背鉗在巖芯鉆機上的應用前景

郭坤，宋殿蘭，劉家榮，劉文武

（北京探礦工程研究所，北京100083）

背鉗在巖芯鉆機上的應用前景

郭坤*，宋殿蘭，劉家榮，劉文武

（北京探礦工程研究所，北京100083）

系統地介紹了頂驅鉆機中背鉗的卸扣原理，具有體積小、勞動強度低、保護鉆桿等功能，其在巖芯鉆機中作為卸扣裝置有一定的應用前景。

背鉗；卸扣；鉆探

1　概述

背鉗裝置是頂驅鉆機系統井架上隨頂驅沿20～30m導軌上下滑動的鉆桿上扣裝置，其具有效率高、自動化程度高等特點。頂驅是石油鉆井、尤其是海上石油鉆井與修井普遍采用的鉆井設備，最早由國外引入，具有長行程、立根鉆進、開泵提鉆、下鉆掃孔功能，處理卡鉆、埋鉆事故能力強等特點［1］。背鉗作為頂驅鉆機的上卸扣裝置，主要作用是在鉆機需要上卸扣時，其內部油缸加壓壓緊下端鉆柱或鉆桿的上接頭，由頂驅主軸正轉或反轉實現頂驅在20～30m行程范圍內鉆桿與頂驅之間上扣和卸扣，在上卸扣的過程中背鉗能上下浮動實現保護鉆桿接頭絲扣的目的，是一種較為先進的上卸扣裝置［2］。

2　目前巖芯鉆機的上卸扣的局限性

現有立軸或者動力頭巖芯鉆機作為地質鉆探施工的主要設備，鉆機上的上卸扣裝置具有以下特點：

（1）提下鉆的過程中發生卡鉆與埋鉆事故的情況下，回轉器已經移開孔口，不能再接上鉆桿，無法進行開泵掃空，處理事故能力較弱。

（2）對鉆桿絲扣的保護不足。鉆桿在上卸扣的過程中，鉆桿之間會軸向移動，擠壓尚未脫開的內外絲扣導致鉆桿絲扣嚴重損壞。這也是巖芯鉆探施工過程中較大的成本損耗，隨著巖芯鉆塔深度的加大，鉆桿絲扣磨損導致的成本增加會更大。

（3）現有液氣大鉗式上卸扣裝置只能在孔口位置上扣和卸扣，仍需人工推拉定位，設備笨重，自動化程度較低。需要專門的工位值守，勞動強度相對較大。

3　背鉗的原理

背鉗安裝于頂驅回轉器上，在提下鉆的過程中隨頂驅整體移動，可以隨頂驅在任意時候任意位置完成上卸扣作業，實現開泵提鉆下鉆掃孔作業［3］。背鉗在結構形式上主要有2種，一種是環形背鉗，其特點是對中性好，無需鎖緊機構，但是維修保養極不方便，應用較少。另一種結構形式是側掛式背鉗，相對環形背鉗具有維保方便，使用簡單等特點，現場應用較多。本文以側掛式背鉗來闡述背鉗的工作原理。

背鉗主要由背鉗支架、背鉗拖座、鉗體、活塞、卡瓦體及牙板、活門、前后扶正器、前后導入器等組成［4］。具體示意圖如圖1所示。

圖1　DQ70BSC側掛式背鉗結構圖

當鉆桿的接頭處通過導入器到達背鉗的牙板處后，液壓油進入鉗體活塞腔后，高壓油驅動活塞帶動后卡瓦體及牙板伸出接觸鉆桿接頭一側后，活塞繼續伸出導致鉆桿對背鉗整體會施加一個反作用力，前卡瓦提及牙板在反作用力的接觸鉆桿接頭的另一側，此過程中前扶正器彈簧壓縮。通過上述過程背鉗實現自動對中夾緊的功能。

卸扣功能。在活塞到達預訂位置后，主軸低速大扭矩反向旋轉，主軸或者接頭與鉆桿之間的螺紋緩慢松開達到松扣的目的。繼續反向旋轉以是主軸或接頭與鉆桿完全松開達到脫扣的目的，背鉗鉗體帶動鉆桿往下壓縮位移彈簧與主軸或者接頭完全脫離。卸扣完成后，背鉗松開鉆桿，整個卸扣功能分為松扣、脫扣、背鉗松開3個過程。

上扣功能。在頂驅帶動背鉗整體下降的過程中，將鉆桿對準背鉗的導入器，鉆桿接頭螺紋與主軸或接頭螺紋對正，以上動作完成對準動作。主軸低速大扭矩旋轉，將主軸或者接頭螺紋旋入鉆桿接頭螺紋中已到達旋扣目的。旋扣完成后，背鉗活塞到達預定位置夾緊鉆桿接頭，主軸繼續低速大扭矩旋轉至預定的扭矩值以達到緊扣的目的。上扣完成后，背鉗松開鉆桿，整個上扣功能分為對正、旋扣、緊扣、背鉗松開4個過程，如圖2所示。

圖2　背鉗上扣與卸扣作業順序

4　結論和建議

（1）由于頂驅鉆機與普通巖芯鉆機主軸與鉆桿的連接方式是完全相同的，背鉗的原理運用到巖芯鉆機是完全可行的。

（2）背鉗運用到巖芯鉆機還具有一定的局限性。由于背鉗中具有液壓機構，其與全液壓巖芯鉆機的配套的效果可能更好。

（3）背鉗小型化的使命。由于頂驅鉆機的使用鉆桿直徑較大，巖芯鉆機使用鉆桿直徑相對較小。背鉗還不能直接用于巖芯鉆機，需在小型化的方向做一些研究。

［1］劉憲全，李效生.深孔地質巖芯鉆機發展方向——頂部驅動［J］.探礦工程，2009（增刊）：29-31.

［2］蔣誼，陳俊，王信軍，等.新型直驅式頂部驅動裝置［J］.石油機械，2011，39（7）：56-59.

［3］韓兵奇，李連峰，高棟梁，等.DQ70型頂驅鉆井裝置動力驅動系統研究［J］.2011，40（9）：21-26.

［4］黃洪波，張文舉，臧臣坤，等.深部取心鉆探擰卸工具機械化的思考和實踐［J］.探礦工程，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

中國地質調查“西北地主主要城市地下水污染的調查評價（12120113016400）”項目資助。

郭坤（1985-），男（漢族），湖北仙桃人，工程師，現從事鉆探設備研究工作。