电动直驱顶驱技术在矿产勘查行业中的应用

王 超

（河北省煤田地质局第四地质队（河北省矿山生态修复与资源综合利用研究中心）， 河北 张家口 075100）

0 引言

当前，矿产勘查施工技术的发展直接影响着我国能源开采的发展速度，在整个能源开发体系中起着举足轻重的作用。作为先进矿产勘查设备的代表，近几年电动直驱顶部驱动技术日渐发展和成熟，被广泛应用于矿产勘查施工中，满足了矿产勘查技术自动化和集成化的需求，适应了矿产勘查行业高新技术装备的发展趋势，应用效果十分显著。

1 电动直驱顶部驱动的结构组成

电动直驱顶部驱动矿产勘查设备简称电动直驱顶驱，是近些年新研发的集机械、电气、数字仪表等技术集中于一体的新型矿产勘查设备，是把传统钻机的动力部分由转盘移动到井架上部，完成旋转钻柱钻进、循环钻井液、接单根、上卸扣、倒划眼等多种操作的先进钻井设备，顶部驱动矿产勘查设备广泛应用于中深层钻井作业，其应用范围十分广泛。电动直驱顶驱设备主要由主驱动电机水龙头总成、管子处理装置总成、上卸扣装置总成、液压系统、电控系统等部件构成。

1.1 主驱动电机水龙头总成

主驱动电机和水龙头总成是整个顶部驱动设备中非常重要的部分，由主电机、提升装置、冷却装置、刹车装置等部分构成，其上端与游车或者大钩相连接，下端与管理处理装置相连接，其负责在旋转钻进中给钻杆提供动力，以及为整个系统供应循环钻井液，从而带动钻头不断钻进，起着动力来源的重要作用，可以同时承受下钻和钻井载荷，以保证钻井作业的正常进行。同时基于方便修理以及经济性的考虑，电动机的冷却一般选择风冷，在电机上通常会加装高压吹风设施，用来进行高压通风，避免钻探作业过程中出现燃烧等安全事故发生。

1.2 管子处理装置总成

管子处理装置主要由背钳、旋转结构、吊环倾斜装置等部分组成，其中旋转结构能够独立运动并连接吊环，达到360°自由旋转的效果，可以任意抓取旋转至需要的位置；背钳上端与旋转头相连接，与旋转头一起旋转，一般配备有锁紧装置用来上卸扣时锁紧旋转头所用，背钳在作业中可以做到自动定心，具备非常好的使用性能，这种结构形式也容易理解，维修更加方便，是非常简洁实用的结构形式；吊环倾斜装置主要由倾斜油缸、吊环、吊卡等组成，吊环与吊耳相连接，可以实现顺方向和逆方向的运动。

1.3 液压系统

电动直驱顶驱液压系统主要由液压刹车、背钳紧锁、液压站、控制元件、管线等部分组成。主要变现形式为地面液压站形式，工作形式较为复杂，通常表现为通过液压动力源与控制执行系统来完成，液压站一般与其他设备的液压系统集成在一起。液压系统由PLC 电路与电控系统合并配合使用，方可真正实现钻机的液电程序配合控制。

1.4 电控系统

电动直驱顶驱电控系统有多种实时传感器的控制措施，确保顶驱电驱动在作业下的控制精度和输出转矩。在由专业操作人员通过控制台进行操控时，引入PLC 元件控制与控制装置实时通讯和操控，对仪表、电缆进行集成，性能有保证，抗干扰性好，可实现电动顶驱的机、电、液、通讯一体化集成操控，具有监控、报警、诊断、连锁等多种使用功能。

2 电动直驱顶部驱动的运行原理及状况

钻机电动直驱顶部驱动主要是通过电机直接驱动钻柱，实现钻井作业中的钻进、提钻、循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种操作。顶驱主机通过旋转机构将动力传递给钻杆组件，使其旋转，从而推动钻柱组件进行升降运动。这种运动主要是为了调整钻头的位置，以适应不同的钻井工况。顶驱主机通过旋转机构将动力传递给钻杆组件，使其旋转，从而带动钻柱组件进行回转运动。这种运动主要是为了实现钻井作业中的钻进和提钻动作。在循环钻井液的过程中，钻井液从钻柱组件的下端进入，然后通过循环阀向上输送，最后从上端排出。在接单根的过程中，顶驱系统会先将上端的管子固定住，然后向下移动钻柱组件，从而实现与下端管子的对接。在上卸扣和倒划眼的过程中，顶驱系统会通过旋转机构调整管子的位置，使其对齐或错开一定的角度，从而实现上卸扣和倒划眼操作。

3 电动直驱顶部驱动应用的优势

电动直驱顶驱设备是当代矿产勘查作业的重要先进设备，与传统钻机转盘旋转钻进相比，电动直驱顶驱在操控便捷、钻进高效、减少事故率、孔内实时监控等方面都有显著的优势。

3.1 节省接单根时间

自动直驱顶部驱动系统能够做到直接以立根钻进，可以不受方钻杆长度限制，这就避免了每9 m 接单根的繁琐工作程序，这就大大提高了矿产勘查作业效率，减少了至少一半的钻具连接时间，也就直接节省了钻井时间，缩短了建井周期，提高了经济效益。

3.2 倒划眼防止卡钻

电动直驱顶部驱动由于不接方钻杆就可以旋转和循环泥浆液，所以在节省时间的基础上，顶驱钻井装置能够顺利地将钻杆从井眼取出，遇到突发情况，不需要进行单根划眼，随时可以开启泥浆泵进行循环划眼，这样可以大大节省作业时间和降低事故发生率，提高安全系数。

3.3 有效提高人员安全性

电动直驱顶驱系统的使用可以大大缩短矿产勘查时间，且自动化水平高，可以大大降低钻井工人劳动强度，具有操作安全便利的特点，标志着现代矿产勘查设备逐渐智能化和自动化，进而直接最大限度地降低了钻井工人的劳动危险性，提高了安全系数，显著降低了安全事故的发生率。

3.4 有效提高井下安全性

在起下钻遇到异常时，顶驱的管子处理装置可立即连接并开启泥浆泵进行循环，进行划眼作业，减少了卡钻等情况的出现，顶驱系统一般还内置防喷器的功能，作业时如果出现井喷事故，司钻可在第一时间遥控钻杆上卸扣装置，迅速实现与钻杆柱的连接，从而及时循环钻井液，进而避免事故的发生。

3.5 有效提高设备安全性

电动直驱顶部驱动钻井设备可以实时观测上卸扣扭矩，有效避免上卸扣扭矩过大，一旦钻井作业过程中出现扭矩异常，电机可以自动实现停止旋转，等异常消除后再重新旋转钻进，保证了顶驱设备正常运转和使用，延长了设备使用年限，增加了顶驱的使用效益。

4 电动直驱顶部驱动的使用效果

4.1 效率和性能

采用电动直驱顶部驱动设备的钻机具有较高的钻孔效率和回拖速度，同时其钻孔精度和稳定性也表现较好。这种驱动方式的效率和性能相当于或超过传统驱动方式的钻机。

4.2 操作和界面

电动直驱顶部驱动钻机的操作系统和界面设计通常都相当直观和易于使用，机手可以快速地完成设置和操作。此外，许多现代化的操作系统还包括了自动化和智能化功能，这使得钻孔作业更加便捷和高效。

4.3 耐久性和维护

由于电动直驱顶部驱动钻机去除了传统驱动方式中的许多机械部件，因此其结构较为简单，维护和保养也更加方便。同时，由于其驱动方式的可靠性，其耐久性也较长，能够满足长期钻孔作业的需求。

4.4 噪音和振动

电动直驱顶部驱动钻机在运行过程中产生的噪音和振动较低，这使得操作者在钻孔作业过程中受到的影响较小。同时，这种驱动方式也有利于保护环境，减少对周围环境的影响。

4.5 经济性

电动直驱顶部驱动钻机的初始投资成本可能较高，但由于其节能高效的特性，长期使用下来运行成本和维护成本会比传统驱动方式的钻机更低。同时，由于其自动化和智能化功能，可以减少人力成本地使用，提高工作效率。

电动直驱顶部驱动钻机在效率和性能、操作和界面、耐久性和维护、噪音和振动以及经济性等方面都表现出相当高的优势。这种驱动方式的广泛应用将会改变传统钻孔作业的模式，提高工作效率和作业质量。

5 电动直驱顶部驱动技术的应用案例

本文以电动直驱顶驱设备在内蒙古SNO116-19H 定向井项目施工中的实际应用情况为例。

5.1 项目背景

内蒙古SNO116-19H 定向井项目是一个定向钻井项目，需要钻探的井眼路径并不是一条直线，而是需要不断调整钻头的方向和角度，以绕过地下的断层和裂缝等复杂地质条件。

在这个项目中，电动直驱顶部驱动技术被用于解决这个问题。顶部驱动技术是一种先进的钻井设备，它可以将动力传输到顶部的驱动装置，直接驱动钻具旋转钻进，而不需要使用方钻杆。相比传统钻机，它可以更快地更换钻头和钻具，更好地控制钻进过程，提高钻井效率，并减少井下复杂情况的发生。

5.2 应用效果

在内蒙古SNO116-19H 定向井项目中，顶部驱动技术被用于滑动钻井和导向。

在滑动钻井过程中，顶部驱动技术通过旋转控制头和刚性管线总成之间形成的配合间隙来实现压力调节、水平稳定、动力传输、速度控制以及自动测斜等功能。这样可以更好地控制钻头的行进方向和深度，避免钻头偏离井眼路径或过度推进。

而在导向过程中，顶部驱动技术可以通过调节钻头的姿态和角度来精确控制井眼的走向，以确保钻头能够沿着正确的路径前进。它还可以通过控制钻压、转速及循环系统工作参数等措施来调整钻头的钻进方向和深度。

5.3 应用反馈

内蒙古SNO116-19H 定向井项目能够更好地应对复杂的地质条件，提高钻井效率和质量，并确保钻井作业的安全和顺利进行。建设方对电动直驱顶驱钻井设备在实际应用中的表现非常满意，他们对该设备的稳定性和效率给予了高度评价，并表示这将大大提高他们的钻井效率和精度。

电动顶部驱动设备是一种先进的钻井设备，具有许多显著的优点和良好的应用效果，能够满足各种钻井项目需求。

6 顶部驱动技术的发展趋势探析

我国电动直驱顶部驱动的未来发展趋势是侧部驱动系统的研发及应用，侧部驱动相较顶部驱动结构更加简单，成本更加低廉，其区别于顶驱系统的几点优势有：

1）侧部驱动系统可保留传统钻机转盘作为动力源的设计，提高传统钻机设备使用效益，降低改造成本；

2）侧部驱动系统在使用效果上与顶驱系统保持同等水平的前提下，经济性更高。

7 结语

电动直驱顶部驱动设备是近些年现代化钻井技术的一大标志，在矿产勘查施工作业中的应用十分显著，电动直驱顶部驱动设备自动化水平高，可以大大降低钻井工人劳动强度，显著提高生产效率，缩短建井周期，提高安全系数，降低项目成本，最终实现经济效益的提升。因此电动直驱顶部驱动设备是矿产勘查设备技术发展的新趋势，未来将得到越来越多的普及和使用。