(duì)。為實(shí)現(xiàn)科研成果快速和有效轉(zhuǎn)化，在完成廠內(nèi)實(shí)鉆試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2019年3月，探礦工程所在經(jīng)充分研究后決定投入資金，在短短半年內(nèi)，迅速推進(jìn)解決了成果轉(zhuǎn)化“最后一公里”的難題。

目前，鉆獲雄安新區(qū)起步區(qū)最大地?zé)岙a(chǎn)能的地?zé)峋@機(jī)已經(jīng)圓滿完成D20井的鉆探工作，充分驗(yàn)證了鉆機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，展現(xiàn)了鉆機(jī)設(shè)計(jì)上的先進(jìn)性、可靠性、實(shí)用性和操作的上簡捷、安全、高效，開拓了永磁直驅(qū)鉆機(jī)在大口徑能源資源鉆探工程的應(yīng)用前景，為雄安、京津冀地區(qū)乃至全國地?zé)豳Y源鉆探地質(zhì)調(diào)查提供了借鑒與指導(dǎo)。

創(chuàng)新沒有止境，任何創(chuàng)新都是“未完成的創(chuàng)新”。我們相信，在未來的鉆探工作中，永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)也將不斷創(chuàng)新，把先進(jìn)的鉆探技術(shù)引入到綠色勘查中，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘查與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)共贏的局面，為國家、為中國地調(diào)局黨組、為人民交出一份更出色的答卷。