QK70型孔口卡盤在鈾礦地質科學鉆孔中的應用

周志誠，臧臣坤，孫軍盈，楊碩

（廣東省核工業(yè)地質局二九三大隊，廣州 510800；中國地質裝備集團有限公司，北京 100102）

長期以來，地質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，就有可能導致人身安全及孔內事故的發(fā)生，而且勞動強度高，作業(yè)效率低。在石油鉆修井作業(yè)中，經常會使用氣動卡盤，但形體較大、較為笨重夾持通過口徑大，不完全適用于小口徑巖心鉆探的地質鉆桿及繩索取心鉆桿。

在核工業(yè)鈾礦科學鉆探1號孔實施全孔取心鉆探過程中，目標孔深2500m，實際取心深度2818.88m，設計孔身與鉆桿規(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60t，頻繁起下鉆、加接鉆桿對于孔口夾持的安全性、操控性提出了較高的要求。最終，采用了中國地質裝備集團有限公司針對項目專門研制的QK70型氣動卡盤，順利完成該項目全孔取心鉆探的目標，得到施鉆人員的一致肯定。

1 QK70型孔口卡盤的工作原理

1.1 卡盤的機械結構

QK70型孔口卡盤，由主體、左曲軸、右曲軸、連桿、氣缸、卡瓦、止退塊、轉動臂、活動銷、活門等部件組成（圖1）。氣動卡瓦有兩個對分的卡瓦組件，卡瓦連接在轉動臂上，轉動臂的另一端分別連接在右曲軸和左曲軸上，左、右曲軸通過連桿相連。氣缸驅動曲柄連桿，曲軸繞中心轉動，從而實現(xiàn)卡瓦提升松開鉆桿，卡瓦放下卡緊鉆桿的功能。氣動卡盤設計有止動塊，止退塊與連桿上的臺肩嚙合時，可阻止曲軸轉動。當卡瓦咬緊鉆桿且止退塊與連桿臺肩嚙合時，可有效防止鉆桿的意外松動。

圖1

1.2 卡盤的自動控制

如圖2所示，QK70型孔口卡盤的氣缸，兩腔通過氣管連接到司鉆操控臺的三位四通34JR6手動換向閥，換向閥的進氣口銜接到空壓機的儲氣罐。氣源供壓0.8MPa，3m3氣量，手動換向閥有“松開、夾持、停止”三個操作位置，通過操控氣缸的往復運動和卡盤的機械結構，司鉆工人可以在司鉆房及操作臺實現(xiàn)對孔口卡盤的機械化操控，而不必需要一個孔口輔助作業(yè)者，同時，也便于司鉆人員同時進行旗下鉆桿的動作協(xié)調以及作業(yè)的流暢性。

1.3 孔口卡盤的特點

QK70型孔口卡盤是配套深孔巖心鉆機用的孔

1）QK70型孔口氣動卡盤采用壓縮空氣驅動卡瓦夾持、松開，動作迅速，輔助時間短，提高鉆進效率；在不具備氣源的鉆井現(xiàn)場，也可采用鉆機的液壓系統(tǒng)作為其動力源；卡盤同時具備手動開合功能，在緊急情況下也可采用人工手動夾持松開鉆桿，適用性強。

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行輔助作業(yè)，進行深孔鉆探作業(yè)時，伴隨著動力裝置及鉆桿在井口的升降、泥漿對于環(huán)境的污染，頻繁進行夾持器的人工開合作業(yè)，不僅勞動量大，強度大，而且司鉆人員與輔助鉆工一旦協(xié)調不好，勢必產生人身危險與孔內安全事故。而QK70型孔口卡盤由司鉆一個人操控，無需輔助作業(yè)，節(jié)約施工成本；采用空氣或液壓把持管柱，機械化程度增強，極大地降低了工人的勞動強度。

3）QK70型孔口卡盤放置于孔口平臺上，不必與平臺固定，可確保處于夾持狀態(tài)的鉆桿柱在徑向平面上的適度轉動以及輕微漂移，這樣的好處是：不會對加接桿或者起下鉆時的動力鉗擰卸產生空間位置的干涉或障礙。

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

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

6）QK70型孔口卡盤仍然采用卡瓦的外錐與卡盤體內錐的自鎖結構，不僅可實現(xiàn)手動操控，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 施工應用

2.1 工程概況

核工業(yè)中國鈾礦地質科學鉆探1號孔位于江西省樂安縣和崇仁縣交界的相山地區(qū)，是我國特大型火山巖型鈾礦。鈾礦科鉆1號孔設計深度2500m，設計三層井身結構，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工藝，采用中國地質裝備集團有限公司的XD35DB電驅動頂驅式巖心鉆機施工，孔口卡盤作為頂驅鉆進系統(tǒng)進行起下鉆、加接桿、打撈巖心作業(yè)的井口配套裝置。該項目設計工期10個月。項目于2012年7月21日開鉆，2013年5月3日結束，歷時283天，鉆進深度達2818.88m，QK70型孔口卡盤經過2818多米全孔P口徑取心作業(yè)的檢驗，取得了良好的效果，得到施工單位的全面肯定。

2.2 施工應用情況

QK70型孔口氣動卡盤（圖3），座在孔口平臺上，由0.8MPa壓縮空氣驅動，卡盤由司鉆房操作臺上的手動換向閥控制，換向閥由空壓機及氣罐提供壓力，執(zhí)行端與卡盤氣缸連接。司鉆操作手動換向閥的“夾緊、松開、停止”，實現(xiàn)卡盤的夾持與松開，配合打撈、吊卡起下鉆與動力鉗的擰卸作業(yè)，實現(xiàn)設備高度的集成化、自動化，降低了孔口操作人員的勞動強度。

圖3 鉆井平臺

2.3 應用效果

QK70型孔口卡盤在整個科鉆1號孔2818.88m全孔取心中使用，卡盤可有效地夾持Ф114外平的繩索取心鉆桿桿體，不論對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、打撈過程均未發(fā)生鉆桿打滑現(xiàn)象，安全可靠；手動換向閥手柄固定于司鉆房內，由司鉆人員便捷操作，節(jié)省孔口人員，作業(yè)流暢，沒有人員配合之間的偏差與危險；吊卡采用壓縮空氣作為動力，夾持和打開的時間很短，每次不超過1秒，提高了施工效率。在XD35DB電驅動鉆機頂驅鉆進系統(tǒng)作業(yè)過程中，將頂驅裝置、卡盤、吊卡、卸扣鉗一體化配套使用，都由司鉆進行統(tǒng)一協(xié)調，極大地縮短鉆進輔助時間，節(jié)約了成本和時間。

圖4 操作臺

3 結語

通過現(xiàn)場應用，可以得出結論：QK70型氣動卡盤夾持力大，安全可靠；更換卡瓦方便簡單，通過性好，適用范圍廣；QK70型氣動卡盤不需要專門操作人員，操作簡單，集成化自動化程度高，有效地降低工人勞動強度；QK70型氣動卡盤反應迅速，輔助時間短，是未來深孔巖心鉆機孔口輔助裝置的發(fā)展方向。