劉憲全，李效生，張禮飛

(安徽兩淮科力機(jī)械制造有限責(zé)任公司，安徽合肥230088)

1 概述

在鉆探施工中，由于鉆孔越來越深，斷鉆桿、卡鉆事故也在逐年上升。出現(xiàn)斷鉆桿、卡鉆后的事故處理費(fèi)用也越來越高，難度也越來越大，處理不當(dāng)有出現(xiàn)鉆孔報(bào)廢的可能?，F(xiàn)在地質(zhì)巖心鉆孔施工中出現(xiàn)斷、脫鉆具“落魚”時(shí)一般打撈都不帶安全接頭，更沒有輔助解卡工具，如出現(xiàn)“落魚”下卡鉆時(shí)也只能強(qiáng)拉硬拽;為此我們結(jié)合石油鉆井震擊器和處理孔內(nèi)“落魚”頭以上鉆具的安全需求，成功設(shè)計(jì)出了帶有可調(diào)式的震擊安全接頭，有效結(jié)合了震擊器和安全接頭兩種結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)向上震擊功能輔助解卡和安全甩脫功能，并在安全甩脫方式上進(jìn)行了創(chuàng)新，確保在安全接頭部位甩脫，可以在處理鉆孔“落魚”有困難時(shí)，保證“落魚”以上的鉆桿安全返回地面，其他部位不會(huì)存在誤甩脫情況，還可以通過震擊提高打撈鉆具的打撈能力，是鉆探施工的必備工具。

2 特點(diǎn)及工作原理

2．1 依靠上下花鍵副配合傳遞扭矩

上花鍵軸與上花鍵套通過套管正反扣連接套傳遞甩脫時(shí)扭矩;下花鍵軸與下甩脫接頭之間靠花鍵配合，實(shí)現(xiàn)傳遞打撈扭矩、正?；剞D(zhuǎn)的功能，把扭矩傳遞到下甩脫接頭。

2．2 具有上擊功能

芯軸連接套與上花鍵套組成一對(duì)震擊偶，當(dāng)下部鉆具遇卡時(shí)，上提鉆具，卡瓦隨著芯軸向上移動(dòng)，在此過程中會(huì)迫使鉆柱儲(chǔ)能、延時(shí)，同時(shí)克服碟簧組的預(yù)緊力，當(dāng)工具受到的拉力足夠大時(shí)，使卡瓦受力膨脹，移動(dòng)到卡瓦套的齒槽與卡瓦的凸臺(tái)相對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，卡瓦與卡瓦芯軸脫離，產(chǎn)生突然釋放，上部鉆具迅速回縮，使上活塞加速上行，與上花鍵套下部的震擊面產(chǎn)生很大的上擊力，實(shí)現(xiàn)上擊功能，下壓卡瓦芯軸復(fù)位，再上提又進(jìn)行向上震擊，如此反復(fù)操作一次就有一次向上的震擊力。

2．3 具有安全甩脫功能

正反扣連接套和下甩脫接頭之間靠反扣螺紋連接，可以在處理鉆孔“落魚”有困難時(shí)，從反扣處把下甩脫接頭甩脫;工作方法是拉出下花鍵軸這時(shí)下花鍵軸與下甩脫接頭的內(nèi)花鍵分離，再繼續(xù)正轉(zhuǎn)就從反扣處甩脫下甩脫接頭，也就保證了“落魚”以上的鉆桿安全返回地面，震擊安全接頭的95%也可提出孔口，只留下甩脫接頭在孔內(nèi)，保持了震擊安全接頭的完整。甩脫完成后的情況如圖1所示。

圖1 甩脫完成后的示意

3 震擊安全接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．1 震擊安全接頭結(jié)構(gòu)方案

綜合參考現(xiàn)有震擊器和安全接頭兩種工具的結(jié)構(gòu)，確定震擊安全接頭的結(jié)構(gòu)，具體有如下幾個(gè)方面。

3．1．1 安全甩脫方案的確定

考慮到震擊安全接頭既要實(shí)現(xiàn)震擊功能又要實(shí)現(xiàn)安全甩脫功能，故把安全甩脫裝置放在整體結(jié)構(gòu)的下面，采用反扣與主體連接，這樣在處理事故困難的時(shí)候可以通過上部鉆具的正轉(zhuǎn)來甩脫下部的鉆具。

3．1．2 扭矩傳遞方案的確定

震擊安全接頭扭矩傳遞形式和隨鉆震擊器的形式相似，都是里面的芯軸與外套采用花鍵副傳遞扭矩。但不同的是，震擊安全接頭增加了安全甩脫功能，即裝置末端的接頭靠反扣連接，這樣就不能依靠外管的連接來傳遞扭矩，因此選擇依靠芯軸將扭矩傳遞給末端的接頭，從而帶動(dòng)下部鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)。

3．1．3 震擊結(jié)構(gòu)方案的確定

震擊結(jié)構(gòu)采用機(jī)械式，即卡瓦配合式。

3．1．4 儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的確定

采用與現(xiàn)有機(jī)械式震擊器相同的儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)——碟簧組。選用碟簧組是因?yàn)榈刹鹧b方便，可以根據(jù)實(shí)際需要改變碟簧組合，從而達(dá)到改變震擊力的目的。

3．2 震擊安全接頭結(jié)構(gòu)

震擊安全接頭主要由固定件、活動(dòng)件、震擊偶、聚能件和甩脫機(jī)構(gòu)5部分組成，如圖2所示。

3．2．1 固定件

圖2 震擊安全接頭結(jié)構(gòu)示意

它是由上花鍵套、上套管、卡瓦套、下套管、正反扣連接套和下甩脫接頭組成。下甩脫接頭與下部鉆柱連接，形成相對(duì)固定狀態(tài)。

3．2．2 活動(dòng)件

它是由上花鍵軸、芯軸連接套、卡瓦芯軸、卡瓦、活塞和下花鍵芯軸組成。上花鍵軸與上部鉆柱連接，由上部鉆柱驅(qū)動(dòng)。

3．2．3 震擊偶

以芯軸連接套為撞擊體，震擊墊為承擊體，組成一對(duì)震擊偶。

3．2．4 聚能件

幾組對(duì)合的碟簧組構(gòu)成聚能件。當(dāng)工具下部遇卡，提拉上部鉆柱使碟簧壓縮，這個(gè)過程中迫使上部鉆柱儲(chǔ)能。

3．2．5 甩脫機(jī)構(gòu)

甩脫機(jī)構(gòu)由下接頭、下芯軸組成。下接頭與下套管之間靠反扣連接，其余外管之間均是靠正扣連接。當(dāng)下接頭與下芯軸脫離嚙合時(shí)，上部鉆柱正轉(zhuǎn)，各管體之間的連接螺紋只能上緊，只有從下接頭處甩脫，解決了誤甩脫的技術(shù)難題。

3．3 材料的選擇

3．3．1 芯軸的選材

該裝置是隨鉆使用，故芯軸應(yīng)為空心軸?？紤]到震擊安全接頭工作時(shí)，卡瓦與卡瓦芯軸之間的摩擦較大，造成芯軸的磨損比較嚴(yán)重，芯軸表面應(yīng)氮化處理，增加表面硬度，提高表面耐磨性，因此芯軸采用滲氮效果比較好的鋼材，綜合使用要求和經(jīng)濟(jì)性的考慮，用40Cr作為芯軸的原材料。

3．3．2 卡瓦套與上、下套管的選材

由于外管在正常鉆進(jìn)過程中承受的扭矩不大，主要是承受拉力，但卡瓦套與卡瓦在工作中要產(chǎn)生摩擦，也要求其有一定的耐磨性，需氮化處理。因材料是管體，首先考慮鉆桿的材料，綜合比較，S135鋼級(jí)的鉆桿滲氮后有較好的效果，而且市場(chǎng)上的原材料供應(yīng)比較充足，故選擇S135鋼級(jí)的鉆桿料作為原材料。

3．3．3 上、下接頭的選材

上、下接頭在工作中要承受一定的扭矩和拉力，同時(shí)有一定的耐磨性，綜合上述，選40Cr作為原材料。

3．4 碟簧的選擇

3．4．1 碟簧規(guī)格的確定

碟簧的內(nèi)徑選擇應(yīng)遵循大于芯軸外徑1～2 mm，碟簧的外徑小于卡瓦套內(nèi)徑0.8～1 mm。

3．4．2 碟簧組合的確定

4 震擊安全接頭的使用

4．1 震擊安全接頭的選擇

根據(jù)下井的鉆具情況、井深和預(yù)期的震擊力選擇合適的震擊安全接頭碟簧組合形式，震擊安全接頭有正絲鉆桿和反絲鉆桿使用兩種。

4．2 鉆具組合

(1)在打撈作業(yè)中，應(yīng)使震擊安全接頭盡量靠近卡點(diǎn)。鉆桿+彎鉆桿小根+震擊安全接頭+打撈工具。

(2)在地面測(cè)試作業(yè)中，在現(xiàn)場(chǎng)維修重裝后進(jìn)行震擊安全接頭的拉力試驗(yàn)，確保震擊安全接頭在對(duì)應(yīng)拉力下一定要能拉開，這樣保證有震擊的同時(shí)才能確保有安全甩脫的能力，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法是下鉆時(shí)當(dāng)下到鉆具重力大于震擊安全接頭預(yù)期拉開釋放力時(shí)，接上震擊安全接頭上提，只要能正常拉開就說明維修組裝的震擊安全接頭完好。

4．3 操作方法

往孔內(nèi)下放震擊安全接頭時(shí)應(yīng)記清震擊安全接頭下面的鉆具懸重，打撈時(shí)應(yīng)記清打撈前的鉆具懸重，后者減去前者即為震擊安全接頭以上的鉆具懸重。但要注意，震擊安全接頭以上鉆具的懸重、震擊安全接頭標(biāo)定釋放力與鉆柱摩擦力(鉆柱摩擦力的具體大小與鉆柱組合、泥漿情況和井深結(jié)構(gòu)等有關(guān)，由司鉆根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定)，三者之和不能大于設(shè)備的最大提升力。當(dāng)打撈工具撈住“落魚”后，上提鉆具，確認(rèn)鉆具被卡，即可進(jìn)行震擊作業(yè)。這時(shí)上提鉆具當(dāng)拉力達(dá)到所需的標(biāo)定釋放力時(shí)，即產(chǎn)生震擊。如一次震擊不能解卡，可反復(fù)震擊，注意在震擊安全接頭處于上擊拉開位置時(shí)，不可轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，否則將從下套管與下接頭處甩脫;如震擊無效時(shí)要進(jìn)行安全甩脫時(shí)，震擊安全接頭一定要處于上擊拉開位置，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具就在正反扣連接套處甩脫下甩脫接頭。

4．4 上擊力的調(diào)節(jié)

圖3 單碟簧組合方式(所對(duì)應(yīng)的標(biāo)定釋放力為27.5 kN)

圖4 雙碟簧組合方式(所對(duì)應(yīng)的標(biāo)定釋放力為80 kN)

結(jié)合3．3．2，綜合考慮鉆桿的重力和設(shè)備的最大提升力，還有鉆具“落魚”頭以下的鉆具重力選擇的碟簧組合如下:孔深在1000 m左右時(shí)選擇兩片碟簧為一組，這種組合的初拉力為80 kN?？咨钤?500 m左右時(shí)選擇一片碟簧為一組，這種組合的初拉力為27.5 kN;當(dāng)“落魚”頭以下的鉆具重力大于30 kN，就應(yīng)選擇兩片碟簧為一組的初拉力為80 kN，這時(shí)的拉力在克服“落魚”頭以下的鉆具重力后才能對(duì)卡點(diǎn)有一定的震擊力。(注:初拉力即震擊安全接頭啟動(dòng)上擊功能的最小拉力)。

5 實(shí)際應(yīng)用效果

震擊安全接頭在多個(gè)煤田地質(zhì)鉆探鉆孔中處理孔內(nèi)鉆桿卡鉆都取得了極佳的效果，受到了現(xiàn)場(chǎng)和工程技術(shù)人員的好評(píng)。其中有2起處理孔內(nèi)“落魚”事故中震擊安全接頭起到了關(guān)鍵作用。

5．1 斷鉆桿事故

5．1．1 鉆孔情況

安徽淮南潘集深部煤田地質(zhì)勘探鉆孔，孔號(hào)為2－4，設(shè)計(jì)孔深1480 m，終孔孔徑94 mm。鉆孔結(jié)構(gòu)為第四系新地層180 m，孔徑113 mm，基巖地層為94 mm，終孔層位為4－1槽煤層。

5．1．2 事故原因分析

施工到孔深1350 m時(shí)，當(dāng)時(shí)在正常取心鉆進(jìn)，孔內(nèi)鉆具組合為50 mm鉆桿+68 mm鉆鋌+89 mm取心管+復(fù)合片金剛石取心鉆頭。出現(xiàn)斷鉆桿事故，鉆桿斷點(diǎn)有泥漿穿刺和老傷，斷點(diǎn)“魚頭”孔深位置395 m，第一次打撈用公絲錐上扣后上提鉆具受卡，強(qiáng)制提拔無效，拉力達(dá)到了240 kN，分析受卡斷鉆桿原因:鉆桿有傷后出現(xiàn)泥漿穿刺，導(dǎo)制泥漿循環(huán)不到孔底，鉆頭冷卻不足形成燒鉆受卡，燒鉆后扭矩增大，把有傷鉆桿扭斷。

5．1．3 事故處理

根據(jù)分析鉆具卡點(diǎn)在孔底，選擇的處理方案是:第一步反出斷頭，并可能多的反出孔內(nèi)鉆具，結(jié)果一次就反出了孔內(nèi)所有鉆桿和鉆鋌，孔內(nèi)只留下螺絲頭、取心管和取心鉆頭;第二步分析認(rèn)為卡點(diǎn)就在鉆頭也就是燒鉆，完全可下震擊安全接頭進(jìn)行上擊處理，震擊點(diǎn)距卡點(diǎn)近，更有利于對(duì)卡點(diǎn)震擊松動(dòng)。下鉆前把震擊安全接頭調(diào)整震擊拉力為27.5 kN，下鉆對(duì)上扣后首先試開泥漿泵用1擋40 L/min，沒能打開，就上提鉆具進(jìn)行震擊操作，當(dāng)拉到160 kN時(shí)實(shí)現(xiàn)了向上的震擊，同時(shí)拉力表向下震動(dòng)，說明震擊工作正常，反復(fù)進(jìn)行了11次沒有效果，就又試開泥漿泵還是打不開，在又上提鉆具進(jìn)行了10次震擊操作后出現(xiàn)了向上提動(dòng)，后又上提震擊了2次就提離了孔底，成功的實(shí)現(xiàn)了解卡。把取心器鉆頭提出孔口后，發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的燒鉆現(xiàn)象。這也是首次應(yīng)用震擊安全接頭處理燒鉆的卡鉆，現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員認(rèn)為震擊產(chǎn)生了松動(dòng)，才完成了解卡，說明接頭的震擊設(shè)計(jì)達(dá)到了目的。

5．2 粘鉆事故

5．2．1 鉆孔情況

安徽淮南劉莊深部煤田地質(zhì)勘探鉆孔，孔號(hào)為24－5，設(shè)計(jì)孔深1560 m，終孔孔徑94 mm。鉆孔結(jié)構(gòu)為第四系新地層220 m，孔徑146 mm，下入127 mm套管，基巖地層為94 mm，終孔層位為13－1槽煤層。

5．2．2 事故原因分析

孔深在1510 m，鉆孔將要終孔，出現(xiàn)了柴油機(jī)故障，在發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)不對(duì)時(shí)，當(dāng)班就強(qiáng)制把鉆具拉離孔底有5 m，再去停柴油機(jī)使柴油機(jī)損壞嚴(yán)重只好更換，由于換柴油機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，再提升鉆具時(shí)就拉不動(dòng)了，鉆孔通漿正常，分析認(rèn)為就是鉆孔粘鉆。

5．2．3 事故處理

根據(jù)鉆孔粘鉆分析，選擇的處理方案是:第一步先行進(jìn)行解卡劑解卡，沒有完成解卡目的;第二步在解卡無效后只好應(yīng)用反絲鉆桿進(jìn)行反回鉆具，由于粘鉆位置不清，在反鉆桿時(shí)要求帶上震擊安全接頭，在1000 m以內(nèi)時(shí)下鉆前把震擊安全接頭震擊拉力調(diào)整在80 kN，每次對(duì)“落魚”頭上扣后都進(jìn)行震擊和震擊后快速回落下?lián)粼?次左右，而后才反鉆桿，每次都能反回一定量的孔內(nèi)正鉆桿，只用了2天多就順利的處理到鉆鋌;第三步鉆鋌處理采用有接頭就反沒有接頭就套的方法，在反鉆鋌接頭中為保證反絲鉆桿安全帶上震擊安全接頭并調(diào)整震擊拉力在27.5 kN，當(dāng)處理到只有9 m鉆鋌(兩小根)和一根取心管(4.5 m)時(shí)，通過震擊和向下快速下?lián)魰r(shí)就一次處理完所有孔內(nèi)鉆具，1510 m孔深粘鉆事故處理時(shí)間用了不到6天，震擊安全接頭在這里起到了一個(gè)關(guān)鍵的作用，也獲得了工程技術(shù)人員和機(jī)臺(tái)人員的好評(píng)。

6 結(jié)語

應(yīng)用實(shí)例證明，震擊安全接頭完全可滿足鉆探施工中處理孔內(nèi)卡鉆所需的震擊和安全保護(hù)的要求，可避免事故的復(fù)雜化，可作為深孔施工的有效工具。

該震擊安全接頭主要是向上震擊，因此應(yīng)用上有一定的局限性，為此我們又設(shè)計(jì)了一種可用于向下沖擊的安全接頭。

震擊安全接頭產(chǎn)生的震擊力只是一個(gè)鉆具受卡時(shí)的解卡附助力，不是所有的卡鉆都能保證處理上來，在處理孔內(nèi)“落魚”時(shí)就要根據(jù)孔內(nèi)情況合理應(yīng)用調(diào)整好震擊力并進(jìn)行正確的操作，才能保證處理的效果。

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