抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置研制及应用

邵盛元，温得全，李柏军，刘卫国，鲁鹏飞，李博

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.核工业二〇三研究所，陕西 西安 710086；3.中国核工业地质局，北京 100013）

提升装置是钻探作业中起下钻具、套管等作业的工具，主要分为塔上有人普通摘挂式提引器装置和塔上无人提引器装置两大类。

普通摘挂式提引器应用普遍，结构简单，工作可靠，但塔上需要有人摘挂，工人劳动强度大、上下钻塔高空作业风险高。塔上无人提引器装置是一种自动化程度较高的提引器装置，可自动脱挂钻杆立根。根据其结构特点，又分为自动脱挂式提引器装置和爬杆斜脱式提引器装置［1］。

自动脱挂式提引器装置结构简单，制造容易，也不需要特制的提升蘑菇头，只需在钻杆锁手上加工一个环形槽，但在高空套挂钻杆立根时，提引器和立根不易对正，给使用带来一定的不便，影响作业效率。

爬杆斜脱式提引器装置主要由爬杆提引器和钻杆锁接手蘑菇头组成，蘑菇头与钻杆锁接头一般采用螺纹连接。提下钻时需要在钻杆接头上拧卸蘑菇头，蘑菇头丝扣磨损后易脱落，存在安全事故隐患；在下钻时用拧管机拧紧钻杆的过程中，极易将上部蘑菇头与钻杆锁接手螺纹松开，产生安全事故［2-4］。

当前，在国内铀矿钻探升降作业中主要采用传统的塔上有人作业的普通摘挂式提引器装置，塔上无人作业的爬杆斜脱式提引器装置只在少量钻探机台有应用。而在中亚地区的哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦等国的铀矿钻探升降作业中，主要采用爬杆斜脱式提引器装置，提升装置的蘑菇头与钻杆锁接手连接方式采用的不是螺纹连接，而是切口式连接，具有操作简便、快捷、安全、可靠等特点［5］。

在所有钻探作业工序中，利用钻杆提升装置进行升降作业劳动强度大，持续时间长，约占钻孔总工作时间的20%～60%，升降效率直接影响钻探总效率和总成本。改进钻杆提升装置和升降工序，实现升降工序的机械化和自动化是保证安全生产、提高钻探效率的重要技术措施［6］。为提高铀矿钻探生产提下钻作业安全和作业效率，针对普通摘挂式提引器装置和爬杆斜脱式提引器装置存在的问题，组织开展了抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置的技术攻关和研制工作，以满足铀矿勘查安全高效钻探作业的需要。

1 抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置

抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置是爬杆斜脱式提引器装置的一种，具有适用钻机类型多、可操作性强、安全可靠等特点，主要由抽插式卡口蘑菇头和爬杆提引器组成。

1.1 应用条件

1）适用钻机类型：XY-4、XY-5、XY-6钻机；

2）适用钻塔高度：13 m、18 m、24 m；

3）适用钻杆直径：Ф50 mm、Ф60 mm 外丝钻杆；

4）适用钻孔直径：Ф75～Ф311 mm；

5）适用最大钻进深度：2 000 m；

6）适用最大提升能力：300 kN。

1.2 抽插式卡口蘑菇头

1.2.1 抽插式卡口蘑菇头结构

蘑菇头结构是抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置研制的关键技术，经过技术攻关，将提升装置蘑菇头与钻杆锁接手的螺纹连接形式改造成与普通提引器与钻杆锁接手连接方式相同的卡口式，在卡口式蘑菇头机体中心加工1 个抽插式顶杆用来固定蘑菇头与钻杆。

1）卡口式连接：采用与普通提引器与钻杆连接形式相同、尺寸相同的卡口式。

2）抽插式固定：在蘑菇头顶部中心安装1抽插式顶杆。顶杆上有1 个180°的半环槽和1个与环槽相通的竖槽，当顶杆上下抽拉或旋转时，定位螺栓的头部在竖槽或环槽中，起定位和导向的作用。顶杆下部为有个斜面的圆锥体，可回收提下钻过程中溢出的泥浆，同时也方便插入到钻杆内孔中，起到定心的作用。

抽插式卡口蘑菇头由机体、顶杆、定位螺栓和顶帽组成，具体结构如图1。

图1 HCM-60-1 抽插式卡口蘑菇头Fig.1 HCM-60-1 pull-in type hoisting plug

1.2.2 抽插式卡口蘑菇头工作原理

1）所有部件以机体作为安装支撑点，顶杆通过螺纹与顶帽相连接，顶杆穿在机体中的内孔中，可上下抽拉滑动，定位螺栓3 依靠螺纹固定在机体上，顶杆上有1 个180°的半环槽和1个与环槽相通的竖槽，当顶杆上下抽拉或旋转时，定位螺栓的头部在竖槽或环槽中，起定位和导向的作用。

2）当把顶杆抽出处于上部位置时蘑菇头切套入钻杆锁接手上，之后，将顶杆下降并顺机体旋转180°，顶杆底部进入锁接手丝扣镗孔内并防止蘑菇头与钻杆锁接手脱开。下钻时从钻杆锁接手上卸下蘑菇头时，将顶杆逆机体旋转180o，把顶杆从锁接手丝扣镗孔内抽到上部位置，然后将蘑菇头从锁接手上卸下。从钻孔中提出钻杆时，蘑菇头切套在锁接手上，在蘑菇头下部挂入提引器并提升钻杆［7-8］。

3）提钻时，钻工一只手抓住机体外部，另一只手抓住与顶杆相连的顶帽往上拉，使顶杆的下部进入到机体的内部沉孔中，然后推动机体的开口卡在钻杆锁接手的切口处，放下顶杆，使其进入钻杆内孔中，然后顺时针旋转顶杆到止位，再往下按顶帽进行锁止操作。然后利用提引器卡住蘑菇头机体的下部外径，进行提升作业，此时蘑菇头带着钻杆一起提出孔口。当需要卸下蘑菇头时，将顶帽提起，旋转顶帽，带动顶杆逆时针旋转180°，然后拉起顶帽和顶杆，此时顶杆的下部进入机体的内部沉孔中，解锁成功。把机体往缺口的反方向推出，此时机体下部脱离钻杆锁接手的扁平处，蘑菇头可取下。

4）当把钻杆立根提出孔口放置到立根箱上时，不需要卸下蘑菇头，只有把钻杆立根下入孔内时，才在孔口拆卸蘑菇头，提钻时，每一根钻杆立根带一个蘑菇头。

1.2.3 抽插式卡口蘑菇头技术参数

抽插式卡口蘑菇头主要技术参数见表1。

表1 抽插式卡口蘑菇头技术参数Table 1 Technical parameters of pull-in type hoisting plug

1.3 爬杆提引器

1.3.1 爬杆提引器结构

爬杆提引器的主要部件是锁住吊架的左右吊臂、吊环、吊梁、关闭和打开吊架的闭锁装置。具体结构如图2 所示。

图2 HBT-60-1 爬杆提引器Fig.2 HBT-60-1 rod climbing elevator

1.3.2 爬杆提引器特点

1）吊环可在吊梁上平面360°范围水平旋转；2）左右吊臂上孔可围绕吊梁的左右圆柱在垂直于吊梁的上平面360°范围内旋转；3）左右吊臂下部内侧有限位块，可使此吊架围绕左右吊臂的下孔逆时针0～10°旋转，顺时针0～45°旋转。

1.3.3 爬杆提引器工作原理及使用

1）把吊环下部插入吊梁内孔中，吊环下部依次安装推力球轴承、垫片，用六角螺母和开口销进行锁紧、定位；吊梁左右两个圆柱安装在左右吊臂的上孔中，并分别用圆螺母止动垫圈和圆螺母进行固定；左右吊臂的下孔装入吊架的左右两个圆柱上，并分别用圆螺母止动垫圈和圆螺母进行固定；转轴依靠销轴固定在吊架的右下孔，转轴上从右向左依次套入辊子、隔套、轴用卡簧、长隔套、锁套、锁紧弹簧，然后用带槽的圆螺母压紧锁紧弹簧到位［8］。

2）把转轴推入到吊架的缺口并自锁后，吊架中部的U 型孔与套装在转轴上的辊子组成一个封闭式的圆环，此圆环直径比蘑菇头的外凸台直径要小，可挂住蘑菇头［9-10］。

3）在钻孔状况良好时，提升钻杆需拉开提引器锁套，扳开转轴，将提引器挂在孔口拧管机上的钻杆蘑菇头下部，使钻杆进入吊架缺口内，此时不必扳回转轴，直接操作卷扬机，拉动钢丝绳提升钻杆，当将1 个立根提出孔口并卸开丝扣后，放置在钻塔的立根靠架处，下放钢丝绳，提引器自动与钻杆脱离，提引器下降至孔口，进行第2 个立根的提升作业。

4）在钻孔状况复杂时，提升钻杆需拉开提引器锁套，扳开转轴，将提引器挂在孔口拧管机上的钻杆蘑菇头下部，使钻杆进入吊架缺口内，此时必须扳回转轴到位，松开锁套后自锁，拉动钢丝绳上提钻杆柱，当将1 个立根提出孔口并卸开丝扣后，将其排放在钻塔的立根靠架处，下放钢丝绳，提引器会顺着钻杆往下滑动到井口，形象地称为“溜杆”。到达工人可操作的适合高度，然后拉动提引器锁套，扳开转轴，使吊架缺口移出钻杆，解除锁紧状态；按上述方法进行第2 个钻杆的提升作业。

5）在下降钻杆时，需拉开提引器锁套，扳开转轴，将提引器挂在钻杆立根中的钻杆下部，使钻杆进入吊架缺口内，扳回转轴到位，松开锁套后自锁，此时操作卷扬机，提引器顺着钻杆往上走，由于提引器的吊架缺口处有辊子，此时辊子在钻杆上滚动，所以摩擦力较小，提引器沿钻杆上行（俗称“爬杆”）；当提引器吊架到达与钻杆相连的蘑菇头处时，蘑菇头的外凸台进入到吊架的U 型半沉孔中，此时提引器带动蘑菇头提起立根，使钻具悬空，对正孔口，然后放下钢丝绳，钻杆会跟随钢丝绳的下放而进入孔内，到达孔口拧管机插入垫叉后，使钢丝绳放松，然后拉动提引器锁套，扳开转轴，使吊架缺口移出钻杆，解除锁紧状态。按上述方法可进行第2 个钻杆的下放作业［11-12］。

1.3.4 爬杆提引器技术参数

爬杆提引器主要技术参数见表2。

表2 爬杆提引器技术参数Table 2 Technical parameters of pole-climbing rod elevator

1.4 材料选择及加工工艺

1.4.1 材料选择

根据可地浸砂岩型铀矿钻探生产的需求，结合装置的安全可靠性、经济性、耐用适用及使用寿命等因素考虑，优选抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置提引器和蘑菇头的材料。

经过论证，提引器和蘑菇头材料均选用40Cr 优质合金结构钢制造［13］。

1.4.2 加工工艺

提引器和蘑菇头核心零件采用锻造、正火、粗加工、调质、精加工、发蓝、探伤工艺，保证零件芯部强度，提高使用寿命。

在蘑菇头、提引器各部件加工中，采用毛坯锻造以提高材料的抗疲劳强度，采用热处理工序进行调质处理。相比其他材料，40Cr 合金结构钢在调质淬火中，不易产生裂纹，具有较好的综合机械性能，确保蘑菇头、提引器具有较高的抗疲劳强度和使用寿命［14-15］。

2 现场试验

2.1 钻探设备及人员配置

1）试验工区：鄂尔多斯盆地南部可地浸砂岩型铀矿勘查项目，试验时间：2020 年8 月至2020年10 月。

2）试验钻机及配套设备：XY-5 钻机、18A36T 型钻塔、NBB260/7 泥浆泵、Ф60 mm 钻杆（钻杆立根长度为14 m）、普通摘挂式提引器装置、抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置等［16］。

3）机台人员：机长1 人、班长3 人、工人6 人。

2.2 现场试验结果

2.2.1 现场试验钻探工作量

为了获得试验数据，首先在试验钻机使用普通摘挂式提引器装置进行提下钻作业，完成了3 个钻孔、约计2 070 m 钻探工作量的提下钻时间测量。

然后在试验钻机使用抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置进行提下钻作业，完成了6个钻孔、约计3 800 m 钻探工作量的提下钻时间的测量工作（图3）。

图3 现场试验操作Fig.3 Field test operation

因为时间和条件限制，本次未对普通爬杆斜脱式提引器装置进行提下钻工序时间测量。

2.2.2 试验数据和结果

抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置现场应用试验主要包括提引器装置应用性能（合理性、可行性、安全性、可靠性）检验和提下钻作业时间测量。

1）性能检验

通过在6 个钻孔使用抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置升降钻具的应用试验，实现钻机无人员上塔作业，提下钻作业流畅，无提引器闭锁装置辊子卡死现象，无因提引器和蘑菇头脱不开造成的人员上塔作业，未发生蘑菇头与钻杆脱离事故，提引器、蘑菇头未发生损坏、变形。

2）提下钻作业时间测量

在3 个钻孔采用普通摘挂式提引器装置进行提下钻作业，其提下钻时间测量数据见表3。其中，提钻工序包括：挂提引器、抽垫叉、提立根、垫垫叉、卸钻杆丝扣、移钻杆立根、摘提引器（在钻塔二层工作平台上人工进行）、下放提引器到孔口；下钻工序包括：拉起提引器、挂提引器到立根上（在钻塔二层工作平台上人工进行）、提起立根、拧钻杆丝扣、抽垫叉、下放立根、垫垫叉。

表3 摘挂式提引器装置提下钻时间统计Table 3 Statistics of each drilling run by hanging-type rod elevator

在6 个钻孔采用抽插式卡口塔上无人提升装置进行提下钻作业，对提下钻时效进行了分类统计，数据见表4。其中，提钻工序包括：安装蘑菇头、挂提引器、抽垫叉、提立根、垫垫叉、卸钻杆丝扣、移钻杆立根、下放提引器到孔口；下钻工序包括：挂提引器到立根上、拉提引器并提起立根、拧钻杆丝扣、抽垫叉、下放立根、垫垫叉、卸蘑菇头。

表4 抽插式卡口塔上无人提升装置提下钻时间统计Table 4 Statistics of each drilling run by pole-climbing rod elevator

3 时效分析与评价

3.1 与普通摘挂式提引器装置对比分析

1）提下钻时效性

从表3、表4 对比可以看出，在同一工区、孔深相近的条件下，使用抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置进行提下钻作业比普通摘挂式提引器装置，节省提下钻时间，其中单个立根提钻快3 s，下钻快1 s。

2）作业工序及班组定额

抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置：不需要上塔，每班2 人；普通摘挂式提引器装置：需要上塔，每班3 人。卡口抽插式蘑菇头爬杆提引器装置：塔上无人作业，每班少1 人。

3）劳动强度

抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置进行提下钻作业时，需要1 人操作钻机，只需1 人在孔口进行提引器与钻杆锁接手的摘取和挂上，即可配合完成提下钻作业工序。

普通摘挂式提引器装置进行提下钻作业时，需要1 人操作钻机，1 人上塔作业，并且在钻塔二层工作平台进行提引器与钻杆锁接手的摘取和挂上，1 人在孔口进行提引器与钻杆锁接手的摘取和挂上，配合完成提下钻作业工序。

普通摘挂式提引器装置提下钻作业的劳动强度要高于抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置。

4）安全风险

普通摘挂式提引器装置进行提下钻作业时需要上塔作业，一是高空作业存在坠落风险，二是在钻塔二层平台进行提引器与钻杆锁接手的摘取和挂上时，易发生手指、手臂伤害等事故。

而抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置进行提下钻作业时，不存在上述风险。

5）经济效益

由于班组作业定额减少，人工成本下降，从而降低钻探成本，提高钻探生产的经济效益；由于钻机塔上无人作业，从而降低钻探风险，取得较大安全效益。

3.2 与普通爬杆斜脱式提引器装置对比分析

选取提下钻时效性、作业工序、班组定额、劳动强度、安全风险、效益等6 个指标，将抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置与普通爬杆斜脱式提引器装置进行对比分析（表5）。

表5 抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置与普通爬杆斜脱式提引器装置对比分析Table 5 Statistics of each drilling run by hanging-type rod elevator

1）提下钻时效性对比分析

由于普通爬杆斜脱式提引器装置蘑菇头和钻杆是螺纹连接，蘑菇头需要用手或扳手卸扣，耗时费力；而抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置的蘑菇头连接是卡口式，蘑菇头与钻杆固定是抽插式，操作简便、安全可靠；因此抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置的提下钻作业时间远低于普通爬杆斜脱式提引器装置。

2）作业工序及班组定额

在进行提下钻作业时，两种类型的爬杆斜脱式提引器装置均不需要上塔作业，每班需2人作业。

3）劳动强度

普通爬杆斜脱式提引器装置的蘑菇头需用手拧或用扳手卸扣；而抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置的蘑菇头与钻杆锁接手是卡口式连接，安装和拆卸操作简便、快捷。

因此，普通爬杆斜脱式提引器装置劳动强度远高于抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置。

4）安全风险

普通爬杆斜脱式提引器装置的蘑菇头与钻杆柱易发生脱落造成跑钻事故；抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置蘑菇头的抽插式结构，杜绝了蘑菇头与钻杆柱的非正常脱落，保证了提下钻作业的安全。

5）经济效益

抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置与普通斜脱式爬杆提引器装置相比，减少提下钻作业时间，缩短了钻探周期，操作便捷、省时省力，降低劳动强度，消除了蘑菇头与钻杆柱脱落的事故除患，具有较高的安全效益。

3.3 使用寿命分析

由于试验的钻探工作量有限，抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置的使用寿命暂不能做出准确评价，但从已完成的6 个钻孔、累计3 800 m 钻探工作量试验结果来看，提引器、蘑菇头均无裂损、无变形、无较大磨损，其强度和使用寿命能够达到设计值，最终可根据后续钻探提下钻作业的使用情况进一步评价和佐证。

3.4 存在问题

该抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置在现场应用中存在的问题（也是其他爬杆斜脱式提引器装置存在的问题）：钻杆立根在提出孔内放到地表机台板上时，由于钻杆立根提起时的垂直位置与钻杆立根下部摆放到立根箱上的垂直位置在空间上存在一定偏差，钻杆立根在提引器与蘑菇头脱落后处于不受控状态，有些时候立根上部向后、左后、右后方向倾倒，而不是希望的右前方。

4 结语与建议

1）抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置实现了钻杆柱升降工序的自动化，可降低钻工的劳动强度，是提高钻探生产效率和保障升降钻杆作业安全的利器。

2）研制的抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置具有结构简单、操作简便、安全可靠等特点。

3）抽插卡口式蘑菇头与钻杆接头连接采用卡口方式，中心锁销防脱落，改变了普通的螺纹连接方式，保证了与钻杆柱连接的快速、牢靠，消除了普通爬杆斜脱式提引器装置存在的钻杆脱落事故隐患，具有巨大的安全效益。

4）现场试验表明，抽插式卡口蘑菇头塔上无人提升装置，可有效地减少提下钻作业时间，降低钻工的劳动强度，实现起下钻具塔上无人化作业，值得在其他地区铀矿钻探作业中推广应用。

5）建议以钻杆立根上部正确摆放到需要位置为切入点，进一步进行钻杆立根上部位置摆放装置研究，以解决塔上无人爬杆斜脱式提引器装置在生产应用中钻杆立根按照需要位置摆放的问题。