CN104453729B - 复合式铝合金双壁钻杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合式铝合金双壁钻杆，是由双壁钻杆内管、双壁钻杆外管、外管上接头、外管下接头、双壁钻杆内管、内管上接头、内管下接头和密封圈组成，双壁钻杆外管的两端分别通过卡槽与外管上接头和外管下接头连接；双壁钻杆外管与外管上接头、外管下接头配合圆柱面设置密封圈；双壁钻杆内管位于双壁钻杆外管之内，双壁钻杆内管两端分别通过螺纹与内管上接头和内管下接头相连；复合式铝合金双壁钻杆相互联接时，相邻的两双壁钻杆外管通过外管上接头与外管下接头螺纹联接，双壁钻杆内管通过内管上接头与内管下接头插接联接。所述双壁钻杆外管的材质为铝合金，其密度为钢密度的1/3，钻杆重量轻，搬运方便。本发明具有钻杆重量轻、搬运方便、结构简单、内外管之间定心位置好、易于拆卸、载荷分布合理，钻杆受力工况好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用铝合金外管及高强度合金钢内管及接头联合构成的双壁钻杆，尤其是一种可适用于多工艺空气反循环钻进的复合式铝合金双壁钻杆。
背景技术
空气潜孔锤反循环钻进技术集冲击、回转、空气反循环排渣等多种工艺于一体，可实现硬岩地层、砂卵石等松散地层、破碎复杂地层高效钻进，具有钻孔质量好、钻进成本低、钻进效率高等优点，在地铁、基坑锚固孔等基础工程施工、煤矿开采、矿产勘查施工中得到广泛应用。随着空气钻井及欠平衡钻进技术的发展，近年来，空气反循环钻进逐渐应用于油气井工程。反循环钻进过程中，双壁钻杆是高压空气的输送通道，高压气体通过双壁钻杆内管与外管之间的环空间隙输送至孔底，驱动潜孔锤冲击钻进地层；孔底岩渣屑通过双壁钻杆内管中心孔道排出。
通常，双壁钻杆外管两端接头采用螺纹与外管体联接，钻杆之间亦为螺纹联接，内管为插接结构。钻杆外管同时承受扭矩及轴向拉力、轴向压力。为保证钻杆外管的强度，并具有足够的过流面积以及可容纳内管，外管规格常选择较大直径的高强度无缝钢管，由此造成钻杆整体重量大，导致双壁钻杆搬运、接卸十分困难，且对钻机的提升能力提出了较高要求。
此外，双壁钻杆内管与外管需满足良好的同心度要求，以保证钻杆联接过程中内管顺利插接，因此双壁钻杆内外管之间需设计复杂的定心结构，增大了加工难度，制造成本高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种空气反循环钻进用的复合式铝合金双壁钻杆，其具有重量轻、结构简单、受力状况佳等优点。
本发明是由双壁钻杆内管、双壁钻杆外管、外管上接头、外管下接头、内管上接头、内管下接头和密封圈组成，所述双壁钻杆外管的两端分别通过卡槽与外管上接头和外管下接头连接；双壁钻杆外管与外管上接头、外管下接头配合圆柱面设置密封圈；所述双壁钻杆内管位于双壁钻杆外管之内，双壁钻杆内管两端分别通过螺纹与内管上接头和内管下接头相连；所述内管上接头端面抵靠在外管上接头内孔台肩上，将双壁钻杆外管与外管上接头轴向锁紧；所述内管下接头端面抵靠在外管下接头内孔台肩上，将双壁钻杆外管与外管下接头轴向锁紧；复合式铝合金双壁钻杆相互联接时，相邻的两双壁钻杆外管通过外管上接头与外管下接头螺纹联接，双壁钻杆内管通过内管上接头与内管下接头插接联接。
所述双壁钻杆外管的材质为铝合金，可采用2系、5系或7系铝合金材料加工而成。由于铝合金材料密度约为钢密度的1/3，铝合金材料的双壁钻杆外管可大大降低双壁钻杆整体的重量。双壁钻杆外管两端设计有数个双壁钻杆外管卡槽，用以与其两端的外管上接头卡槽、外管下接头卡槽相互嵌合，传递扭矩。
所述外管上接头的材质为高强度合金钢，如42CrMo、35CrMo等。一端内孔设计有梯形螺纹，用以与其他双壁钻杆外管下接头联接；外管上接头外部开有外管上接头切口，便于钻杆的夹持与拧卸。外管上接头另一端设有与双壁钻杆外管卡槽数量、尺寸相同的外管上接头卡槽，用以与钻杆外管卡槽相互嵌入传扭；外管上接头与双壁钻杆外管内孔圆柱面配合段处开有数个外管上接头密封圈槽，可为2—3个，用以安装密封圈，通过与双壁钻杆外管的内孔配合，实现环形配气通道密封。外管上接头内部开有沿圆周均布的配气孔，高压空气可通过配气孔进入双壁钻杆内管与双壁钻杆外管之间的环空间隙。
所述外管下接头的材质为高强度合金钢，如42CrMo、35CrMo等。外管下接头一端外壁设计有梯形螺纹，用以与外管下端螺纹联接；外管下接头中间段外表面设有外管下接头切口，外管下接头切口便于钻杆的夹持与拧卸；外管下接头另一端设有与双壁钻杆外管卡槽数量、尺寸相同的外管下接头卡槽，外管下接头卡槽可与钻杆外管卡槽相互嵌合传递扭矩。外管下接头与双壁钻杆外管内孔圆柱面配合段处开有数个外管下接头密封圈槽，可以是2—3个，用以安装密封圈，实现双壁钻杆环形配气通道密封。外管下接头内部开有沿圆周均布的外管下接头配气孔，高压空气可通过外管下接头配气孔从双壁钻杆内管与双壁钻杆外管之间的环空间隙排出，进入下一段钻杆单元内部。
所述双壁钻杆内管的材质为DZ50钢。双壁钻杆内管两端通过螺纹分别与内管上接头和内管下接头相连，联接螺纹为梯形螺纹。
所述内管上接头的材质为高强度合金钢，如40Cr、35CrMo、42CrMo等。内管上接头一端为空心圆柱结构，其内孔开有梯形螺纹，与双壁钻杆内管联接，内管上接头涂抹螺纹紧固胶后与双壁钻杆内管旋紧。内管上接头另一端外部为六方结构，可用套筒扳手实现内管上接头与双壁钻杆内管的拧紧及拆卸；内管上接头内部为光滑圆柱面，与内管下接头外表面配合，实现插接联接。
所述内管下接头的材质为高强度合金钢，如40Cr、35CrMo、42CrMo等。内管下接头一端为空心圆柱结构，其内孔开有梯形螺纹，实现与所述双壁钻杆内管螺纹联接，内管下接头螺纹段涂抹螺纹紧固胶后与双壁钻杆内管旋紧。内管下接头中间段外部为六方结构，可用套筒扳手实现内管下接头与双壁钻杆内管的拧紧及拆卸。内管下接头下端外圆柱面与内管上接头上端内圆柱面尺寸相同，内管下接头下端可插入至内管上接头上端内孔内，实现双壁钻杆内管的插接联接；内管下接头下端外圆柱面配合段开有数个沟槽，可以是2—3个，用以安装密封圈，通过与内管上接头内孔的配合，实现双壁钻杆配气通道的密封。
所述密封圈的材质为氟橡胶，可保证温度过高时配气通道有效密封。
本发明钻进过程中配气过程为：
高压空气经过所述外管上接头的配气孔，进入双壁钻杆外管与双壁钻杆内管之间的环空间隙，并经外管下接头配气孔进入下一钻杆单元，或驱动冲击器实现冲击钻进；完成驱动冲击器动作的压缩气体，携带孔底岩渣屑经由双壁钻杆内管内孔排出，实现反循环排渣。双壁钻杆外管与外管上接头、外管下接头之间设置密封圈，相互插接的内管上接头与内管下接头之间设置密封圈，可保证双壁钻杆内管与双壁钻杆外管之间的环空间隙、双壁钻杆内管内部孔道可靠密封。
本发明载荷承载力过程如下：
双壁钻杆外管的双壁钻杆外管卡槽与外管上接头卡槽、外管下接头卡槽相互嵌合，钻杆旋转过程中，通过相互嵌合的卡槽和卡槽侧面，实现双壁钻杆外管与外管接头之间扭矩传递，在此过程中双壁钻杆内管不承受扭矩；钻进压力则通过双壁钻杆外管与其上下的外管上接头、外管下接头相互嵌合卡槽的端面传递。钻进过程提钻或下钻过程中，由于钻杆自重引起的轴向拉力，通过外管上接头内台肩传递至内管上接头端面，由双壁钻杆内管与内管上接头之间的梯形螺纹承担；同时，双壁钻杆内管所承受拉力，通过双壁钻杆内管与内管下接头联接螺纹传递至内管下接头，并由内管下接头端面与外管下接头内孔台肩，传递至外管下接头。外管下接头可通过外管下接头与外管上接头之间的螺纹，将拉力传递至下一钻杆单元外管上接头，从而实现钻杆之间轴向拉力的传递，在此过程中，双壁钻杆外管不承受轴向拉力。
本发明还提供了一种适用于复合式铝合金双壁钻杆的钻进工法。考虑到铝合金材料温度达到120℃以上时其屈服强度将急剧下降，温度达到200℃时屈服强度将降低至室温时的40％，使用复合式铝合金双壁钻杆钻进时，需保证钻杆温度不至过高。所述工法表述如下：与双壁钻杆配套使用的动力头钻机应具有多个注入通道，其中至少包括一个压缩空气输入通道、一个高压水注入通道。钻进过程中，钻杆温度升高时，通过高压水注入通道向高压气体中注水实施雾化钻进。本钻进工法的优点是：(1)雾化钻进过程中注入水，可有效降低管体温度，保证铝合金管体材料温度不至超过其允许工作温度。(2)雾化钻进可保证复合式双壁铝合金钻杆氟橡胶不至温度过高失效，钻杆配气通道密封可靠。
本发明的有益效果是：
1、所述双壁钻杆外管为铝合金材质，其密度为钢密度的1/3，钻杆重量轻，搬运方便。
2、所述双壁钻杆仅由六个零部件构成，且双壁钻杆外管与外管接头之间卡槽联接；双壁钻杆内管与内管接头螺纹联接，结构简单，双壁钻杆定心位置好，易于拆卸。
3、所述双壁钻杆外管与外管上接头、外管下接头卡槽联接，并通过卡槽传递扭矩，双壁钻杆内管不承受扭矩；所述双壁钻杆外管通过其上下接头对应台肩的接触面，用于承受钻进压力；所述双壁钻杆内管仅承受轴向力，外管接头可通过其与内管接头之间的接触台肩将轴向拉力传递至双壁钻杆内管，而双壁钻杆外管不承受轴向拉力。双壁钻杆扭矩、钻进压力由双壁钻杆外管承受，轴向拉力则由双壁钻杆内管承受，载荷分布合理，钻杆受力工况好。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明的纵向剖视图。
图3为本发明的外管上接头立体示意图。
图4为本发明的外管下接头立体示意图。
其中：1-双壁钻杆内管；2-双壁钻杆外管；3-外管下接头；4-外管上接头；5-内管下接头；6-内管上接头；7-密封圈。A-配气孔；B-外管下接头配气孔；C-外管上接头卡槽；D-外管上接头切口；E-外管下接头卡槽；F-外管下接头切口；G-双壁钻杆外管卡槽；M-外管上接头内孔台肩；N-外管下接头内孔台肩；m-内管上接头端面；n-内管下接头端面。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明是由双壁钻杆内管1、双壁钻杆外管2、外管上接头4、外管下接头3、内管上接头6、内管下接头5和密封圈7组成，所述双壁钻杆外管2的两端分别通过卡槽与外管上接头4和外管下接头3连接；双壁钻杆外管2与外管上接头4、外管下接头3配合圆柱面设置密封圈7；所述双壁钻杆内管1位于双壁钻杆外管2之内，双壁钻杆内管1两端分别通过螺纹与内管上接头6和内管下接头5相连；所述内管上接头端面m抵靠在外管上接头内孔台肩M上，将双壁钻杆外管2与外管上接头4轴向锁紧；所述内管下接头端面n抵靠在外管下接头内孔台肩N上，将双壁钻杆外管2与外管下接头3轴向锁紧；所述复合式铝合金双壁钻杆相互联接时，相邻的两双壁钻杆外管2通过外管上接头4与外管下接头3螺纹联接，双壁钻杆内管1通过内管上接头6与内管下接头5插接联接。
如图1、图3和图4所示，所述双壁钻杆外管2的材质为铝合金，可采用2系、5系或7系铝合金材料加工而成。由于铝合金材料密度约为钢密度的1/3，铝合金材料的双壁钻杆外管2可大大降低双壁钻杆整体的重量。双壁钻杆外管2两端设计有数个双壁钻杆外管卡槽G，用以与其两端的外管上接头卡槽C、外管下接头卡槽E相互嵌合，传递扭矩。
如图3所示，外管上接头4的材质为高强度合金钢，如42CrMo、35CrMo等。一端内孔设计有梯形螺纹，用以与其他双壁钻杆外管下接头联接；外管上接头4外部开有外管上接头切口D，便于钻杆的夹持与拧卸。外管上接头4另一端设计有与双壁钻杆外管卡槽G数量、尺寸相同的外管上接头卡槽C，用以与钻杆外管卡槽G相互嵌入传递扭矩；外管上接头4与双壁钻杆外管内孔圆柱面配合段处开有数个外管上接头密封圈槽，可为2—3个，用以安装密封圈7，通过与双壁钻杆外管2的内孔配合，实现环形配气通道密封。外管上接头4内部开有沿圆周均布的配气孔A，高压空气可通过配气孔A进入双壁钻杆内管1与双壁钻杆外管2之间的环空间隙。
如图4所示，所述外管下接头3的材质为高强度合金钢，如42CrMo、35CrMo等。外管下接头3一端外壁设计有梯形螺纹，用以与外管下端螺纹联接；外管下接头3中间段外表面设有外管下接头切口F，外管下接头切口F便于钻杆的夹持与拧卸；外管下接头3另一端设有与双壁钻杆外管卡槽G数量、尺寸相同的外管下接头卡槽E，外管下接头卡槽E可与钻杆外管卡槽相互嵌合传递扭矩。外管下接头3与双壁钻杆外管2内孔圆柱面配合段处开有数个外管下接头密封圈槽，可以是2—3个，用以安装密封圈7，实现双壁钻杆环形配气通道密封。外管下接头3内部开有沿圆周均布的外管下接头配气孔B，高压空气可通过外管下接头配气孔B从双壁钻杆内管1与双壁钻杆外管2之间的环空间隙排出，进入下一段钻杆单元内部。
如图2所示，所述双壁钻杆内管1的材质为DZ50钢。双壁钻杆内管1两端通过螺纹分别与内管上接头6和内管下接头5相连，联接螺纹为梯形螺纹。
如图2所示，所述内管上接头6的材质为高强度合金钢，如40Cr、35CrMo、42CrMo等。内管上接头6一端为空心圆柱结构，其内孔开有梯形螺纹，与双壁钻杆内管1联接，内管上接头6涂抹螺纹紧固胶后与双壁钻杆内管1旋紧。内管上接头6另一端外部为六方结构，可用套筒扳手实现内管上接头6与双壁钻杆内管1的拧紧及拆卸；内管上接头6内部为光滑圆柱面，与内管下接头5外表面配合，实现插接联接。
如图2所示，所述内管下接头5的材质为高强度合金钢，如40Cr、35CrMo、42CrMo等。内管下接头5一端为空心圆柱结构，其内孔开有梯形螺纹，实现与所述双壁钻杆内管1螺纹联接，内管下接头5螺纹段涂抹螺纹紧固胶后与双壁钻杆内管1旋紧。内管下接头5中间段外部为六方结构，可用套筒扳手实现内管下接头5与双壁钻杆内管1的拧紧及拆卸。内管下接头5下端外圆柱面与内管上接头6上端内圆柱面尺寸相同，内管下接头5下端可插入至内管上接头6上端内孔内，实现双壁钻杆内管的插接联接；内管下接头5下端外圆柱面配合段开有数个沟槽，可以是2—3个，用以安装密封圈7，通过与内管上接头6内孔的配合，实现双壁钻杆配气通道的密封。
如图2所示，所述密封圈7的材质为氟橡胶，可保证温度过高时配气通道有效密封。
本发明钻进过程中配气过程为：
高压空气经过所述外管上接头4的配气孔A，进入双壁钻杆外管2与双壁钻杆内管1之间的环空间隙，并经外管下接头配气孔B进入下一钻杆单元，或驱动冲击器实现冲击钻进；完成驱动冲击器动作的压缩气体，携带孔底岩渣屑经由双壁钻杆内管1内孔排出，实现反循环排渣。双壁钻杆外管2与外管上接头4、外管下接头3之间设置密封圈7，相互插接的内管上接头6与内管下接头5之间设置密封圈7，可保证双壁钻杆内管与双壁钻杆外管之间的环空间隙、双壁钻杆内管内部孔道可靠密封。
本发明载荷承载力过程如下：
双壁钻杆外管2的双壁钻杆外管卡槽G与外管上接头卡槽C、外管下接头卡槽E相互嵌合，钻杆旋转过程中，通过相互嵌合的卡槽和卡槽侧面，实现双壁钻杆外管2与外管接头之间扭矩传递，在此过程中双壁钻杆内管1不承受扭矩；钻进压力则通过双壁钻杆外管1与其上下的外管上接头4、外管下接头3相互嵌合卡槽的端面传递。钻进过程提钻或下钻过程中，由于钻杆自重引起的轴向拉力，通过外管上接头内台肩M传递至内管上接头端面m，由双壁钻杆内管1与内管上接头6之间的梯形螺纹承担；同时，双壁钻杆内管1所承受拉力，通过双壁钻杆内管1与内管下接头5联接螺纹传递至内管下接头5，并由内管下接头端面n与外管下接头内孔台肩N，传递至外管下接头3。外管下接头3可通过外管下接头与外管上接头之间的螺纹，将拉力传递至下一钻杆单元外管上接头，从而实现钻杆之间轴向拉力的传递，在此过程中，双壁钻杆外管2不承受轴向拉力。
本发明具有钻杆重量轻、搬运方便、结构简单、内外管之间定心位置好、易于拆卸、载荷分布合理，钻杆受力工况好等优点。
本发明还提供了一种适用于复合式铝合金双壁钻杆的钻进工法。考虑到铝合金材料温度达到120℃以上时其屈服强度将急剧下降，温度达到200℃时屈服强度将降低至室温时的40％，使用复合式铝合金双壁钻杆钻进时，需保证钻杆温度不至过高。所述工法表述如下：与双壁钻杆配套使用的动力头钻机应具有多个注入通道，其中至少包括一个压缩空气输入通道、一个高压水注入通道。钻进过程中，钻杆温度升高时，通过高压水注入通道向高压气体中注水实施雾化钻进。
本工法的有益效果是：(1)雾化钻进过程中注入水，可有效降低管体温度，保证铝合金管体材料温度不至超过其允许工作温度。(2)雾化钻进可保证复合式双壁铝合金钻杆氟橡胶不至温度过高失效，钻杆配气通道密封可靠。
Claims (6)
1.一种复合式铝合金双壁钻杆，其特征在于：是由双壁钻杆内管(1)、双壁钻杆外管(2)、外管上接头(4)、外管下接头(3)、内管上接头(6)、内管下接头(5)和密封圈(7)组成，所述双壁钻杆外管(2)的两端分别通过卡槽与外管上接头(4)和外管下接头(3)连接；双壁钻杆外管(2)与外管上接头(4)、外管下接头(3)配合圆柱面设置密封圈(7)；所述双壁钻杆内管(1)位于双壁钻杆外管(2)之内，双壁钻杆内管(1)两端分别通过螺纹与内管上接头(6)和内管下接头(5)相连；所述内管上接头端面(m)抵靠在外管上接头内孔台肩(M)上，将双壁钻杆外管(2)与外管上接头(4)轴向锁紧；所述内管下接头端面(n)抵靠在外管下接头内孔台肩(N)上，将双壁钻杆外管(2)与外管下接头(3)轴向锁紧；所述复合式铝合金双壁钻杆相互联接时，相邻的两双壁钻杆外管(2)通过外管上接头(4)与外管下接头(3)螺纹联接，双壁钻杆内管(1)通过内管上接头(6)与内管下接头(5)插接联接；所述外管上接头(4)内部开有沿圆周均布的配气孔(A)，高压空气可通过配气孔(A)进入双壁钻杆内管(1)与双壁钻杆外管(2)之间的环空间隙；所述外管下接头(3)内部开有沿圆周均布的外管下接头配气孔(B)，高压空气可通过外管下接头配气孔(B)从双壁钻杆内管(1)与双壁钻杆外管(2)之间的环空间隙排出，进入下一段钻杆单元内部；所述双壁钻杆外管(2)两端设计有数个双壁钻杆外管卡槽(G)，用以与其两端的外管上接头卡槽(C)、外管下接头卡槽(E)相互嵌合，传递扭矩；所述双壁钻杆外管(2)的材质为铝合金；所述双壁钻杆内管(1)的材质为DZ50钢；所述外管下接头(3)、外管上接头(4)、内管上接头(6)和内管下接头(5)的材质为高强度合金钢。
2.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金双壁钻杆，其特征在于：所述的外管上接头(4)外部开有外管上接头切口(D)，所述外管下接头(3)中间段外表面设有外管下接头切口(F)。
3.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金双壁钻杆，其特征在于：所述外管下接头(3)与双壁钻杆外管(2)内孔圆柱面配合段处开有数个外管下接头密封圈槽(I)，用以安装密封圈(7)，实现双壁钻杆环形配气通道密封。
4.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金双壁钻杆，其特征在于：所述外管上接头(4)和外管下接头(3)的材质为42CrMo或35CrMo。
5.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金双壁钻杆，其特征在于：所述内管上接头(6)和内管下接头(5)的材质为40Cr或35CrMo。
6.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金双壁钻杆，其特征在于：所述密封圈(7)的材质为氟橡胶。
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