CN112878899B - 一种穿越卵石地层的钻进工具 - Google Patents

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Abstract

对于钻头穿越富水卵石地层时易掉钻的技术难题，本发明提出了设置护壁段这种隔离装置的技术构思，通过护壁段将卵石地层与钻孔内部隔离，保护钻头继续向下钻进。进一步的，本发明设计了一种带有护壁段的可插拔钻进工具，使得钻进工具钻进至卵石地层时将护壁段滞留至此，并将动力段携带上去。护壁段设置的通孔可以作为抽取富水卵石地层内水的通道以及注浆充填的通道；护壁段设置有钻进部使其具有钻进能力，钻进卵石地层时，卵石会进入护壁段内，故设置了包含内钻杆、羽翼状刀翼、先导钻头的内部钻进系统，可以破碎护壁段内的卵石；设置的羽翼状刀翼可以起到破碎卵石的作用；且由于护壁段尺寸远大于传统钻头尺寸因此不会出现掉钻现象。

Description

一种穿越卵石地层的钻进工具
技术领域
本发明属于市政施工领域，涉及一种穿越卵石地层的钻进工具。
背景技术
市政工程一般是指在城市区规划建设范围内设置各种建筑物、构筑物，在进行施工时，其必要的条件是保证地基的稳定。地基是指建筑物下面支撑的土体或岩体，地基不属于建筑的组成部分，但它对保证建筑物的坚固耐久具有非常重要的作用。地基要具有足够的承载力,地基的沉降量需控制在一定范围内，地基要有防止产生倾覆、失稳方面的能力，因此在进行地面建筑物施工之前必须先加固地基。
地基中的富水卵石地层一直是地基加固的重点、难点区域，一般而言富水卵石地层的加固方法是通过地面钻孔向其内注入充填材料，如水泥浆。但是当遇到两层富水卵石地层时，钻具需穿越上一层卵石地层以后才能对下一层卵石地层进行加固，而钻具穿越卵石地层时容易产生抱钻现象，从而无法提钻，导致钻孔报废，因此急需提供一种可以穿越富水卵石地层的钻进工具，以解决两层卵石地层的加固问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种穿越卵石地层的钻进方法，包括如下施工步骤：S1，在地基加固区域内，采用常规钻头连接钻杆，自地面向富水卵石地层施工多个钻孔，当钻进至上部富水卵石地层后，提钻，卸掉常规钻头；
优选的，钻孔孔径小于护壁筒的外径；
S2,采用穿卵石钻进工具沿着原钻孔进行钻进，该穿卵石钻进工具包括动力段和护壁段，两者同轴设置，动力段包括自上而下的钻杆连接段、喇叭形过渡段、上连接段，护壁段包括自上而下的下连接部、护壁筒和多个钻进部，护壁筒上均匀设置有通孔，上连接段通过其下端的上连接部与下连接部可插拔连接；将钻杆连接段上部与钻杆连接，钻进部切割上部富水卵石地层内卵石，直至钻进至上部富水卵石地层的底板地层一定深度，此时护壁筒顶端位于上部富水卵石地层顶板地层内一定范围；
优选的，上连接段的直径大于钻杆连接段的直径，各钻进部沿着护壁筒周向间隔、均匀设置。
S3,启动内部钻进系统，该内部钻进系统具体为在过渡段内部水平设置支撑架，支撑架上固定驱动电机，驱动电机输出轴上连接内钻杆，内钻杆上部设置有多层羽翼状刀片，每层均匀设置2个以上，内钻杆底部连接有先导钻头；启动驱动电机，使其驱动内钻杆旋转，带动羽翼状刀片破碎钻进工具内部的卵石；
与此同时，自钻杆内部抽取上部富水卵石地层中的水，水携带切割碎的卵石岩屑一起被抽送至地表；当排出至地表的水不在含有卵石岩屑时，关闭驱动电机；
S4，提钻，动力段随着钻杆一起提升至地面，下部的护壁段留在上部富水卵石地层中，使得上部富水卵石地层与钻孔内部空间仅通过通孔连通；
S5,注浆，在孔口安装井口装置，井口装置采用一个三通结构，上路连接压力表，下路连接钻孔，水平路连接注浆管路，安装完毕后注浆；
优选的，先注入的浆体为粉煤灰浆体，当压力升高后注水泥浆；
S6，注浆结束后，采用常规钻头连接钻杆，沿着原钻孔继续钻进，此时钻头在护壁段的保护下从其内部穿过上部富水卵石地层，直至钻进至下部富水卵石地层；提钻，抽取下部富水卵石地层中的水；之后注浆，注浆方法同步骤S5；
S7，注浆结束后，向钻孔内放入钢筋笼，灌注水泥浆形成钢筋水泥桩用以加固地基。
优选的，在上连接段内部设置有固定内钻杆的装置，包括同轴固定在内钻杆上的轴承，固定在上连接段内壁的固定块，水平设置的支撑杆一端与轴承外圈固定连接一端与固定块固定连接。
优选的，下连接部包括与护壁筒顶端连接的连接台，连接台外圈与护壁筒连接，连接台内圈与连接筒底端连接，连接筒外壁轴向间隔设置有凸出板；上连接部的管壁上均匀、间隔切割有与凸出板匹配的连接槽，所述连接槽能够卡住凸出板，连接筒可以插入中空的上连接部内。
优选的，每个钻进部包括设置于护壁筒外周的刀翼块和设置于护壁筒内周的刀翼块；每个刀翼块外侧面沿轴向设置有两排第二钻齿，每个弧形刀翼块下端面沿其弧形中心线设置有多个第二钻齿，所有钻进部下端面的第二钻齿所在的圆与护壁筒是同心圆。
本发明的有益技术效果为：
1、对于钻头穿越富水卵石地层时易掉钻的技术难题，本发明提出了设置护壁段这种隔离装置的技术构思，通过护壁段将卵石地层与钻孔内部隔离，保护钻头继续向下钻进。进一步的，本发明设计了一种带有护壁段的可插拔钻进工具，使得钻进工具钻进至卵石地层时将护壁段滞留至此，并将动力段携带上去，动力段可循环使用。护壁段设置的通孔可以作为抽取富水卵石地层内水的通道以及注浆充填的通道；护壁段设置有钻进部使其具有钻进能力，钻进卵石地层时，卵石会进入护壁段内，故设置了包含内钻杆、羽翼状刀翼、先导钻头的内部钻进系统，可以破碎护壁段内的卵石(护壁段内的卵石若不破碎，后续钻进还是会产生掉钻问题)；设置的羽翼状刀翼可以起到破碎卵石的作用(类似豆浆机、破壁机工作原理)。且由于护壁段尺寸远大于传统钻头尺寸因此不会出现掉钻现象(钻头相对于卵石块较小易掉钻而护壁筒相对于卵石较大不易掉钻)。
2、由于护壁筒内部、外部有卵石，且卵石的块形及大小可能不均匀，故作用于护壁筒内壁、外壁的力不一，因此钻进过程中极易受卵石的作用力而产生偏斜；针对该问题，在护壁筒的内外壁皆设置有刀翼块，在刀翼块的侧面皆设置钻齿，且刀翼块下端面也设置钻齿，基于此钻进时可以将护壁筒周围的(可能接触到的)卵石全部打碎为其向下钻提供无阻碍空间。此外，由于护壁段内的卵石是在护壁段下方到位后才破碎，故上部连接段可以起到存储卵石的作用，防止护壁段装不下(羽翼状刀翼穿过后产生碎涨)。
附图说明
图1是本发明钻井系统穿越两层卵石地层的剖面图。
图2是本发明钻进工具。
图3是本发明钻进工具连接部结构图。
图中，钻井系统00；上部富水卵石地层01；下部富水卵石地层02；钻杆03；动力段1；钻杆连接段11；过渡段12，上连接段13；驱动电机141；支撑架142；内钻杆143；轴承151；固定块152；支撑杆153；羽翼状刀片16；先导钻头17；上连接部18；连接槽181；护壁段2；下连接部21；连接台211；连接筒212；凸出板213；护壁筒22；通孔221；刀翼块231；第二钻齿232。
具体实施方式
如图2-3，一种穿越富水卵石地层的钻进工具，包括动力段1和护壁段2，两者同轴设置且可插拔连接；动力段1包括自上而下的钻杆连接段11、喇叭形过渡段12、上连接段13，其中上连接段13的直径大于钻杆连接段11的直径，钻杆连接段11上部与钻杆03连接，上连接段13通过其下端的上连接部18与护壁段2上端的下连接部21可插拔连接；在过渡段12内部水平设置有支撑架142，支撑架142上固定有驱动电机141，驱动电机输出轴上连接有内钻杆143；延伸至护壁段2内部的内钻杆143上自上而下均匀设置有多层羽翼状刀片16，每层均匀设置2个以上的羽翼状刀片16，下部连接有先导钻头17；先导钻头17底端高于护壁段2底端；护壁段包括自上而下的下连接部21、护壁筒22和多个钻进部，护壁筒上均匀设置有通孔221，各钻进部沿着护壁筒22周向间隔、均匀设置。
优选的，在上连接段13内部设置有固定内钻杆143的装置，包括同轴固定在内钻杆143上的轴承151，固定在上连接段13内壁的固定块152，水平设置的支撑杆153一端与轴承151外圈固定连接一端与固定块152固定连接。
优选的，在上连接段13内部的内钻杆143上自上而下均匀设置有多层羽翼状刀片16，每层均匀设置2个以上的羽翼状刀片16。
优选的，下连接部21包括与护壁筒22顶端连接的连接台211，连接台211外圈与护壁筒22连接，连接台211内圈与连接筒212底端连接，连接筒212外壁轴向间隔设置有凸出板213；上连接部18的管壁上均匀、间隔切割有与凸出板213匹配的连接槽181，所述连接槽181能够卡住凸出板213，连接筒212可以插入中空的上连接部18内。
优选的，上连接部18的直径大于连接筒212的直径小于护壁筒22的直径。
优选的，每个钻进部包括设置于护壁筒22外周的刀翼块231和设置于护壁筒内周的刀翼块231；每个刀翼块231外侧面(相对于护壁筒22而言)沿轴向设置有两排第二钻齿232，每个弧形刀翼块231下端面沿其弧形中心线设置有多个第二钻齿232，所有钻进部下端面的第二钻齿所在的圆与护壁筒22是同心圆。
优选的，可通过电缆向驱动电机141供电，电缆布置于钻杆03内部。
采用上述钻进工具穿越富水卵石地层的钻进方法，包括如下施工步骤：S1，在地基加固区域内，采用常规钻头连接钻杆03，自地面向富水卵石地层施工多个钻孔，当钻进至上部富水卵石地层01后，提钻，卸掉常规钻头；
优选的，钻孔孔径小于护壁筒的外径；
S2,将上述穿越富水卵石地层的钻进工具的钻杆连接段11上部与钻杆03连接，沿着原钻孔进行钻进，钻进部切割上部富水卵石地层01内卵石，直至钻进至上部富水卵石地层01的底板地层一定深度，此时护壁筒22顶端位于上部富水卵石地层01顶板地层内一定范围；
S3,启动内部的钻进系统，即启动驱动电机141，使其驱动内钻杆143旋转，带动羽翼状刀片16破碎钻进工具内部的卵石；与此同时，自钻杆内部抽取上部富水卵石地层01中的水，水携带切割碎的卵石岩屑一起被抽送至地表；
优选的，当排出至地表的水不在含有卵石岩屑时，关闭驱动电机141；
S4，提钻，动力段1随着钻杆03一起提升至地面，下部的护壁段2留在上部富水卵石地层01中，使得上部富水卵石地层01与钻孔内部空间仅通过通孔221连通；
S5,注浆，在孔口安装井口装置，井口装置采用一个三通结构，上路连接压力表，下路连接钻孔，水平路连接注浆管路，安装完毕后注浆；
优选的，先注入的浆体为粉煤灰浆体，当压力升高后注水泥浆；
S6，注浆结束后，采用常规钻头连接钻杆03，沿着原钻孔继续钻进，此时钻头在护壁段2的保护下从其内部穿过上部富水卵石地层01，直至钻进至下部富水卵石地层02；提钻，抽取下部富水卵石地层02中的水；之后注浆，注浆方法同步骤S5；
S7，注浆结束后，向钻孔内放入钢筋笼，灌注水泥浆形成钢筋水泥桩用以加固地基。

Claims (6)

1.一种穿越卵石地层的钻进方法，包括如下施工步骤：S1，在地基加固区域内，采用常规钻头连接钻杆，自地面向富水卵石地层施工多个钻孔，当钻进至上部富水卵石地层后，提钻，卸掉常规钻头；
S2,采用穿卵石钻进工具沿着原钻孔进行钻进，该穿卵石钻进工具包括动力段和护壁段，两者同轴设置，动力段包括自上而下的钻杆连接段、喇叭形过渡段、上连接段，护壁段包括自上而下的下连接部、护壁筒和多个钻进部，护壁筒上均匀设置有通孔，上连接段通过其下端的上连接部与下连接部可插拔连接；将钻杆连接段上部与钻杆连接，钻进部切割上部富水卵石地层内卵石，直至钻进至上部富水卵石地层的底板地层一定深度，此时护壁筒顶端位于上部富水卵石地层顶板地层内一定范围；
下连接部包括与护壁筒顶端连接的连接台，连接台外圈与护壁筒连接，连接台内圈与连接筒底端连接，连接筒外壁轴向间隔设置有凸出板；上连接部的管壁上均匀、间隔切割有与凸出板匹配的连接槽，所述连接槽能够卡住凸出板，连接筒可以插入中空的上连接部内；
S3,启动内部钻进系统，该内部钻进系统具体为在过渡段内部水平设置支撑架，支撑架上固定驱动电机，驱动电机输出轴上连接内钻杆，内钻杆上部设置有多层羽翼状刀片，每层均匀设置2个以上，内钻杆底部连接有先导钻头；启动驱动电机，使其驱动内钻杆旋转，带动羽翼状刀片破碎钻进工具内部的卵石；
与此同时，自钻杆内部抽取上部富水卵石地层中的水，水携带切割碎的卵石岩屑一起被抽送至地表；当排出至地表的水不在含有卵石岩屑时，关闭驱动电机；
S4，提钻，动力段随着钻杆一起提升至地面，下部的护壁段留在上部富水卵石地层中，使得上部富水卵石地层与钻孔内部空间仅通过通孔连通；
S5,注浆，在孔口安装井口装置，井口装置采用一个三通结构，上路连接压力表，下路连接钻孔，水平路连接注浆管路，安装完毕后注浆；
S6，注浆结束后，采用常规钻头连接钻杆，沿着原钻孔继续钻进，此时钻头在护壁段的保护下从其内部穿过上部富水卵石地层，直至钻进至下部富水卵石地层；提钻，抽取下部富水卵石地层中的水；之后注浆，注浆方法同步骤S5；
S7，注浆结束后，向钻孔内放入钢筋笼，灌注水泥浆形成钢筋水泥桩用以加固地基。
2.根据权利要求1所述的一种穿越卵石地层的钻进方法，其特征在于，步骤S1中，钻孔孔径小于护壁筒的外径。
3.根据权利要求1所述的一种穿越卵石地层的钻进方法，其特征在于，上连接段的直径大于钻杆连接段的直径，各钻进部沿着护壁筒周向间隔、均匀设置。
4.根据权利要求1所述的一种穿越卵石地层的钻进方法，其特征在于，步骤S5中，先注入的浆体为粉煤灰浆体，当压力升高后注水泥浆。
5.根据权利要求1所述的一种穿越卵石地层的钻进方法，其特征在于，在上连接段内部设置有固定内钻杆的装置，包括同轴固定在内钻杆上的轴承，固定在上连接段内壁的固定块，水平设置的支撑杆一端与轴承外圈固定连接一端与固定块固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种穿越卵石地层的钻进方法，其特征在于，每个钻进部包括设置于护壁筒外周的刀翼块和设置于护壁筒内周的刀翼块；每个刀翼块外侧面沿轴向设置有两排第二钻齿，每个弧形刀翼块下端面沿其弧形中心线设置有多个第二钻齿，所有钻进部下端面的第二钻齿所在的圆与护壁筒是同心圆。
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