CN104763368A - 大直径潜孔锤用孔口密封装置及其反循环施工工艺 - Google Patents

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Abstract

一种大直径潜孔锤用孔口密封装置及其反循环施工工艺，针对目前大直径潜孔锤孔底密封结构存在的问题而提出的，当孔底密封机构不能完全满足建立反循环需要，即大量气体从大直径潜孔锤与钻孔形成的环状间隙上返时，在孔口密封装置的作用下，钻孔与双壁钻杆形成的大环空间隙为一密闭有限空间，当该空间气体压力达到一定程度时，迫使孔底压缩空气进入大直径潜孔锤排渣通道沿双壁钻杆内管排至泥浆池，从而重新建立反循环通道，本发明由于对孔底密封效果的要求大大降低，即孔底密封结构与钻孔间隙可适当增大，因此可降低孔底密封结构的设计难度，提高反循环潜孔锤应对孔内复杂情况的能力，实现安全高效钻进目的。

Description

大直径潜孔锤用孔口密封装置及其反循环施工工艺
技术领域
本发明涉及钻探的技术领域，尤其涉及一种应用于空气潜孔锤高效钻进技术的大直径潜孔锤用孔口密封装置及其反循环施工工艺。
背景技术
目前，在大直径钻孔(≥Ф550mm)岩石段施工过程中通常采用“小钻打、大钻扩”的方法，主要以扩孔牙轮钻头、泥浆正循环工艺来完成。矿山救援地面大直径钻孔施工要求“快”，而在岩石段的快速钻进是实现该目标的极其重要的一个环节，由于牙轮扩孔钻头机械钻速较低，难以满足矿山应急救援钻孔的施工要求。空气潜孔锤是以冲击体积破碎的方式碎岩，在硬岩钻进中速度是其它钻进方法无法比拟的，将潜孔锤高效钻进技术应用于矿山救援地面大直径钻孔施工是最为有效的解决方案。在利用地面大直径钻孔实施矿山救援的几个成功案例都采用了潜孔锤高效钻进技术。2002年美国宾夕法尼亚州Queereek煤矿7·24透水事故的救援中，在地面大直径救援孔施工时首先开挖下入长度5.8m、内径Ф762mm套管至基岩，然后采用Ф737mm全断面空气潜孔锤一次成孔钻至32m深度，后采用Ф660mm全断面空气潜孔锤一次成孔钻至73m深度与井下巷道连通，现场由6台空压机同时供风，注气量超过168m3/min，该逃生孔成孔时间为51h，通过该逃生孔采用救生舱将9个被困人员提升至地面。2010年智利圣何塞铜矿矿难救援实施的地面大直径钻孔，首先完成一孔径Ф108mm、深度624m导向孔与井下被困区域连通，然后第一次扩孔至Ф308mm，第二次扩孔采用Ф660/305mm集束式潜孔锤钻进，破碎岩屑通过导向孔落入巷道，井下被困人员辅助清理掉落的岩屑，整个成孔周期为44天。
但是在很多矿区，矿床上覆地层通常含有一段或多段含水层，如果导向孔提前与巷道打通，则地层水会沿着导向孔进入巷道，假若地层水较大此时则不能照搬智利铜矿难救援钻孔施工方案；而导向孔与巷道不提前打通，则由于最终要求的钻孔直径很大，采用气动潜孔锤正循环钻进，为了顺利排渣，需要几百m3/min的注气量，且随着钻孔深度的增加、或地层出水量增大，所需的注气量急剧增加，对钻机、空压机、增压机、以及钻具都提出了极为严苛的要求，更严重的是大量的上返高速气流对钻孔上部地层冲刷不可忽视，甚至是不可解决的，极容易造成孔内事故。因此，在这种工况条件下，若要利用气动潜孔锤的高效碎岩的优势，采用大直径潜孔锤反循环钻进是最佳的选择。与大直径正循环潜孔锤相比，反循环钻进潜孔锤注入空气量取决于气动潜孔锤正常工作的耗气量，这极大减小了所注入的压缩空气量的需求，降低了对钻机、空压机、增压机以及钻具系统等的要求。
在目前阶段，国内大直径反循环潜孔锤产品主要有单体式和集束式(或捆绑式)两种型式：其中的单头大直径湿式反循环潜孔锤(FGC-15型、FGC-15B型)、大直径贯通式潜孔锤(最大直径为Ф660mm)、大直径组合捆绑式风动潜孔锤(FC-312型)、集束式反循环潜孔锤(公开报道最大直径为Ф660mm)。以上所述大直径反循环潜孔锤促进形成孔底反循环的主要结构均设置在孔底钻具本体上，存在的问题是：当设计直径变大后，由于密封结构比钻头旋转所形成的钻孔直径要小，密封结构外径与钻孔壁的间隙面积越来越大；且钻头成孔过程中有一定的钻孔直径扩大率，因此从该间隙上返压缩气体量变大，可能影响反循环排渣效果，严重者甚至不能形成反循环。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种大直径潜孔锤用孔口密封装置及其反循环施工工艺，以克服上述缺陷。
发明内容
针对目前技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可提高大直径潜孔锤反循环工艺密封效果的大直径潜孔锤用孔口密封装置及其反循环施工工艺，以促进大直径潜孔锤反循环钻进技术更好的推广应用于大直径钻孔的施工中，提高钻进效率。
为解决上述问题，本发明公开了一种大直径潜孔锤用孔口密封装置，包括密封体、偏心联接盘和底座，其特征在于：
所述密封体下端连接所述偏心联接盘，所述偏心联接盘下端连接所述底座。
其中：所述底座包含中空套管状的底座外壳，下端设有第一法兰片和第二法兰片，底座上端设有连接于所述偏心联接盘的卡沿，所述底座外壳的侧部设有注水口和排气口，以分别连接注水口球阀和排气口球阀。
其中：所述密封体包含中空套管状的密封体外壳，以设于偏心联接盘上，其下端设有密封体座环。
其中：所述密封体的上端设有第四法兰片，所述第四法兰片连接一第三法兰片，所述第三法兰片的下表面与一锥形密封胶芯连接，所述锥形密封胶芯向下延伸至密封体外壳内且内设有一锥形中空通道，所述锥形中空通道供钻杆贯通并提供有效的密封。
还公开了一种大直径潜孔锤反循环施工工艺，基本步骤如下：
①钻机移回至孔口
首先，利用车载钻机施工完成土层孔段的钻进作业；然后移开钻机，利用吊车下入土层段套管；再将钻机移回对准孔口；
②孔口密封装置的安装、地面管汇连接及下钻
a.将孔口密封装置的底座与土层段套管以法兰方式连接；
b.启动钻机依次连接气盒子、双壁钻杆和大直径潜孔锤；
c.连接地面管汇；
d.下放双壁钻杆，下钻至与孔底2～3根双壁钻杆长度的距离时停止下放；
e.在加接剩余第一根双壁钻杆时，将孔口密封装置的偏心联接盘套在双壁钻杆上，与上根双壁钻杆丝扣连接后，将偏心联接盘与孔口密封装置底座连接；
f.在加接下一根双壁钻杆时，将孔口密封装置密封体套在双壁钻杆上，与上根双壁钻杆连接后，自然下垂找中，使密封体坐落在偏心联接盘；
③大直径潜孔锤反循环钻进
a.关闭孔口密封装置注水口球阀，打开排气口球阀；
b.开启空气压开始供气；若排渣口无气体返出，排气管口返气，关闭孔口密封装置排气管口球阀，促使孔底压缩气体进入双壁钻杆内管从排渣口返出；若排渣口有气体返出，则无需关闭孔口密封装置排气管口球阀；当反循环形成后，带风缓慢下放钻具至孔底，开始加压钻进；
c.双壁钻杆加接，当单根双壁钻杆钻进完成后，上提钻具1～2m，待排渣口无岩屑返出口，停止空压机供风；打开地面注气管汇上的放气阀，放空双壁钻杆环空内残余气体后关闭，然后再进行加接双壁钻杆作业；
d.重复b～c的步骤；
④起钻
a.卸开孔口密封装置压片，将密封体随双壁钻杆提起，放置于地面；
b.打开孔口密封装置，利用钻机绞车将偏心联接盘提起并放置于地面；
c.进行起钻。
6.如权利要求5所述的一种大直径潜孔锤反循环施工工艺，其特征在于：所述大直径潜孔锤的下端设有大直径潜孔锤密封机构，以由大直径潜孔锤密封机构与孔口密封装置两者共同建立反循环。通过上述结构可知，本发明的大直径潜孔锤用孔口密封装置及其反循环施工工艺具有如下效果：
1、本发明主要由大直径潜孔锤的密封机构与孔口密封装置两者共同起作用，基于此反循环密封方法进行大直径潜孔锤结构设计，由于对孔底密封效果的要求大大降低，即孔底密封结构与钻孔间隙可适当增大，因此可降低孔底密封结构的设计难度，提高反循环潜孔锤应对孔内复杂情况的能力，实现安全高效钻进目的。
2、本发明涉及的孔口密封装置采用分体式现场安装，密封体可在偏心联接盘轴向任意方向偏移一定距离，然后由压片紧固连接，该密封体可偏移的结构设计，解决了钻机移回至孔口过程中由于不能精准对中从而造成在加接钻杆时会伤扣的问题。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
附图1为大直径潜孔锤反循环工艺原理示意图；
附图2为孔口密封装置的整体结构示意图。
附图3为底座结构示意图；
附图4为偏心联接盘的结构示意图。
附图5为密封体的结构示意图；
附图6为密封体的剖面结构示意图。
附图标记：1.气盒子；2.双壁钻杆；3.孔口密封装置；4.土层段套管；5.钻孔；6.大直径潜孔锤；7.大直径潜孔锤密封机构；301.密封体；302.偏心联接盘；303.底座；304.管箍；305.压片；306.底座卡沿；307.排气管口球阀；308.第一法兰片；309.管箍转轴；310.注水管口球阀；311.底座外壳；312.第二法兰片；313.压片固定轴；314.吊环；315.密封体座环；316.密封体外壳；317.第三法兰片；318.锥形密封胶芯；319.第四法兰片。
具体实施方式
参见图1至6，显示了本发明的大直径潜孔锤用孔口密封装置及其反循环施工工艺，是针对目前大直径潜孔锤孔底密封结构存在的问题而提出的，当孔底密封机构不能完全满足建立反循环需要，即大量气体从大直径潜孔锤与钻孔形成的环状间隙上返时，在孔口密封装置的作用下，钻孔与双壁钻杆形成的大环空间隙为一密闭有限空间，当该空间气体压力达到一定程度时，迫使孔底压缩空气进入大直径潜孔锤排渣通道沿双壁钻杆内管排至泥浆池，从而重新建立反循环通道。
本发明的大直径潜孔锤用孔口密封装置及其反循环施工工艺，促进建立孔底空气反循环通道的密封方法主要由大直径潜孔锤密封机构7与孔口密封装置3两者共同作用。
参见图2-6，所述孔口密封装置3主要包括密封体301、偏心联接盘302和底座303。所述密封体301下端连接所述偏心联接盘302，所述偏心联接盘302下端连接所述底座303。
所述底座303包含中空套管状的底座外壳311，下端设有第一法兰片308和第二法兰片312，以与钻孔5内的土层段套管4进行螺栓连接(参见图1)，底座303上端设有连接于所述偏心联接盘302的卡沿306，所述卡沿306可通过卡箍304与偏心联接盘302连接，所述底座外壳311的侧缘还设有管箍转轴309，以更好的配合卡箍304进行紧固连接，所述底座外壳311的侧部设有注水口和排气口，以分别连接注水口球阀310和排气口球阀307。
所述密封体301包含中空套管状的密封体外壳316，以设于偏心联接盘302上，其下端设有密封体座环315，所述密封体座环315与偏心联接盘302之间还可设有密封圈，可选的是，所述密封体座环315与偏心联接盘302的连接部通过压片305进行紧固，所述密封体301的上端设有第四法兰片319，所述第四法兰片319可通过螺栓连接一第三法兰片317，所述第三法兰片317的下表面与一锥形密封胶芯318可通过螺栓连接，所述锥形密封胶芯318向下延伸至密封体外壳316内且内设有一锥形中空通道，所述锥形中空通道供钻杆贯通并可提供有效的密封。
可选的是，所述第三法兰片317的上表面还可设有吊环314，以便于吊装。
所述偏心联接盘302的上表面可设有多个压片固定轴313，所述压片305可设有多个与之配合固定的凹槽，以进行更好的定位。
参见图1，所述大直径潜孔锤反循环施工工艺的基本步骤如下：
①钻机移回至孔口
首先，利用车载钻机施工完成口径为Ф950mm的土层孔段的钻进作业；然后，落下桅杆移开钻机，利用吊车下入土层段套管4(优选为Ф820mm×12mm螺旋钢管)；其次，将钻机移回，对准孔口，升起桅杆。
②孔口密封装置的安装、地面管汇连接及下钻
a.将孔口密封装置3底座303与土层段套管4以法兰方式连接，两者之间加密封垫圈(该工作亦可在钻机移回至孔口前完成)；
b.启动钻机依次连接气盒子1、双壁钻杆2(优选为Ф178/114mm大规格双壁钻杆)、大直径潜孔锤6(优选为Ф710mm大直径反循环潜孔锤钻头)；
c.连接地面管汇；
地面注气管路连接：空压机→2″胶管→气盒子；
地面排渣管路连接：动力头→钻机泥浆管汇→5″胶管(需固定于地面，防止气体排渣过程中的甩动伤人)→泥浆池；
地面放气管路连接：孔口密封装置放气管口→2″胶管→泥浆池；
地面注水管路连接：水箱→2″吸水管→注水泵→1″胶管→孔口密封装置注水管口；
d.下放双壁钻杆2，下钻至与孔底约2～3根双壁钻杆长度的距离时停止下放；
e.在加接剩余第一根双壁钻杆2时，将孔口密封装置3偏心联接盘302套在双壁钻杆2上，与上根双壁钻杆2丝扣连接后，将偏心联接盘302与孔口密封装置3底座303通过管箍304连接，两者之间加密封垫圈；
f.在加接下一根双壁钻杆2时，将孔口密封装置3密封体301套在双壁钻杆2上，与上根双壁钻杆2丝扣连接后，自然下垂找中，使密封体301坐落在偏心联接盘302上，两者之间加密封垫圈，并通过多个压片305紧固。
③大直径潜孔锤反循环钻进
a.关闭孔口密封装置3注水口球阀310，打开排气口球阀307；
b.供气与钻进
开启空气压开始供气(优选注气量35m3/min)；若排渣口无气体返出，排气管口返气，关闭孔口密封装置3排气管口球阀307，促使孔底压缩气体进入双壁钻杆2内管从排渣口返出；若排渣口有气体返出，则无需关闭孔口密封装置3排气管口球阀307；当反循环形成后，带风缓慢下放钻具至孔底，开始加压钻进(优选钻压控制在3～4t)；
c.双壁钻杆2加接
当单根双壁钻杆2钻进完成后，上提钻具1～2m，待排渣口无岩屑返出口，停止空压机供风；打开地面注气管汇上的放气阀，放空双壁钻杆2环空内残余气体后关闭，然后再进行加接双壁钻杆2作业；
d.重复b～c的步骤。
④起钻
a.卸开孔口密封装置3压片305，将密封体301随双壁钻杆2提起，放置于地面；
b.打开孔口密封装置3管箍304，利用钻机绞车将偏心联接盘302提起并放置于地面；
c.进行起钻。
由此可见，本发明中空气反循环通道路径为：空压机→胶管→气盒子→双壁保护接头环空→双壁钻杆环空→大直径潜孔锤→孔底→大直径潜孔锤排渣通道(携带岩屑粉)→双壁钻杆内管→保护接头内管→气盒子→转换接头→动力头内通道→钻机泥浆管汇→胶管→泥浆池
所述大直径潜孔锤反循环施工工艺涉及的主要钻探设备有：1台车载钻机、2台空压机(每台空压机最大供风量35m3/min，最大工作压力3.0MPa)、Ф710mm大直径集束式反循环潜孔锤，Ф178/114mm大规格双壁钻杆，气盒子，孔口密封装置等；反循环钻进孔底钻具组合为：Ф710mm大直径集束式反循环潜孔锤+Ф178/114mm大规格双壁钻杆+保护接头+气盒子+转换接头；各种管汇若干。
其中，大直径潜孔锤密封机构7设置于大直径潜孔锤6的下端，其结构为现有技术，本发明对其并没有进行特别的改进，在此不再进行一一累述。
由此可见，本发明由大直径潜孔锤的密封机构7与孔口密封装置3两者共同起作用，基于此反循环密封方法进行大直径潜孔锤结构设计，由于对孔底密封效果的要求大大降低，即孔底密封结构与钻孔间隙可适当增大，因此可降低孔底密封结构的设计难度，提高反循环潜孔锤应对孔内复杂情况的能力，实现安全高效钻进目的。
本发明涉及的孔口密封装置3采用分体式现场安装，底座303可直接通过大直径潜孔锤6，在下钻前以法兰连接方式安装于土层段套管4上，与偏心联接盘302由管箍304连接，从而可实现现场方便快捷的安装目的；所述密封体301可在偏心联接盘302轴向任意方向偏移一定距离，然后由压片305紧固连接，该密封体301可偏移的结构设计，是为了解决钻机移回至孔口过程中由于不能精准对中从而造成在加接钻杆时会伤扣的问题。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (6)

1.一种大直径潜孔锤用孔口密封装置，包括密封体、偏心联接盘和底座，其特征在于：所述密封体下端连接所述偏心联接盘，所述偏心联接盘下端连接所述底座。
2.如权利要求1所述的大直径潜孔锤用孔口密封装置，其特征在于：所述底座包含中空套管状的底座外壳，下端设有第一法兰片和第二法兰片，底座上端设有连接于所述偏心联接盘的卡沿，所述底座外壳的侧部设有注水口和排气口，以分别连接注水口球阀和排气口球阀。
3.如权利要求2所述的大直径潜孔锤用孔口密封装置，其特征在于：所述密封体包含中空套管状的密封体外壳，以设于偏心联接盘上，其下端设有密封体座环。
4.如权利要求3所述的大直径潜孔锤用孔口密封装置，其特征在于：所述密封体的上端设有第四法兰片，所述第四法兰片连接一第三法兰片，所述第三法兰片的下表面与一锥形密封胶芯连接，所述锥形密封胶芯向下延伸至密封体外壳内且内设有一锥形中空通道，所述锥形中空通道供钻杆贯通并提供有效的密封。
5.一种大直径潜孔锤反循环施工工艺，其特征在于基本步骤如下：
①钻机移回至孔口
首先，利用车载钻机施工完成土层孔段的钻进作业；然后移开钻机，利用吊车下入土层段套管；再将钻机移回对准孔口；
②孔口密封装置的安装、地面管汇连接及下钻
a.将孔口密封装置的底座与土层段套管以法兰方式连接；
b.启动钻机依次连接气盒子、双壁钻杆和大直径潜孔锤；
c.连接地面管汇；
d.下放双壁钻杆，下钻至与孔底2～3根双壁钻杆长度的距离时停止下放；
e.在加接剩余第一根双壁钻杆时，将孔口密封装置的偏心联接盘套在双壁钻杆上，与上根双壁钻杆丝扣连接后，将偏心联接盘与孔口密封装置底座连接；
f.在加接下一根双壁钻杆时，将孔口密封装置密封体套在双壁钻杆上，与上根双壁钻杆连接后，自然下垂找中，使密封体坐落在偏心联接盘；
③大直径潜孔锤反循环钻进
a.关闭孔口密封装置注水口球阀，打开排气口球阀；
b.开启空气压开始供气；若排渣口无气体返出，排气管口返气，关闭孔口密封装置排气管口球阀，促使孔底压缩气体进入双壁钻杆内管从排渣口返出；若排渣口有气体返出，则无需关闭孔口密封装置排气管口球阀；当反循环形成后，带风缓慢下放钻具至孔底，开始加压钻进；
c.双壁钻杆加接，当单根双壁钻杆钻进完成后，上提钻具1～2m，待排渣口无岩屑返出口，停止空压机供风；打开地面注气管汇上的放气阀，放空双壁钻杆环空内残余气体后关闭，然后再进行加接双壁钻杆作业；
d.重复b～c的步骤；
④起钻
a.卸开孔口密封装置压片，将密封体随双壁钻杆提起，放置于地面；
b.打开孔口密封装置，利用钻机绞车将偏心联接盘提起并放置于地面；
c.进行起钻。
6.如权利要求5所述的一种大直径潜孔锤反循环施工工艺，其特征在于：所述大直径潜孔锤的下端设有大直径潜孔锤密封机构，以由大直径潜孔锤密封机构与孔口密封装置两者共同建立反循环。
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