CN109779543A - 一种膨胀管加压增压系统 - Google Patents

Abstract

一种膨胀管加压增压系统，包括加压设备、增压缸组和回液池；增压缸组设置若干由有杆腔和无杆腔组成的增压缸；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首节增压缸的无杆腔，若干增压缸的无杆腔通过打压管路依次连接；另一路通过设有注液开关的注液管路连接到首节增压缸的有杆腔，若干增压缸的有杆腔通过增压管路依次连接；末节增压缸的有杆腔通过增压管路依次经加压接头、若干钻杆和膨胀管下入装置连接膨胀管；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。本发明利用泥浆泵通过对增压系统加压实现膨胀管膨胀施工，结构简单，增压稳定效果明显，模块化组装方便快捷。

Description

一种膨胀管加压增压系统

技术领域

本发明涉及地质钻探增压系统技术领域，具体的说是一种膨胀管加压增 压系统。

背景技术

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 遇到溶洞、坍塌掉块、断裂带等复杂地层，常规方法无法解决，需要采用膨 胀管施工。膨胀管施工主要将缩小的膨胀管送入孔内，再通过液体加压使膨 胀管膨胀扩大至原钻孔直径，膨胀管与孔壁悬挂，从而达到护壁效果。然而， 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，所以膨胀管加压、增压系统 必须小巧轻便。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种膨胀管加压增压系统，利用现场 设备对膨胀管加压、增压，完成膨胀管的膨胀过程。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种膨胀管加压增压系统，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、加压接头、钻杆、膨胀管下入装 置、回液池和膨胀管；

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 路依次经加压接头、若干钻杆和膨胀管下入装置连接膨胀管；

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。

上述膨胀管加压增压系统，其进一步改进在于：所述增压缸组的末节增 压缸的有杆腔与加压接头之间的增压管路上设有只允许加压液流介质向加压 接头方向流动的单向止回阀。

上述膨胀管加压增压系统，其进一步改进在于：所述加压设备为泥浆泵。

上述膨胀管加压增压系统，其进一步改进在于：所述增压缸的有杆腔内 的活塞杆为空心结构。

上述膨胀管加压增压系统，其进一步改进在于：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1:4-1:10。

上述膨胀管加压增压系统，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。

上述膨胀管加压增压系统，其进一步改进在于：所述通管器的上端加工 用于配合连接钻杆的锥形外扣；所述通管器的下端加工用于连接外管接头的 锥形内扣，外管接头上端加工与通管器的锥形内扣配合的锥形外扣。

上述膨胀管加压增压系统，其进一步改进在于：所述通管器外径等于需 护壁孔的孔径。

上述膨胀管加压增压系统，其进一步改进在于：所述中心管为两端直径 大、中段直径小的管状结构，中心管的上部大端通过直外扣与中心管接头的 下端连接，中心管的下部大端插入膨胀管接头内部，中心管的下部大端的外 圆面开设密封沟槽，密封圈安装在密封沟槽内。

上述膨胀管加压增压系统，其进一步改进在于：所述外管接头内部为上 小下大的两级阶梯通孔，两级阶梯通孔的中径处安装单向阀，阶梯通孔的大 径通过直内扣连接中心管接头，中心管接头的上端抵住并限位单向阀。

本发明在采用上述技术方案后，具有如下技术进步的效果：

本发明的膨胀管加压增压系统适用于膨胀管膨胀施工，施工现场泥浆泵 压力不能满足膨胀管膨胀需求，设置多级并联的增压缸形成增压系统，通过 增压缸无杆腔与有杆腔压力差，无杆腔加压有杆腔增压完成膨胀管膨胀所需 压力。本发明利用泥浆泵通过对增压系统加压实现膨胀管膨胀施工，具有结 构简单、增压稳定效果明显、模块化组装方便快捷、增压缸活塞空心设计重 量轻便的优点。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明增压原理图；

图3为膨胀管下入装置下入状态的主视图；

图4为图3的A-A向视图；

图5为膨胀管下入装置割管状态的示意图；

图6为割刀的主视图；

图7为图6的B-B向视图；

图8为图6的仰视图。

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，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：

本发明涉及一种膨胀管加压增压系统，如图1-图2所示，包括施工现场 作为加压设备的泥浆泵1、加压接头10、钻杆11、膨胀管下入装置12和膨 胀管13，还包括增压缸组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。实际应用中增压缸的数量不限于4个， 根据具体情况可增减。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通过丝扣连接三根依次串联的钻杆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。实际应用中钻杆数量根据护壁深度而定。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2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3-图5所示，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6-图8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4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5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。

本发明的使用过程为：钻机使用专用吊装工具将膨胀管13送入钻孔内， 膨胀管上端距离钻孔口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。将膨胀管13上部预焊接的膨胀管接头37 通过丝扣连接在膨胀管下入装置12上，将钻杆11通过丝扣连接膨胀管下入 装置12上部，利用钻机将连接好的膨胀管13、膨胀管下入装置12、钻杆11 送入钻孔内；根据护壁位置要求依次连接多个钻杆11，直到膨胀管达到护壁 深度时停止连接钻杆11。将加压接头10螺纹连接最上端的钻杆11，完成膨 胀管13的送入。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。增 压缸组可以根据需水量增加增压缸水量。

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；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。

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， 尾部切除后将下入装置提出，切掉的膨胀管头部一同被提出孔外。

Claims (10)

1.一种膨胀管加压增压系统，其特征在于：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)、加压接头(10)、钻杆(11)、膨胀管下入装置(12)、回液池(15)和膨胀管(13)；

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)依次经加压接头(10)、若干钻杆(11)和膨胀管下入装置(12)连接膨胀管(13)；

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。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀管加压增压系统，其特征在于：所述增压缸组(2)的末节增压缸的有杆腔(22)与加压接头(10)之间的增压管路(14)上设有只允许加压液流介质向加压接头(10)方向流动的单向止回阀(9)。

3.根据权利要求1所述的一种膨胀管加压增压系统，其特征在于：所述加压设备为泥浆泵(1)。

4.根据权利要求1所述的一种膨胀管加压增压系统，其特征在于：所述增压缸的有杆腔(22)内的活塞杆(24)为空心结构。

5.根据权利要求1所述的一种膨胀管加压增压系统，其特征在于：所述增压缸的有杆腔(22)内的活塞面积与无杆腔(21)内活塞面积之比为1:4-1:10。

6.根据权利要求1所述的一种膨胀管加压增压系统，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。

7.根据权利要求6所述的一种膨胀管加压增压系统，其特征在于：所述通管器(31)的上端加工用于配合连接钻杆的锥形外扣；所述通管器(31)的下端加工用于连接外管接头(32)的锥形内扣，外管接头(32)上端加工与通管器的锥形内扣配合的锥形外扣。

8.根据权利要求6所述的一种膨胀管加压增压系统，其特征在于：所述通管器(31)外径等于需护壁孔的孔径。

9.根据权利要求6所述的一种膨胀管加压增压系统，其特征在于：所述中心管(36)为两端直径大、中段直径小的管状结构，中心管(36)的上部大端通过直外扣与中心管接头(34)的下端连接，中心管(36)的下部大端插入膨胀管接头(37)内部，中心管(36)的下部大端的外圆面开设密封沟槽，密封圈安装在密封沟槽内。

10.根据权利要求6所述的一种膨胀管加压增压系统，其特征在于：所述外管接头(32)内部为上小下大的两级阶梯通孔，两级阶梯通孔的中径处安装单向阀(33)，阶梯通孔的大径通过直内扣连接中心管接头(34)，中心管接头(34)的上端抵住并限位单向阀(33)。