摘要
铁钻工作为安全、高效的钻杆拧卸工具，逐步取代了液气大钳，成为自动化钻探装备的标准配置。作为铁钻工核心部件的冲扣钳对于整个铁钻工的工作性能至关重要。通过分析冲扣钳的结构原理及工作方式，进行油缸选型与力学分析，为RN254型铁钻工设计了一套高效率的冲扣钳结构装置，并进行了野外生产试验。试验表明，冲扣钳结构设计科学，油缸选型合理，极大地提高了铁钻工的工作效率，为铁钻工的设计制造提供了借鉴。
当前钻井施工作业对能够提高作业效率、降低事故风险、减轻劳动强度的新技术需求日益提升，钻探装备逐步向自动化、智能化方向发
传统的液气大钳的控制基本上只有本地气液控制，电气控制的部分很少，需用绳索悬挂在钻塔天车上，依靠人工在其悬挂位置与井口工位之间来回推移。操作十分繁琐，往往需要3名操作人员才能完成。而且，由于设备质量大且需频繁操作，对人身的安全构成了极大的威胁。
区别于传统液气大钳，铁钻工利用轨道或伸缩臂能够实现在待机位与井口工位或鼠洞工位间的往复移动，通过远程操作完成钻杆拧卸动作，旋扣与冲扣装置独立运
RN-254型铁钻工（
图1 RN-254型铁钻工结构示意
1—基座；2—伸缩臂；3—旋扣钳；4—冲扣钳；5—控制阀箱；6—安装底座
| 参 数 | 数值 |
|---|---|
| 夹持范围/in | 3½~10 |
| 冲扣扭矩/（kN·m） | 175 |
| 单回次最大拧卸角度/（°） | 60 |
| 旋扣扭矩/（N·m） | 3950（@5in） |
|
旋扣转速/（r·mi | 80（@5in） |
| 水平伸展范围/mm | 1475~3970 |
| 垂直升降范围/mm | 145~1020 |
| 额定工作压力/MPa | 21 |
| 控制方式 | 远程+本地 |
（1 in=25.4 mm，下同）
冲扣钳作为铁钻工最核心的部件，其性能直接决定铁钻工的工作能力与效率。冲扣钳通常由夹持装置和冲扣装置两部分组成，通过优化结构设计，达到最理想的效果。
铁钻工冲扣钳常用夹紧方式有剪刀式结构、对夹式结构、三爪式结构、杠杆式结构等（如
图2 铁钻工冲扣钳常用夹紧方式
| 夹紧方式 | 优 点 | 缺 点 |
|---|---|---|
| 剪刀式 | 结构简单，为增力结构，油缸数量少，夹持范围大 | 夹持不同管径时中心会移动，相同夹持范围，所需油缸行程更大 |
| 杠杆式 | 油缸数量少，为增力结构，夹持范围大，夹持不同管径时中心不变 | 结构相对复杂，需设计同步机构保证卡瓦同步 |
| 对夹式 | 结构简单，钳体前后尺寸小，适用于中小扭矩铁钻工 | 钳体宽度大，相同夹持力下所需油缸缸径大，钳体厚度大 |
| 三爪式 | 同油缸缸径下，夹持力更大，适用于大扭矩铁钻工 | 钳体外形尺寸大，3个油缸同步，液压控制系统复杂 |
通过对比，RN-254型铁钻工冲扣钳夹紧方式选择三爪式结构（如
图3 RN-254型铁钻工冲扣钳夹紧机构
铁钻工在进行钻杆上扣作业时，在旋扣器将大部分螺纹拧卸完成之后需要进行冲扣操作，将钻杆螺纹连接达到一定的扭矩强度标准，来保证钻杆连接的安全性。而在进行卸扣作业时，旋扣器进行旋扣之前需要通过冲扣操作来把连接紧实的钻杆扣打开。具体操作为在进行钻杆上扣作业时，最后需要进行紧扣操作，通过冲扣钳实现钻杆螺纹的紧扣。卸扣作业时，首要进行的是冲扣操作，通过冲扣钳实现钻杆螺纹第一扣的退扣。
铁钻工常见的冲扣方式有两种（见
图4 铁钻工冲扣钳常见冲扣方式
1-液压油缸；2-下钳；3-上钳；4-管柱；5-卡瓦
| 冲扣方式 | 优 点 | 缺 点 |
|---|---|---|
| 单液压油缸 | 结构简单，控制方便 | 冲扣钳体前后尺寸大，相同扭矩下，所需油缸缸径大，上、下钳转动角度小 |
| 双液压油缸 | 上/卸扣扭矩大，上、下钳转动角度大 | 钳体宽度大，控制复杂，需增加传感器以保证钳口对正 |
通过对比，RN-254型铁钻工采用双液压油缸冲扣，以增加上/卸扣扭矩和单回次冲扣角度。如
图5 RN-254型铁钻工冲扣钳冲扣机构及极限冲扣角度
为适应不同直径的管柱，冲扣钳的夹持卡瓦设计为V形结构，每个卡瓦上装有2块牙板，夹角为150°。3个卡瓦围绕管柱均布，在夹持管柱时，每个牙板均可与管柱接触，以增加咬合接触点（如
图6 夹持示意
针对单个卡瓦在铁钻工上/卸扣过程中受力展开分析（
图7 受力示意
FN1和FN2为单个卡瓦上牙板对钻杆的径向力，夹角为30°，以设计最大扭矩T=175 kN·m和最大管柱直径Ø=254 mm作为输入参数，可得牙板与钻杆间的切向力：
取允许切径比［m］=0.
由此可计算出油缸作用在卡瓦上的推力：
按照额定工作压力P=21 MPa，计算夹紧油缸内径，按照油缸标准直径系列，选取夹紧油缸内径D=180 mm。
为减小钳体宽度，设计夹紧油缸的安装距较短，从而导致油缸行程有限，为增大冲扣钳的夹持范围，设计了两种规格夹持卡瓦，夹持范围分别为3½~7¼ in和7~10 in，在夹紧油缸行程不变的情况下，增加了夹持管柱直径的适用范围。
根据结构尺寸，冲扣油缸活塞杆铰接点与钳口中心距离为r=460 mm，以最大冲扣扭矩设计冲扣油缸。在冲扣过程中，其中一个冲扣油缸活塞杆伸出，推力做功，另一个油缸活塞杆缩回，拉力做功。两个油缸合力为：
以额定压力P=21 MPa，计算压力的作用面积：
作用面积与缸径之间的关系公式如下：
式中：D——活塞直径，即油缸内径；d——活塞杆直径。
按液压油缸设计规范，选取冲扣油缸内径D=125 mm，缸孔面积A1=12272 m
在上/卸扣过程中，冲扣油缸随上钳扭转产生摆动，导致钳体中心与冲扣油缸的垂直距离发生变化，使冲扣扭矩在一定范围内波动，选取点位进行分析，可得出冲扣扭矩随钳体扭转角度变化曲线见
图8 扭矩曲线
由
在陕西省某煤层气井钻探施工现场，RN-254型铁钻工结合ZJ-50型钻机开展了应用试验（
图9 冲扣钳现场试验
在进行冲扣作业时，通过冲扣钳实现拧卸钻杆时对第一扣的退扣和上扣时最后一扣的拧紧，钳体的推出和复位动作是受侧向安装的两只冲扣油缸控制，上/卸扣最大拧卸角度达到60°，与设计预期相符。在旋扣马达进行退扣前及旋扣后，一般只需一个回次的拧卸即可进行旋扣操作，极大地缩减了上/卸扣时间。
大冲扣角度减少了冲扣往复频次，提高了钻具的拧卸效率，充分验证了原理可行，系统稳定。该冲扣钳与旋扣钳一起作业，可快速完成钻杆的上/卸扣作业，与传统液气大钳对比，降低了作业风险，减轻了人工劳动强度。
（1）通过对冲扣钳夹紧结构、冲扣结构进行对比分析和计算，优化设计了一种适应钻具范围大、冲扣扭矩大、冲扣角度大的铁钻工冲扣钳，并经应用试验，验证了原理可行，性能可靠。
（2）在钻杆卸扣的过程中，冲扣初始位置所需扭矩最大，随钻杆螺纹松动，扭矩逐渐减小。因此，调整冲扣油缸安装位置，使卸扣初始钳体中心与冲扣油缸垂直距离最大，可以优化冲扣钳的扭矩输出，有效提高作业效率。
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