插销式钻杆的接头设计

充分开发、利用煤层气和页岩气资源对改善能源结构和安全生产具有重要意义。通过钻孔抽采瓦斯气体是煤矿瓦斯治理的根本措施。然而，软煤层透气性不好，软属性、高瓦斯气体压力，在钻孔过程中孔壁崩溃、抱钻、埋钻等事故经常发生。采用螺旋钻杆钻孔技术能很好地解决这些问题，螺旋钻杆接头主要采用锥螺纹、四方插销、六方插销等联接方式[47]。

在松软煤层钻瓦斯孔过程中，螺旋钻杆接头多为四边形插销、六边形插销形式。这些联接方式都要靠人工来实现，为了降低人工劳动强度，减小钻杆接头之间的间隙，延长接头使用寿命，提高钻杆接头的可靠性与稳定性，本文设计的六方式接头如图4-1所示，利用辅助装置使钻杆之间能够实现自动联接和拆卸，提高钻机的使用性能和工作效率。并利用有限元方法对不同工况下受载时的等效应力、应变分析，结果表明此接头已经达到设计要求[48]。

一、钻杆接头结构设计

 钻杆参数及性能要求如表 1-1 所示，钻杆公接头主体如图 4-1(a)所示为正六棱柱。母接头内部为正六边形，中部设有圆形通孔，与锁舌配合如图 4-1(c)所示，公接头与母接头的接触端面为正六边形。公接头中部设有圆形通孔，圆形通孔内安装一对锁舌，锁舌为上下布置，上锁舌下端面和下锁舌上端面对应中间设有轴向盲孔，盲孔内设有压缩弹簧，上锁舌下端部一侧和下锁舌上端部一侧分别设有导向槽，导向槽内设有销钉如图4-1(b)所示，销钉限制锁舌的伸缩移动极限位置，以便于钻杆的安装与拆卸。

表 1-1 钻杆参数及性能要求

Tab.4-1 Drill pipe parameters and performance requirements

二、 钻杆接头工作原理

 锁舌安装在公接头的圆形通孔内，公接头的前端面设有两个通孔，用来安装螺钉， 且其端部孔形为阶梯孔，内部设有一部分螺纹与销钉的外螺纹配合使用。锁舌只在钻杆退出时承受载荷。

安装过程中，公接头的台肩与母接头的端面接触时，公接头中部的锁舌正好进入母接头的圆形通孔。钻杆退出时由锁舌承受轴向拉力，旋转过程中公接头的正六方棱边部分与母接头内六方棱边部分接触传递扭矩。拆卸时机械手同时对准两个锁舌顶部给予压力，当锁舌下降到与母接头脱离接触时给予轴向拉力，即实现自动拆卸。

公接头、母接头与中间杆通过摩擦焊工艺与钻杆主体连接。

(a) 公接头（b）锁舌 (c)母接头图 4-1 接头实体结构模型

Fig. 4-1 Solid structure model of connector