CN107120086A - 一种防冲孔堵塞装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防冲孔的堵塞装置，橡胶圈固定在上承压板和下承压板之间，上承压板、下承压板通过环氧树脂胶粘在橡胶圈上，橡胶圈通过中间圆孔与连接杆的过盈配合固定在连接杆上，导向杆通过固定螺母与连接杆相连，垫板穿过导向杆放置在钻孔的孔口。限位件为三片式结构，通过橡皮箍将限位件连接为整体，限位件四周为方向朝上的齿状结构。限位件撑开前，其上端中心为标准圆孔，直径略大于导向杆外径，限位件内部空腔锥角与锥形栓塞锥角相同。限位件撑开后与钻孔孔壁接触时，其外径与钻孔直径相等。结构简单，使用方便，通过钻孔内的压力使橡胶圈产生的变形对钻孔进行封堵，又通过钻孔内介质的高压使限位件张开形成闭锁，防止出现冲孔的事故。
Description
技术领域
本发明属于岩体钻孔高压测试和岩体高压致裂领域，更具体涉及一种防冲孔堵塞装置，它适用于防止岩体钻孔中高压气体或液体泄漏及高压产生的冲孔现象。
背景技术
为研究岩体的渗透性，通常需要在岩体钻孔内进行高压试验，为保证试验结果的可靠性，必须采取有效的封堵措施，防止高压介质溢出；另外，岩体的CO2致裂工程中，液态CO2经过瞬间加热变成高压CO2气体对岩石膨胀做功，使岩石剥离母体，为减少CO2的压力损失以及防止高压造成的反冲力对附近人员安全和设备造成破坏影响，必须对钻孔进行堵塞。
目前岩体高压试验钻孔的封堵一般采用橡胶膜，通过对橡胶膜充气或水使其膨胀挤压孔壁对钻孔进行封堵，防止介质溢出，但该方法有无法克服的缺陷，即如果钻孔光滑，试验段的压力过大会造成封隔橡胶膜移动；CO2致裂时通常采用粗砂填埋钻孔，由于砂砾并不能完全防止气体溢出，致裂过程中必然造成压力损失，导致致裂效果打折扣，更为严重的是，瞬间气化的CO2从致裂管溢出会对致裂管作用一向孔口的推力，如果砂砾的堵塞长度及密实度不够，强大的推力将可能使致裂管冲出钻孔，造成附近人员伤亡和财产损失。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种防冲孔的堵塞装置，结构简单，使用方便，该装置既可以利用钻孔内的压力使封堵装置产生变形对钻孔进行封堵，又可以通过钻孔内介质的高压使防冲击装置形成闭锁，防止出现冲孔的事故。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：
一种防冲孔的堵塞装置，包括预紧模块、堵塞模块和防冲击模块。其特征在于：所述预紧模块由预紧螺母、垫板、传力套筒、导向杆及固定螺母组成，导向杆通过固定螺母与连接杆相连，垫板穿过导向杆放置在钻孔的孔口。所述的堵塞模块包括橡胶圈、上承压板、下承压板，橡胶圈固定在上承压板和下承压板之间，上承压板、下承压板通过环氧树脂胶粘在橡胶圈上，上承压板、下承压板和橡胶圈具有同心圆孔，封堵模块通过橡胶圈中间圆孔与连接杆的过盈配合固定在连接杆上。所述的防冲击模块包括锥形栓塞、第一限位件，锥形栓塞为圆锥台形结构，其上部直径小于下部直径，锥形栓塞的中心为直径大于导向杆直径的圆孔，可以保证锥形栓塞顺利穿过导向杆。第一限位件为三片式结构，通过第一橡皮箍、第二橡皮箍将第一限位件连接为整体，第一限位件四周为方向朝上的齿状结构。第一限位件撑开前，其上端中心为标准圆孔，直径略大于导向杆外径，第一限位件内部空腔锥角与锥形栓塞锥角相同。第一限位件撑开后与钻孔孔壁接触时，其外径与钻孔直径相等。
一种防冲孔的堵塞装置，包括预紧模块、堵塞模块和防冲击模块，其各部分的连接关系为：导向杆通过固定螺母与连接杆相连；橡胶圈固定在上承压板和下承压板之间，上承压板和下承压板通过环氧树脂分别胶粘在橡胶圈顶面和底面上，下承压板、橡胶圈和上承压板依次穿过导向杆，下承压板与固定螺母接触；锥形栓塞由底面中心圆孔穿过导向杆，锥形栓塞底面与上承压板接触；第一限位件依次通过锥形空腔和中心圆孔穿过导向杆，第一限位件的空腔圆锥面与锥形栓塞圆锥面自由接触；传力套筒穿过导向杆，与第一限位件顶面接触；垫板穿过导向杆放置在钻孔孔口，垫板的底部与传力套筒接触；预紧螺母通过导向杆上端的螺纹连接并与垫板接触。
通过以上技术手段，本装置即可具备堵塞功能和防冲孔功能：首先通过预紧模块进行预紧，即旋转预紧螺母，通过传力套筒的压力和导向杆的拉力作用，锥形栓塞在上承压板压力作用下向上移动并挤压第一限位件，由于传力套筒对第一限位件的阻挡，在锥面上水平压力作用下，第一限位件向四周张开，与钻孔孔壁接触。随着挤压力的增加，第一限位件与孔壁间的静摩擦力也在增加，静摩擦力将阻止整个系统与孔壁间沿钻孔方向做相对运动；同时，在上承压板和下承压板的挤压作用下，橡胶圈产生横向变形并与钻孔孔壁接触使孔内和孔外隔绝。当钻孔内出现高压介质时，高压介质首先对下承压板作用压力，推动锥形栓塞向上运动。由于经过预紧，第一限位件和钻孔孔壁间存在静摩擦力，阻止第一限位件向上移动。当孔内介质压力继续升高时，锥形栓塞和第一限位件的锥面接触压力水平分量推动第一限位件继续向四周张开，第一限位件与钻孔孔壁接触更加紧密，强大的摩擦力限制第一限位件做向上运动，从而阻止整个系统的运动，实现防冲孔功能。与此同时，高压介质对下承压板的压力，使橡胶圈继续产生横向变形，橡胶圈与钻孔孔壁紧密接触，阻止高压介质的溢出，实现堵塞功能。
优选地，锥形栓塞与限位件空腔锥角相等。
优选地，限位件和锥形栓塞间涂抹润滑油。
优选地，限位件四周为方向朝上的齿状结构。
优选地，橡胶圈采用弹性好的天然橡胶。
优选地，防冲孔堵塞装置工作前通过螺母预紧。
优选地，限位件撑开与孔壁接触时，限位件外径与孔径相等。
优选地，锥形栓塞底盘直径大于限位件撑开后的空腔底面直径，保证上承压板在受到冲击力后与限位件不接触。
优选地，导向杆和连接杆为空心杆状结构，以便于试验或工程作业管线进入钻孔。
通过以上技术措施，解决了岩体钻孔内高压试验存在的封堵不稳定导致压力下降问题。对于孔壁光滑的钻孔，橡胶圈密封可靠，且由于限位件的存在，橡胶圈不会发生移动，保证了压力恒定。图3为CO2致裂工程中，采用现有的砂石封堵技术和本发明的防冲孔封堵技术孔内压力与时间的关系，可以看出，现有的砂石封堵法由于泄漏的原因孔内压力峰值明显低于防冲孔堵塞法孔内的压力峰值，且当压力达到一定的量级时，现有的技术将会出现冲孔现象，而采用本发明堵塞技术压力在峰值后稳定性好。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
其一，本发明具有自密封功能，在孔内介质压力作用下橡胶圈压缩变形可以对钻孔密封，防止介质溢出钻孔；
其二，本发明具有压力自锁功能，限位件在孔内介质高压作用下张开，与孔壁共同作用防止孔内介质和结构物向孔外移动，孔内压力越高，限位件的反作用力越大；
其三，本发明具有解锁方便特点，当不需要封堵时，卸除压力后，只需要将预紧螺母卸下，向下敲击导向杆，锥形栓塞与限位件脱离，限位件复位，即可解锁。
本发明设计合理，结构简单，使用方便，适用于钻孔高压试验及岩体致裂工程。
附图说明
图1为一种防冲孔的堵塞装置结构示意图。
图2为一种防冲孔的堵塞装置限位件撑开前后示意图。
图3为不同封堵形式的孔内压力与时间关系图。
其中：1－孔壁岩体、2－钻孔、3－导向杆、4－第一限位件(限位件)、5－第一橡皮圈(上)、6－第二橡皮圈(下)、7－锥形栓塞、8－橡胶圈、9－上承压板、10－下承压板、11－连接杆、12－固定螺母、13－垫板、14－预紧螺母、15－传力套筒、16－第二限位件(限位件撑开前)、17－第三限位件(限位件撑开后)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应该理解为对本发明的限制。
实施例1：CO2致裂工程
根据图1可知，一种防冲孔堵塞装置，包括预紧模块、堵塞模块和防冲击模块。其特征在于：预紧模块由预紧螺母14、垫板13、传力套筒15、导向杆3及固定螺母12组成，导向杆3通过固定螺母12与连接杆11相连，垫板13穿过导向杆3放置在钻孔2的孔口。堵塞模块包括橡胶圈8、上承压板9、下承压板10，橡胶圈8固定在上承压板9和下承压板10之间，上承压板9、下承压板10通过环氧树脂胶粘在橡胶圈8上，封堵模块通过橡胶圈8中间圆孔与导向杆3的过盈配合固定在导向杆3上。防冲击模块包括锥形栓塞7、第一限位件4，锥形栓塞7为圆锥台形结构，其上部直径小于下部直径，锥形栓塞7的中心为直径大于导向杆3外径的圆孔，可以保证锥形栓塞7顺利穿过导向杆3。第一限位件4为三片式结构，通过第一橡皮箍5、第二橡皮箍6将第一限位件4连接为整体，第一限位件4四周为方向朝上的齿状结构。第一限位件4撑开前，其上端中心为标准圆孔，直径略大于导向杆3外径，第一限位件4内部空腔锥角与锥形栓塞7锥角相同。第一限位件4撑开后与钻孔2孔壁接触时，第一限位件4外径与钻孔2直径相等。
所述的上承压板9和下承压板10通过环氧树脂分别胶粘在橡胶圈8顶面和底面上，下承压板10、橡胶圈8和上承压板9依次穿过导向杆3，下承压板10与固定螺母12接触。
所述的锥形栓塞7由底面中心圆孔穿过导向杆3，锥形栓塞7底面与上承压板9接触。
所述的第一限位件4依次通过锥形空腔和中心圆孔穿过导向杆3，第一限位件4的空腔圆锥面与锥形栓塞7圆锥面自由接触，传力套筒15穿过导向杆3，传力套筒15与第一限位件4顶面接触。
所述的垫板13的底部与传力套筒15接触，预紧螺母14通过导向杆3上端的螺纹连接并与垫板13接触，连接杆11与CO2致裂管相连。
应用时，首先通过地质钻机在岩体1施工钻孔2。钻孔2及CO2致裂设备准备好后，安装防冲孔堵塞装置，其各部分的安装顺序及连接关系为：第一步，连接杆11与CO2致裂管相连，控制线缆穿过连接杆11和导向杆3，导向杆3通过固定螺母12与连接杆11相连；第二步，橡胶圈8固定在上承压板9和下承压板10之间，上承压板9和下承压板10通过环氧树脂胶分别粘在橡胶圈顶面和底面上，下承压板10、橡胶圈8和上承压板9依次穿过导向杆3，下承压板10与固定螺母12接触；第三步，锥形栓塞7由底面中心圆孔穿过导向杆3，锥形栓塞7底面与上承压板9接触；第四步，将以上连接好的部件放入钻孔2；第五步，第一限位件4依次通过锥形空腔和中心圆孔穿过导向杆3，第一限位件4的空腔与锥形栓塞7圆锥面自由接触；第六步，传力套筒15穿过导向杆3，传力套15与第一限位件4顶面接触；第七步，垫板13穿过导向杆3放置在钻孔2孔口，垫板13的底部与传力套筒15接触；第八步，预紧螺母14通过导向杆3上端的螺纹连接并与垫板13接触。
本发明工作时，首先通过预紧模块进行预紧，即旋转预紧螺母14，通过传力套筒15的压力和导向杆3的拉力作用，锥形栓塞7在上承压板9压力作用下向上移动并挤压第二限位件16，由于传力套筒15对第二限位件16的阻挡，在锥面上水平压力作用下，第二限位件16向四周张开，与钻孔2孔壁接触，见图2。随着挤压力的增加，第三限位件17与钻孔2孔壁间的摩擦力也在增加，摩擦力将阻止整个系统与孔壁间沿钻孔2方向做相对运动；同时，在上承压板9和下承压板10的挤压作用下，橡胶圈8产生横向变形并与钻孔2孔壁接触使孔内和孔外隔绝。当致裂管中CO2由液态变为气态并剪断安全片溢出致裂管时，钻孔2内充满高压CO2气体，高压CO2气体首先对下承压板10作用压力，推动整个装置向上运动。由于经过预紧，第三限位件17和钻孔2孔壁间存在摩擦力，阻止第三限位件17向上移动。当孔内CO2气体压力继续升高时，锥形栓塞7和第三限位件17的锥面接触压力水平分量推动第三限位件17继续向四周张开，第三限位件17与钻孔2孔壁接触更加紧密，强大的摩擦力限制第三限位件17做向上运动，从而阻止整个系统的运动，实现防冲孔功能。与此同时，CO2气体对下承压板10的压力，使橡胶圈8继续产生横向变形，橡胶圈8与钻孔2孔壁紧密接触，阻止高压介质的溢出，实现堵塞功能。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种防冲孔堵塞装置，包括预紧模块、堵塞模块和防冲击模块，其特征在于：所述的预紧模块由预紧螺母（14）、垫板（13）、传力套筒（15）、导向杆（3）及固定螺母（12）组成，导向杆（3）通过固定螺母（12）与连接杆（11）相连，垫板（13）穿过导向杆（3）放置在钻孔（2）的孔口；所述的堵塞模块包括橡胶圈（8）、上承压板（9）、下承压板（10），橡胶圈（8）固定在上承压板（9）和下承压板（10）之间，上承压板（9）、下承压板（10）通过环氧树脂胶粘在橡胶圈（8）上，封堵模块通过橡胶圈（8）的中间圆孔与导向杆（3）的过盈配合固定在导向杆（3）上；防冲击模块包括锥形栓塞（7）、第一限位件（4），锥形栓塞（7）为圆锥台形结构，其上部直径小于下部直径，锥形栓塞（7）的中心为直径大于导向杆（3）外径的圆孔，第一限位件（4）为三片式结构，通过第一橡皮箍（5）、第二橡皮箍（6）将第一限位件（4）连接为整体，第一限位件（4）四周为方向朝上的齿状结构，第一限位件（4）撑开前，其上端中心为圆孔，直径大于导向杆（3）外径，第一限位件（4）内部空腔锥角与锥形栓塞（7）锥角相同，第一限位件（4）撑开后与钻孔（2）孔壁接触，其外径与钻孔直径相等。
2.根据权利要求1所述的一种防冲孔堵塞装置，其特征在于：所述的上承压板（9）和下承压板（10）通过环氧树脂分别胶粘在橡胶圈（8）顶面和底面上，下承压板（10）、橡胶圈（8）和上承压板（9）依次穿过导向杆（3），下承压板（10）与固定螺母（12）接触。
3.根据权利要求1所述的一种防冲孔堵塞装置，其特征在于：所述的锥形栓塞（7）由底面中心圆孔穿过导向杆（3），锥形栓塞（7）底面与上承压板（9）接触。
4.根据权利要求1所述的一种防冲孔堵塞装置，其特征在于：所述的第一限位件（4）依次通过锥形空腔和中心圆孔穿过导向杆（3），第一限位件（4）的空腔圆锥面与锥形栓塞（7）圆锥面自由接触，传力套筒（15）穿过导向杆（3），传力套筒（15）与第一限位件（4）顶面接触。
5.根据权利要求1所述的一种防冲孔堵塞装置，其特征在于：所述的垫板（13）的底部与传力套筒（15）接触，预紧螺母（14）通过导向杆（3）上端的螺纹连接并与垫板（13）接触，连接杆（11）与CO2致裂管相连。
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