實(shí)用三牙輪鉆頭拆卸裝置的研發(fā)

摘要：本文介紹了三牙輪鉆頭拆卸裝置應(yīng)用領(lǐng)域、存在問題及開發(fā)該產(chǎn)品前景。重點(diǎn)分析了三牙輪鉆頭拆卸裝置研發(fā)的設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。通過研發(fā)出一種三牙輪鉆頭自動(dòng)拆卸裝置，取代手工拆卸三牙輪鉆頭作業(yè)方式，降低鉆進(jìn)成本，提高三牙輪鉆頭施工作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：三牙輪鉆頭 拆卸裝置 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 研發(fā)

1 三牙輪鉆頭拆卸裝置研發(fā)的背景

三牙輪鉆頭被廣泛地應(yīng)用在石油鉆井行業(yè)中，產(chǎn)品目前已經(jīng)形成多個(gè)系列[1]。市場(chǎng)需求量大，在石油、勘探、水井以及各種鉆探行業(yè)中牙輪鉆頭是不可缺少的重要部分。三牙輪鉆頭是國(guó)內(nèi)外最廣泛的鉆井鉆頭之一，具有適應(yīng)地層廣，機(jī)械鉆速高等特點(diǎn)，由切削結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)、鎖緊元件、儲(chǔ)油密封裝置、噴嘴裝置等零部件構(gòu)成。為滿足國(guó)內(nèi)油氣需求，國(guó)內(nèi)逐年加大石油、天然氣勘探開發(fā)力度。預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)鉆井對(duì)三牙輪鉆頭的年需求量增加7萬(wàn)只/年。國(guó)家對(duì)地鐵、礦山等大型工程的建設(shè)，需要大量的工程鉆頭和礦用鉆頭[2]。

牙輪鉆機(jī)是露天礦山的重要鉆采設(shè)備，牙輪鉆頭消耗占鉆孔成本的50%，牙輪鉆頭的使用壽命直接影響牙輪鉆機(jī)施工的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[3]。三牙輪鉆頭在鉆壓和鉆柱旋轉(zhuǎn)的作用下，牙齒壓碎并吃入巖石，同時(shí)產(chǎn)生一定的滑動(dòng)而剪切巖石。當(dāng)牙輪在井底滾動(dòng)時(shí)，牙輪上的牙齒依次沖擊、壓入地層，這個(gè)作用可以將井底巖石壓碎一部分，同時(shí)靠牙輪滑動(dòng)帶來(lái)的剪切作用削掉牙齒間殘留的另一部分巖石，使井底巖石全面破碎，井眼得以延伸。

目前，國(guó)外在三牙輪鉆頭鉆探施工中，配套使用其自動(dòng)裝拆裝置，提高了鉆探效率。國(guó)內(nèi)同類施工中，裝拆鉆頭還需手工將鉆頭與鉆桿螺紋震松后，拆卸鉆頭。目前使用的油氣井、水井鉆機(jī)更換或拆卸三牙輪鉆頭作業(yè)操作時(shí)，主要依靠人工用管鉗子將三牙輪鉆頭進(jìn)行拆卸，很容易損壞鉆桿螺紋部分，使用不方便，其效率低下，導(dǎo)致鉆進(jìn)成本升高。在此背景下，開發(fā)出一種利用鉆井鉆機(jī)設(shè)備自動(dòng)拆卸鉆頭的裝置，是至關(guān)重要的。因此設(shè)計(jì)一種可以快速裝拆牙輪鉆頭工具，并將該工具固定在鉆機(jī)平臺(tái)上，利用鉆機(jī)動(dòng)力頭主軸反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩就可以快速更換或拆卸三牙輪鉆頭的拆卸工具，從而大大減小鉆頭備件更換或拆卸時(shí)間，可降低鉆進(jìn)成本，提高施工作業(yè)效率。

2 三牙輪鉆頭拆卸裝置研發(fā)的主要內(nèi)容

2.1 進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)研和查閱文獻(xiàn)

通過查閱文獻(xiàn)和對(duì)省內(nèi)外的地質(zhì)鉆探企業(yè)三牙輪鉆機(jī)及配套裝置產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研。了解三牙輪鉆頭施工拆卸中存在的問題。

2.2 三牙輪鉆頭組成及結(jié)構(gòu)原理分析

三牙輪鉆頭是應(yīng)用最廣泛的鉆井鉆頭之一，具有適應(yīng)地層廣，機(jī)械鉆速高的特點(diǎn)。如圖1所示，三牙輪鉆頭由切削結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)、鎖緊元件、儲(chǔ)油密封裝置、噴嘴裝置等二十多種零部件組成。三牙輪的工作原理分析：牙輪鉆頭在鉆壓和鉆柱旋轉(zhuǎn)的作用下，牙齒壓碎并吃入巖石，同時(shí)產(chǎn)生一定的滑動(dòng)而剪切巖石。當(dāng)牙輪在井底滾動(dòng)時(shí)，牙輪上的牙齒依次沖擊、壓入地層，這個(gè)作用可以將井底巖石壓碎一部分，同時(shí)靠牙輪滑動(dòng)帶來(lái)的剪切作用削掉牙齒間殘留的另一部分巖石，使井底巖石全面破碎，井眼得以延伸。

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圖1 國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭外形圖

2.3 三牙輪鉆頭拆卸裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

為克服現(xiàn)有油氣井、水井鉆機(jī)施工作業(yè)時(shí)的上述弊病，該設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、使用可靠、不用管鉗子等手工工具，就可實(shí)現(xiàn)拆裝的實(shí)用三牙輪鉆頭拆卸裝置。

本設(shè)計(jì)裝置解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案，如圖2所示：

它包括夾爪圈1、夾爪座2、支撐板3、配重塊4、底座5、擋塊6、筋板7、夾爪8、水孔9。支撐板3、筋板7中間設(shè)有水孔9，擋塊6為扇形臺(tái)結(jié)構(gòu)，夾爪座2、底座5均采用厚壁管制成；所述的夾爪圈1設(shè)有三個(gè)夾爪8，為均布結(jié)構(gòu)，均布的三夾爪工作時(shí)卡在三牙輪鉆頭牙輪內(nèi)，夾爪圈1、支撐板3分別與夾爪座2焊在一起，底座5與支撐板3焊在一起。配重塊4、擋塊6、筋板7再分別與底座5焊在一起。底座5、筋板7、擋塊6、配重塊4組成的焊接體，并安放在鉆機(jī)的工作平臺(tái)上，擋塊6防止該拆卸裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆機(jī)動(dòng)力頭反鉆時(shí)，即可快速更換或拆卸三牙輪鉆頭。

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圖2 三牙輪鉆頭拆卸裝置裝配圖

2.4 三牙輪鉆頭拆卸裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為克服現(xiàn)有油氣井、水井鉆機(jī)施工作業(yè)時(shí)的手工拆卸鉆頭弊病，本設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、使用可靠、不用管鉗子等手工工具，就可實(shí)現(xiàn)拆裝的實(shí)用三牙輪鉆頭拆卸裝置，具有較大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過研究將三牙輪鉆頭鉆進(jìn)施工中的手工拆卸鉆頭作業(yè)方式改為自動(dòng)拆卸裝置，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，結(jié)構(gòu)合理。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，具有價(jià)格低、性能穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，有良好的性價(jià)比，該裝置可以快速裝拆牙輪鉆頭工具，并將該工具固定在鉆機(jī)平臺(tái)上，利用鉆機(jī)動(dòng)力頭主軸反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩就可以快速更換或拆卸三牙輪鉆頭的拆卸工具，從而大大減小鉆頭備件更換或拆卸時(shí)間，降低鉆進(jìn)成本，提高施工作業(yè)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊聞達(dá).復(fù)合鉆井條件下三牙輪鉆頭的運(yùn)動(dòng)仿真[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（11）：29-33.

[2]王雷.四川石油機(jī)械行業(yè)持續(xù)重組發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃[D].對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2007，6：19-20.

[3]卜長(zhǎng)根，王成彪.礦用牙輪鉆頭球齒干涉原因分析[J].地質(zhì)與勘探，2000，36（6）：79-81.

基金項(xiàng)目：

本文受2014年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)2014R466005）資助。

作者簡(jiǎn)介：

徐奇麒（1994-），男，浙江余姚人，大專，主要研究方向：模具設(shè)計(jì)與制造。