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实用三牙轮钻头拆卸装置的研发
作者：徐奇麒
来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》2014年第10期
摘要：本文介绍了三牙轮钻头拆卸装置应用领域、存在问题及开发该产品前景。重点分析了三牙轮钻头拆卸装置研发的设计方案、结构设计特点。通过研发出一种三牙轮钻头自动拆卸装置，取代手工拆卸三牙轮钻头作业方式，降低钻进成本，提高三牙轮钻头施工作业效率。 关键词：三牙轮钻头 拆卸装置 结构设计 研发 1 三牙轮钻头拆卸装置研发的背景
三牙轮钻头被广泛地应用在石油钻井行业中，产品目前已经形成多个系列[1]。市场需求量大，在石油、勘探、水井以及各种钻探行业中牙轮钻头是不可缺少的重要部分。三牙轮钻头是国内外最广泛的钻井钻头之一，具有适应地层广，机械钻速高等特点，由切削结构、轴承结构、锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等零部件构成。为满足国内油气需求，国内逐年加大石油、天然气勘探开发力度。预计国内市场钻井对三牙轮钻头的年需求量增加7万只/年。国家对地铁、矿山等大型工程的建设，需要大量的工程钻头和矿用钻头[2]。
牙轮钻机是露天矿山的重要钻采设备，牙轮钻头消耗占钻孔成本的50%，牙轮钻头的使用寿命直接影响牙轮钻机施工的经济技术指标[3]。三牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。当牙轮在井底滚动时，牙轮上的牙齿依次冲击、压入地层，这个作用可以将井底岩石压碎一部分，同时靠牙轮滑动带来的剪切作用削掉牙齿间残留的另一部分岩石，使井底岩石全面破碎，井眼得以延伸。
目前，国外在三牙轮钻头钻探施工中，配套使用其自动装拆装置，提高了钻探效率。国内同类施工中，装拆钻头还需手工将钻头与钻杆螺纹震松后，拆卸钻头。目前使用的油气井、水井钻机更换或拆卸三牙轮钻头作业操作时，主要依靠人工用管钳子将三牙轮钻头进行拆卸，很容易损坏钻杆螺纹部分，使用不方便，其效率低下，导致钻进成本升高。在此背景下，开发出一种利用钻井钻机设备自动拆卸钻头的装置，是至关重要的。因此设计一种可以快速装拆牙轮钻头工具，并将该工具固定在钻机平台上，利用钻机动力头主轴反转转矩就可以快速更换或拆卸三牙轮钻头的拆卸工具，从而大大减小钻头备件更换或拆卸时间，可降低钻进成本，提高施工作业效率。
2 三牙轮钻头拆卸装置研发的主要内容 2.1 进行产品调研和查阅文献
通过查阅文献和对省内外的地质钻探企业三牙轮钻机及配套装置产品进行调研。了解三牙轮钻头施工拆卸中存在的问题。
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2.2 三牙轮钻头组成及结构原理分析
三牙轮钻头是应用最广泛的钻井钻头之一，具有适应地层广，机械钻速高的特点。如图1所示，三牙轮钻头由切削结构、轴承结构、锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等二十多种零部件组成。三牙轮的工作原理分析：牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。当牙轮在井底滚动时，牙轮上的牙齿依次冲击、压入地层，这个作用可以将井底岩石压碎一部分，同时靠牙轮滑动带来的剪切作用削掉牙齿间残留的另一部分岩石，使井底岩石全面破碎，井眼得以延伸。 ■
图1 国产三牙轮钻头外形图
2.3 三牙轮钻头拆卸装置结构方案设计
为克服现有油气井、水井钻机施工作业时的上述弊病，该设计装置结构简单合理、使用可靠、不用管钳子等手工工具，就可实现拆装的实用三牙轮钻头拆卸装置。 本设计装置解决上述技术问题所采用的技术方案，如图2所示：
它包括夹爪圈1、夹爪座2、支撑板3、配重块4、底座5、挡块6、筋板7、夹爪8、水孔9。支撑板3、筋板7中间设有水孔9，挡块6为扇形台结构，夹爪座2、底座5均采用厚壁管制成；所述的夹爪圈1设有三个夹爪8，为均布结构，均布的三夹爪工作时卡在三牙轮钻头牙轮内，夹爪圈1、支撑板3分别与夹爪座2焊在一起，底座5与支撑板3焊在一起。配重块4、挡块6、筋板7再分别与底座5焊在一起。底座5、筋板7、挡块6、配重块4组成的焊接体，并安放在钻机的工作平台上，挡块6防止该拆卸装置转动，钻机动力头反钻时，即可快速更换或拆卸三牙轮钻头。 ■
图2 三牙轮钻头拆卸装置装配图 2.4 三牙轮钻头拆卸装置设计特点
为克服现有油气井、水井钻机施工作业时的手工拆卸钻头弊病，本设计装置结构简单合理、使用可靠、不用管钳子等手工工具，就可实现拆装的实用三牙轮钻头拆卸装置，具有较大经济效益和社会效益。 3 结束语
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笔者通过研究将三牙轮钻头钻进施工中的手工拆卸钻头作业方式改为自动拆卸装置，使其结构简单，操作方便，结构合理。与国外同类产品相比，具有价格低、性能稳定及结构简单的特点，有良好的性价比，该装置可以快速装拆牙轮钻头工具，并将该工具固定在钻机平台上，利用钻机动力头主轴反转转矩就可以快速更换或拆卸三牙轮钻头的拆卸工具，从而大大减小钻头备件更换或拆卸时间，降低钻进成本，提高施工作业效率。 参考文献：
[1]杨闻达.复合钻井条件下三牙轮钻头的运动仿真[J].石油矿场机械，2008，37（11）：29-33.
[2]王雷.四川石油机械行业持续重组发展战略规划[D].对外经济贸易大学，2007，6：19-20. [3]卜长根，王成彪.矿用牙轮钻头球齿干涉原因分析[J].地质与勘探，2000，36（6）：79-81.
基金项目：
本文受2014年浙江省大学生科技创新活动新苗人才计划项目（编号2014R466005）资助。
作者简介：
徐奇麒（1994-），男，浙江余姚人，大专，主要研究方向：模具设计与制造。
