背钳在岩芯钻机上的应用前景

郭坤，宋殿兰，刘家荣，刘文武

（北京探矿工程研究所，北京100083）

背钳在岩芯钻机上的应用前景

郭坤*，宋殿兰，刘家荣，刘文武

（北京探矿工程研究所，北京100083）

系统地介绍了顶驱钻机中背钳的卸扣原理，具有体积小、劳动强度低、保护钻杆等功能，其在岩芯钻机中作为卸扣装置有一定的应用前景。

背钳；卸扣；钻探

1　概述

背钳装置是顶驱钻机系统井架上随顶驱沿20～30m导轨上下滑动的钻杆上扣装置，其具有效率高、自动化程度高等特点。顶驱是石油钻井、尤其是海上石油钻井与修井普遍采用的钻井设备，最早由国外引入，具有长行程、立根钻进、开泵提钻、下钻扫孔功能，处理卡钻、埋钻事故能力强等特点［1］。背钳作为顶驱钻机的上卸扣装置，主要作用是在钻机需要上卸扣时，其内部油缸加压压紧下端钻柱或钻杆的上接头，由顶驱主轴正转或反转实现顶驱在20～30m行程范围内钻杆与顶驱之间上扣和卸扣，在上卸扣的过程中背钳能上下浮动实现保护钻杆接头丝扣的目的，是一种较为先进的上卸扣装置［2］。

2　目前岩芯钻机的上卸扣的局限性

现有立轴或者动力头岩芯钻机作为地质钻探施工的主要设备，钻机上的上卸扣装置具有以下特点：

（1）提下钻的过程中发生卡钻与埋钻事故的情况下，回转器已经移开孔口，不能再接上钻杆，无法进行开泵扫空，处理事故能力较弱。

（2）对钻杆丝扣的保护不足。钻杆在上卸扣的过程中，钻杆之间会轴向移动，挤压尚未脱开的内外丝扣导致钻杆丝扣严重损坏。这也是岩芯钻探施工过程中较大的成本损耗，随着岩芯钻塔深度的加大，钻杆丝扣磨损导致的成本增加会更大。

（3）现有液气大钳式上卸扣装置只能在孔口位置上扣和卸扣，仍需人工推拉定位，设备笨重，自动化程度较低。需要专门的工位值守，劳动强度相对较大。

3　背钳的原理

背钳安装于顶驱回转器上，在提下钻的过程中随顶驱整体移动，可以随顶驱在任意时候任意位置完成上卸扣作业，实现开泵提钻下钻扫孔作业［3］。背钳在结构形式上主要有2种，一种是环形背钳，其特点是对中性好，无需锁紧机构，但是维修保养极不方便，应用较少。另一种结构形式是侧挂式背钳，相对环形背钳具有维保方便，使用简单等特点，现场应用较多。本文以侧挂式背钳来阐述背钳的工作原理。

背钳主要由背钳支架、背钳拖座、钳体、活塞、卡瓦体及牙板、活门、前后扶正器、前后导入器等组成［4］。具体示意图如图1所示。

图1　DQ70BSC侧挂式背钳结构图

当钻杆的接头处通过导入器到达背钳的牙板处后，液压油进入钳体活塞腔后，高压油驱动活塞带动后卡瓦体及牙板伸出接触钻杆接头一侧后，活塞继续伸出导致钻杆对背钳整体会施加一个反作用力，前卡瓦提及牙板在反作用力的接触钻杆接头的另一侧，此过程中前扶正器弹簧压缩。通过上述过程背钳实现自动对中夹紧的功能。

卸扣功能。在活塞到达预订位置后，主轴低速大扭矩反向旋转，主轴或者接头与钻杆之间的螺纹缓慢松开达到松扣的目的。继续反向旋转以是主轴或接头与钻杆完全松开达到脱扣的目的，背钳钳体带动钻杆往下压缩位移弹簧与主轴或者接头完全脱离。卸扣完成后，背钳松开钻杆，整个卸扣功能分为松扣、脱扣、背钳松开3个过程。

上扣功能。在顶驱带动背钳整体下降的过程中，将钻杆对准背钳的导入器，钻杆接头螺纹与主轴或接头螺纹对正，以上动作完成对准动作。主轴低速大扭矩旋转，将主轴或者接头螺纹旋入钻杆接头螺纹中已到达旋扣目的。旋扣完成后，背钳活塞到达预定位置夹紧钻杆接头，主轴继续低速大扭矩旋转至预定的扭矩值以达到紧扣的目的。上扣完成后，背钳松开钻杆，整个上扣功能分为对正、旋扣、紧扣、背钳松开4个过程，如图2所示。

图2　背钳上扣与卸扣作业顺序

4　结论和建议

（1）由于顶驱钻机与普通岩芯钻机主轴与钻杆的连接方式是完全相同的，背钳的原理运用到岩芯钻机是完全可行的。

（2）背钳运用到岩芯钻机还具有一定的局限性。由于背钳中具有液压机构，其与全液压岩芯钻机的配套的效果可能更好。

（3）背钳小型化的使命。由于顶驱钻机的使用钻杆直径较大，岩芯钻机使用钻杆直径相对较小。背钳还不能直接用于岩芯钻机，需在小型化的方向做一些研究。

［1］刘宪全，李效生.深孔地质岩芯钻机发展方向——顶部驱动［J］.探矿工程，2009（增刊）：29-31.

［2］蒋谊，陈俊，王信军，等.新型直驱式顶部驱动装置［J］.石油机械，2011，39（7）：56-59.

［3］韩兵奇，李连峰，高栋梁，等.DQ70型顶驱钻井装置动力驱动系统研究［J］.2011，40（9）：21-26.

［4］黄洪波，张文举，臧臣坤，等.深部取心钻探拧卸工具机械化的思考和实践［J］.探矿工程，2011，38（7）：1-4.

Application Prospect of Back Tong in Core Drill

GUO Kun，SONG Dian-lan，LIU Jia-rong，LIU Wen-wu
（Beijing Institute of Prospecting Engineering，Beijing100083，China）

The shackle principle of the back tong in the top drive rig was systematically introduced，which with a compact size，low labor intensity，protection drill pipe and other functions，so it has a certain application prospects as a shackle core rig device.

back tong；shackle；drilling

P634.3

B

1004-5716（2016）10-0022-02

2015-11-12

2015-12-01

中国地质调查“西北地主主要城市地下水污染的调查评价（12120113016400）”项目资助。

郭坤（1985-），男（汉族），湖北仙桃人，工程师，现从事钻探设备研究工作。