一種新型割管器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李占鋒，張佳俐，張金來

(河南有色地礦鉆探有限公司，河南鄭州 450016)

一種新型割管器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李占鋒，張佳俐，張金來

(河南有色地礦鉆探有限公司，河南鄭州 450016)

在巖心鉆探工程施工中，發(fā)生孔內(nèi)事故在所難免，鉆桿、鉆具、套管被抱死或卡死的情況時有發(fā)生。通常用反絲鉆桿進(jìn)行處理，但無法保證在理想的位置脫開。為了繼續(xù)施工的需要或從減少經(jīng)濟(jì)損失的角度，要使管材在需要的位置斷開，使用割管器是常見的處理方法。通過工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一種新型割管器，不僅工作性能可靠，而且與以往使用過的其它類型割管器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用范圍廣(最小可割內(nèi)徑為60 mm的管材)、工作效率高等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)和原理具有通用性，值得推廣應(yīng)用。

孔內(nèi)事故;割管器;設(shè)計(jì);應(yīng)用

1 新型割管器的設(shè)計(jì)背景

2011年5月，我公司在“河南省商丘一帶航磁異常查證項(xiàng)目”的巖心鉆探施工過程中，ZK03號鉆孔設(shè)計(jì)孔深1500 m，第四系覆蓋層厚達(dá)982 m。133 mm開孔至753 m，因孔內(nèi)多段出現(xiàn)縮頸、坍塌，被迫將108 mm套管下至753 m;95 mm孔徑鉆進(jìn)至790 m，鉆具提離孔底至770 m時，鉆具被抱死，并采用普通偏心割刀切割了約7 h，然后用75 t千斤頂加力至40 t起拔，才將鉆桿從715 m位置頂斷;75 mm孔徑鉆至1184.2 m，鉆具提離孔底至1171.7 m時，鉆桿被抱死。此時，如果用56 mm鉆具、54 mm鉆桿鉆進(jìn)1500 m或更深，鉆桿的絲扣對扭矩的承載能力存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過慎重考慮，決定將71 mm鉆桿從755 m處割斷后，上部600 m用71 mm的鉆桿，下部接54 mm鉆桿至終孔。

2 新型割管器的設(shè)計(jì)思路

目前常用的割管器中，按刀具切削時進(jìn)給力的來源可分為2類。

一類為偏心割管器。鉆桿和刀具呈L形。當(dāng)鉆桿旋轉(zhuǎn)時，刀具在離心力和鉆桿自身彈性力的共同作用下，形成進(jìn)給力。這種割管器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是工作效率較低，其最大的缺陷是在目標(biāo)管材內(nèi)徑較小時無法使用。

另一類為水壓割管器。在結(jié)構(gòu)原理上，無論是直線伸縮式，還是剪刀式，刀具的進(jìn)給力均來自地面水泵工作時產(chǎn)生的水壓。首先，這類割管器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對有些零件(特別是和密封有關(guān)聯(lián)的零件)的加工精度有較高的要求，這樣就提高了割管器的制造成本。其次，這種割管器在使用前必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其各部分動作的靈活性與可靠性。但割管器放到了鉆孔的預(yù)定位置時，很難判斷孔內(nèi)鉆桿與接頭連接的密封性如何，這使之前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性打了折扣。

新型割管器的基本設(shè)計(jì)理念為:結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用可靠。

要實(shí)現(xiàn)割斷管材的目的，必須使割管器具備可靠的工作性能。受機(jī)械加工車床的切削原理啟發(fā)，即讓刀具作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的同時，給刀具施加外力實(shí)現(xiàn)刀具的連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)切斷管材的目的。

3 新型割管器的結(jié)構(gòu)和工作原理

3.1 新型割管器的結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，新型割管器主要由割刀架、割刀體、彈性膠圈、刀頭、硬質(zhì)合金、托刀環(huán)、漲刀錐體等組成。其中割刀體被對稱分為左右兩部分，硬質(zhì)合金鑲焊在刀頭中，刀頭與割刀體焊接在一起，托刀環(huán)與割刀架焊接在一起后，形成了刀頭進(jìn)給的運(yùn)動軌道。

圖1 新型割管器結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 新型割管器的工作原理

割刀架接在鉆桿的最下端，并送達(dá)預(yù)定位置;用打撈器將漲刀錐體送達(dá)預(yù)定位置后，用脫卡器將打撈器脫開拉至地面;在漲刀錐體自身重力的作用下，割刀體被左右漲開;啟動鉆機(jī)使割刀架作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，刀具開始切割;待切割工作完成后，用打撈器將漲刀錐體提至地面;割刀體在彈性膠圈的彈力作用下復(fù)位;將割刀器提至地面后，被割斷的管材從鉆孔中拉出來，割管工作結(jié)束。

4 新型割管器的主要參數(shù)

4.1 割刀架的外徑

割管器中的刀頭在工作前的狀態(tài)是在彈性膠圈的彈力作用下，處于收縮狀態(tài)，且不能伸出割刀架之外，否則，在下鉆過程中可能會損壞刀頭內(nèi)鑲嵌的硬質(zhì)合金刀刃。所以，割刀架的外徑尺寸，也就是割管器的在水平方向上的最大輪廓尺寸，必須滿足割管器在被割管材的內(nèi)孔中順利通過而不受阻礙。但也不意味著尺寸越小越好。如果尺寸過小，導(dǎo)致割管器的外輪廓與被切割管材內(nèi)孔間隙過大，使割管器中的刀頭在進(jìn)給方向上的行程加大，則刀頭工作過程中伸出割刀架的懸臂加長，使刀具在切削過程中受力性能變差，刀頭在切削過程中受力變形的危險(xiǎn)性增加。另一方面，因鉆桿連接時的震動，間隙過大可能會造成刀頭脫軌，使?jié)q刀錐體不能讓割刀體左右對稱漲開。所以，割刀架的外徑尺寸比被割管材的最小內(nèi)徑(考慮被割管材的內(nèi)徑可能大于接頭內(nèi)徑)小0.5～1.5 mm為宜。

4.2 漲刀錐體的外徑

為了增加漲刀錐體準(zhǔn)確漲開割刀體的可靠性，必須保證漲刀錐體在向孔內(nèi)輸送過程中具有良好的對中性能。所以，漲刀錐體的外徑尺寸比連接割管器的鉆桿的最小內(nèi)徑小1～1.5 mm為宜。

4.3 漲刀錐體的長度及漲刀錐體錐頭的錐度

在漲刀錐體的外徑尺寸確定的情況下，漲刀錐體的長度將決定漲刀錐體的重力，最終目的是要計(jì)算出在漲刀錐體的重力作用下，施加給刀頭在切削工作中的進(jìn)給力的大小。

圖2為漲刀錐體受力簡圖，為了簡化受力分析過程，這里忽略漲刀錐體在孔內(nèi)沖洗液中受到的浮力、漲刀錐體的錐面與割刀體之間的摩擦阻力。

漲刀錐體受3個力，分別是重力G和左右割刀體的支撐力N1、N2。將N1分別在X軸和Y軸方向進(jìn)行分解為N11和N12;將N2分別在X軸和Y軸方向進(jìn)行分解為N21和N22。N21和N11分別為左右割刀體的進(jìn)給力。

圖2 漲刀錐體受力簡圖

顯然:

由此可見，α在0～180°的范圍內(nèi)，G越大，α越小，則N11和N21就越大。

如選取G=16 kg，α=10°，則N11=N21=(16/2) ctg5°=88 kg，實(shí)際上，再考慮浮力和摩擦阻力的因素，實(shí)際進(jìn)給力略小于計(jì)算結(jié)果。在轉(zhuǎn)速一定的情況下，適當(dāng)增加G值，進(jìn)給力就加大，可提高工作效率。所以，割管器在工作過程中，泥漿泵是不需要工作的。

4.4 割管器中刀頭的工作行程

設(shè)被割管材的壁厚為δ，割刀架外廓與被割管材內(nèi)孔之間的工作間隙為d，則割管器中刀頭的工作行程=δ+d，再考慮割管器中刀頭的制造誤差，為確保被割管材能徹底被割斷，在實(shí)際設(shè)計(jì)割管器中刀頭的工作行程時，多加上1～2 mm為宜。

4.5 割管器的轉(zhuǎn)速

需要注意的是，在割管器工作期間，如沒有特殊情況，盡可能不要停機(jī)或換擋，否則會增加刀具硬質(zhì)合金被損壞的危險(xiǎn)性。所以，保持割管器在工作期間連續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)是必要的。

在上述前提下，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，會提高割管器的工作效率;同時，提高轉(zhuǎn)速也會增加鉆桿的扭矩。根據(jù)前面提到的應(yīng)用案例，轉(zhuǎn)速在100 r/min時，割斷壁厚為5 mm的71 mm鉆桿，耗時4 h 20 min。所以，在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)鉆桿的規(guī)格、磨損情況等，選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速。

5 割管器的通用性設(shè)計(jì)

根據(jù)上述割管器的設(shè)計(jì)過程，基本結(jié)構(gòu)和工作原理不變，只需要依據(jù)被割管材的規(guī)格尺寸，適當(dāng)調(diào)整割管器相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸即可。比如，2011年9月，在“河南省舞陽地區(qū)深部鐵礦整裝勘查項(xiàng)目”的鉆探施工工地上，使用這種割管器成功地在孔深為136 m的位置，割斷了108 mm×4.5 mm的套管。

6 實(shí)際操作中的注意事項(xiàng)

(1)如果目標(biāo)管材的上端在孔口以下1 m以深，割管器在進(jìn)入鉆孔之前，應(yīng)使用彈性較好的橡膠圈或橡膠繩沿圓周方向輔助固定刀頭，避免在鉆桿下行時，刀頭滑出割刀架因磕碰而損壞。

(2)為了減少因工作不平穩(wěn)造成刀頭損壞的幾率，在割管器工作過程中，鉆機(jī)盡量不換擋，不停機(jī)。

(3)孔內(nèi)少、無沖洗液或者沖洗液粘性較差時，必須使用絞車將漲刀錐體送至預(yù)定位置。特別是在接近割管器前，應(yīng)使?jié)q刀錐體平穩(wěn)地置于割管器內(nèi)，避免猛烈沖擊損壞刀頭。

7 結(jié)語

實(shí)踐證明，上述新型割管器不僅工作性能可靠，而且與以往使用的其它類型割管器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、操作方便、使用范圍廣、工作效率高的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)和原理具有通用性，值得推廣應(yīng)用。

［1］丁旭亭.金塘大橋3號主橋墩ZK8號鉆孔事故處理技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(9):61－63.

［2］劉蒼林.金屬切削機(jī)床［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2009.

Design of New Pipe Cutter and the Application

LI Zhan-feng，ZHANG Jia-li，ZHANG Jin-lai(Henan Nonferrous Geological Drilling Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450016，China)

In the core drilling construction，downhole accident is unavoidable and the block of drill pipe，drilling tools and casing are frequently occur.Reverse thread drill pipe cannot get off the block at ideal position and the pipe cutter is commonly used to continue the construction to reduce the economic loss.A new pipe cutter was designed in the engineering practice with reliable working performance;comparing with previously used pipe cutters，it has characteristics of simple structure，easy operation，wide application range(pipe with minimum inner diameter of 60mm can be cut)，high working efficiency and good generality.

downhole accident;pipe cutter;design;application

P634.4+9

A

1672－7428(2012)03－0027－03

2011－08－16;

2011－11－25

李占鋒(1969－)，男(漢族)，河南禹州人，河南有色地礦鉆探有限公司工程師，機(jī)械工程專業(yè)，碩士，從事探礦技術(shù)研究工作，河南省鄭州市鄭東新區(qū)七里河南路35號5樓，lzf2371167@163.com。