孔令滬，程林，滿國(guó)祥，王克虎

(1.河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心，石家莊 050081；2.河北石探機(jī)械制造有限責(zé)任公司，石家莊 050081)

0 引言

多工藝空氣反循環(huán)鉆進(jìn)工藝以其鉆進(jìn)速度快、排渣快捷干凈、能適應(yīng)不穩(wěn)定和復(fù)雜地層及節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，在鉆探領(lǐng)域受到越來越多的青睞。多工藝空氣反循環(huán)鉆進(jìn)主要包括空氣反循環(huán)鉆進(jìn)和氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)，多工藝空氣反循環(huán)鉆進(jìn)工藝的實(shí)施必須通過雙壁鉆具來實(shí)現(xiàn)，雙壁鉆具主要由水龍頭、氣盒子、雙壁鉆桿、氣水混合器及正反轉(zhuǎn)換裝置等組成。其中，氣盒子是多工藝空氣反循環(huán)鉆進(jìn)用雙壁鉆具系統(tǒng)的重要組成鉆具，其使用效果在施工中也受到越來越多的重視，改進(jìn)氣盒子結(jié)構(gòu)，提高鉆進(jìn)效率迫在眉睫。

1 氣盒子的應(yīng)用

多工藝空氣反循環(huán)鉆進(jìn)中，壓縮空氣通過氣盒子進(jìn)入雙壁鉆桿的環(huán)狀間隙，沿環(huán)狀間隙到達(dá)孔底鉆具，通過孔底鉆具流向雙壁鉆桿內(nèi)管中，并攜帶巖屑從內(nèi)管上返至地面。氣盒子是多工藝空氣反循環(huán)鉆進(jìn)重要連接部件，承擔(dān)了井下整套鉆具的重量和鉆進(jìn)時(shí)的扭矩；同時(shí)，還為作為鉆井介質(zhì)的高壓空氣提供進(jìn)入雙壁鉆具環(huán)隙的進(jìn)氣通道；此外，還是內(nèi)管上返鉆渣的連接通道。由于當(dāng)前使用的氣盒子大多存在著密封效果不好，主軸容易發(fā)生磨損等問題，難以滿足實(shí)際工作需要，因此，改進(jìn)氣盒子的結(jié)構(gòu)來保證施工勢(shì)在必行。

2 氣盒子改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的氣盒子結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 新型氣盒子結(jié)構(gòu)圖

氣盒子空心結(jié)構(gòu)的主軸側(cè)面設(shè)置有與外部進(jìn)氣孔相通的進(jìn)氣通道，另一端用于連通雙壁鉆桿的環(huán)狀間隙。內(nèi)管位于主軸內(nèi)部，內(nèi)管外壁和主軸內(nèi)壁與所圍成的環(huán)狀間隙形成進(jìn)氣通道，內(nèi)管內(nèi)部形成出料通道，用于排出鉆井底部的廢料。耐磨套設(shè)置在主軸的外側(cè)，與主軸周向固定連接，耐磨套內(nèi)壁與主軸外圓密封連接。氣室設(shè)置在耐磨套的外側(cè)，氣室內(nèi)側(cè)的兩端與耐磨套外圓兩端通過密封圈分別密封連接，氣室的側(cè)面設(shè)置有與外部氣源相通的進(jìn)氣孔，氣室內(nèi)側(cè)沿周向設(shè)置有環(huán)形通道。密封圈軸向方向通過氣封支管固定，氣封支管上還設(shè)置有通氣孔，可以確保外部氣源通過氣封支管、耐磨套進(jìn)入主軸內(nèi)壁和內(nèi)管外壁之間的環(huán)形空間。新型氣盒子實(shí)物照片見圖2。

圖2 新型氣盒子實(shí)物照片

3 改進(jìn)后新型氣盒子的特點(diǎn)

主軸的外軸內(nèi)部和內(nèi)管外壁形成進(jìn)氣通道，內(nèi)管內(nèi)部為出料通道，并且將內(nèi)管置于外軸內(nèi)部的一端與外軸內(nèi)壁之間密封安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，增加了氣盒子的實(shí)用性。

利用對(duì)稱安裝的兩個(gè)密封圈對(duì)主軸和耐磨套之間進(jìn)行密封，并且將氣封支管安裝在兩個(gè)密封圈之間，使氣封支管對(duì)密封圈起到支撐作用，從而使兩個(gè)密封圈不會(huì)發(fā)生偏移，保證良好的密封效果，進(jìn)而提高氣盒子的可靠性。第一個(gè)密封圈遠(yuǎn)離第二個(gè)密封圈的一側(cè)由氣室端蓋進(jìn)行軸向定位，第二個(gè)密封圈遠(yuǎn)離第一個(gè)密封圈的一側(cè)由氣室進(jìn)行定位，兩個(gè)密封圈均實(shí)現(xiàn)了雙向的軸向定位，提高了密封圈定位的可靠性。利用氣室端蓋子口將第一個(gè)密封圈遠(yuǎn)離第二個(gè)密封圈的一側(cè)擠緊，由于氣封支管在兩個(gè)密封圈之間起到了支撐作用，且第二個(gè)密封圈遠(yuǎn)離第一個(gè)密封圈的一側(cè)有氣室對(duì)其進(jìn)行支撐，使得兩個(gè)密封圈軸向被壓縮，使兩個(gè)密封圈徑向與耐磨套之間接觸的更為緊密，提高了密封效果。同時(shí)，通過調(diào)節(jié)氣室端蓋口壓緊程度可以使兩個(gè)密封圈即使在發(fā)生一定程度磨損后也能保證其密封效果，延長(zhǎng)了氣盒子的使用壽命。

軸承座與氣室通過氈圈密封，與耐磨套通過一個(gè)密封圈密封，與主軸通過一個(gè)O形圈密封，使軸承中的潤(rùn)滑油不會(huì)進(jìn)入氣室中，保持氣室清潔，進(jìn)而保證壓縮氣體可以順利通過氣室。

安裝時(shí)，先將耐磨套安裝在主軸上，主軸上安裝擋圈處凹槽的設(shè)置，為鍵提供了安裝空間，使鍵對(duì)主軸和耐磨套進(jìn)行周向固定，使得主軸和耐磨套可同步轉(zhuǎn)動(dòng)。擋圈和耐磨套之間通過螺栓緊固連接，利用彈性擋圈對(duì)鍵和耐磨套進(jìn)行軸向定位，使得主軸和耐磨套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擋圈可以隨主軸和耐磨套同步轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸和擋圈之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和松脫，從而保證主軸和耐磨套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸向定位效果。

4 新型氣盒子使用優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

使用時(shí)，氣盒子靠近軸承的一端連接動(dòng)力源，氣盒子遠(yuǎn)離軸承的一端連接雙壁鉆桿，利用外部氣源向氣室通入壓縮空氣。壓縮空氣經(jīng)過氣室內(nèi)部、氣封支管、耐磨套進(jìn)入主軸內(nèi)壁和內(nèi)管外壁之間的環(huán)形空間，進(jìn)而進(jìn)入雙壁鉆桿的環(huán)狀間隙，并沿著雙壁鉆桿的環(huán)狀間隙到達(dá)孔底鉆具，通過孔底鉆具流向雙壁鉆桿的內(nèi)部，并攜帶巖屑從雙壁鉆桿的內(nèi)部上升至出料通道，進(jìn)而上升至地面。

傳統(tǒng)的氣盒子的氣室和主軸之間直接進(jìn)行密封連接，使得主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)極易發(fā)生磨損，降低了主軸的使用壽命。改進(jìn)后的氣盒子在內(nèi)管和主軸之間安裝耐磨套，并使耐磨套和主軸在周向固定，使耐磨套與氣室之間密封連接。在主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得摩擦發(fā)生在耐磨套與氣室之間，主軸不會(huì)被磨損，即使在耐磨套由于長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)生磨損時(shí)，也可將耐磨套進(jìn)行更換，增強(qiáng)了可靠性。在拆下?lián)跞χ蠹纯芍苯硬鹦?、更換耐磨套，大大降低了維修難度。

2019年，貴煤新銳地勘公司使用雪姆130鉆機(jī)配套168 mm/80 mm 雙壁鉆具在重慶市南川區(qū)進(jìn)行頁巖氣生產(chǎn)井施工，采用了我公司研制的新型氣盒子。在空氣反循環(huán)鉆井施工中，經(jīng)多次對(duì)比試驗(yàn)，最終選定的定制高耐磨、耐高溫密封圈達(dá)到了使用壽命長(zhǎng)的設(shè)計(jì)要求，滿足了施工應(yīng)用需求。

5 結(jié)語

在現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用中，新型氣盒子使用效果反饋很好，整體密封性可靠，且不用更換主軸，只需視情況更換耐磨套和密封圈，節(jié)約了維修的時(shí)間與成本。改進(jìn)后的新型氣盒子結(jié)構(gòu)已得到客戶的認(rèn)可，并獲得國(guó)家實(shí)用新型專利，將逐漸得到更廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，密封質(zhì)量更好、使用壽命更長(zhǎng)的密封圈正在設(shè)計(jì)試制中，這種新型氣盒子將更加適應(yīng)市場(chǎng)的需求，現(xiàn)場(chǎng)施工也將更方便快捷。