岩心钻机卡盘卡瓦硬质合金块排列方向的改进

李旭文，李欣，吕祥利，宋海燕，贾秋跃

(1.张家口中地装备探矿工程机械有限公司，河北 张家口 075026；2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

岩心钻机卡盘卡瓦硬质合金块排列方向的改进

李旭文1，李欣2，吕祥利1，宋海燕1，贾秋跃1

(1.张家口中地装备探矿工程机械有限公司，河北 张家口 075026；2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

作者结合XY-8型钻机的改进，对岩心钻机卡盘卡瓦硬质合金块排列方向进行了研究分析。研究分析认为，在深孔岩心钻机中，硬质合金块横向排列具有一定的结构优势，不易脱落，可以在深孔岩心钻机研制时采用。

岩心钻机；卡盘；卡瓦；硬质合金

0 引言

卡盘是岩心钻机的重要部件，其作用是卡紧主动钻杆或直接卡紧机下钻杆，通过孔内钻杆将动力传递到孔底钻头使其回转切削岩石，同时通过加减压装置增加或减少孔底钻头对岩石的钻压以使钻进以正确的钻进参数进行。卡盘的夹紧元件分为卡瓦式和柱销式，分别应用于无缺口主动钻杆和有缺口主动钻杆。

本文只讨论卡瓦式的卡盘(以下称卡盘皆为卡瓦式卡盘),而卡盘卡紧主动钻杆或直接卡紧机下钻杆的元件就是卡瓦，卡瓦上一般镶嵌硬质合金块做为卡紧主动钻杆或直接卡紧机下钻杆的元件。以下对硬质合金块在卡瓦上的排列方向做一探讨。

1 岩心钻机卡盘工作情况

岩心钻机在钻进岩石的过程中要求钻头有合适的钻压和转速以刻划、磨削岩石完成钻进。这些功能都靠卡瓦夹持主动钻杆或机下钻杆通过孔内钻杆、钻头来完成。为达到合适的钻进速度和控制钻孔质量，就需要用卡瓦夹持主动钻杆或机下钻杆进行加减压作业和提供合适的钻头转速及扭矩。浅孔时一般需加压给进，深孔时要进行减压钻进。

以S75钻具为例，一般情况下需要钻压为7～15 kN，而S75钻具单位重量81.4 N/m，100 m钻具重量达到8.14 kN，很浅的孔深就达到了某种地层所需要的钻压。因此在深孔钻进过程中，大部分时间处于减压状态。以S75钻具钻进3000 m孔深为例，3000 m钻具重量为244.2 kN，除去钻进所需要的钻压及钻井液对钻具产生的浮力等因素，大部分重量要靠卡盘卡瓦硬质合金块卡紧主动钻杆或直接卡紧机下钻杆并通过减压装置来调节钻压。据有关资料记载，钻机的扭矩不是随着孔深的增加以直线形式增加，而是增加的较为平缓，克服随着孔深的加深而增加的钻具重量是深孔岩心钻机研制中要解决的主要问题之一。

2 现有卡盘卡瓦硬质合金块排列方向及特点

现有卡盘卡瓦硬质合金块一般为纵向排列，即与钻机给进方向一致。如图1为六方主动钻杆卡瓦，用于卡紧六方主动钻杆；图2为圆主动钻杆卡瓦，用于卡紧圆或两方主动钻杆或机下钻杆。

图1 六方主动钻杆卡瓦

图2 圆主动钻杆卡瓦

硬质合金块纵向排列，与卡瓦体之间用铜焊焊住。所用硬质合金块规格一般为25 mm×10 mm×5 mm，与主动钻杆接触面制有尖牙。用于卡紧六方主动钻杆的硬质合金块接触面为平面，用于卡圆或两方主动钻杆或机下钻杆的硬质合金块接触面为圆弧面。硬质合金的硬度很高，常温下一般可达HRA 80以上，最高可达HRA 93，是岩心钻机卡盘卡瓦理想的夹紧元件。硬质合金加工方式为硬质合金粉末与粘结剂压制成型后烧结而成，一般不再进行机械加工，因此硬质合金块尺寸精度不高。硬质合金块与卡瓦体之间留有一定的间隙，用铜焊焊接。

图1和图2为我公司为XY-8型钻机上卡盘改进前设计的卡瓦，每个上卡盘有两块或三块卡瓦，每个卡瓦有3个硬质合金条，每个硬质合金条由4块硬质合金用铜焊焊接在卡瓦体的凹槽内。

3 改进后的卡盘卡瓦硬质合金排列方向及特点

改进前每个硬质合金条由4块硬质合金块组成，总长100 mm。由于硬质合金块在烧结后不再进行机械加工，尺寸精度不高，为了硬质合金块能在卡瓦体的凹槽内镶嵌，卡瓦体的凹槽与硬质合金块之间留有较大的间隙，间隙用铜焊填充。由于深孔时，钻具的重量大加上钻进时钻具的振动，很可能超出了铜焊的强度极限，导致硬质合金块滑移、脱落。

为了解决这一问题，我公司对XY-8型钻机上卡盘卡瓦硬质合金块排列方向进行了改进，如图3和图4所示，分别应用于六方主动钻杆和圆或两方主动钻杆或机下钻杆。

图4 改进后圆主动钻杆卡瓦

这样做的好处是，当由于钻具的重量大或钻进时钻具的振动导致硬质合金块与在卡瓦体的凹槽之间的铜焊发生滑移、翻转时，如图5所示，硬质合金块的A点和B点与卡瓦体的凹槽发生接触。由于硬质合金块与卡瓦体的凹槽间隙不是很大，不像硬质合金块纵向排列时会产生累积间隙，它们之间发生翻转的角度很小。据推测没有超出铜焊的屈服强度的变形量，硬质合金块没有与铜焊分离，这样就保证了在深孔岩心钻进中硬质合金块不易脱落。

图5 横置硬质合金块受力变形示意图

我公司已在XY-8型钻机的改进中使用了图3所示的卡瓦，用于六方主动钻杆。在此项改进完成后，XY-8型钻机未发生上卡盘卡瓦硬质合金块脱落现象。用于卡圆或两方主动钻杆与机下钻杆硬质合金块卡瓦如图4所示，由于现阶段没有该规格的硬质合金块而暂时没有实施改进。

4 结论

卡盘是岩心钻机的重要部件，硬质合金块是卡紧主动钻杆的重要元件，纵向排列是传统方式，随着孔深的增加不能满足全部钻孔的需要。经过研究分析，考虑到使用习惯和硬质合金块原料的供应情况，我们认为，在使用S75钻具钻深2000 m以浅时，硬质合金块排列方向仍采用纵向排列；在钻深超2000 m以后，硬质合金块排列方向采用横向排列。以上是我们对卡盘卡瓦硬质合金块排列方向的一点思考，有不妥或不正确的地方请各位专家、实际使用者批评指正。

[1] 武汉地质学院. 岩心钻探设备及设计原理[M]. 北京:地质出版社, 1980.

[2] 王达, 何远信. 地质钻探手册[M]. 长沙:中南大学出版社, 2014.

2017-08-19

李旭文(1963-)，男，河北香河人，张家口中地装备探矿工程机械有限公司首席设计师，教授级高工，探矿工程专业，主要从事钻机研发工作。

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