QK70型孔口卡盘在铀矿地质科学钻孔中的应用

2014-03-01周志诚臧臣坤孙军盈杨硕

地质装备 2014年3期

周志诚，臧臣坤，孙军盈，杨硕

（广东省核工业地质局二九三大队，广州 510800；中国地质装备集团有限公司，北京 100102）

长期以来，地质岩心钻探通常采用木马夹持器作为孔口夹持工具，在起下钻过程中，需要工人不停地操作夹持器，并需要司钻与孔口操作人员配合默契。注意力稍不集中，就有可能导致人身安全及孔内事故的发生，而且劳动强度高，作业效率低。在石油钻修井作业中，经常会使用气动卡盘，但形体较大、较为笨重夹持通过口径大，不完全适用于小口径岩心钻探的地质钻杆及绳索取心钻杆。

在核工业铀矿科学钻探1号孔实施全孔取心钻探过程中，目标孔深2500m，实际取心深度2818.88m，设计孔身与钻杆规格有N、H、P三种，最大钻头口径Ф122mm，夹持钻杆（套管）直径较为宽泛，从Ф71mm～114mm，重量高达60t，频繁起下钻、加接钻杆对于孔口夹持的安全性、操控性提出了较高的要求。最终，采用了中国地质装备集团有限公司针对项目专门研制的QK70型气动卡盘，顺利完成该项目全孔取心钻探的目标，得到施钻人员的一致肯定。

1 QK70型孔口卡盘的工作原理

1.1 卡盘的机械结构

QK70型孔口卡盘，由主体、左曲轴、右曲轴、连杆、气缸、卡瓦、止退块、转动臂、活动销、活门等部件组成（图1）。气动卡瓦有两个对分的卡瓦组件，卡瓦连接在转动臂上，转动臂的另一端分别连接在右曲轴和左曲轴上，左、右曲轴通过连杆相连。气缸驱动曲柄连杆，曲轴绕中心转动，从而实现卡瓦提升松开钻杆，卡瓦放下卡紧钻杆的功能。气动卡盘设计有止动块，止退块与连杆上的台肩啮合时，可阻止曲轴转动。当卡瓦咬紧钻杆且止退块与连杆台肩啮合时，可有效防止钻杆的意外松动。

图1

1.2 卡盘的自动控制

如图2所示，QK70型孔口卡盘的气缸，两腔通过气管连接到司钻操控台的三位四通34JR6手动换向阀，换向阀的进气口衔接到空压机的储气罐。气源供压0.8MPa，3m3气量，手动换向阀有“松开、夹持、停止”三个操作位置，通过操控气缸的往复运动和卡盘的机械结构，司钻工人可以在司钻房及操作台实现对孔口卡盘的机械化操控，而不必需要一个孔口辅助作业者，同时，也便于司钻人员同时进行旗下钻杆的动作协调以及作业的流畅性。

1.3 孔口卡盘的特点

QK70型孔口卡盘是配套深孔岩心钻机用的孔

1）QK70型孔口气动卡盘采用压缩空气驱动卡瓦夹持、松开，动作迅速，辅助时间短，提高钻进效率；在不具备气源的钻井现场，也可采用钻机的液压系统作为其动力源；卡盘同时具备手动开合功能，在紧急情况下也可采用人工手动夹持松开钻杆，适用性强。

2）采用传统的木马或加重木马夹持器需要钻工在孔口进行辅助作业，进行深孔钻探作业时，伴随着动力装置及钻杆在井口的升降、泥浆对于环境的污染，频繁进行夹持器的人工开合作业，不仅劳动量大，强度大，而且司钻人员与辅助钻工一旦协调不好，势必产生人身危险与孔内安全事故。而QK70型孔口卡盘由司钻一个人操控，无需辅助作业，节约施工成本；采用空气或液压把持管柱，机械化程度增强，极大地降低了工人的劳动强度。

3）QK70型孔口卡盘放置于孔口平台上，不必与平台固定，可确保处于夹持状态的钻杆柱在径向平面上的适度转动以及轻微漂移，这样的好处是：不会对加接杆或者起下钻时的动力钳拧卸产生空间位置的干涉或障碍。

4）QK70型孔口卡盘通过范围大（Ф60～127mm），仅需更换卡瓦座上的相应卡瓦片规格，即可适用不同规格的钻杆，更换卡瓦片简单方便，适用范围广；

5）QK70型气动卡盘为4瓣卡瓦式卡盘，比2瓣式木马夹持器在扣合钻杆柱时的吻合度更高，把持钻杆更为可靠，寿命更长。

6）QK70型孔口卡盘仍然采用卡瓦的外锥与卡盘体内锥的自锁结构，不仅可实现手动操控，铸造的基体具备较大的承载力，特别适用于深孔钻探。

图2 控制原理

2 施工应用

2.1 工程概况

核工业中国铀矿地质科学钻探1号孔位于江西省乐安县和崇仁县交界的相山地区，是我国特大型火山岩型铀矿。铀矿科钻1号孔设计深度2500m，设计三层井身结构，钻杆柱规格为N、H、P三种规格，采用金刚石绳索取心钻进工艺，采用中国地质装备集团有限公司的XD35DB电驱动顶驱式岩心钻机施工，孔口卡盘作为顶驱钻进系统进行起下钻、加接杆、打捞岩心作业的井口配套装置。该项目设计工期10个月。项目于2012年7月21日开钻，2013年5月3日结束，历时283天，钻进深度达2818.88m，QK70型孔口卡盘经过2818多米全孔P口径取心作业的检验，取得了良好的效果，得到施工单位的全面肯定。

2.2 施工应用情况

QK70型孔口气动卡盘（图3），座在孔口平台上，由0.8MPa压缩空气驱动，卡盘由司钻房操作台上的手动换向阀控制，换向阀由空压机及气罐提供压力，执行端与卡盘气缸连接。司钻操作手动换向阀的“夹紧、松开、停止”，实现卡盘的夹持与松开，配合打捞、吊卡起下钻与动力钳的拧卸作业，实现设备高度的集成化、自动化，降低了孔口操作人员的劳动强度。

图3 钻井平台

2.3 应用效果

QK70型孔口卡盘在整个科钻1号孔2818.88m全孔取心中使用，卡盘可有效地夹持Ф114外平的绳索取心钻杆杆体，不论对于浅孔段的几十公斤钻杆柱还是深孔段的60多吨钻杆柱的夹紧，不论是起下钻、拧卸、打捞过程均未发生钻杆打滑现象，安全可靠；手动换向阀手柄固定于司钻房内，由司钻人员便捷操作，节省孔口人员，作业流畅，没有人员配合之间的偏差与危险；吊卡采用压缩空气作为动力，夹持和打开的时间很短，每次不超过1秒，提高了施工效率。在XD35DB电驱动钻机顶驱钻进系统作业过程中，将顶驱装置、卡盘、吊卡、卸扣钳一体化配套使用，都由司钻进行统一协调，极大地缩短钻进辅助时间，节约了成本和时间。