CN103061667B - 一种水锤式钻井机 - Google Patents
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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
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。
该发明主要由数控机箱1,电缆线2,拉环3,注水排气孔4,顶部负压空气隔膜5,方向控制仪6,水泵7,法兰8,中部正压空气隔膜9,阀门板启动器10,外壳11,水锤管道壁12,水锤管道13,外流管道14,阀门板固定架15,阀门板16,阀门底座17,底部负压空气隔膜18,分流空腔19,钻头20、连接螺栓组成。
本发明的构思是:与现有打井机不同,本发明用水泵7作为动力来源,带动水流循环。第一步:阀门板16在阀门板启动器10控制下开启,当水锤管道13内的水流达到一定速度时,阀门板16关闭至阀门底座17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:阀门板16再次开启,水流开始流动,流经分流空腔19分流后,进入到外流管道14,送回水泵出水口73,完成一次循环。整个过程中,顶部负压空气隔膜5、中部正压空气隔膜9、底部负压空气隔膜18,调节钻井机内部气压平衡,促进水流循环,防止阀门板16关闭时,水流对水泵7的损坏。方向控制仪6在钻井机尾部外侧,共八个,分上下两排交错布置。每个方向控制仪6都能够在数控机箱1的控制下,单独动作,挤压井壁,控制整个钻机的姿态。数控机箱1控制钻井机内所有动力元件的动作,数控机箱1在地面,由人工控制,用电缆线2连接至钻井机。
本发明钻井机主要的噪声来源有水泵7,阀门板16和阀门底座17关闭时。本钻井机噪音比较低原理有以下几点:
一、由于顶部负压空气隔膜5为柔性介质,包括有空气,程空气囊状,并围绕水泵电动机71一周。柔性介质有吸收噪音的作用,水泵7产生的噪声传递到顶部负压空气隔膜5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、阀门板16和阀门底座17关闭时产生的噪音的传递途径主要有:1、通过水沿水锤管道13向上传递;2、通过水向下传递;3、通过固体沿阀门底座17传递。第1种途径中,噪声传到中部正压空气隔膜9时,部分被吸收,部分被反射,逐渐削弱,部分继续传递到水泵7,再次被顶部负压空气隔膜5削弱。第2种途径中,噪声传递到底部负压空气隔膜18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法兰8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,方向控制仪6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方向控制仪6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,可以通过强制八个方向控制仪6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。
5、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。
6、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
其中数控机箱1,电缆线2,拉环3,注水排气孔4,顶部负压空气隔膜5,方向控制仪6,水泵7,法兰8,中部正压空气隔膜9,阀门板启动器10,外壳11,水锤管道壁12,水锤管道13,外流管道14,阀门板固定架15,阀门板16,阀门底座17,底部负压空气隔膜18,分流空腔19,钻头20。
具体实施方式:
如图1所示,数控机箱1在地面,用电缆线2连接钻井机,向钻井机提高电源,由地面人工控制,控制方向控制仪6的动作,控制水泵7的运行及运行转速,控制阀门板启动器10的转速。
如图2所示,阀门板16在阀门底座17之上,能够通过阀门板16的上下移动实现水锤管道13内水流通道的闭合或开启。阀门板16为圆盘,其表面是凸面锥台;阀门底座17为圆环,其表面为凹面锥台,当阀门板16与阀门底座17闭合时,两者之间没有空隙,阀门底座17有八个支脚,呈正八边形分布,焊接在钻头20的同心圆上。
如图3所示,外壳11与钻头20通过螺纹连接,水锤管道壁12与阀门底座17通过螺纹连接,阀门底座17与钻头20通过焊接连接。外壳11、钻头20、水锤管道壁12、阀门底座17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,拉环3焊接在钻井机外壳11上,方便钻井机从井内拉出。钻井机组装完成后,由注水排气孔4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。水泵7由QY型潜水泵改装而成,用法兰8连接到水锤管道壁12上,由水泵吸水口72吸水,从水泵出水口73出水,水泵出水口73向下。因水泵7的抽吸,钻井机上部空间可能会产生负压,这部分负压由顶部负压空气隔膜5补给,顶部负压空气隔膜5呈囊状,包括在水泵电动机71周围。中部正压空气隔膜9,在水泵出水口73与水锤管道壁12之间,调节因水泵7出水造成的正压。
如图4、5、6所示,方向控制仪6,由液压启动杆61、方向控制板62、方向控制仪底座63组成,液压启动杆61铰接在方向控制仪底座63上,方向控制板62铰接在外壳11上,液压启动杆61与方向控制板62亦采用铰接的方式连接,方向控制仪6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,每个方向控制仪6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,方向控制仪6全部收缩至竖直状态,防止方向控制仪6成倒钩刺状破坏井壁。
如图2、3、7所示,阀门板固定架15由上下两层固定支架151、限位环152、限位杆153组成。固定支架151每层四根,均匀分布,固定限位环152,限位杆153在限位环152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,阀门板启动器10由微型电机101、搅动杆102、曲棍103、细绳104、小铁环105组成。微型电机101由数控机箱1控制其启动和转速。曲棍103两端卡在水锤管道壁12和微型电机101的固定槽中,能够绕曲棍103水平段中心轴线自由转动。搅动杆102套在曲棍103靠近微型电机101端的同心圆空腔中,搅动杆102与微型电机101直接相连,搅动杆102在微型电机101带动下匀速转动。细绳104的上端接连小铁环105,小铁环105套在曲棍103的转动半径最大处,小铁环105可以环绕曲棍103转动,在曲棍103与小铁环105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,曲棍103半径最大处在最下面,搅动杆102转动到最低处时与曲棍103接触,带动曲棍103向上转动,转动过最高位置后,曲棍103由于重力自由下落至最低位置,细绳104、限位杆153、阀门板16自由下落,关闭水流通道,搅动杆102继续匀速转动,再次转动到最低处带动曲棍103转动完成一个循环的。这样的启动方法能够充分发挥阀门板的重力势能,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,分流空腔19是阀门底座17和钻头20中间的空间,里面有底部负压空气隔膜18。底部负压空气隔膜18由中部空气隔膜支架181和空气隔膜182组成,调节底部因阀门板16关闭造成的负压。阀门底座17有八个支脚,呈正八边形分布,焊接在钻头20上。这样就能减少水流的水力损失,节约能源。
钻井机启动前,先从注水排气孔4注满水,排出空气,封闭注水排气孔4。钻井机启动时,先打开阀门板16,然后水泵7运作。水流从外流管道14水泵吸水口72处吸水,送到水泵出水口73,水流进入水锤管道13向下流动,流过阀门底座17后到达分流空腔19,经过分流空腔分流后到达外流管道14并向上流动。阀门板16关闭时,水锤管道13内水流停止,水锤管道13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,外流管道14内的水继续向上流动,造成的负压由底部负压空气隔膜18补给。
随着阀门板16开启的时间增加,水锤管道13内的水流速度也会逐渐增加,阀门板16关闭时产生的冲击力也会越大。若阀门板16开启的时间足够长,水锤管道13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,阀门板16需要在水锤管道13内水流达到一定速度后就关闭。最经济的阀门板16开启时间,根据钻井机尺寸,钻进的土质的不同而不同。
水锤管道13内部的水流的动量向下,外流管道14内部的水流动量向上,阀门板16关闭后,为了防止两者的动量抵消,需要底部负压空气隔膜18膨胀,填补因外流管道14内水流的流动而造成的负压,由于底部负压空气隔膜18的调节,外流管道14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顶部负压空气隔膜5、中部正压空气隔膜9、底部负压空气隔膜18以及水泵7运行转速的改变联合控制完成,水泵7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方向控制仪6调节方向。
Claims (9)
1.一种水锤式钻井机,包括数控机箱(1)、电缆线(2)、拉环(3)、注水排气孔(4)、顶部负压空气隔膜(5)、方向控制仪(6)、水泵(7)、法兰(8)、中部正压空气隔膜(9)、阀门板启动器(10)、外壳(11)、水锤管道壁(12)、水锤管道(13)、外流管道(14)、阀门板固定架(15)、阀门板(16)、阀门底座(17)、底部负压空气隔膜(18)、分流空腔(19)、钻头(20)以及连接螺栓,其特征在于:利用阀门板(16)与阀门底座(17)的闭合,将水锤管道(13)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,水泵(7)提供水流的动力,顶部负压空气隔膜(5)、中部正压空气隔膜(9)、底部负压空气隔膜(18)调节钻机内部的压强变化,每个方向控制仪(6)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:阀门板(16)在阀门底座(17)之上,能够通过阀门板(16)的上下移动实现水锤管道(13)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:阀门板(16)为圆盘,其表面是凸面锥台;阀门底座(17)为圆环,其表面为凹面锥台,当阀门板(16)与阀门底座(17)闭合时,两者之间没有空隙,阀门底座(17)有八个支脚,呈正八边形分布,焊接在钻头(20)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:阀门板(16)上连接限位杆(153),限位杆(153)限制在上下两个限位环(152)之中,上下两个限位环(152)分别被上下两层固定支架(151)固定,固定支架(151)每层三根,均匀分布固定在水锤管道壁(12)上,限位杆(153)上接细绳(104)。
5.根据权利要求4所述的水锤式钻井机,其特征在于:阀门板启动器(10)由微型电机(101)、搅动杆(102)、曲棍(103)、细绳(104)组成,微型电机(101)由数控机箱(1)控制其启动和转速,曲棍(103)两端卡在水锤管道壁(12)和微型电机(101)的固定槽中,能够绕曲棍(103)水平段中心轴线自由转动,搅动杆(102)套在曲棍(103)靠近微型电机(101)端的同心圆空腔中,搅动杆(102)与微型电机(101)直接相连,搅动杆(102)在微型电机(101)带动下匀速转动,细绳(104)的上端接连小铁环(105),小铁环(105)套在曲棍(103)的转动半径最大处,小铁环(105)可以环绕曲棍(103)转动,在曲棍(103)与小铁环(105)接触处两侧有两个卡位挡板。
6.根据权利要求5所述的水锤式钻井机,其特征在于:开始启动时,曲棍(103)半径最大处在最下面,搅动杆(102)转动到最低处时与曲棍(103)接触,带动曲棍(103)向上转动,转动过最高位置后,曲棍(103)由于重力自由下落至最低位置,细绳(104)、限位杆(153)、阀门板(16)自由下落,关闭水流通道,搅动杆(102)继续匀速转动,再次转动到最低处带动曲棍(103)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:水泵(7)用法兰(8)连接到水锤管道壁(12)上,水泵(7)的运行及运行转速被数控机箱(1)控制控制,水泵出水口(73)向下,水泵出水口(73)与水锤管道壁(12)之间有中部正压空气隔膜(9),顶部负压空气隔膜(5)呈囊状,包括在水泵电动机(71)周围,底部负压空气隔膜(18)与钻头(20)相连,由中部空气隔膜支架(181)支撑,分流空腔(19)为阀门底座(17)和底部负压空气隔膜(18)之间的中空部分,呈光滑曲线设计。
8.根据权利要求1所述的水锤式钻井机,其特征在于:方向控制仪(6)由液压启动杆(61)、方向控制板(62)、方向控制仪底座(63)组成,液压启动杆(61)铰接在方向控制仪底座(63)上,方向控制板(62)铰接在外壳(11)上,液压启动杆(61)与方向控制板(62)亦采用铰接的方式连接,方向控制仪(6)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,每个方向控制仪(6)单独被数控机箱(1)控制。
9.根据权利要求1所述的水锤式钻井机,其特征在于:拉环(3)为弧形圆环,焊接在钻井机的最上部的正中央,注水排气孔(4)用带螺纹的圆盖封闭,位于外壳的最上部的正中央,外壳(11)与钻头(20)通过螺纹连接,水锤管道壁(12)与阀门底座(17)通过螺纹连接,外壳(11)、钻头(20)、水锤管道壁(12)、阀门底座(17)的圆心都在钻井机的中轴线上。
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