周志誠(chéng)，臧臣坤，孫軍盈，楊碩

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)局二九三大隊(duì)，廣州 510800；中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102）

長(zhǎng)期以來(lái)，地質(zhì)巖心鉆探通常采用木馬夾持器作為孔口夾持工具，在起下鉆過(guò)程中，需要工人不停地操作夾持器，并需要司鉆與孔口操作人員配合默契。注意力稍不集中，就有可能導(dǎo)致人身安全及孔內(nèi)事故的發(fā)生，而且勞動(dòng)強(qiáng)度高，作業(yè)效率低。在石油鉆修井作業(yè)中，經(jīng)常會(huì)使用氣動(dòng)卡盤(pán)，但形體較大、較為笨重夾持通過(guò)口徑大，不完全適用于小口徑巖心鉆探的地質(zhì)鉆桿及繩索取心鉆桿。

在核工業(yè)鈾礦科學(xué)鉆探1號(hào)孔實(shí)施全孔取心鉆探過(guò)程中，目標(biāo)孔深2500m，實(shí)際取心深度2818.88m，設(shè)計(jì)孔身與鉆桿規(guī)格有N、H、P三種，最大鉆頭口徑Ф122mm，夾持鉆桿（套管）直徑較為寬泛，從Ф71mm～114mm，重量高達(dá)60t，頻繁起下鉆、加接鉆桿對(duì)于孔口夾持的安全性、操控性提出了較高的要求。最終，采用了中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司針對(duì)項(xiàng)目專門(mén)研制的QK70型氣動(dòng)卡盤(pán)，順利完成該項(xiàng)目全孔取心鉆探的目標(biāo)，得到施鉆人員的一致肯定。

1 QK70型孔口卡盤(pán)的工作原理

1.1 卡盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

QK70型孔口卡盤(pán)，由主體、左曲軸、右曲軸、連桿、氣缸、卡瓦、止退塊、轉(zhuǎn)動(dòng)臂、活動(dòng)銷、活門(mén)等部件組成（圖1）。氣動(dòng)卡瓦有兩個(gè)對(duì)分的卡瓦組件，卡瓦連接在轉(zhuǎn)動(dòng)臂上，轉(zhuǎn)動(dòng)臂的另一端分別連接在右曲軸和左曲軸上，左、右曲軸通過(guò)連桿相連。氣缸驅(qū)動(dòng)曲柄連桿，曲軸繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)卡瓦提升松開(kāi)鉆桿，卡瓦放下卡緊鉆桿的功能。氣動(dòng)卡盤(pán)設(shè)計(jì)有止動(dòng)塊，止退塊與連桿上的臺(tái)肩嚙合時(shí)，可阻止曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)卡瓦咬緊鉆桿且止退塊與連桿臺(tái)肩嚙合時(shí)，可有效防止鉆桿的意外松動(dòng)。

圖1

1.2 卡盤(pán)的自動(dòng)控制

如圖2所示，QK70型孔口卡盤(pán)的氣缸，兩腔通過(guò)氣管連接到司鉆操控臺(tái)的三位四通34JR6手動(dòng)換向閥，換向閥的進(jìn)氣口銜接到空壓機(jī)的儲(chǔ)氣罐。氣源供壓0.8MPa，3m3氣量，手動(dòng)換向閥有“松開(kāi)、夾持、停止”三個(gè)操作位置，通過(guò)操控氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和卡盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，司鉆工人可以在司鉆房及操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)孔口卡盤(pán)的機(jī)械化操控，而不必需要一個(gè)孔口輔助作業(yè)者，同時(shí)，也便于司鉆人員同時(shí)進(jìn)行旗下鉆桿的動(dòng)作協(xié)調(diào)以及作業(yè)的流暢性。

1.3 孔口卡盤(pán)的特點(diǎn)

QK70型孔口卡盤(pán)是配套深孔巖心鉆機(jī)用的孔

1）QK70型孔口氣動(dòng)卡盤(pán)采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)卡瓦夾持、松開(kāi)，動(dòng)作迅速，輔助時(shí)間短，提高鉆進(jìn)效率；在不具備氣源的鉆井現(xiàn)場(chǎng)，也可采用鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)作為其動(dòng)力源；卡盤(pán)同時(shí)具備手動(dòng)開(kāi)合功能，在緊急情況下也可采用人工手動(dòng)夾持松開(kāi)鉆桿，適用性強(qiáng)。

2）采用傳統(tǒng)的木馬或加重木馬夾持器需要鉆工在孔口進(jìn)行輔助作業(yè)，進(jìn)行深孔鉆探作業(yè)時(shí)，伴隨著動(dòng)力裝置及鉆桿在井口的升降、泥漿對(duì)于環(huán)境的污染，頻繁進(jìn)行夾持器的人工開(kāi)合作業(yè)，不僅勞動(dòng)量大，強(qiáng)度大，而且司鉆人員與輔助鉆工一旦協(xié)調(diào)不好，勢(shì)必產(chǎn)生人身危險(xiǎn)與孔內(nèi)安全事故。而QK70型孔口卡盤(pán)由司鉆一個(gè)人操控，無(wú)需輔助作業(yè)，節(jié)約施工成本；采用空氣或液壓把持管柱，機(jī)械化程度增強(qiáng)，極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3）QK70型孔口卡盤(pán)放置于孔口平臺(tái)上，不必與平臺(tái)固定，可確保處于夾持狀態(tài)的鉆桿柱在徑向平面上的適度轉(zhuǎn)動(dòng)以及輕微漂移，這樣的好處是：不會(huì)對(duì)加接桿或者起下鉆時(shí)的動(dòng)力鉗擰卸產(chǎn)生空間位置的干涉或障礙。

4）QK70型孔口卡盤(pán)通過(guò)范圍大（Ф60～127mm），僅需更換卡瓦座上的相應(yīng)卡瓦片規(guī)格，即可適用不同規(guī)格的鉆桿，更換卡瓦片簡(jiǎn)單方便，適用范圍廣；

5）QK70型氣動(dòng)卡盤(pán)為4瓣卡瓦式卡盤(pán)，比2瓣式木馬夾持器在扣合鉆桿柱時(shí)的吻合度更高，把持鉆桿更為可靠，壽命更長(zhǎng)。

6）QK70型孔口卡盤(pán)仍然采用卡瓦的外錐與卡盤(pán)體內(nèi)錐的自鎖結(jié)構(gòu)，不僅可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操控，鑄造的基體具備較大的承載力，特別適用于深孔鉆探。

圖2 控制原理

2 施工應(yīng)用

2.1 工程概況

核工業(yè)中國(guó)鈾礦地質(zhì)科學(xué)鉆探1號(hào)孔位于江西省樂(lè)安縣和崇仁縣交界的相山地區(qū)，是我國(guó)特大型火山巖型鈾礦。鈾礦科鉆1號(hào)孔設(shè)計(jì)深度2500m，設(shè)計(jì)三層井身結(jié)構(gòu)，鉆桿柱規(guī)格為N、H、P三種規(guī)格，采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝，采用中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司的XD35DB電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)施工，孔口卡盤(pán)作為頂驅(qū)鉆進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行起下鉆、加接桿、打撈巖心作業(yè)的井口配套裝置。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)工期10個(gè)月。項(xiàng)目于2012年7月21日開(kāi)鉆，2013年5月3日結(jié)束，歷時(shí)283天，鉆進(jìn)深度達(dá)2818.88m，QK70型孔口卡盤(pán)經(jīng)過(guò)2818多米全孔P口徑取心作業(yè)的檢驗(yàn)，取得了良好的效果，得到施工單位的全面肯定。

2.2 施工應(yīng)用情況

QK70型孔口氣動(dòng)卡盤(pán)（圖3），座在孔口平臺(tái)上，由0.8MPa壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，卡盤(pán)由司鉆房操作臺(tái)上的手動(dòng)換向閥控制，換向閥由空壓機(jī)及氣罐提供壓力，執(zhí)行端與卡盤(pán)氣缸連接。司鉆操作手動(dòng)換向閥的“夾緊、松開(kāi)、停止”，實(shí)現(xiàn)卡盤(pán)的夾持與松開(kāi)，配合打撈、吊卡起下鉆與動(dòng)力鉗的擰卸作業(yè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備高度的集成化、自動(dòng)化，降低了孔口操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖3 鉆井平臺(tái)

2.3 應(yīng)用效果

QK70型孔口卡盤(pán)在整個(gè)科鉆1號(hào)孔2818.88m全孔取心中使用，卡盤(pán)可有效地夾持Ф114外平的繩索取心鉆桿桿體，不論對(duì)于淺孔段的幾十公斤鉆桿柱還是深孔段的60多噸鉆桿柱的夾緊，不論是起下鉆、擰卸、打撈過(guò)程均未發(fā)生鉆桿打滑現(xiàn)象，安全可靠；手動(dòng)換向閥手柄固定于司鉆房?jī)?nèi)，由司鉆人員便捷操作，節(jié)省孔口人員，作業(yè)流暢，沒(méi)有人員配合之間的偏差與危險(xiǎn)；吊卡采用壓縮空氣作為動(dòng)力，夾持和打開(kāi)的時(shí)間很短，每次不超過(guò)1秒，提高了施工效率。在XD35DB電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)頂驅(qū)鉆進(jìn)系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程中，將頂驅(qū)裝置、卡盤(pán)、吊卡、卸扣鉗一體化配套使用，都由司鉆進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，極大地縮短鉆進(jìn)輔助時(shí)間，節(jié)約了成本和時(shí)間。

圖4 操作臺(tái)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可以得出結(jié)論：QK70型氣動(dòng)卡盤(pán)夾持力大，安全可靠；更換卡瓦方便簡(jiǎn)單，通過(guò)性好，適用范圍廣；QK70型氣動(dòng)卡盤(pán)不需要專門(mén)操作人員，操作簡(jiǎn)單，集成化自動(dòng)化程度高，有效地降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；QK70型氣動(dòng)卡盤(pán)反應(yīng)迅速，輔助時(shí)間短，是未來(lái)深孔巖心鉆機(jī)孔口輔助裝置的發(fā)展方向。