浅谈动力头浮动的作用及结构形式

赵 娟，王海镔，朱冬钰，姜 洲

(连云港黄海勘探技术有限公司，江苏 连云港 222062)

0 引言

动力头的浮动是指由动力头液压卡盘和孔口夹持器配合完成钻杆的拧卸动作时，动力头必须能随钻杆接头螺纹的拧出、拧入而自由地前后移动。此时如果动力头不能浮动，钻杆将直接作用于螺纹，整个应力集中在两钻杆的螺纹连接处，易损坏螺纹。该功能可延长钻杆使用寿命，减少脱扣或钻杆从螺纹连接处折断等孔内事故。

在拧卸钻杆的过程中，螺纹扣的损伤，不仅影响工作效率，延长施工作业周期，而且导致综合作业成本的增加，造成严重的浪费；甚至可能发生钻杆的报废。本文从保护钻杆出发，针对地质钻探中拧卸钻杆损伤钻杆螺纹的这一情况，梳理出几种常见的动力头浮动形式，目的就是希望能为设计者在今后勘探钻机的设计中提供一些借鉴和帮助。

1 动力头浮动的结构形式

动力头浮动的结构形式主要可分为液压浮动和机械浮动。

1.1 液压浮动

液压浮动是通过改变其液压系统来实现动力头的浮动，常见的有两种形式。

(1)卸扣浮动

回路主要由换向阀1(三位四通换向阀)、换向阀2(两位三通换向阀)、给进液压缸等所构成，如图1所示。换向阀1的P口接液压泵的出油，T口接系统回油，A口、B口分别接执行元件给进液压缸或者马达进出口，执行元件与动力头直接连接；换向阀2的A口、B口分别与给进液压缸进出油口相连接，T口接系统回油。当动力头配合夹持器夹持卸扣时，换向阀1处于中位O位，打开换向阀2，使换向阀2的A口、B口与T口接通，此时给进液压缸处于浮动状态，旋转动力头完成钻杆卸扣。当动力头配合夹持器拧紧时，使换向阀2的A口、B口与T口断开，控制换向阀1，使得给进液压缸给进，旋转动力头完成钻杆拧紧。

图1 液压卸扣浮动简图Fig.1 Hydraulic unscrewing floating diagram

(2)拧卸浮动

如图2所示，由三位四通换向阀、溢流阀、压力表构成。换向阀的P口接液压泵的出油，T口接系统回油，A口、B口分别接执行元件给进油缸液压进出油口，给进液压缸与动力头直接连接，溢流阀的P口接给进液压缸的给进腔，T口系统回油。当动力头配合夹持器拧卸钻杆时，溢流阀调整为0 MPa，换向阀调整到右位，使得P口与B口接通，逐步调整溢流阀，直至调整到克服给进液压缸向前给进的阻力，此时动力头夹持钻杆，给进液压缸继续保持向前给进，可通过溢流阀实现浮动，动力头来拧卸钻杆。

图2 液压拧卸浮动简图Fig.2 Hydraulic unscrewing floating diagram

1.2 机械浮动

机械浮动是通过改变其机械结构来实现浮动，常见的有三种形式。

(1)动力头在导向杆上浮动

如图3所示，主要由动力头、导向杆、滑座构成。动力头通过导向杆固定在滑座上，动力头可在导向杆上前后自由滑动，L为动力头在导向杆上浮动的行程，L必须大于拧卸钻杆时钻杆的螺纹长度，在动力头配合夹持器夹持钻杆拧卸时，必须将动力头与滑座之间的浮动距离L置于合适的位置，才能保证在拧紧、卸扣时动力头夹持钻杆有足够的余量来给进和后退浮动。

图3 导向杆浮动简图Fig.3 Guide rod floating diagram

(2)链条浮动

如图4所示，主要由动力头、导向拉杆、滑座、链条构成。动力头固定在滑座上，动力头与滑座保持联动状态，导向拉杆穿过滑座上的耳板与前后两侧的链条相连接，L为链条浮动的行程，与动力头浮动类似，链条的浮动行程L必须大于钻杆螺纹的长度，此时将滑座与导向拉杆之间的浮动距离L置于合适的位置，才能保证动力头在拧卸钻杆时保护钻杆螺纹不受损伤。

图4 链条浮动简图Fig.4 chain floating diagram

(3)法兰浮动

如图5所示，主要由六方轴、上法兰盘、内卡键、下法兰盘所构成。动力头主轴外露部分加工成六方轴，上、下法兰盘均为内六方孔，用以动力头传递扭矩，内卡键起六方轴与下法兰盘之间浮动限位的作用，上、下法兰盘连接后可在六方轴上自由滑动，保持足够的滑移量，避免在卸扣时损伤钻杆螺纹。

图5 法兰浮动简图Fig.5 Flange floating diagram

4 结论

金刚石钻探具有钻孔效率高、地质效果好、钻头寿命长、岩心质量好、劳动强度低、钻孔事故率低等许多优点，已被广泛用于固体矿产勘探和科学钻探、油气资源地质调查、海洋地质调查等领域。随着勘探开采环境的不断恶化，安全技术的要求也越来越高，勘探岩层多变、不确定性较强等复杂条件，使钻杆在钻孔孔内发生事故后的维修十分不方便，所以孔底作业的稳定可靠可以节省大量的人力物力。

本文从实际出发，以安全施工为前提，以经济效益为目标，针对地质钻探中对于常发生的拧卸钻杆螺纹扣损伤问题，分别从液压系统和机械结构角度列举多种浮动结构,供钻机设计人员参考和借鉴，使钻杆拧卸扣时钻杆、动力头以及夹持器不再承受巨大的反作用力，有效地保护了钻杆螺纹，提高钻杆的可靠性，降低施工成本，而且使操作更加方便、简洁，有效预防和减少了井下作业事故的发生。