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地質(zhì)鉆探用震擊安全接頭的研制及應(yīng)用

文檔作者：劉完全，李效生，張禮飛文檔來源：安徽兩淮科力機械制造有限責(zé)任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月18日
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第42卷第7期
2015年7月
探礦工程(巖土鉆掘工程)
Exploration Engineering(Rock&amp;amp; Soil Drilling and Tunneling)
Vo1．42 No．7
Ju1．2015：62—65，77
地質(zhì)鉆探用震擊安全接頭的研制及應(yīng)用
劉完全，李效生，張禮飛
(安徽兩淮科力機械制造有限責(zé)任公司，安徽合肥230088)
摘要：為增加斷鉆桿卡鉆打撈成功率和處理孔內(nèi)事故時上部鉆桿安全，研制出了一種能提高處理孔內(nèi)卡鉆事故能
力和確保處理卡鉆事故上部鉆桿安全的震擊安全接頭，在現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的效果。介紹了該震擊安全接頭的
設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)原理、操作技術(shù)和現(xiàn)場應(yīng)用效果等。
關(guān)鍵詞：震擊器；巖心鉆探；卡鉆；安全接頭
中圖分類號：P634．4 9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672—7428(2015)07—0062—04
Development and Application of Safety Joint tII Jar for Geological Drilling／LIU Xian—quart，LI Xiao—sheng，ZHANG
Li (Anhui Lianghuai Keli Machinery Manufacturing Co．，Ltd．，Hefei Anhui 230088，China)
Abstract：To increase the fishing SUCCESS rate and ensure the safety of upper drilling string in the treatment of drilling pipe
breaking and sticking accidents，a safety joint with jar was developed；good results were achieved in field application．This
paper introduces this safety joint about its design idea，structure principle，operation technology and field application
effect．
Key words：jar；core drilling；drilling pipe sticking；safety joint
1 概述
在鉆探施工中，由于鉆孔越來越深，斷鉆桿、卡
鉆事故也在逐年上升。出現(xiàn)斷鉆桿、卡鉆后的事故
處理費用也越來越高，難度也越來越大，處理不當(dāng)有
出現(xiàn)鉆孔報廢的可能?，F(xiàn)在地質(zhì)巖心鉆孔施工中出
現(xiàn)斷、脫鉆具“落魚”時一般打撈都不帶安全接頭，
更沒有輔助解卡工具，如出現(xiàn)“落魚”下卡鉆時也只
能強拉硬拽；為此我們結(jié)合石油鉆井震擊器和處理
孔內(nèi)“落魚”頭以上鉆具的安全需求，成功設(shè)計出了
帶有可調(diào)式的震擊安全接頭，有效結(jié)合了震擊器和
安全接頭兩種結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)向上震擊功能輔助解
卡和安全甩脫功能，并在安全甩脫方式上進行了創(chuàng)
新，確保在安全接頭部位甩脫，可以在處理鉆孔“落
魚”有困難時，保證“落魚”以上的鉆桿安全返回地
面，其他部位不會存在誤甩脫情況，還可以通過震擊
提高打撈鉆具的打撈能力，是鉆探施工的必備工具。
2 特點及工作原理
2．1 依靠上下花鍵副配合傳遞扭矩
上花鍵軸與上花鍵套通過套管正反扣連接套傳
遞甩脫時扭矩；下花鍵軸與下甩脫接頭之間靠花鍵
配合，實現(xiàn)傳遞打撈扭矩、正常回轉(zhuǎn)的功能，把扭矩
傳遞到下甩脫接頭。
2．2 具有上擊功能
芯軸連接套與上花鍵套組成一對震擊偶，當(dāng)下
部鉆具遇卡時，上提鉆具，卡瓦隨著芯軸向上移動，
在此過程中會迫使鉆柱儲能、延時，同時克服碟簧組
的預(yù)緊力，當(dāng)工具受到的拉力足夠大時，使卡瓦受力
膨脹，移動到卡瓦套的齒槽與卡瓦的凸臺相對應(yīng)的
位置時，卡瓦與卡瓦芯軸脫離，產(chǎn)生突然釋放，上部
鉆具迅速回縮，使上活塞加速上行，與上花鍵套下部
的震擊面產(chǎn)生很大的上擊力，實現(xiàn)上擊功能，下壓卡
瓦芯軸復(fù)位，再上提又進行向上震擊，如此反復(fù)操作
一次就有一次向上的震擊力。
2．3 具有安全甩脫功能
正反扣連接套和下甩脫接頭之間靠反扣螺紋連
接，可以在處理鉆孔“落魚”有困難時，從反扣處把
下甩脫接頭甩脫；工作方法是拉出下花鍵軸這時下
花鍵軸與下甩脫接頭的內(nèi)花鍵分離，再繼續(xù)正轉(zhuǎn)就
從反扣處甩脫下甩脫接頭，也就保證了“落魚”以上
的鉆桿安全返回地面，震擊安全接頭的95％ 也可提
出孔口，只留下甩脫接頭在孔內(nèi)，保持了震擊安全接
收稿日期：2015—05—25；修回日期：2015—06—09
作者簡介：劉憲全，男，漢族，1956年生，總經(jīng)理，鉆探高級工程師，主要從事鉆探設(shè)備和施工研究設(shè)計工作，安徽省合肥市高新區(qū)海棠路399
號，lhgslxq2005@163．COtll。
第42卷第7期 劉憲全等：地質(zhì)鉆探用震擊安全接頭的研制及應(yīng)用 63
頭的完整。甩脫完成后的情況如圖1所示。
上花鍵套 震擊墊 芯軸連接套 碟簧組 卡瓦套 油堵 下套管 正反扣連接套下甩脫接頭
上花鍵軸 上套管 定位墊調(diào)整墊卡瓦卡瓦芯軸活塞下花鍵芯軸
圖1 甩脫完成后的示意
3 震擊安全接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計
3．1 震擊安全接頭結(jié)構(gòu)方案
綜合參考現(xiàn)有震擊器和安全接頭兩種工具的結(jié)
構(gòu)，確定震擊安全接頭的結(jié)構(gòu)，具體有如下幾個方
面。
3．1．1 安全甩脫方案的確定
考慮到震擊安全接頭既要實現(xiàn)震擊功能又要實
現(xiàn)安全甩脫功能，故把安全甩脫裝置放在整體結(jié)構(gòu)
的下面，采用反扣與主體連接，這樣在處理事故困難
的時候可以通過上部鉆具的正轉(zhuǎn)來甩脫下部的鉆
具。
3．1．2 扭矩傳遞方案的確定
震擊安全接頭扭矩傳遞形式和隨鉆震擊器的形
式相似，都是里面的芯軸與外套采用花鍵副傳遞扭
矩。但不同的是，震擊安全接頭增加了安全甩脫功
能，即裝置末端的接頭靠反扣連接，這樣就不能依靠
外管的連接來傳遞扭矩，因此選擇依靠芯軸將扭矩
傳遞給末端的接頭，從而帶動下部鉆具轉(zhuǎn)動。
3．1．3 震擊結(jié)構(gòu)方案的確定
震擊結(jié)構(gòu)采用機械式，即卡瓦配合式。
3．1．4 儲能機構(gòu)的確定
采用與現(xiàn)有機械式震擊器相同的儲能機構(gòu)— —
碟簧組。選用碟簧組是因為碟簧拆裝方便，可以根
據(jù)實際需要改變碟簧組合，從而達到改變震擊力的
目的。
3．2 震擊安全接頭結(jié)構(gòu)
震擊安全接頭主要由固定件、活動件、震擊偶、
聚能件和甩脫機構(gòu)5部分組成，如圖2所示。
3．2．1 固定件
上花鍵套 震擊墊 芯軸連接套 碟簧組 卡瓦套 油堵 活塞 正反扣連接套
上花鍵軸 上套管 定位墊 調(diào)整墊 卡瓦卡瓦芯軸下套管下花鍵芯軸下甩脫接頭
圖2 震擊安全接頭結(jié)構(gòu)示意
它是由上花鍵套、上套管、卡瓦套、下套管、正反
扣連接套和下甩脫接頭組成。下甩脫接頭與下部鉆
柱連接，形成相對固定狀態(tài)。
3．2．2 活動件
它是由上花鍵軸、芯軸連接套、卡瓦芯軸、卡瓦、
活塞和下花鍵芯軸組成。上花鍵軸與上部鉆柱連
接，由上部鉆柱驅(qū)動。
3．2．3 震擊偶
以芯軸連接套為撞擊體，震擊墊為承擊體，組成
一對震擊偶。
3．2．4 聚能件
幾組對合的碟簧組構(gòu)成聚能件。當(dāng)工具下部遇
卡，提拉上部鉆柱使碟簧壓縮，這個過程中迫使上部
鉆柱儲能。
3．2．5 甩脫機構(gòu)
甩脫機構(gòu)由下接頭、下芯軸組成。下接頭與下
套管之間靠反扣連接，其余外管之間均是靠正扣連
接。當(dāng)下接頭與下芯軸脫離嚙合時，上部鉆柱正轉(zhuǎn)，
各管體之間的連接螺紋只能上緊，只有從下接頭處
甩脫，解決了誤甩脫的技術(shù)難題。
3．3 材料的選擇
3．3．1 芯軸的選材
該裝置是隨鉆使用，故芯軸應(yīng)為空心軸?？紤]
到震擊安全接頭工作時，卡瓦與卡瓦芯軸之間的摩
擦較大，造成芯軸的磨損比較嚴(yán)重，芯軸表面應(yīng)氮化
處理，增加表面硬度，提高表面耐磨性，因此芯軸采
用滲氮效果比較好的鋼材，綜合使用要求和經(jīng)濟性
的考慮，用40Cr作為芯軸的原材料。
3．3．2 卡瓦套與上、下套管的選材
由于外管在正常鉆進過程中承受的扭矩不大，
探礦工程(巖土鉆掘工程) 2015年7月
主要是承受拉力，但卡瓦套與卡瓦在工作中要產(chǎn)生
摩擦，也要求其有一定的耐磨性，需氮化處理。因材
料是管體，首先考慮鉆桿的材料，綜合比較，$135鋼
級的鉆桿滲氮后有較好的效果，而且市場上的原材
料供應(yīng)比較充足，故選擇$135鋼級的鉆桿料作為原
材料。
3．3．3 上、下接頭的選材
上、下接頭在工作中要承受一定的扭矩和拉力，
同時有一定的耐磨性，綜合上述，選40Cr作為原材
料。
3．4 碟簧的選擇
3．4．1 碟簧規(guī)格的確定
碟簧的內(nèi)徑選擇應(yīng)遵循大于芯軸外徑1～2
mm，碟簧的外徑小于卡瓦套內(nèi)徑0．8～1 mm。
3．4．2 碟簧組合的確定
地質(zhì)鉆探的深度一般在1000～2000 m。如果
用060 mm鉆桿，在1000 113時，鉆桿質(zhì)量大概為
11．6 t；在2000 m時，鉆桿質(zhì)量大概為23．2 t。因為
碟簧的規(guī)格受芯軸和外套的限制，只能選用非標(biāo)準(zhǔn)
碟簧。
4 震擊安全接頭的使用
4．1 震擊安全接頭的選擇
根據(jù)下井的鉆具情況、井深和預(yù)期的震擊力選
擇合適的震擊安全接頭碟簧組合形式，震擊安全接
頭有正絲鉆桿和反絲鉆桿使用兩種。
4．2 鉆具組合
(1)在打撈作業(yè)中，應(yīng)使震擊安全接頭盡量靠
近卡點。鉆桿+彎鉆桿小根+震擊安全接頭+打撈
工具。
(2)在地面測試作業(yè)中，在現(xiàn)場維修重裝后進
行震擊安全接頭的拉力試驗，確保震擊安全接頭在
對應(yīng)拉力下一定要能拉開，這樣保證有震擊的同時
才能確保有安全甩脫的能力，現(xiàn)場試驗方法是下鉆
時當(dāng)下到鉆具重力大于震擊安全接頭預(yù)期拉開釋放
力時，接上震擊安全接頭上提，只要能正常拉開就說
明維修組裝的震擊安全接頭完好。
4．3 操作方法
往孔內(nèi)下放震擊安全接頭時應(yīng)記清震擊安全接
頭下面的鉆具懸重，打撈時應(yīng)記清打撈前的鉆具懸
重，后者減去前者即為震擊安全接頭以上的鉆具懸
重。但要注意，震擊安全接頭以上鉆具的懸重、震擊
安全接頭標(biāo)定釋放力與鉆柱摩擦力(鉆柱摩擦力的
具體大小與鉆柱組合、泥漿情況和井深結(jié)構(gòu)等有關(guān)，
由司鉆根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定)，三者之和不能大
于設(shè)備的最大提升力。當(dāng)打撈工具撈住“落魚”后，
上提鉆具，確認鉆具被卡，即可進行震擊作業(yè)。這時
上提鉆具當(dāng)拉力達到所需的標(biāo)定釋放力時，即產(chǎn)生
震擊。如一次震擊不能解卡，可反復(fù)震擊，注意在震
擊安全接頭處于上擊拉開位置時，不可轉(zhuǎn)動鉆具，否
則將從下套管與下接頭處甩脫；如震擊無效時要進
行安全甩脫時，震擊安全接頭一定要處于上擊拉開
位置，轉(zhuǎn)動鉆具就在正反扣連接套處甩脫下甩脫接
頭。
4．4 上擊力的調(diào)節(jié)
89 mm震擊安全接頭不同碟簧組合所對應(yīng)的
標(biāo)定釋放力如圖3和圖4所示。用戶可以根據(jù)不同
的需求，在地面上自行改變碟簧的組合形式，以達到
滿意的震擊效果。
圖3 單碟簧組合方式(所對應(yīng)的標(biāo)定釋放力為27．5 kN)
圖4 雙碟簧組合方式(所對應(yīng)的標(biāo)定釋放力為8O kN)
結(jié)合3．3．2，綜合考慮鉆桿的重力和設(shè)備的最
大提升力，還有鉆具“落魚”頭以下的鉆具重力選擇
的碟簧組合如下：孔深在1000 m左右時選擇兩片碟
簧為一組，這種組合的初拉力為80 kN?？咨钤?
1500 m左右時選擇一片碟簧為一組，這種組合的初
拉力為27．5 kN；當(dāng)“落魚”頭以下的鉆具重力大于
30 kN，就應(yīng)選擇兩片碟簧為一組的初拉力為80
kN，這時的拉力在克服“落魚”頭以下的鉆具重力后
第42卷第7期 劉憲全等：地質(zhì)鉆探用震擊安全接頭的研制及應(yīng)用 65
才能對卡點有一定的震擊力。(注：初拉力即震擊
安全接頭啟動上擊功能的最小拉力)。
5 實際應(yīng)用效果
震擊安全接頭在多個煤田地質(zhì)鉆探鉆孔中處理
孔內(nèi)鉆桿卡鉆都取得了極佳的效果，受到了現(xiàn)場和
工程技術(shù)人員的好評。其中有2起處理孔內(nèi)“落
魚”事故中震擊安全接頭起到了關(guān)鍵作用。
5．1 斷鉆桿事故
5．1．1 鉆孔情況
安徽淮南潘集深部煤田地質(zhì)勘探鉆孔，孔號為
2—4，設(shè)計孔深1480 m，終孔孔徑94 mm。鉆孔結(jié)
構(gòu)為第四系新地層180 m，孔徑113 mm，基巖地層
為094 mm，終孔層位為4—1槽煤層。
5．1．2 事故原因分析
施工到孔深1350 m時，當(dāng)時在正常取心鉆進，
孔內(nèi)鉆具組合為050 mm鉆桿+068 mm鉆鋌+
089 mm取心管+復(fù)合片金剛石取心鉆頭。出現(xiàn)斷
鉆桿事故，鉆桿斷點有泥漿穿刺和老傷，斷點“魚
頭”孔深位置395 m，第一次打撈用公絲錐上扣后上
提鉆具受卡，強制提拔無效，拉力達到了240 kN，分
析受卡斷鉆桿原因：鉆桿有傷后出現(xiàn)泥漿穿刺，導(dǎo)制
泥漿循環(huán)不到孔底，鉆頭冷卻不足形成燒鉆受卡，燒
鉆后扭矩增大，把有傷鉆桿扭斷。
5．1．3 事故處理
根據(jù)分析鉆具卡點在孔底，選擇的處理方案是：
第一步反出斷頭，并可能多的反出孔內(nèi)鉆具，結(jié)果一
次就反出了孔內(nèi)所有鉆桿和鉆鋌，孔內(nèi)只留下螺絲
頭、取心管和取心鉆頭；第二步分析認為卡點就在鉆
頭也就是燒鉆，完全可下震擊安全接頭進行上擊處
理，震擊點距卡點近，更有利于對卡點震擊松動。下
鉆前把震擊安全接頭調(diào)整震擊拉力為27．5 kN，下
鉆對上扣后首先試開泥漿泵用1擋40 L／min，沒能
打開，就上提鉆具進行震擊操作，當(dāng)拉到160 kN時
實現(xiàn)了向上的震擊，同時拉力表向下震動，說明震擊
工作正常，反復(fù)進行了11次沒有效果，就又試開泥
漿泵還是打不開，在又上提鉆具進行了10次震擊操
作后出現(xiàn)了向上提動，后又上提震擊了2次就提離
了孔底，成功的實現(xiàn)了解卡。把取心器鉆頭提出孔
口后，發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的燒鉆現(xiàn)象。這也是首次應(yīng)用震
擊安全接頭處理燒鉆的卡鉆，現(xiàn)場工程技術(shù)人員認
為震擊產(chǎn)生了松動，才完成了解卡，說明接頭的震擊
設(shè)計達到了目的。
5．2 粘鉆事故
5．2．1 鉆孔情況
安徽淮南劉莊深部煤田地質(zhì)勘探鉆孔，孔號為
24—5，設(shè)計孔深1560 rn，終孑L孑L徑94 mm。鉆孔結(jié)
構(gòu)為第四系新地層220 m，孔徑146 mm，下入0127
mm套管，基巖地層為094 mm，終孔層位為13—1
槽煤層。
5．2．2 事故原因分析
孔深在1510 m，鉆孔將要終孔，出現(xiàn)了柴油機
故障，在發(fā)現(xiàn)柴油機不對時，當(dāng)班就強制把鉆具拉離
孔底有5 m，再去停柴油機使柴油機損壞嚴(yán)重只好
更換，由于換柴油機時間長，再提升鉆具時就拉不動
了，鉆孔通漿正常，分析認為就是鉆孔粘鉆。
5．2．3 事故處理
根據(jù)鉆孔粘鉆分析，選擇的處理方案是：第一步
先行進行解卡劑解卡，沒有完成解卡目的；第二步在
解卡無效后只好應(yīng)用反絲鉆桿進行反回鉆具，由于
粘鉆位置不清，在反鉆桿時要求帶上震擊安全接頭，
在1000 ITI以內(nèi)時下鉆前把震擊安全接頭震擊拉力
調(diào)整在80 kN，每次對“落魚”頭上扣后都進行震擊
和震擊后快速回落下?lián)粼?次左右，而后才反鉆桿，
每次都能反回一定量的孔內(nèi)正鉆桿，只用了2天多
就順利的處理到鉆鋌；第三步鉆鋌處理采用有接頭
就反沒有接頭就套的方法，在反鉆鋌接頭中為保證
反絲鉆桿安全帶上震擊安全接頭并調(diào)整震擊拉力在
27．5 kN，當(dāng)處理到只有9 m鉆鋌(兩小根)和一根
取心管(4．5 m)時，通過震擊和向下快速下?lián)魰r就
一次處理完所有孑L內(nèi)鉆具，15 10 m孑L深粘鉆事故處
理時間用了不到6天，震擊安全接頭在這里起到了
一個關(guān)鍵的作用，也獲得了工程技術(shù)人員和機臺人
員的好評。
6 結(jié)語
應(yīng)用實例證明，震擊安全接頭完全可滿足鉆探
施工中處理孔內(nèi)卡鉆所需的震擊和安全保護的要
求，可避免事故的復(fù)雜化，可作為深孔施工的有效工
具。
該震擊安全接頭主要是向上震擊，因此應(yīng)用上
有一定的局限性，為此我們又設(shè)計了一種可用于向
下沖擊的安全接頭。
(下轉(zhuǎn)第77頁)
第42卷第7期 黃全海等：聯(lián)合支護技術(shù)在深基坑支護中的應(yīng)用 77
采取措施，處理完事故后，接樁時應(yīng)從停噴點向下加
深1．0 m處重新噴射接樁。
6 變形檢測
根據(jù)設(shè)計方案，施工過程中在基坑坡頂設(shè)置了
26個觀測點進行沉降和位移觀測，另在基坑周邊3
倍基坑深度范圍內(nèi)設(shè)置14個點進行沉降觀’?貝0，重點
檢測基坑南側(cè)、北側(cè)已有建筑及東側(cè)花園路沿線的
沉降變化情況?；娱_挖施工過程中，雖然經(jīng)歷了
整個雨季，但從檢測數(shù)據(jù)看，北側(cè)坡頂累計沉降量相
對較大，為14．8～19．5 mm，其余3側(cè)的累計沉降量
為9．6～14．2 mm，所有檢測點的檢測數(shù)據(jù)均在規(guī)范
允許范圍內(nèi)。
7 結(jié)語
樁錨聯(lián)合在基坑支護工程中經(jīng)過多年的應(yīng)用與
發(fā)展，已被深基坑設(shè)計、監(jiān)理和施工人員所接受，并
廣泛應(yīng)用于基坑工程中，但在地下水位以下和軟弱
土分布區(qū)域，常規(guī)施工方法完成的預(yù)應(yīng)力錨索質(zhì)量
事故也多有發(fā)生，本工程中的高壓旋噴一次性成型
錨索施工方法，解決了軟弱土中的成孔難題，且通過
調(diào)整噴漿壓力形成的3個錨索擴大段措施，有效地
增加了單根錨索的抗拉承載力，且施工造價低、工期
(上接第65頁)
震擊安全接頭產(chǎn)生的震擊力只是一個鉆具受卡
時的解卡附助力，不是所有的卡鉆都能保證處理上
來，在處理孔內(nèi)“落魚”時就要根據(jù)孔內(nèi)情況合理應(yīng)
用調(diào)整好震擊力并進行正確的操作，才能保證處理
的效果。
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短、施工方便、安全可靠，具有較廣闊的應(yīng)用前景；在
軟弱土體分布區(qū)域采取的護坡樁前被動區(qū)軟弱土體
加固措施，除了能夠提供較大的被動土壓力外，還可
以為護坡樁提供很好的嵌固層，再加上該區(qū)域花管
樁的實施，有效地減少了圍護樁的豎向和水平變形。
總之，在周邊環(huán)境條件復(fù)雜和場地巖土工程地質(zhì)條
件較差的情況下，通過聯(lián)合支護技術(shù)的應(yīng)用，可以較
好地保護基坑壁土體的穩(wěn)定和安全。
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