CN109667565A - 一种裸孔锚固装置及工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种裸孔锚固装置及工艺方法，裸孔锚固装置包括膨胀管、膨胀管下入装置、钻杆、加压接头和增压系统；膨胀管为具有波峰和波谷的波纹管结构，膨胀管上部和/或下部的外管壁波谷内固定弧形橡胶条；膨胀管的下端固定连接带有圆锥形尖端的导向密封尖；膨胀管的上端焊接用于与膨胀管下入装置配合的圆管状膨胀管接头；膨胀管下入装置通过套装连接膨胀管接头安装在膨胀管的上方，膨胀管下入装置的上端通过丝扣连接若干钻杆，位于顶部的钻杆通过加压接头和液压管路连接增压系统。本发明采用液压的方式将膨胀管膨胀至已扩孔的护壁段，同时集连接膨胀管、建立打压通路、通管、切割膨胀管头部和尾部多种功能于一体；极大减少了起下钻次数，缩短了施工周期。

Description

一种裸孔锚固装置及工艺方法

技术领域

本发明涉及地质钻探裸孔锚固技术领域，具体的说是一种裸孔锚固装置及工艺方法。

背景技术

地质岩心钻探孔的终孔段一般为裸孔，随着我国地质钻探深度的不断加深，所遇到的地层越来越复杂，如经常钻遇坍塌、漏失、溶洞等地层，在无法增加套管级数的情况下，采用常规方法，如泥浆护壁，水泥灌注等方法都无法解决，如果不将此复杂事故孔段隔离，钻孔就面临报废的可能。

因此就需要一种此种处理过程膨胀套管作为临时护壁套管与孔壁的锚固稳定性是关键技术之一，决定了临时套管护壁的可靠性。

此外，受现有地质钻探施工场地环境现状中运输不便、电力不足、设备动力不足、空间受限多方面原因影响，不能大型设备施工，给膨胀管加压、增压系统的小型化带来限制。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种裸孔锚固装置及工艺方法，作为一种可靠的临时隔离事故孔段的套管，既可以作为泥浆和原钻具通道，又能承受钻具的震动冲击，采用液压加压的方式达到扩孔目的，使膨胀管与裸孔孔壁紧紧的锚固在一起。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种裸孔锚固装置，包括膨胀管、膨胀管下入装置、钻杆、加压接头和增压系统；

所述膨胀管为截面具有波峰和波谷的波纹管结构，膨胀管上部和/或下部的外管壁波谷内固定弧形橡胶条；所述膨胀管的下端固定连接带有圆锥形尖端的导向密封尖；所述膨胀管的上端焊接用于与膨胀管下入装置配合的圆管状膨胀管接头；

所述膨胀管下入装置通过套装连接膨胀管接头安装在膨胀管的上方，膨胀管下入装置的上端通过丝扣连接若干钻杆，位于顶部的钻杆通过加压接头和液压管路连接增压系统。

上述裸孔锚固装置，其进一步改进在于：所述弧形橡胶条的数量与膨胀管的波谷数量对应，弧形橡胶条经预先冷硫化处理，弧形橡胶条的曲率与波谷的曲率相同或相近，弧形橡胶条的长度大于0.8米，弧形橡胶条的外沿不超过膨胀管波峰处连线。

上述裸孔锚固装置，其进一步改进在于：所述膨胀管为机械冷加工而成的钢制波纹套管，膨胀管的波纹为偶数个，波纹数量为6个、8个或10个。

上述裸孔锚固装置，其进一步改进在于：所述膨胀管上端和下端分别设置收口，两端收口分别连接膨胀管接头和导向密封尖。

上述裸孔锚固装置，其进一步改进在于：所述增压系统包括加压设备、增压缸组、打压管路、增压管路、注液管路、回液管路、单向止回阀和回液池；

所述增压缸组设置若干由有杆腔和无杆腔组成的增压缸，所述加压设备的出水口分为两路，一路通过设有打压开关的打压管路连接到增压缸组的首节增压缸的无杆腔，增压缸组内若干增压缸的无杆腔通过打压管路依次串联连接；加压设备的出水口的另一路通过设有注液开关的注液管路连接到增压缸组的首节增压缸的有杆腔，增压缸组内若干增压缸的有杆腔通过增压管路依次串联连接，增压缸组内末节增压缸的有杆腔通过增压管路连接加压接头；

所述增压缸组的首节增压缸的无杆腔与打压开关之间的打压管路上设有连接到回液池的回液管路，回液管路上设有回液开关，回液池与加压设备之间设置加压液流介质的流通管道。

所述增压缸的有杆腔内的活塞面积与无杆腔内活塞面积之比为1:3或1:4。

上述裸孔锚固装置，其进一步改进在于：所述膨胀管下入装置包括通管器、外管接头、单向阀、中心管接头、外管、中心管、膨胀管接头、防旋销和割刀；所述通管器为中空管状结构，通管器的上端加工用于连接钻杆的外丝扣，通管器的下端通过内丝扣连接中空管状结构的外管接头；所述外管接头的下端通过外丝扣连接外管；所述外管的下端通过外丝扣连接管状的割刀；所述割刀的下端沿圆周方向间隔设置刀片；所述外管下端的内部通过内丝扣连接伸出割刀下端的管状的膨胀管接头，膨胀管接头与外管之间的侧壁沿圆周方向均匀安装防旋销；所述外管接头的内部安装保证液体从通管器向膨胀管接头单向流动的单向阀；所述外管接头内单向阀的下端通过内丝扣连接伸出外管接头下端的中空的中心管接头；所述中心管接头下端通过内丝扣连接中空的中心管；所述中心管的下端伸入膨胀管接头的内腔，中心管的外圆与膨胀管接头的内腔之间安装密封圈。

所述通管器外径等于需护壁孔的孔径；所述通管器的外圆沿圆周方向均布若干列合金或PDC复合片；在均布的每两列合金或PDC复合片之间设有用于减小摩擦力的长沟槽。

利用上述裸孔锚固装置的工艺方法，包括以下步骤：

A.护壁段扩孔：通过岩心情况判断需要护壁地层的起始位置，根据地层情况确定与弧形橡胶条对应的悬挂段的长度，通过护壁段与悬挂段综合确定扩孔起始位置，然后钻杆连接扩孔钻头，将扩孔钻头下入到需要护壁的起始位置，进行扩孔；

B.膨胀管注压：在地面连接导向密封尖、膨胀管、膨胀管下入装置、加压接头、增压系统和加压设备；打开加压设备，通过增压系统向膨胀管内注入液压力，通过增压系统上的压力表观察压力达到设定压力时，停止打压；

C.钻杆注浆：从膨胀管下入装置上将加压接头拆下，将注压后的膨胀管及膨胀管下入装置夹持到孔口并与钻杆连接，依次连接3-5根钻杆后，停止下入；在最上端钻杆上连接加压接头，与增压系统和加压设备连接后，向钻杆内注入加压液流介质；注满后拆下加压接头，继续连接钻杆下入，每3-5根注满加压液流介质，直至下入到设定位置；

D.膨胀管膨胀打压：下入最后一根钻杆后，在钻杆上端安装加压接头，连接增压系统和加压设备，向膨胀管内打压，边打压边观察位于增压系统出水口处的压力表，待压力表的压力稳定在满足膨胀管完全膨胀所需的液压力处时，停止打压；此时，膨胀管波谷处硫化的橡胶已经被挤压到膨胀管与孔壁之间，对膨胀管起到了悬挂作用；

E.膨胀管切头去尾：正转钻杆，膨胀管下入装置依次剪断防旋销、切割膨胀管的头部、膨胀管的底部，切割完毕后，上提钻杆，将膨胀管下入装置和切割掉的膨胀管头部一同提出孔外，完成膨胀管的锚固悬挂。

上述裸孔锚固装置的工艺方法，其进一步改进在于：步骤E中，首先，正转钻杆，防旋销剪断；然后，边转动膨胀管下入装置边下移，割刀接触到膨胀管后对膨胀管的头部进行切割，切割后膨胀管的头部与膨胀管接头一起进入膨胀管下入装置内腔；最后，钻杆边旋转边下放，顺利通过已膨胀的膨胀管到达膨胀管底部，割刀接触到底部外管壁后，对底部进行切割。

上述裸孔锚固装置的工艺方法，其进一步改进在于：步骤A中悬挂段需建立在岩层稳定的地层，长度不能少于1m。

上述裸孔锚固装置的工艺方法，其进一步改进在于：步骤B中的设定压力为2-3MPa。

本发明在采用上述技术方案后，具有如下技术进步的效果：

本发明是应用于小口径地质钻探裸孔应急护壁施工处理的一种手段。主要由专用下入装置、波纹膨胀管、导向密封尖、弧形橡胶条组成。弧形胶条采用冷硫化的方式与膨胀管端部的波谷粘结，专用下入装置采用丝扣方式与膨胀管上端连接，导向密封尖同样采用焊接方式与膨胀波管下端连接。在护壁作业时，采用液压的方式将此套膨胀管膨胀至已扩孔完成的护壁段，同时硫化在膨胀管波谷的弧形橡胶条受压产生的反弹力将膨胀管与裸孔孔壁紧紧的锚固在一起，为膨胀管提供支撑悬挂力，以克服钻杆敲击和上下钻钻杆的挂扯摩擦力。

本发明提供一种可靠的临时隔离事故孔段的套管，此套管需要在原裸孔内下入，膨胀后内孔直径不小于原裸孔尺寸，套管外壁与裸孔壁紧紧锚固在一起，此临时护壁的套管既可以作为泥浆和原钻具通道，又能承受钻具的震动冲击，这样处理后的钻孔就壁免了报废的可能。

本实发明可一次下入膨胀管后进行打压、切头、通管、去尾、提钻的工作，同时集连接膨胀管、建立打压通路、通管、切割膨胀管头部和尾部多种功能于一体；极大减少了起下钻次数，缩短了施工周期，降低了事故处理过程中新事故的发生概率。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为膨胀管的结构示意图；

图3为膨胀管悬挂示意图；

图4为膨胀管膨胀前的截面示意图；

图5为膨胀管膨胀后的截面示意图；

图6为本发明增压原理图；

图7为膨胀管下入装置下入状态的主视图；

图8为图7的A-A向视图；

图9为膨胀管下入装置割管状态的示意图；

图10为割刀的主视图；

图11为图10的B-B向视图；

图12为图10的仰视图；

图13为加压接头与钻杆连接示意图。

图中各标号分别表示为：1、泥浆泵，2、增压缸组，21、无杆腔，22、有杆腔，23、活塞，24、活塞杆，3、打压管路，4、注液管路，5、回液管路，6、打压开关，7、注液开关，8、回液开关，9、单向止回阀，10、加压接头，11、钻杆，12、膨胀管下入装置，13、膨胀管，14、增压管路，15、回液池，16、导向密封尖，17、孔壁，18、弧形橡胶条，31、通管器，32、外管接头，33、单向阀，34、中心管接头，35、外管，36、中心管，37、膨胀管接头，38、防旋销，39、割刀，a、首节增压缸，b、二节增压缸，c、三节增压缸，d、末节增压缸。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明涉及一种裸孔锚固装置及其工艺方法，如图1-图13所示，所述裸孔锚固装置自下而上依次为：导向密封尖16、膨胀管13、膨胀管下入装置12、钻杆11、加压接头10、增压缸组2和作为加压设备的泥浆泵1。导向密封尖16与膨胀管13下端焊接，膨胀管13上端预焊接的膨胀管接头37与膨胀管下入装置12丝扣连接，膨胀管下入装置12上端与最下端钻杆11丝扣连接，钻杆11之间丝扣连接，最上端钻杆11与加压接头10丝扣连接，加压接头10与增压缸组2之间通过液压管路连接，增压系统2与泥浆泵1之间通过液压管路连接。

所述膨胀管13如图2所示，是采用机械冷加工工艺而成形的截面为波纹形状的钢制套管，波纹数量为6个、8个、10个为宜，成形后的波峰最大尺寸应小于要支护孔壁的裸孔直径4-10mm。在膨胀管13的上下两端或其中一端的波谷内通过冷硫化工艺将与波谷曲率相同或相近的弧形橡胶条18硫化到波谷内，硫化后的弧形橡胶条18低于膨胀管13波峰处连线尺寸，以避免下入时与孔壁发生摩擦。弧形橡胶条18的长度需根据悬挂力、锚固孔段上下两侧稳定地层长度确定，一般不低于0.8m，弧形橡胶条18的数量与波谷数量相同，这样可以确保膨胀受力均匀，同时提高锚固稳定性和锚固力。

如图4和图5所示，弧形橡胶条18产生悬挂力的原因：膨胀管13受力后发生变形，由原来的异型管逐渐变为圆管，于此同时，硫化到膨胀管13波谷处的弧形橡胶条18也随着波谷的变形发生变形，随着波谷的凸起，弧形橡胶条逐渐凸起，弧形橡胶条接触孔壁后继续受压，直至膨胀管13膨胀到设计尺寸。受挤压的弧形橡胶条18对膨胀管13起到了悬挂作用。

如图1和图6所示，所述增压系统包括泥浆泵1、增压缸组2、打压管路3、注液管路4、回液管路5、增压管路14、回液池15、打压开关6、注液开关7、回液开关8和单向止回阀9。

本实施例中增压缸组设置4个增压缸，分别为首节增压缸a、二节增压缸b、三节增压缸c、末节增压缸d。各增压缸结构相同，包括有杆腔22和无杆腔21两个腔体，两个腔体通过活塞23隔开，有杆腔22的腔体设置伸出腔体外的活塞杆24。优选活塞杆24为空心结构。所述首节增压缸a、二节增压缸b、三节增压缸c、末节增压缸d的有杆腔21通过增压管路14依次连接，首节增压缸a、二节增压缸b、三节增压缸c、末节增压缸d的无杆腔21通过打压管路3依次连接。

所述泥浆泵1的出水口分为两路，分别与首节增压缸a的有杆腔22和无杆腔21连接，与首节增压缸a的无杆腔21连接的管路称为打压管路3，与首节增压缸a的有杆腔22连接的管路称为注液管路4；分别在打压管路3与注液管路4上安装打压开关6和注液开关7，用于控制两条管路的开闭。在打压管路3的打压开关6与增压缸之间的管路上设置一旁路，称为回液管路5，用于无杆腔21的液体流回流到回液池15，在回液管路5上安装一个回液开关8，用于控制回液管路5的开闭。

所述末节增压缸d的有杆腔22通过增压管路14连接加压接头10，加压接头10通过丝扣连接依次串联的钻杆11，位于下端的钻杆11通过膨胀管下入装置12连接膨胀管13。加压接头10、钻杆11和膨胀管下入装置12设置贯穿轴向的用于流过加压液流介质的中心孔。在增压管路14上安装单向止回阀9，加压液流介质仅可流向膨胀管13的方向，而不能从膨胀管13内流向增压缸组2内。

参见图6可知增压缸组的增压原理。根据压强公式P＝F/S，增压缸无杆腔21与泥浆泵连接为加压压力P1，无杆腔活塞面积S1，无杆腔活塞受力F1。增压缸有杆腔22与膨胀管端的加压接头连接为增压压力P2，有杆腔活塞面积S2，有杆腔活塞受力F2。活塞杆无杆腔作用力F1与有杆腔反作用力F2相等F1＝F2,无杆腔活塞面积S1大于有杆腔活塞面积S2，根据压强公式P＝F/S受力相同情况下面积越小压力越大，有杆腔压力P2大于无杆腔腔压力P1，实现增压缸增压。本实施例中S1：S2＝10:1，因此P1：P2＝1:10，实现10倍压力增压。

所述泥浆泵1的出水口通过注液管路4连接首节增压缸a的有杆腔22，打压管路3与注液管路4通过三通接头与泥浆泵1的出水口连接；打压前，打开注液开关7、闭合打压开关6，向增压缸组2内的各节油缸的有杆腔22内注入液体，注满后，关闭注液开关7和回液开关8，打开打压开关6，向增压缸组2的各节油缸的无杆腔21内打压；活塞杆24全部伸出后，若未完成打压，则关闭打压开关6，打开注液开关7和回液开关8，向增压缸组2的各节油缸的有杆腔22内打压，此时无杆腔21内的液体通过回液管路5流回到回液池；注液完毕后按照前述打压方式继续打压，直至压力达到设定要求。

如图7-图9所示，所述膨胀管下入装置包括通管器31、外管接头32、单向阀33、中心管接头34、外管35、中心管36、膨胀管接头37、防旋销38和割刀39。

所述通管器31的上端加工外丝扣，用于连接钻杆。通管器31的下端加工内丝扣，通过内丝扣连接外管接头32。所述外管接头32的下端通过外丝扣连接外管35。所述外管35的下端通过外丝扣连接管状的割刀39，割刀39的下端沿圆周方向间隔设置刀片。所述外管35下端的内部通过内丝扣连接膨胀管接头37，膨胀管接头37套装在割刀39的内圆并伸出割刀39下端，膨胀管接头37下端与膨胀管13焊接。所述膨胀管接头37与外管35之间的侧壁沿圆周方向均匀安装防旋销38，防止钻杆正转或者反转时导致外管35下端内丝扣与膨胀管接头37发生脱扣。

所述外管接头32的内部安装单向阀33，单向阀33可保证液体的流动方向只能从通管器31流向膨胀管接头37，而不能从膨胀管接头37流向通管器31。所述外管接头32内单向阀33的下端通过内丝扣连接中心管接头34。所述中心管接头34伸出外管接头32下端，中心管接头34下端通过内丝扣连接中心管36。所述中心管36的下端伸入膨胀管接头37的内腔，中心管36的外圆与膨胀管接头37的内腔之间安装密封圈，密封圈可阻止膨胀管的液压力通过中心管36与膨胀管接头37之间的缝隙泄露。

所述通管器31为中空管状结构，通管器31一端为锥形外扣，与钻杆连接，通过钻杆的下放将膨胀管送入指定位置。通管器31的另一端为锥形内扣，与外管接头32连接。所述通管器31外径等于需护壁孔的孔径，其外圆圆周方向均布若干列合金或PDC复合片，以防止下入过程孔壁对通管器31的磨损，在均布的每两列合金之间铣出长沟槽，以减小下入过程的摩擦力。通管器31中心开设自上而下的通孔。通管器31上下两端设置倒角，便于下入和上提。

所述外管接头32中空管状结构，外管接头32上端为锥形外扣，与通管器31下端的锥形内扣连接。外管接头32的下端外圆为直外扣，与外管35连接。外管接头32的下端内圆为直内扣，与中心管接头34连接。外管接头32的中心孔成阶梯型，直内扣处直径最大，中径处放置单向阀33，最小径为液体流通孔；单向阀33放置到位后，中心管接头34与外管接头32下端直内扣连接，拧到底后顶住单向阀33，防止单向阀33移动。

所述中心管接头34上端通过外丝扣与外管接头32下端连接，中心管接头34下端通过内丝扣与中心管36连接。中心管接头34中心为通孔，为液体流通孔。

所述外管35为管状结构，上端通过内丝扣与外管接头32连接。外管35的下端通过外丝扣与割刀39连接，通过内丝扣与膨胀管接头37连接，内丝扣上下无台肩限位。外管35与膨胀管接头37重合之处，连接丝扣的下方圆周方向均匀配钻四个孔，孔内打入防旋销38。转动钻杆可带动外管35向下旋转，剪断防旋销38，之后外管35随钻杆的转动旋转，与膨胀管接头37的丝扣脱开，继续向下旋转，即可使用割刀39进行切头切尾工作。

所述中心管36为两端直径较大，中段直径较小的管状结构。中心管36的上端通过外丝扣与中心管接头34下端连接，中心管36的下端插入膨胀管接头37内部，可在膨胀管接头37内部滑动。中心管36的下端外圆面开设密封沟槽，内置密封圈，密封圈用于防止膨胀管内的液压力通过中心管36与其接触面之间的缝隙泄压。中心管36内部开设通孔，用于液体流通孔。

所述膨胀管接头37为管状结构，上端通过外丝扣与外管35连接，外丝扣下方为与外管35配钻的安装防旋销的销孔，销孔不钻透，以防止泄压，膨胀管接头37下端插入膨胀管内，通过焊接连接。膨胀管接头37中心设有通孔，中心管36下端在其内部滑动。

如图10-图12所示，割刀39为管状结构，上端与外管35通过内丝扣连接，下端为在圆周方向间隔一定间隙均匀布置的金刚石刀片，金刚石刀片镶嵌入割刀39刀筒内通过焊接固定。

如图8所示，下入状态时膨胀管接头37的底部在割刀的下方。而割管状态下，如图9所示，钻杆带动通管器31、外管接头32、单向阀33、中心管接头34、外管35、中心管36和割刀39向下移动，此时防旋销38已被剪断，而膨胀管接头37固定不动，割刀39可移动到膨胀管接头37的下方，此时割刀39已经碰触到膨胀管，加压旋转即可切割头部。

利用上述裸孔锚固装置的工艺方法，包括以下步骤：

A.护壁段扩孔：通过岩心情况判断需要护壁地层的起始位置，根据地层情况确定与弧形橡胶条对应的悬挂段的长度，悬挂段需建立在岩层稳定的地层，长度不能少于1m。通过护壁段与悬挂段综合确定扩孔起始位置，然后钻杆连接扩孔钻头，将扩孔钻头下入到需要护壁的起始位置，进行扩孔。

B.膨胀管注压：在地面依次连接导向密封尖、膨胀管、膨胀管下入装置、加压接头、增压缸组和泥浆泵。其中，导向密封尖16与膨胀管13下端焊接，膨胀管13上部焊接的膨胀管接头37通过丝扣连接在膨胀管下入装置12上，加压接头10通过增压管路14与增压缸组2的末节增压缸d的有杆腔连接，首节增压缸a的有杆腔再通过打压管路3与泥浆泵1出水口连接，首节增压缸a的有杆腔再通过注液管路4与泥浆泵1出水口连接，并连接好回液管路到回液池。打开泥浆泵，通过增压缸组向膨胀管内注入液压力，通过泥浆泵出口上的压力表观察压力达到2-3MPa压力时，停止打压。

C.钻杆注浆：从膨胀管下入装置上将加压接头拆下，将注压后的膨胀管及膨胀管下入装置夹持到孔口200-500mm高时停止送入，利用孔口装置将膨胀管13固定，防止膨胀管13滑入孔内。膨胀管下入装置通过丝扣与钻杆连接，依次连接3-5根钻杆后，停止下入；在最上端钻杆上连接加压接头，与增压缸组和泥浆泵连接后，向钻杆内注入加压液流介质；注满后拆下加压接头，继续连接钻杆下入，每3-5根注满加压液流介质，直至下入到设定位置。

D.膨胀管膨胀打压：下入最后一根钻杆后，在钻杆上端安装加压接头，连接增压缸组和泥浆泵，向膨胀管内打压。泥浆泵1内加压液流介质可以选择水或泥浆，泥浆泵1的出水口加压液流通过打压管路3送入增压缸组2的无杆腔，加压液流推动活塞杆运动。增压缸组2的有杆腔加压液流通过打压管路3、增压管路4、单向止回阀9、加压接头10、钻杆11和膨胀管下入装置12进入膨胀管13。随着膨胀管13的膨胀扩大，加压液流不断从增压缸组2的有杆腔进入膨胀管13内。边打压边观察位于增压系统出水口处的压力表，随着泥浆泵1加压压力的增加，同时增压缸组2的无杆腔压力增加，相应增压缸组2的有杆腔压力增加。当压力达到膨胀管13完全膨胀时保持加压压力不变，同时增压缸组2有杆腔增压腔压力也保持不变，完成膨胀管加压、增压系统膨胀过程。此时，膨胀管波谷处硫化的橡胶已经被挤压到膨胀管与孔壁之间，对膨胀管起到了悬挂作用；

E.膨胀管切头去尾：膨胀管膨胀到位悬挂后，旋转钻杆下行，钻杆带动下入装置的通管器、外管接头、外管旋转，增大旋转扭矩剪断防旋销。继续旋转下行，外管下端与膨胀管接头的丝扣脱离，膨胀管接头固定不动，钻杆边旋转边下压，继而带动通管器、外管接头、外管、割刀、单向阀、中心管接头、中心管一起边旋转边下行，直至割刀接触膨胀管后，增大钻压将膨胀管头部切除。切除头部后继续向下旋转钻进，此时膨胀管内部已膨胀，若下行过程通管器无任何阻碍，则证明膨胀管内部通径已满足要求，无需再进行后期规圆。割刀无法继续下行时，证明已接触到膨胀管尾部，此时增大钻压，将波纹管尾部切除，尾部切除后，上提钻杆将下入装置提出，切掉的膨胀管头部一同被提出孔外，完成膨胀管的锚固悬挂。

Claims (10)

1.一种裸孔锚固装置，其特征在于：包括膨胀管(13)、膨胀管下入装置(12)、钻杆(11)、加压接头(10)和增压系统；

所述膨胀管(13)为截面具有波峰和波谷的波纹管结构，膨胀管(13)上部和/或下部的外管壁波谷内固定弧形橡胶条(18)；所述膨胀管(13)的下端固定连接带有圆锥形尖端的导向密封尖(16)；所述膨胀管(13)的上端焊接用于与膨胀管下入装置(12)配合的圆管状膨胀管接头(37)；

所述膨胀管下入装置(12)通过套装连接膨胀管接头安装在膨胀管(13)的上方，膨胀管下入装置(2)的上端通过丝扣连接若干钻杆(11)，位于顶部的钻杆(11)通过加压接头(10)和液压管路连接增压系统。

2.根据权利要求1所述的一种裸孔锚固装置，其特征在于：所述弧形橡胶条(18)的数量与膨胀管的波谷数量对应，弧形橡胶条(18)经预先冷硫化处理，弧形橡胶条(18)的曲率与波谷的曲率相同或相近，弧形橡胶条(18)的长度大于0.8米，弧形橡胶条(18)的外沿不超过膨胀管波峰处连线。

3.根据权利要求1所述的一种裸孔锚固装置，其特征在于：所述膨胀管(13)为机械冷加工而成的钢制波纹套管，膨胀管(13)的波纹为偶数个，波纹数量为6个、8个或10个。

4.根据权利要求1所述的一种裸孔锚固装置，其特征在于：所述膨胀管(13)上端和下端分别设置收口，两端的收口分别连接膨胀管接头(37)和导向密封尖(16)。

5.根据权利要求1所述的一种裸孔锚固装置，其特征在于：所述增压系统包括加压设备、增压缸组(2)、打压管路(3)、增压管路(14)、注液管路(4)、回液管路(5)、单向止回阀(9)和回液池(15)；

所述增压缸组(2)设置若干由有杆腔(22)和无杆腔(21)组成的增压缸，所述加压设备的出水口分为两路，一路通过设有打压开关(6)的打压管路(3)连接到增压缸组(2)的首节增压缸的无杆腔(21)，增压缸组(2)内若干增压缸的无杆腔(21)通过打压管路(3)依次串联连接；加压设备的出水口的另一路通过设有注液开关(7)的注液管路(4)连接到增压缸组(2)的首节增压缸的有杆腔(22)，增压缸组(2)内若干增压缸的有杆腔(22)通过增压管路(14)依次串联连接，增压缸组(2)内末节增压缸的有杆腔(22)通过增压管路(14)连接加压接头(10)；

所述增压缸组(2)的首节增压缸的无杆腔(21)与打压开关(6)之间的打压管路(3)上设有连接到回液池(15)的回液管路(5)，回液管路(5)上设有回液开关(8)，回液池与加压设备之间设置加压液流介质的流通管道；所述增压缸的有杆腔内的活塞面积与无杆腔内活塞面积之比为1:3或1:4。

6.根据权利要求1所述的一种裸孔锚固装置，其特征在于：所述膨胀管下入装置(12)包括通管器(31)、外管接头(32)、单向阀(33)、中心管接头(34)、外管(35)、中心管(36)、膨胀管接头(37)、防旋销(38)和割刀(39)；所述通管器(31)为中空管状结构，通管器(31)的上端加工用于连接钻杆的外丝扣，通管器(31)的下端通过内丝扣连接中空管状结构的外管接头(32)；所述外管接头(32)的下端通过外丝扣连接外管(35)；所述外管(35)的下端通过外丝扣连接管状的割刀(39)；所述割刀(39)的下端沿圆周方向间隔设置刀片；所述外管(35)下端的内部通过内丝扣连接伸出割刀(39)下端的管状的膨胀管接头(37)，膨胀管接头(37)与外管(35)之间的侧壁沿圆周方向均匀安装防旋销(38)；所述外管接头(32)的内部安装保证液体从通管器(31)向膨胀管接头(37)单向流动的单向阀(33)；所述外管接头(32)内单向阀的下端通过内丝扣连接伸出外管接头下端的中空的中心管接头(34)；所述中心管接头(34)下端通过内丝扣连接中空的中心管(36)；所述中心管(36)的下端伸入膨胀管接头(37)的内腔，中心管(36)的外圆与膨胀管接头(37)的内腔之间安装密封圈；所述通管器(1)外径等于需护壁孔的孔径；所述通管器(1)的外圆沿圆周方向均布若干列合金或PDC复合片；在均布的每两列合金或PDC复合片之间设有用于减小摩擦力的长沟槽。

7.利用权利要求1-6所述的一种裸孔锚固装置的工艺方法，其特征在于包括以下步骤：

A.护壁段扩孔：通过岩心情况判断需要护壁地层的起始位置，根据地层情况确定与弧形橡胶条对应的悬挂段的长度，通过护壁段与悬挂段综合确定扩孔起始位置，然后钻杆连接扩孔钻头，将扩孔钻头下入到需要护壁的起始位置，进行扩孔；

B.膨胀管注压：在地面连接导向密封尖、膨胀管、膨胀管下入装置、加压接头、增压系统和加压设备；打开加压设备，通过增压系统向膨胀管内注入液压力，通过增压系统上的压力表观察压力达到设定压力时，停止打压；

C.钻杆注浆：从膨胀管下入装置上将加压接头拆下，将注压后的膨胀管及膨胀管下入装置夹持到孔口并与钻杆连接，依次连接3-5根钻杆后，停止下入；在最上端钻杆上连接加压接头，与增压系统和加压设备连接后，向钻杆内注入加压液流介质；注满后拆下加压接头，继续连接钻杆下入，每3-5根注满加压液流介质，直至下入到设定位置；

D.膨胀管膨胀打压：下入最后一根钻杆后，在钻杆上端安装加压接头，连接增压系统和加压设备，向膨胀管内打压，边打压边观察位于增压系统出水口处的压力表，待压力表的压力稳定在满足膨胀管完全膨胀所需的液压力处时，停止打压；此时，膨胀管波谷处硫化的橡胶已经被挤压到膨胀管与孔壁之间，对膨胀管起到了悬挂作用；

E.膨胀管切头去尾：正转钻杆，膨胀管下入装置依次剪断防旋销、切割膨胀管的头部、膨胀管的底部，切割完毕后，上提钻杆，将膨胀管下入装置和切割掉的膨胀管头部一同提出孔外，完成膨胀管的锚固悬挂。

8.根据权利要求7所述的一种裸孔锚固装置的工艺方法，其特征在于：步骤E中，首先，正转钻杆，防旋销剪断；然后，边转动膨胀管下入装置边下移，割刀接触到膨胀管后对膨胀管的头部进行切割，切割后膨胀管的头部与膨胀管接头一起进入膨胀管下入装置内腔；最后，钻杆边旋转边下放，顺利通过已膨胀的膨胀管到达膨胀管底部，割刀接触到底部外管壁后，对底部进行切割。

9.根据权利要求7所述的一种裸孔锚固装置的工艺方法，其特征在于：步骤A中悬挂段需建立在岩层稳定的地层，长度不能少于1m。

10.根据权利要求7所述的一种裸孔锚固装置的工艺方法，其特征在于：步骤B中的设定压力为2-3MPa。