卡夹式打捞钻头及打捞工艺_潘小叶.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 卡夹式打捞钻头及打捞工艺 潘小叶 1， 2 （1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400039） 摘要 针对丝锥打捞存在不易造扣和套铣打捞在对深孔、 复杂轨迹孔及下行孔进行打捞时无 法卡住孔内断落钻杆等问题， 设计了 2 种卡夹式打捞钻头； 介绍了卡瓦夹持式打捞钻头结构及 特点， 叙述了卡夹式打捞工艺流程， 给出了卡夹式打捞钻头卡紧钻杆的条件。 关键词 瓦斯抽采钻孔； 钻进工艺； 打捞钻头； 卡夹式； 打捞工艺 中图分类号 TD421.25文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 03-0119-04 Claw-clamping Type Fishing Bit and Fishing Process PAN Xiaoye1,2 （1.China Coal Technology 2.National Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Response Technology, Chongqing 400039, China） Abstract In view of the problems that tap fishing is not easy to make buckles, and sleeve milling fishing in the fishing of deep hole, complex track hole and down hole cannot stick the broken drill pipe in the hole, etc., two kinds of claw-clamping type fishing bits are designed. In this paper, the structure and characteristics of claw-clamping type fishing bit are introduced, claw- clamping type fishing process is described in detail, and the conditions of the claw-clamping type fishing bit to clamp the drill pipe are given. Key words gas drainage hole; drilling process; fishing bit; claw-clamping type; fishing process 煤矿井下瓦斯抽放孔施工时，特别是轨迹偏心 严重的旋转给进施工，钻杆对孔壁会造成特别强烈 地冲击和刮削，破坏了原有地层的稳定和平衡， 并 在煤层中高压液体、瓦斯气体及地应力综合作用 下， 孔壁会出现坍塌、 膨胀等现象， 导致钻孔施工时 常会发生卡埋钻、 顶钻及钻杆断落等事故[1-3]。 针对上述孔内事故，凭借相关领域里的工程人 员的努力，开发了许多具有针对性的打捞工具及工 艺。如 “强力回转、 起下钻” 工艺， 采用强力快速回转 及推拉钻杆迅速反复转换结合的方式；“钻杆加丝 锥造扣” 工艺， 即在断钻的情况下， 使用对应尺寸的 钻杆，配套相应的公、母丝锥进行断落钻具打捞的 方法；“套铣打捞” 工艺， 即打捞钻杆配合套铣钻头， “套” 在事故钻具的外表面对钻杆进行铣孔， 实现扫 通卡埋钻的地点成功解决钻孔事故的方法，主要适 用于卡、 埋钻事故[4-6]。以上孔内事故处理方案， 或者 事故处理工艺适用范围小，或者难以造扣，或者处 理事故能力单一。 为了解决上述常用打捞工艺及钻具存在的问 题，设计了一种卡夹式打捞钻头，配合相应的打捞 工艺，以期改进和完善打捞工艺，提高打捞成功率 及适用范围。 1常见打捞技术缺陷分析 目前， 煤矿井下出现的卡埋钻和断钻事故， 常见 处理方法为丝锥造扣和套铣打捞。 1） 丝锥造口打捞方法。主要用于处理孔中的钻 杆断落事故。具体的处理过程退出孔中非断落钻 杆，然后用钻杆把丝锥送到钻杆断落处，调低旋转 和给进速度在断落钻杆的端部进行套杆及造口[7]。 该种打捞方式造扣过程复杂，经常需反复套杆造 扣，易造成丝锥滑丝和报废，特别是地质条件复杂 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.026 潘小叶.卡夹式打捞钻头及打捞工艺 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 119-122. PAN Xiaoye. Claw-clamping Type Fishing Bit and Fishing Process ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 119-122. 移动扫码阅读 119 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 的孔中， 打捞成功率低， 且工人作业强度大。 2） 套铣打捞技术。主要用于处理卡埋钻及钻杆 断落后未退杆的孔内事故。打捞钻杆依靠孔内钻杆 导向把打捞钻头送到螺杆钻具弯头处，利用打捞钻 头内壁变径台阶卡住螺杆钻具弯头处凸起， 并利用螺 杆钻具自身重力、 孔底反力取出孔内断落钻具[8-9]。该 项打捞技术主要用于浅孔、上行孔或近水平孔打 捞，且打捞时需反复多次套捞钻具凸起才能卡住， 但对于深孔、轨迹复杂定向孔及下行孔时，原有的 打捞钻头很难凭借台阶结构卡住螺杆钻具，特别是 地质条件复杂的深孔打捞， 打捞成功的概率很低。 2卡夹式打捞钻头的结构及特点 丝锥和套铣打捞方式或多或少存在着各自缺 陷，因此有必要对原有打捞方式及配套打捞工具进 行改进和完善， 为此， 设计了挤压卡夹和套铣卡夹 2 种卡夹式打捞钻头，挤压卡夹式打捞钻头结构如图 1， 套铣卡夹式打捞钻头如图 2。 卡夹式打捞钻头均由连接接头、 弹簧座、 弹簧、 夹持卡瓦、 挡销、 钻头体及刀片等零件组成。3 片夹 持卡瓦表面加工有单向咬杆锯齿，均布于钻头体的 T 型槽内， 沿着 T 型槽方向可自由滑动， 自由滑动的 距离由连接接头的内台阶和钻头体上的挡销控制， 滑向连接接头内壁台阶处， 夹持卡瓦处于张开状态， 滑向挡销处为夹持状态。弹簧通过弹簧座向 3 片夹 持卡瓦施加同步推力，使 3 片卡瓦处于常闭夹持状 态。 T 型槽方向与钻头体轴线的夹角为小角度， 钻杆 进入后， 卡瓦、 钻头体及钻杆便形成斜楔自锁机构， 实现钻头对孔内断落钻杆牢固夹持。钻头体端部车 有导向斜面， 套住断落钻杆后， 断落钻杆沿着斜面滑 向卡瓦处， 并通过卡瓦端部的倒角面挤压卡瓦， 压缩 弹簧， 即卡瓦张开， 断落钻杆滑进钻头后， 悬停或后 拉即可锁住钻杆。刀片通过银钎焊固定在钻头体端 部切削翼的刀槽内，主要用于打捞钻头送入过程中 扫孔或清除孔内障碍，使打捞钻头能够顺利进入钻 具断落处。 2 种打捞钻头主要区别是其连接接头的内壁结 构。套铣卡夹式打捞钻头的连接接头等零件结构内 孔直径必须大于所捞钻杆直径，确保所捞钻杆能顺 利穿过打捞钻头内壁； 而挤压卡夹式打捞钻头， 其连 接接头内孔加工有挤压卡槽，与套住的断落钻杆端 部交错卡入挤压， 具有向断落钻杆传递扭矩的能力。 2 种钻头具有的共同特点有①与钻杆接触的 卡瓦表面车有单向锯齿， 后拉打捞钻头时， 卡瓦锐齿 会在断落钻杆表面形成咬痕，以此增加卡瓦与钻杆 间的摩擦系数， 卡瓦表面经过渗碳硬化处理， 表面硬 度 HRC55-60;②打捞钻头夹持直径范围大， 能套住 变形大的断落钻杆端部; ③弹簧通过具有导向功能 的弹簧座向卡瓦施加自锁夹紧力，使 3 片卡瓦夹持 动作保持同步;④弹簧座上具有保护段， 弹簧对穿过 的钻杆干扰小;⑤T 型槽处相互接触面光洁度高， 滑 动摩擦系数小; ⑥打捞钻头的前端采用喇叭口状导 向设计， 套杆顺畅、 平滑;⑦打捞钻头端部焊有切削 刀片， 具有清除孔内障碍的能力， 确保送入时孔内通 畅;⑧打捞钻头夹住钻杆时会形成单向斜楔自锁， 夹 持钻杆牢固;⑨钻头结构精巧， 制造工艺简单， 加工 成本低。 3卡夹式打捞工艺 3.1套铣卡夹式打捞工艺 卡埋钻事故发生后， 常用的处理工艺是 “强力回 转及起下钻” ， 或采用套铣扫孔处理工艺[10]， 但对定 图 1挤压卡夹式打捞钻头结构 Fig.1Structure of squeeze type claw-clamping type salvage fishing bit 图 2套铣卡夹式打捞钻头 Fig.2Structure of milling claw-clamping type salvage fishing bit 120 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 向轨迹施工过程中发生的深孔钻杆断落事故，采用 传统的套铣打捞钻头，一般需套铣到钻具的末端， 且不易卡劳，打捞成功率低。而采用卡瓦夹持式打 捞钻头的套铣打捞工艺，解决了不易卡劳等问题， 该工艺还可以处理定向钻孔的钻杆断落事故。孔内 钻具套铣打捞示意图如图 3。 套铣卡夹式打捞工艺处理过程为 1 ） 使用管钳卸掉孔口处 1 根钻杆， 更换钻机上 夹持器及卡盘卡瓦。 2） 放上打捞钻杆， 旋上套铣卡夹式打捞钻头， 接 上水辫，操作钻机使打捞钻杆套住孔内钻杆，并沿 着孔内钻杆把打捞钻头送至孔内断杆处后（通过钻 压突变判断） 停钻，调低给进和回转速度套取断落 钻杆， 送入过程中伴随着扫孔铣孔， 清理孔内障碍。 3 ） 后拉打捞钻杆， 卡瓦在弹簧力和拉力作用下 锁住钻杆（即钻头体、夹持卡瓦及钻杆形成斜楔自 锁机构） 。 4） 再次更换卡盘和夹持器卡瓦， 退出孔内断落 处朝外的可退钻杆。 5） 最后更换卡瓦， 操作打捞钻杆拉出断落钻杆。 6） 取下卡夹式打捞钻头， 完成打捞作业。 3.2挤压卡夹式打捞工艺 相对于卡埋钻事故采用的事故处理方式，断落 钻杆事故发生时，所采用的卡夹式打捞工艺有所不 同，挤压卡夹式工艺所用打捞钻头夹持钻杆的同 时，伴随着钻杆与钻头内壁台阶的相互挤压，主要 应用于普通钻孔施工时发生的断钻事故。普通钻孔 轨迹简单， 近似直线， 且孔深相对较浅， 出现钻杆断 落事故时，常见的打捞方法就是普通钻杆配合丝锥 进行打捞，打捞成功率较低，而卡夹式打捞工艺改 进了常规的打捞方法，用卡夹式打捞钻头替换丝 锥。孔内钻具挤压打捞示意图如图 4。 挤压卡夹式工艺处理过程为 1） 操作钻机退出孔内可退施工钻杆。 2） 使用施工钻杆将打捞钻头送到钻杆断落处。 3） 调低给进、 回转速度， 使打捞钻头套住孔内断 落钻杆端部， 3 片卡瓦夹住断落钻杆， 断落钻杆端部 与打捞钻头内壁台阶 （内台阶被加工成凹凸沟槽状） 交错挤压。 4） 缓慢回拉钻杆， 此时， 夹持轴向力由 3 片卡瓦 提供，回转扭矩由断落钻杆端部与钻头内壁台阶间 挤压力提供。 5） 拉出断落钻杆后， 取下打捞钻头完成打捞。 4卡夹式打捞钻头卡紧钻头的条件计算及分析 卡夹式打捞钻头能否夹住孔内断落钻杆，并捞 出孔内钻杆，主要取决于卡瓦夹持机构在退杆时能 否形成自锁。该打捞钻头的钻头体部分与打捞钻杆 固连， 卡夹式打捞钻头具体的夹持过程为 打捞钻头 套住断落钻杆端部并继续往里推，在断落钻杆端部 的反向挤压下， 3 片卡瓦压缩弹簧张开， 断落钻杆端 面一段杆体滑入卡瓦咬合面；停止推杆，卡瓦在弹 簧力作用下夹住钻杆，与钻头体一起形成斜楔紧自 锁机构。 卡夹式打捞钻头夹持状态下的受力分析如图 5， F3为退杆时施加于钻头体拉力，N1为 T 型槽接 触面处钻头体对卡瓦施加的正压力，利用摩擦关系 使卡瓦楔紧钻杆。 打捞钻头夹紧钻杆的基本条件是打捞钻头后拉 时能否楔紧钻杆而形成自锁。自锁作用越强，则夹 持钻杆越可靠。即应保证 F2 N3＞N1sinαF1cosα（1 ） 式中 F1为卡瓦与钻头体接触斜面之间的摩擦 力， F1N1f1； F2为卡瓦与钻杆之间的摩擦力， F2N2f2； N1为钻头体施加给卡瓦的正压力； N2为钻杆施加给 卡瓦的正压力； f1为卡瓦与钻头体之间的摩擦系数； f2为卡瓦与钻杆之间的摩擦系数； α 为卡瓦与钻头 体接触斜面与钻杆轴线之间的夹角。 当卡瓦处于夹持状态时， 根据平衡条件有 F2＋N1＝F1cosα＋N1sinα 图 3孔内钻具套铣打捞示意图 Fig.3Principle of milling and salvage in the hole 图 4孔内钻具挤压打捞示意图 Fig.4Principle of squeeze and salvage in the hole 121 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 6摩擦系数关系函数曲线 Fig.6Relationship curves of coefficients friction N2F1sinαN1cosα（2） 图 5 中 N3为弹簧施加给卡瓦的弹簧力， 用于钻 头卡瓦闭合时预紧力， 因此不影响自锁分析条件， 可以忽略。因此， 由式 （1 ） 和式 （2） 得摩擦系数关系 式为 f2＞ f1tanα 1-f1tanα （3） 由式 （3 ） 可得 α4、 8时的摩擦系数关系函数 曲线 （图 6） 。 由函数关系曲线图 6 可知，当 f10.05 时， α4 时， f2所需摩擦系数为 0.12， α8时， f2所需摩擦系 数为 0.19， 由此可知， 当 f1摩擦系数越小， 接触斜角 α 越小，形成自锁时所需的卡瓦对钻杆的接触摩擦 系数 f2就越小， 即 T 型槽处接触面倾角、 摩擦系数 及卡瓦与钻杆间的咬合摩擦系数满足一定关系， 打 捞钻头夹持卡瓦时才会形成自锁。 综合各种因素进行优选，当 T 型槽接触面倾角 α6、 摩擦系数 f10.1 时， 卡瓦咬合钻杆的接触摩擦 系数 f2约等于 0.2，在此条件下制造出的打捞钻头 满足自锁的同时， 加工成本也不会显著增加。 5结语 1） 卡夹式打捞钻头采用了 3 瓣式卡瓦夹持设计， 结构简单、 紧凑。夹持钻杆时形成斜楔自锁， 夹持牢 固； 钻头导向性好， 打捞时套杆顺畅； 且夹持钻杆直 径范围大。 2） 卡夹式打捞工艺与丝锥和套铣打捞相比， 降 低了操作难度， 减轻了工人作业强度。 3） 当卡夹式打捞钻头 T 型槽处接触面倾角 α 6、 摩擦系数 f10.1 时， 制造出的打捞钻头即能够满 足夹持时自锁， 加工成本也不会显著增加。 参考文献 ［1］ 胡鹏飞.复杂地质条件下近水平钻孔孔内事故发生原 因分析 ［J］ .煤炭与化工， 2017， 40 （10） 89-91. ［2］ 钱增亮. 针对煤田地质钻探孔内事故的预防及处理 ［J］ .矿业装备， 2018 （3） 98-99. ［3］ 管强盛， 杨慧琳.煤矿井下定向钻孔常见孔内事故预 防与处理 ［J］ .科技与创新， 2017 （14） 21-24. ［4］ 郝世俊.煤矿井下瓦斯抽放钻孔孔内事故的预防及处 理 ［J］ .探矿工程 （岩土钻掘工程） ， 2004 （6） 58-60. ［5］ 许超， 石智军.煤矿井下定向钻进钻孔事故的预防及 处理 ［J］ .煤田地质与勘探， 2014， 42 （3） 100-104. ［6］ 豆旭谦， 魏宏超， 王林杰， 等.煤矿井下坑道钻探常见 钻孔事故分析与处理方法探讨 ［J］ .西部探矿工程， 2015， 27 （8） 21-23. ［7］ 师忠卿.丝锥螺旋式打捞器的设计及应用 ［J］ .机电信 息， 2010 （12） 201-202. ［8］ 赵建国， 牟培英， 许超， 等.套铣打捞技术在定向钻进 事故处理中的应用 ［J］ .中州煤炭， 2013 （8） 75-77. ［9］ 牟培英.套铣打捞钻杆的研究及应用 ［J］ .煤矿机械， 2016， 37 （10） 88-91. ［10］ 王玲玲， 姜增所， 张建忠， 等.水平井解卡打捞工艺技 术研究 ［J］ .石油矿场机械， 2012， 41 （9） 64-68. 图 5卡瓦夹持钻杆时受力分析 Fig.5Force analysis in the condition of kava clamping drill pipe 作者简介 潘小叶 （1979） ， 男， 安徽无为人， 工程师， 硕士， 2007 年毕业于安徽理工大学，主要从事钻具装备及 工艺方面的研究工作。 （收稿日期 2019-06-06； 责任编辑 李力欣） 122 ChaoXing