CN105041200B - 潜孔冲击锥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜孔冲击锥，包括钻杆、内置冲锤的冲击器、套管，冲击锥的上部伸入冲击器内与冲击器通过花键相连，并通过安装在竖直条形孔内的插销锁定，使冲击锥能相对冲击器在一定范围内上下移动；冲击锥的上部设置有“L”形的通气孔，冲击锥的中部带有台阶，冲击锥的底部带有锥形头；冲击靴位于冲击锥的下方并与套管螺纹连接，冲击靴的下端呈锥形并伸到套管外，在冲击靴内开有供冲击锥下部通过的通道，且锥形头的锥度角与冲击靴下端的锥度角相等；当台阶压在冲击靴的顶部时，锥形头的锥面正好与冲击靴下端锥面共面。提高了钻进效率，降低了施工成本，有效避免了钻孔报废，确保跟管井段顺利取芯取样。

Description

潜孔冲击锥

技术领域

本发明属于地质钻探工程领域，具体涉及一种潜孔冲击锥。

背景技术

目前，地质钻探领域常用的钻孔装置主要有三种：

(一)偏心潜孔锤跟管系统

原理：根据偏心机构原理，依靠一只导向钻头带动一只偏心扩孔器，在潜孔锤的冲击作用下，导向带动偏心扩孔器进行扩孔，使孔径比套管外径稍大，套管随钻头同步跟进保护孔壁。

优点：钻头可伸出套管外钻进，套管可同步跟进，能钻进较硬岩层，遇大转石可直接钻进并同步跟进套管。

存在问题：一是钻头需伸出套管外钻进，如要将钻具提出孔外，必须反向旋转钻具，通过伸缩机构将外钻头缩回套管内才能提出。由于钻孔内工作环境复杂，细砂颗粒经常卡住伸缩机构，导致其失灵，致使外钻头不能缩回套管内。这样，只有将套管全部拨出，导致全孔报废，损失巨大。二是钻进过程中需全孔排渣，当钻孔较深时，排渣困难，钻进效率降低或不能钻进。

(二)同心潜孔锤跟管系统

原理：潜孔锤内钻头冲击破碎岩层，内钻头通过撞击外钻头台肩带动外钻头破碎岩层，外钻头通过柱销和连接套与套管连接，套管随外钻头同步跟进。内外管的回转运动是通过浮动机构带动双管同时回转而实现的。

优点：克服了偏心跟管钻具偏心机构的部分缺点，跟进深度有所增加。能钻进较硬岩层，遇大转石可直接钻进并同步跟进套管。

存在问题：一是使用成本高。耗材的加工成本增加，每套增加成本500元以上。同心套必须留在孔内并报废，每孔增加成本300元以上。如按每孔30米深度计算，每米增加成本30元以上，没有市场竞争力。二是其套管与管脚之间的连接方式不合理，强度不够，在套管应力集中部位容易出现拉裂，导致孔内事故。三是钻进过程中需全孔排渣，当钻孔较深时，排渣困难或从套管外排渣，导致钻进效率降低或不能钻进。

(三)松散砂砾层冲击钻具

国家知识产权局于1993年5月19日公告了由长沙中南基础工程总公司第十工程处申请的“松散砂砾层冲击钻具”专利，专利号为92217614.0。

原理：由重锤、套管、管靴、锥形钻头组成。锥形钻头与管靴、管靴与套管均用螺纹连接，钻杆穿过重锤中心的大通孔与套管用螺纹连接。在地面用卷扬机提升重锤到一定高度后放下，利用重锤的自重让其下落并冲击套管上部，套管将冲击力传递给管靴，管靴带动锥形钻头钻进岩层。

优点：结构简单，操作简便，无易损件，使用成本低，不需排渣。

存在问题：一是遇较大块石则不能钻进。二是在地面用重锤冲击，孔内无导向，容易造成钻孔偏斜。三是锥形钻头与管靴用螺纹连接，一旦拆出锥头，则不能再重新连接，不可能再跟管钻进，局限性很大。四是锥形钻头拆卸要向孔内投送专用钻杆完成，当钻孔较深时，偏斜量大，专用钻杆不能与锥形钻头的丝扣有效连接，可能造成拆卸失败而导致全孔报废。当钻孔较浅时，套管与孔壁的摩擦力不够，使得套管与锥形钻头一起转动，则不能拆下锥形钻头。只要锥形钻头不能顺利拆出，则套管与孔底的通道不能打开，造成该孔报废。五是重锤在地面冲击，孔内钻具和套管的弹性会吸收冲击能量，当钻孔逐渐变深时，到达套管底部的冲击能量变得越来越小，受井壁摩擦力的影响，跟管速度逐渐缓慢或无法继续跟管。六是在跟管井段不能取芯取样。

发明内容

本发明的目的是解决钻孔穿越砂砾石地层、流砂地层、石灰岩溶洞地层的技术难题，提高钻进效率，降低施工成本，有效避免钻孔报废，确保跟管井段顺利取芯取样。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种潜孔冲击锥，包括钻杆、内置冲锤的冲击器、套管，所述钻杆的下端与冲击器的上端通过螺纹连接，所述套管设置在冲击器外，在套管内还设置有冲击锥和冲击靴，所述冲击锥的上部伸入冲击器内与冲击器通过花键相连，并通过安装在竖直条形孔内的插销锁定，使冲击锥能相对冲击器在一定范围内上下移动；所述冲击锥的上部设置有“L”形的通气孔，冲击锥的中部带有台阶，冲击锥的底部带有锥形头；所述冲击靴位于冲击锥的下方并与套管螺纹连接，冲击靴的下端呈锥形并伸到套管外，在冲击靴内开有供冲击锥下部通过的通道，且锥形头的锥度角与冲击靴下端的锥度角相等；当所述台阶压在冲击靴的顶部时，锥形头的锥面正好与冲击靴下端锥面共面。

工作原理及过程如下：钻孔时，将整个潜孔冲击锥下入孔底，启动地面空气压缩机并向钻杆内送风，此时冲击锥顶部与冲锤底部紧密贴合，封闭了送风通道，冲击器因内室压力增大而即刻启动，冲击器内置冲锤以高频率击打冲击锥顶部。冲击锥向下直接冲击松散地层，并同时通过台阶将冲击力传递给冲击靴，迫使冲击靴向下钻进，冲击靴通过螺纹将力传递给套管，带动套管向下跟进。

钻杆、带冲锤的冲击器、冲击锥和冲击靴构成潜孔冲击锥的钻具。如需起钻，只需在地面提动钻杆，即可将孔内钻具全部提出，立即打开套管与地层的通道，进行定点取芯取样、抽水试验等均可。如需继续钻进，重新将钻具下入套管内，重复上述步骤即可。

如遇较大块石，可提出孔内钻具，套管与地层之间的通道随即打开，下入小一级锤头(需小于冲击靴的内径)冲击，将其击碎后，再下入冲击锥，继续跟管钻进。

作为上述方案的优选，在所述台阶上开有上下贯通并呈圆周均布的消气孔；在冲击锥与冲击靴接触的台阶上设计消气孔，避免因两个端面有空气积聚导致接触不完全。

进一步，所述锥形头的锥度角α为92±5°，限定锥度角，提高钻进效率。

本发明的有益效果：

(一)结构简单，易于操作掌握，无易损件，加工及使用成本极低。一套冲击锥和冲击管靴的加工成本只有300元左右，在松散的砂砾石地层、流砂地层、溶洞充填物地层等可钻进500米以上，成本极低；

(二)钻进效率高，在松散砂砾石地层、流砂地层、溶洞充填物地层，不需排渣，每小时可钻进20米以上，比类似钻具提高3-5倍；

(三)钻具可随时提出孔外，并同时打开套管与地层之间的通道，避免钻孔报废，可随时更换小一级钻具钻进较大块石，或进行定深、定点取芯取样，作抽水试验等工作；

(四)冲击器的冲击力直接作用在冲击锥和冲击靴上，冲击功损失小，钻进效率高，且钻孔垂直度能得到保障。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1所示的潜孔冲击锥，主要由钻杆1、冲锤2、冲击器3、冲击锥4、冲击靴5、套管6组成。

钻杆1、内置冲锤2的冲击器3可直接购买成品进行安装，钻杆1的下端与冲击器3的上端通过螺纹连接。钻杆1内设置有送风通道，将风送入冲击器3内的内室，当内室封闭后，冲击器3因内室压力增大而即刻启动，使内置冲锤2以高频率上下击打。这部分沿用了传统潜孔锤中钻杆1与冲击器3的结构和连接方式，在此不再赘述。

套管6设置在冲击器3外，在套管6内还设置有冲击锥4和冲击靴5。其中，冲击锥4的上部伸入冲击器3内与冲击器3通过花键相连，并通过安装在竖直条形孔内的插销锁定，使冲击锥4能相对冲击器3在一定范围内上下移动。所谓“一定范围内”是指插销在竖直条形孔内上下移动的极限位置。冲击锥4与冲击器3的连接方式沿用了传统潜孔锤中锥形钻头与冲击器的连接方式，受冲击器3的结构限定，冲击锥4与冲击器3的连接方式也被唯一限定。

在冲击锥4的上部设置有“L”形的通气孔4a，通气孔4a包括竖直段和水平段，竖直段设置在冲击锥4的轴中心位置处。冲击锥4的中部带有台阶4b，台阶4b的直径小于套管6的内径，从而在套管6内自由活动。最好是，在台阶4b上开有上下贯通并呈圆周均布的消气孔4d。冲击锥4的底部带有锥形头4c。

冲击靴5位于冲击锥4的下方并与套管6螺纹连接，冲击靴5的下端呈锥形并伸到套管6外，在冲击靴5内开有供冲击锥4下部通过的通道，且锥形头4c的锥度角与冲击靴5下端的锥度角相等。锥形头4c的锥度角α最好为92±5°。

当台阶4b压在冲击靴5的顶部时，锥形头4c的锥面正好与冲击靴5下端锥面共面。

钻孔时，将整个潜孔冲击锥下入孔底，启动地面空气压缩机并向钻杆1内送风，此时冲击锥4顶部与冲锤2底部紧密贴合，将冲击器3的内室封闭，冲击器3因内室压力增大而即刻启动，冲锤2以高频率击打冲击锥4顶部。冲击锥4向下直接冲击松散地层，并同时通过台阶4b将冲击力传递给冲击靴5，迫使冲击靴5向下钻进，冲击靴5通过螺纹将力传递给套管6，带动套管6向下跟进。

钻杆1、带冲锤2的冲击器3、冲击锥4和冲击靴5构成潜孔冲击锥的钻具。如需起钻，只需在地面提动钻杆1，即可将孔内钻具全部提出，立即打开套管6与地层的通道，进行定点取芯取样、抽水试验等均可。如需继续钻进，重新将钻具下入套管内，重复上述步骤即可。如遇较大块石，可提出孔内钻具，套管6与地层之间的通道随即打开，下入小一级锤头冲击，将其击碎后，再下入潜孔冲击锥的钻具，继续跟管钻进。

Claims (3)

1.一种潜孔冲击锥，包括钻杆(1)、内置冲锤(2)的冲击器(3)、套管(6)，所述钻杆(1)的下端与冲击器(3)的上端通过螺纹连接，其特征在于：所述套管(6)设置在冲击器(3)外，在套管(6)内还设置有冲击锥(4)和冲击靴(5)，所述冲击锥(4)的上部伸入冲击器(3)内与冲击器(3)通过花键相连，并通过安装在竖直条形孔内的插销锁定，使冲击锥(4)能相对冲击器(3)在一定范围内上下移动；所述冲击锥(4)的上部设置有“L”形的通气孔(4a)，冲击锥(4)的中部带有台阶(4b)，冲击锥(4)的底部带有锥形头(4c)；所述冲击靴(5)位于冲击锥(4)的下方并与套管(6)螺纹连接，冲击靴(5)的下端呈锥形并伸到套管(6)外，在冲击靴(5)内开有供冲击锥(4)下部通过的通道，且锥形头(4c)的锥度角与冲击靴(5)下端的锥度角相等；当所述台阶(4b)压在冲击靴(5)的顶部时，锥形头(4c)的锥面正好与冲击靴(5)下端锥面共面。

2.根据权利要求1所述的潜孔冲击锥，其特征在于：在所述台阶(4b)上开有上下贯通并呈圆周均布的消气孔(4d)。

3.根据权利要求1所述的潜孔冲击锥，其特征在于：所述锥形头(4c)的锥度角α为92±5°。