巖心鉆機(jī)卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向的改進(jìn)

李旭文，李欣，呂祥利，宋海燕，賈秋躍

(1.張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，河北 張家口 075026；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

巖心鉆機(jī)卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向的改進(jìn)

李旭文1，李欣2，呂祥利1，宋海燕1，賈秋躍1

(1.張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，河北 張家口 075026；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

作者結(jié)合XY-8型鉆機(jī)的改進(jìn)，對(duì)巖心鉆機(jī)卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向進(jìn)行了研究分析。研究分析認(rèn)為，在深孔巖心鉆機(jī)中，硬質(zhì)合金塊橫向排列具有一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，不易脫落，可以在深孔巖心鉆機(jī)研制時(shí)采用。

巖心鉆機(jī)；卡盤；卡瓦；硬質(zhì)合金

0 引言

卡盤是巖心鉆機(jī)的重要部件，其作用是卡緊主動(dòng)鉆桿或直接卡緊機(jī)下鉆桿，通過孔內(nèi)鉆桿將動(dòng)力傳遞到孔底鉆頭使其回轉(zhuǎn)切削巖石，同時(shí)通過加減壓裝置增加或減少孔底鉆頭對(duì)巖石的鉆壓以使鉆進(jìn)以正確的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行?？ūP的夾緊元件分為卡瓦式和柱銷式，分別應(yīng)用于無缺口主動(dòng)鉆桿和有缺口主動(dòng)鉆桿。

本文只討論卡瓦式的卡盤(以下稱卡盤皆為卡瓦式卡盤),而卡盤卡緊主動(dòng)鉆桿或直接卡緊機(jī)下鉆桿的元件就是卡瓦，卡瓦上一般鑲嵌硬質(zhì)合金塊做為卡緊主動(dòng)鉆桿或直接卡緊機(jī)下鉆桿的元件。以下對(duì)硬質(zhì)合金塊在卡瓦上的排列方向做一探討。

1 巖心鉆機(jī)卡盤工作情況

巖心鉆機(jī)在鉆進(jìn)巖石的過程中要求鉆頭有合適的鉆壓和轉(zhuǎn)速以刻劃、磨削巖石完成鉆進(jìn)。這些功能都靠卡瓦夾持主動(dòng)鉆桿或機(jī)下鉆桿通過孔內(nèi)鉆桿、鉆頭來完成。為達(dá)到合適的鉆進(jìn)速度和控制鉆孔質(zhì)量，就需要用卡瓦夾持主動(dòng)鉆桿或機(jī)下鉆桿進(jìn)行加減壓作業(yè)和提供合適的鉆頭轉(zhuǎn)速及扭矩。淺孔時(shí)一般需加壓給進(jìn)，深孔時(shí)要進(jìn)行減壓鉆進(jìn)。

以S75鉆具為例，一般情況下需要鉆壓為7～15 kN，而S75鉆具單位重量81.4 N/m，100 m鉆具重量達(dá)到8.14 kN，很淺的孔深就達(dá)到了某種地層所需要的鉆壓。因此在深孔鉆進(jìn)過程中，大部分時(shí)間處于減壓狀態(tài)。以S75鉆具鉆進(jìn)3000 m孔深為例，3000 m鉆具重量為244.2 kN，除去鉆進(jìn)所需要的鉆壓及鉆井液對(duì)鉆具產(chǎn)生的浮力等因素，大部分重量要靠卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊卡緊主動(dòng)鉆桿或直接卡緊機(jī)下鉆桿并通過減壓裝置來調(diào)節(jié)鉆壓。據(jù)有關(guān)資料記載，鉆機(jī)的扭矩不是隨著孔深的增加以直線形式增加，而是增加的較為平緩，克服隨著孔深的加深而增加的鉆具重量是深孔巖心鉆機(jī)研制中要解決的主要問題之一。

2 現(xiàn)有卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向及特點(diǎn)

現(xiàn)有卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊一般為縱向排列，即與鉆機(jī)給進(jìn)方向一致。如圖1為六方主動(dòng)鉆桿卡瓦，用于卡緊六方主動(dòng)鉆桿；圖2為圓主動(dòng)鉆桿卡瓦，用于卡緊圓或兩方主動(dòng)鉆桿或機(jī)下鉆桿。

圖1 六方主動(dòng)鉆桿卡瓦

圖2 圓主動(dòng)鉆桿卡瓦

硬質(zhì)合金塊縱向排列，與卡瓦體之間用銅焊焊住。所用硬質(zhì)合金塊規(guī)格一般為25 mm×10 mm×5 mm，與主動(dòng)鉆桿接觸面制有尖牙。用于卡緊六方主動(dòng)鉆桿的硬質(zhì)合金塊接觸面為平面，用于卡圓或兩方主動(dòng)鉆桿或機(jī)下鉆桿的硬質(zhì)合金塊接觸面為圓弧面。硬質(zhì)合金的硬度很高，常溫下一般可達(dá)HRA 80以上，最高可達(dá)HRA 93，是巖心鉆機(jī)卡盤卡瓦理想的夾緊元件。硬質(zhì)合金加工方式為硬質(zhì)合金粉末與粘結(jié)劑壓制成型后燒結(jié)而成，一般不再進(jìn)行機(jī)械加工，因此硬質(zhì)合金塊尺寸精度不高。硬質(zhì)合金塊與卡瓦體之間留有一定的間隙，用銅焊焊接。

圖1和圖2為我公司為XY-8型鉆機(jī)上卡盤改進(jìn)前設(shè)計(jì)的卡瓦，每個(gè)上卡盤有兩塊或三塊卡瓦，每個(gè)卡瓦有3個(gè)硬質(zhì)合金條，每個(gè)硬質(zhì)合金條由4塊硬質(zhì)合金用銅焊焊接在卡瓦體的凹槽內(nèi)。

3 改進(jìn)后的卡盤卡瓦硬質(zhì)合金排列方向及特點(diǎn)

改進(jìn)前每個(gè)硬質(zhì)合金條由4塊硬質(zhì)合金塊組成，總長100 mm。由于硬質(zhì)合金塊在燒結(jié)后不再進(jìn)行機(jī)械加工，尺寸精度不高，為了硬質(zhì)合金塊能在卡瓦體的凹槽內(nèi)鑲嵌，卡瓦體的凹槽與硬質(zhì)合金塊之間留有較大的間隙，間隙用銅焊填充。由于深孔時(shí)，鉆具的重量大加上鉆進(jìn)時(shí)鉆具的振動(dòng)，很可能超出了銅焊的強(qiáng)度極限，導(dǎo)致硬質(zhì)合金塊滑移、脫落。

為了解決這一問題，我公司對(duì)XY-8型鉆機(jī)上卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3和圖4所示，分別應(yīng)用于六方主動(dòng)鉆桿和圓或兩方主動(dòng)鉆桿或機(jī)下鉆桿。

圖4 改進(jìn)后圓主動(dòng)鉆桿卡瓦

這樣做的好處是，當(dāng)由于鉆具的重量大或鉆進(jìn)時(shí)鉆具的振動(dòng)導(dǎo)致硬質(zhì)合金塊與在卡瓦體的凹槽之間的銅焊發(fā)生滑移、翻轉(zhuǎn)時(shí)，如圖5所示，硬質(zhì)合金塊的A點(diǎn)和B點(diǎn)與卡瓦體的凹槽發(fā)生接觸。由于硬質(zhì)合金塊與卡瓦體的凹槽間隙不是很大，不像硬質(zhì)合金塊縱向排列時(shí)會(huì)產(chǎn)生累積間隙，它們之間發(fā)生翻轉(zhuǎn)的角度很小。據(jù)推測(cè)沒有超出銅焊的屈服強(qiáng)度的變形量，硬質(zhì)合金塊沒有與銅焊分離，這樣就保證了在深孔巖心鉆進(jìn)中硬質(zhì)合金塊不易脫落。

圖5 橫置硬質(zhì)合金塊受力變形示意圖

我公司已在XY-8型鉆機(jī)的改進(jìn)中使用了圖3所示的卡瓦，用于六方主動(dòng)鉆桿。在此項(xiàng)改進(jìn)完成后，XY-8型鉆機(jī)未發(fā)生上卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊脫落現(xiàn)象。用于卡圓或兩方主動(dòng)鉆桿與機(jī)下鉆桿硬質(zhì)合金塊卡瓦如圖4所示，由于現(xiàn)階段沒有該規(guī)格的硬質(zhì)合金塊而暫時(shí)沒有實(shí)施改進(jìn)。

4 結(jié)論

卡盤是巖心鉆機(jī)的重要部件，硬質(zhì)合金塊是卡緊主動(dòng)鉆桿的重要元件，縱向排列是傳統(tǒng)方式，隨著孔深的增加不能滿足全部鉆孔的需要。經(jīng)過研究分析，考慮到使用習(xí)慣和硬質(zhì)合金塊原料的供應(yīng)情況，我們認(rèn)為，在使用S75鉆具鉆深2000 m以淺時(shí)，硬質(zhì)合金塊排列方向仍采用縱向排列；在鉆深超2000 m以后，硬質(zhì)合金塊排列方向采用橫向排列。以上是我們對(duì)卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向的一點(diǎn)思考，有不妥或不正確的地方請(qǐng)各位專家、實(shí)際使用者批評(píng)指正。

[1] 武漢地質(zhì)學(xué)院. 巖心鉆探設(shè)備及設(shè)計(jì)原理[M]. 北京:地質(zhì)出版社, 1980.

[2] 王達(dá), 何遠(yuǎn)信. 地質(zhì)鉆探手冊(cè)[M]. 長沙:中南大學(xué)出版社, 2014.

2017-08-19

李旭文(1963-)，男，河北香河人，張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司首席設(shè)計(jì)師，教授級(jí)高工，探礦工程專業(yè)，主要從事鉆機(jī)研發(fā)工作。

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