CN103061667A - 一种水锤式钻井机 - Google Patents

Abstract

本发明属于打井、打桩技术领域，尤其涉及一种钻井设备，具体的说，是一种水锤式钻井机。本发明的目的是提供一种噪声比较低，在土质松软，地质条件不很复杂的地区使用时，效果明显，能源利用率高，能够钻倾斜井的钻井机。本发明通过水泵从外流管道抽水，向水锤管道供水。当水锤管道内的水流达到一定速度时，阀门关闭，产生一次水锤冲击，水流的动量转化为整个钻井机的动量，打击一次土层。此后，阀门板又在阀门板启动器的作用下开启，水流再次流动，经分流空腔分流后，进入到外流管道，送回水泵出水口，完成一次循环。方向控制仪控制钻井机的钻进方向。本发明主要在对噪声控制比较严格，土质松软，地质条件不很复杂的地区进行钻井作业。

Description

一种水锤式钻井机

技术领域：

本发明属于打井、打桩技术领域，尤其涉及一种钻井设备，具体的说，是一种水锤式钻井机。 

技术背景：

目前工程实践中，常用的钻井机基本可分为冲击式、液压式钻井机。冲击式钻井机能源利用率低，噪声大，在城市施工中，对周围居民影响比较大，不适合在对噪声要求比较高的地区使用。液压式钻井机噪音小，但能耗高，结构复杂，生产费、施工费高，在土质松软，地质条件不很复杂的地区使用时，会浪费能源，增加建设成本。两种钻井机应用于倾斜井时，效果都不明显。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种噪声比较低，在土质松软，地质条件不很复杂的地区使用时，效果明显，能源利用率高，能够钻倾斜井的钻井机。 

该发明主要由1数控机箱，2电缆线，3拉环，4注水排气孔，5顶部负压空气隔膜，6方向控制仪，7水泵，8法兰，9中部正压空气隔膜，10阀门板启动器，11外壳，12水锤管道壁，13水锤管道，14外流管道，15阀门板固定架，16阀门板，17阀门底座，18底部负压空气隔膜，19分流空腔，20钻头组成。 

本发明的构思是：与现有打井机不同，本发明用7水泵作为动力来源，带动水流循环。第一步：16阀门板在10阀门板启动器控制下开启，当13水锤管道内的水流达到一定速度时，16阀门板关闭至17阀门底座上，产生一次水锤冲击，水流的动量转化为整个钻井机的动量，打击一次土层；第二步：16阀门板再次开启，水流开始流动，流经19分流空腔分流后，进入到14外流管道，送回73水泵出水口，完成一次循环。整个过程中，5顶部负压空气隔膜、9中部正压空气隔膜、18底部负压阀门隔膜，调节钻井机内部气压平衡，促进水流循环，防止16阀门板关闭时，水流对7水泵的损坏。6方向控制仪在钻井机尾部外侧，共八个，分上下两排交错布置。每个6方向控制仪都能够在1数控机箱的控制下，单独动作，挤压井壁，控制整个钻机的姿态。1数控机箱控制钻井机内所有动力元件的动作，1数控机箱在地面，由人工控制，用 2电缆线连接至钻井机。 

本发明钻井机主要的噪声来源有7水泵，16阀门板和17阀门底座关闭时。本钻井机噪音比较低原理有以下几点： 

一、由于5顶部负压空气隔膜为柔性介质，包括有空气，程空气囊状，并围绕71水泵电动机一周。柔性介质有吸收噪音的作用，7水泵产生的噪声传递到5顶部负压空气隔膜时，部分被吸收，部分被反射回去，逐渐消耗，具有良好减弱噪声的作用。 

二、16阀门板和17阀门底座关闭时产生的噪音的传递途径主要有：1、通过水沿13水锤管道向上传递；2、通过水向下传递；3、通过固体沿17阀门底座传递。第1种途径中，噪声传到9中部正压空气隔膜时，部分被吸收，部分被反射，逐渐削弱，部分继续传递到7水泵，再次被5顶部负压空气隔膜削弱。第2种途径中，噪声传递到18底部负压阀门隔膜时，部分被吸收，部分被反射，逐渐削弱。第3种途径中，经固体向上的传播的声波也会在8法兰里面的法兰垫出得到削弱，经固体向下的传播的声波则会传递到地层中。 

三、两处噪声主要发源地，都浸在水中，外层又有外壳。声波在固液气三相交界面上相互反射、吸收，声波将会得到极大削弱。 

四、传统钻井机不仅有钻头冲击地层产生的噪声，地面的辅助设备也会产生极大的噪声，如柴油机等。并且地面的辅助设备产生的噪声直接通过空气传播，传播过程中的削弱效果不明显，对周围的居民的影响更大。 

本发明的结构不复杂，运动部件少，机械零部件之间的摩擦相对较少，水流流动产生的能量损失远没有机械摩擦产生的能量损失多。传统钻井机结构复杂，运动部件多，机械零部件之间的摩擦相对比较大。因此本发明的能源利用率相对为高。传统钻井机钻井时，由于与井壁的摩擦面积增大，往往会随着钻进的深度越大，摩擦力越大。本钻机与井壁的摩擦面积不变，不会出现钻进越深，摩擦力也大情况，这又从另一方面节省了能源。 

本发明中，6方向控制仪的伸展和收缩，可以增大和缩小与井壁的摩擦力，当土质改变而造成钻井机倾斜时，可以通过调节对应方向的6方向控制仪来调节钻井机到竖直状态。若由于工程需要而需开采有一定倾斜角的井时，可以通过强制八个6方向控制仪的各自伸展状态，来实现钻倾斜井的目的。 

该钻机由于采取上述机构，具有一下优点： 

1、在土质松软，地质条件不很复杂的地区使用时，打击的作用明显，能够满足工程需要。 

2、噪声比较低，适合在对噪声控制比较高的地区施工。 

3、既能够钻出竖直井，也能够钻出倾斜井，开拓了钻机的使用范围。 

4、能源利用率高，节省能量，符合国家节能减排的政策，也减少工程的建设费用。

6、结构简单，需要的辅助设备少，生产制造成本低，便于机动运输。 

7、不同直径的钻机可以对应钻出不同直径的孔洞，能够满足实际工程需求。 

附图说明：

图1、本发明整体剖面图(阀门开启状态，) 

图2、本发明阀门关闭状态剖面图 

图3、本发明下部剖面图 

图4、本发明上部剖面图(方向控制仪其中一个完全收缩) 

图5、本发明上部剖面图A-A平面图 

图6、本发明方向控制仪立体图 

图7、本发明阀门板立体图 

图8、本发明阀门启动器立体图 

图9、本发明分流空腔立体图 

其中1数控机箱，2电缆线，3拉环，4注水排气孔，5顶部负压空气隔膜，6方向控制仪，7水泵，8法兰，9中部正压空气隔膜，10阀门板启动器，11外壳，12水锤管道壁，13水锤管道，14外流管道，15阀门板固定架，16阀门板，17阀门底座，18底部负压空气隔膜，19分流空腔，20钻头。 

具体实施方式：

如图1所示，1数控机箱在地面，用2电缆线连接钻井机，向钻井机提高电源，由地面人工控制，控制6方向控制仪的动作，控制7水泵的运行及运行转速，控制10阀门板启动器的转速。 

如图2所示，16阀门板在17阀门底座之上，能够通过16阀门板的上下移动实现13水锤管道内水流通道的闭合或开启。16阀门板为圆盘，其表面是凸面锥台；17阀门底座为圆环，其表面为凹面锥台，当16阀门板与17阀门 底座闭合时，两者之间没有空隙，17阀门底座有八个支脚，呈正八边形分布，焊接在20钻头的同心圆上。 

如图3所示，11外壳与20钻头通过螺纹连接，12水锤管道壁与17阀门底座通过螺纹连接，17阀门底座与20钻头通过焊接连接。11外壳、20钻头、12水锤管道壁、17阀门底座的圆心都在钻井机的中轴线上，这样方便钻井机的组装与零部件的维修更换。 

如图4所示，3拉环焊接在钻井机11外壳上，方便钻井机从井内拉出。钻井机组装完成后，由4注水孔向钻井机内部注水，排除钻井机内部的空气，注水完成后，封闭注水孔。7水泵由QY型潜水泵改装而成，用8法兰连接到12水锤管道壁上，由72水泵吸水口吸水，从73水泵出水口出水，73水泵出水口向下。因7水泵的抽吸，钻井机上部空间可能会产生负压，这部分负压由5顶部负压空气隔膜补给，5顶部负压空气隔膜呈囊状，包括在71水泵电动机周围。9中部正压空气隔膜，在73水泵出水口与12水锤管道壁之间，调节因7水泵出水造成的正压。 

如图4、5、6所示，6方向控制仪，由61液压启动杆、62方向控制板、63方向控制仪底座组成，61液压启动杆铰接在63方向控制仪底座上，62方向控制板铰接在11外壳上，61液压启动杆与62方向控制板亦采用铰接的方式连接，6方向控制仪共有八个分两层布置，八个叠加环钻井机一周，四个在上层，四个在下层，每层均匀布置，两层交错布置，每个6方向控制仪单独控制，起到调节钻井机姿态，控制钻进方向的作用。如图4所示，在钻井机拉出井底前，6方向控制仪全部收缩至竖直状态，防止6方向控制仪成倒钩刺状破坏井壁。 

如图2、3、7所示，15阀门板固定架由上下两层151固定支架、152限位环、153拉杆组成。151固定支架每层四根，均匀分布，固定152限位环，153拉环在152限位环内上下运动，这样就能保证阀门准确的到达阀门底座，提高阀门关闭时的密封性。 

如图2、8所示，10阀门板启动器由101微型电机、102搅动杆、103曲棍、104细绳、105小铁环组成。101微型电机由1数控机箱控制其启动和转速。103曲棍两端卡在12水锤管道壁和101微型电机的固定槽中，能够绕103曲棍水平段中心轴线自由转动。102搅动杆套在103曲棍靠近101微型电机端的同心圆空腔中，102搅动杆与101微型电机直接相连，102搅动杆在101微型电机带动下匀速转动。104细绳的上端接连105小铁环，105小铁环套在103曲棍的转动半径最大处，105小铁环可以环绕103曲棍转动，在103曲棍与105小铁环接触处两侧有两个卡位挡板。这样就能在阀门板启 动器开始启动时，103曲棍半径最大处在最下面，102搅动杆转动到最低处时与103曲棍接触，带动103曲棍向上转动，转动过最高位置后，103曲棍由于重力自由下落至最低位置，104细绳、153限位杆、16阀门板自由下落，关闭水流通道，102搅动杆继续匀速转动，再次转动到最低处带动103曲棍转动完成一个循环的。这样的启动方法能够充分发挥10阀门板的重力势能，使阀门关闭更加迅速，充分发挥水流动量的作用。 

如图9所示，19分流空腔是17阀门底座和20钻头中间的空间，里面有18底部空气隔膜。18底部空气隔膜由181中部空气隔膜支架和182空气隔膜组成，调节底部因16阀门板关闭造成的负压。17阀门底座有八个支脚，呈正八边形分布，焊接在20钻头上。这样就能减少水流的水力损失，节约能源。 

钻井机启动前，先从4注水排气孔注满水，排出空气，封闭4注水口。钻井机启动时，先打开16阀门板，然后7水泵运作。水流从14外流管道72水泵吸水口处吸水，送到73水泵出水口，水流进入13水锤管道向下流动，流过17阀门底座后到达19分流空腔，经过分流空腔分流后到达14外流管道并向上流动。16阀门板关闭时，13水锤管道内水流停止，13水锤管道流动的水释放能量，水流的动量转化为整个钻井机的动量，打击一次土层，14外流管道内的水继续向上流动，造成的负压由18底部空气隔膜补给。 

随着16阀门板开启的时间增加，13水锤管道内的水流速度也会逐渐增加，16阀门关闭时产生的冲击力也会越大。若16阀门板开启的时间足够长，13水锤管道内的水流速度增加到一定程度就基本不发生变化，这不是我们想要的结果，因此，16阀门板需要在13水锤管道内水流达到一定速度后就关闭。最经济的16阀门板开启时间，根据钻井机尺寸，钻进的土质的不同而不同。 

13水锤管道内部的水流的动量向下，14外流管道内部的水流动量向上，16阀门板关闭后，为了防止两者的动量抵消，需要18底部负压空气隔膜膨胀，填补因14外流管道内水流的流动而造成的负压，由于18底部负压空气隔膜的调节，14外流管道内水流的动量损失会很少，不影响钻井机的工作。钻井机运行时，其内部的水流水压的动平衡由5顶部负压空气隔膜、9中部正压空气隔膜、18底部负压阀门隔膜以及7水泵运行转速的改变联合控制完成，7水泵运行转速的改变由数控机箱里的变频器控制。当钻井机因地质条件等原因钻进方向跑偏时，可以通过对应方向的6方向控制仪调节方向。 

Claims (9)

1.一种水锤式钻井机，包括1数控机箱、2电缆线、3拉环、4注水排气孔、5顶部负压空气隔膜、6方向控制仪、7水泵、8法兰、9中部正压空气隔膜、10阀门板启动器、11外壳、12水锤管道壁、13水锤管道、14外流管道、15阀门板固定架、16阀门板、17阀门底座、18底部负压空气隔膜、19分流空腔、20钻头、21连接螺栓，其特征在于：利用16阀门板与17阀门底座的闭合，将13水锤管道内的水流的动量转化为整个钻机的动量，将钻井机打进土层里面，7水泵提供水流的动力，5顶部负压空气隔膜、9中部正压空气隔膜、18底部负压空气隔膜调节钻机内部的压强变化，每个6方向控制仪单独动作，调节钻井机姿态，控制钻井机钻进方向。

2.根据权利要求1所述的水锤式钻井机，其特征在于：16阀门板在17阀门底座之上，能够通过16阀门板的上下移动实现13水锤管道内水流通道的闭合或开启。

3.根据权利要求1或2所述的水锤式钻井机，其特征在于：16阀门板为圆盘，其表面是凸面锥台；17阀门底座为圆环，其表面为凹面锥台，当16阀门板与17阀门底座闭合时，两者之间没有空隙，17阀门底座有八个支脚，呈正八边形分布，焊接在20钻头的同心圆上。

4.根据权利要求1或2所述的水锤式钻井机，其特征在于：16阀门板上连接153限位杆，153限位杆限制在上下两个152限位环之中，上下两个152限位环分别被上下两层151固定支架固定，151固定支架每层三根，均匀分布固定在12水锤管道壁上，153限位杆上接104细绳。

5.根据权利要求1或2或4所述的水锤式钻井机，其特征在于：10阀门板启动器由101微型电机、102搅动杆、103曲棍、104细绳组成，101微型电机由1数控机箱控制其启动和转速，103曲棍两端卡在12水锤管道壁和101微型电机的固定槽中，能够绕103曲棍水平段中心轴线自由转动，102搅动杆套在103曲棍靠近101微型电机端的同心圆空腔中，102搅动杆与101微型电机直接相连，102搅动杆在101微型电机带动下匀速转动，104细绳的上端接连105小铁环，105小铁环套在103曲棍的转动半径最大处，105小铁环可以环绕103曲棍转动，在103曲棍与105小铁环接触处两侧有两个卡位挡板。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的水锤式钻井机，其特征在于：开始启动时，103曲棍半径最大处在最下面，102搅动杆转动到最低处时与103曲棍接触，带动103曲棍向上转动，转动过最高位置后，103曲棍由于重力自由下落至最低位置，104细绳、153限位杆、16阀门板自由下落，关闭水流通道，102搅动杆继续匀速转动，再次转动到最低处带动103曲棍转动完成一个循环的启动方法。

7.根据权利要求1所述的水锤式钻井机，其特征在于：7水泵用8法兰连接到12水锤管道壁上，7水泵的运行及运行转速被1数控机箱控制控制，73水泵出水口向下，73水泵出水口与12水锤管道壁之间有9中部正压空气隔膜，5顶部负压空气隔膜呈囊状，包括在71水泵电动机周围，18底部负压空气隔膜与20钻头相连，由181中部空气隔膜支架支撑，19分流空腔为17阀门底座和18底部负压空气隔膜之间的中空部分，程光滑曲线设计。

8.根据权利要求1所述的水锤式钻井机，其特征在于：6方向控制仪由61液压启动杆、62方向控制板、63方向控制仪底座组成，61液压启动杆铰接在63方向控制仪底座上，62方向控制板铰接在11外壳上，61液压启动杆与62方向控制板亦采用铰接的方式连接，6方向控制仪共有八个，分两层布置，八个叠加环钻井机一周，四个在上层，四个在下层，每层均匀布置，两层交错布置，每个6方向控制仪单独被1数控机箱控制。

9.根据权利要求1所述的水锤式钻井机，其特征在于：3拉环为弧形圆环，焊接在钻井机的最上部的正中央，4注水排气孔用带螺纹的圆盖封闭，位于外壳的最上部的正中央，11外壳与20钻头通过螺纹连接，12水锤管道壁与17阀门底座通过螺纹连接，11外壳、20钻头、12水锤管道壁、17阀门底座的圆心都在钻井机的中轴线上。

Images