周志誠，臧臣坤，孫軍盈，楊碩

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

長期以來，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，而且勞動強(qiáng)度高，作業(yè)效率低。在石油鉆修井作業(yè)中，經(jīng)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(zhì)鉆桿及繩索取心鉆桿。

在核工業(yè)鈾礦科學(xué)鉆探1號孔實施全孔取心鉆探過程中，目標(biāo)孔深2500m，實際取心深度2818.88m，設(shè)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(dá)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(zhì)裝備集團(tuán)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(biāo)，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(jī)械結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)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(zhuǎn)動臂上，轉(zhuǎn)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(qū)動曲柄連桿，曲軸繞中心轉(zhuǎn)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(shè)計有止動塊，止退塊與連桿上的臺肩嚙合時，可阻止曲軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)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(jìn)氣口銜接到空壓機(jī)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(fù)運動和卡盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，司鉆工人可以在司鉆房及操作臺實現(xiàn)對孔口卡盤的機(jī)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(jìn)行旗下鉆桿的動作協(xié)調(diào)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(jī)用的孔

1）QK70型孔口氣動卡盤采用壓縮空氣驅(qū)動卡瓦夾持、松開，動作迅速，輔助時間短，提高鉆進(jìn)效率；在不具備氣源的鉆井現(xiàn)場，也可采用鉆機(jī)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(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，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(jìn)行夾持器的人工開合作業(yè)，不僅勞動量大，強(qiáng)度大，而且司鉆人員與輔助鉆工一旦協(xié)調(diào)不好，勢必產(chǎn)生人身危險與孔內(nèi)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(jī)械化程度增強(qiáng)，極大地降低了工人的勞動強(qiáng)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(zhuǎn)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(chǎn)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(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(nèi)錐的自鎖結(jié)構(gòu)，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(yīng)用

2.1 工程概況

核工業(yè)中國鈾礦地質(zhì)科學(xué)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(shè)計深度2500m，設(shè)計三層井身結(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，采用中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司的XD35DB電驅(qū)動頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)施工，孔口卡盤作為頂驅(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。該項目設(shè)計工期10個月。項目于2012年7月21日開鉆，2013年5月3日結(jié)束，歷時283天，鉆進(jìn)深度達(dá)2818.88m，QK70型孔口卡盤經(jīng)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(yīng)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(qū)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(jī)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(shè)備高度的集成化、自動化，降低了孔口操作人員的勞動強(qiáng)度。

圖3 鉆井平臺

2.3 應(yīng)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(nèi)，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(qū)動鉆機(jī)頂驅(qū)鉆進(jìn)系統(tǒng)作業(yè)過程中，將頂驅(qū)裝置、卡盤、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)輔助時間，節(jié)約了成本和時間。

圖4 操作臺

3 結(jié)語

通過現(xiàn)場應(yīng)用，可以得出結(jié)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(qiáng)度；QK70型氣動卡盤反應(yīng)迅速，輔助時間短，是未來深孔巖心鉆機(jī)孔口輔助裝置的發(fā)展方向。