CN112878901A - 一种穿越碎石地层的钻进工具 - Google Patents

Abstract

对于钻头穿越碎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，通过护壁段将碎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碎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。护壁段设置有钻进部使其具有钻进能力，钻进充填有粉煤灰/水泥的碎石地层时，碎石充填体会进入护壁段内，故设置了包含内钻杆、羽翼状刀翼、阶梯钻头的内部钻进系统，可以破碎护壁段内的碎石充填体,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

一种穿越碎石地层的钻进工具

技术领域

本发明属于市政施工领域，涉及一种穿越碎石地层的钻进工具。

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。

地基下覆的碎石地层一直是地基加固的重点区域，一般而言碎石地层的加固方法是通过地面钻孔向其内注入充填材料，如粉煤灰、水泥浆加固。但是当遇到两层碎石地层时，钻具需穿越上一层碎石地层以后才能对下一层碎石地层进行加固，而钻具穿越碎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碎石地层的钻进工具，以解决两层碎石地层的加固问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种穿越碎石地层的钻进工具，包括动力段和护壁段，两者同轴设置且可插拔连接；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，其中上连接段的直径大于钻杆连接段的直径，钻杆连接段上部与钻杆连接，上连接段通过其下端的上连接部与护壁段上端的下连接部可插拔连接；在过渡段内部水平设置有支撑架，支撑架上固定有驱动电机，驱动电机输出轴上连接有内钻杆；延伸至护壁段内部的内钻杆上部自上而下均匀设置有多层羽翼状刀片，每层均匀设置2个以上，内钻杆底部连接有阶梯钻头，阶梯钻头底端高于护壁段底端；护壁段包括自上而下的下连接部、护壁筒和多个钻进部，各钻进部沿着护壁筒周向间隔、均匀设置。

优选的，在上连接段内部设置有固定内钻杆的装置，该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，阶梯钻头由多个结构相同，自上而下可拆卸连接的分钻头组成，各分钻头均包括头部和连接杆，头部包括基部、刀翼、第一钻齿，连接杆一端为连接公头，另一端与基部固定连接，基部为圆柱状，刀翼沿圆周方向均匀、间隔设于基部的边沿位置，并形成多个碎屑槽，多个第一钻齿分别设于各个刀翼的边沿位置，在基部正中心设置有可与相邻分钻头的连接公头可拆卸连接的连接母头，各分钻头头部的直径自上而下逐渐减小成阶梯状。

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。

采用上述钻进工具穿越碎石地层的钻进方法，包括如下施工步骤：S1，采用常规钻头连接钻杆，自地面向碎石地层施工多个钻孔；

S2,当钻进至上部碎石地层时，提钻，注入粉煤灰浆体；

S3,将上述穿越碎石地层的钻进工具与钻杆连接，沿着原钻孔进行钻进，直至钻进至上部碎石地层的底板一定深度处，此时护壁段顶端位于上部碎石地层完整顶板内一定范围，与此同时内部的钻进系统也工作；

S4，提钻，下部的护壁段留在上部碎石地层中；

S5，采用常规钻头连接钻杆，继续沿着原钻孔钻进；

S6，当钻进至下部碎石地层时，提钻；之后注浆，注浆方法同步骤S2；

S7，注浆结束后，采用水泥浆封孔至距地表一定距离，然后放入钢筋笼，继续灌注水泥浆形成钢筋水泥桩用以加固浅层地基。

本发明的有益技术效果为：

1、对于钻头穿越碎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，通过护壁段将碎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碎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。护壁段设置有钻进部使其具有钻进能力，钻进充填有粉煤灰/水泥的碎石地层时，碎石充填体会进入护壁段内，故设置了包含内钻杆、羽翼状刀翼、阶梯钻头的内部钻进系统，可以破碎护壁段内的碎石充填体(护壁段内的碎石充填体若不破碎，后续钻进还是会产生掉钻问题),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(钻头相对于碎石块较小易掉钻而护壁筒相对于碎石较大不易掉钻)。

2、阶梯钻头与羽翼状刀翼配合使用，阶梯钻头本身可以提高钻进效率(研磨岩石效率高)，但由于穿越的是碎石充填体，碎石不像完整岩体一样利于研磨，碎石易滑动，因此设置的羽翼状刀翼可以起到破碎未被阶梯钻头破碎的碎石的作用(类似豆浆机、破壁机工作原理)。

3、由于护壁筒内部、外部有碎石，且碎石的块形及大小不均匀，故作用于护壁筒内外壁的力不一，因此钻进过程中极易受碎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)碎石全部打碎为其向下钻提供无阻碍空间。

附图说明

图1是钻井系统穿越两层碎石地层的剖面图。

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4是本发明单个阶梯钻孔结构图。

图中，钻井系统00；上部碎石地层01；下部碎石地层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；阶梯钻头17；基部171；刀翼172；第一钻齿173；碎屑槽174；连接母头175；连接杆176；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；刀翼块231；第二钻齿232。

具体实施方式

如图2-4，一种穿越碎石地层的钻进工具，所述碎石地层可以是煤矿开采后的采空区，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上部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，内钻杆143底部连接有阶梯钻头17，阶梯钻头底端高于护壁段2底端；护壁段2包括自上而下的下连接部21、护壁筒22和多个钻进部，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，该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，阶梯钻头17由多个结构相同，自上而下可拆卸连接的分钻头组成，各分钻头均包括头部和连接杆176，头部包括基部171、刀翼172、第一钻齿173，连接杆176一端为连接公头，另一端与基部171固定连接，基部171为圆柱状，刀翼172沿圆周方向均匀、间隔设于基部171的边沿位置，并形成多个碎屑槽174，多个第一钻齿173分别设于各个刀翼172的边沿位置，在基部171正中心设置有可与相邻分钻头的连接公头可拆卸连接的连接母头175，各分钻头头部的直径自上而下逐渐减小成阶梯状。

优选的，连接母头和连接公头为内外螺纹连接方式。

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碎石地层的钻进方法，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，自地面向碎石地层施工多个钻孔；

优选的，钻孔孔径小于护壁筒的外径；

S2,当钻进至泥浆冲洗液全漏失层位，即钻进至上部碎石地层01时，提钻，注浆；在孔口安装井口装置，井口装置采用一个四通结构，上路连接压力表，下路连接钻孔，水平两路中一路连接注浆管路，一路连接注水管路；先注水冲刷管路以及上部碎石地层中碎石间的间隙，再注浆，之后交替泵注浆体和清水，以此提高注浆浆液的扩散范围。

优选的，采用常压注浆高压注水的注入方案。

优选的，注入的浆体为粉煤灰浆体。

先注水冲刷管路以及采空区碎石间的间隙，同时将小的碎石/粉末冲刷至远端，为后续注浆提供注浆空间；采用交替泵注的技术方案，带水的浓浆扩散范围受限，且易堵住小的空隙，使得浆液扩散范围小，而注入的高压清水可以将钻孔附近充填的浆体冲刷至远端，进而提高下一步注浆浆液的扩散范围，如此反复。

S3,注浆结束后，将上述穿越碎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，钻进部切割上部碎石地层01内碎石与充填体，直至钻进至上部碎石地层01的底板一定深度处，此时护壁段2顶端位于上部碎石地层01完整顶板内一定范围；

与此同时内部的钻进系统也工作，即驱动电机驱动内钻杆143旋转，带动阶梯钻头17、羽翼状刀片16切割钻进工具内部的碎石；

优选的，整个钻进过程自钻杆内部泵入泥浆冲洗液；

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留在上部碎石地层01中，将上部碎石地层与钻孔内部空间隔绝；

优选的，还有注入水泥浆进一步的固定护壁段的步骤；

S5，采用常规钻头连接钻杆03，继续沿着原钻孔钻进，此时钻头在护壁段2的保护下从其内部穿过上部碎石层01；

S6，继续钻进，当钻进至泥浆冲洗液全漏失层位，即钻进至下部碎石地层02时，提钻；之后注浆，注浆方法同步骤S2；

S7，注浆结束后，采用水泥浆封孔至距地表一定距离，然后放入钢筋笼，继续灌注水泥浆形成钢筋水泥桩用以加固浅层地基。

Claims (6)

1.一种穿越碎石地层的钻进工具，包括动力段和护壁段，两者同轴设置且可插拔连接；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，其中上连接段的直径大于钻杆连接段的直径，钻杆连接段上部与钻杆连接，上连接段通过其下端的上连接部与护壁段上端的下连接部可插拔连接；在过渡段内部水平设置有支撑架，支撑架上固定有驱动电机，驱动电机输出轴上连接有内钻杆；延伸至护壁段内部的内钻杆上部自上而下均匀设置有多层羽翼状刀片，每层均匀设置2个以上，内钻杆底部连接有阶梯钻头，阶梯钻头底端高于护壁段底端；护壁段包括自上而下的下连接部、护壁筒和多个钻进部，各钻进部沿着护壁筒周向间隔、均匀设置。

2.根据权利要求1所述的一种穿越碎石地层的钻进工具，其特征在于，在上连接段内部设置有固定内钻杆的装置，该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。

3.根据权利要求1所述的一种穿越碎石地层的钻进工具，其特征在于，阶梯钻头由多个结构相同，自上而下可拆卸连接的分钻头组成，各分钻头均包括头部和连接杆，头部包括基部、刀翼、第一钻齿，连接杆一端为连接公头，另一端与基部固定连接，基部为圆柱状，刀翼沿圆周方向均匀、间隔设于基部的边沿位置，并形成多个碎屑槽，多个第一钻齿分别设于各个刀翼的边沿位置，在基部正中心设置有可与相邻分钻头的连接公头可拆卸连接的连接母头，各分钻头头部的直径自上而下逐渐减小成阶梯状。

4.根据权利要求1所述的一种穿越碎石地层的钻进工具，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的一种穿越碎石地层的钻进工具，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。

6.一种穿越碎石地层的钻进方法，采用权利要求1-5任意一项所述的钻进工具，其特征在于，包括如下施工步骤：S1，采用常规钻头连接钻杆，自地面向碎石地层施工多个钻孔；

S2,当钻进至上部碎石地层时，提钻，注入粉煤灰浆体；

S3,将上述穿越碎石地层的钻进工具与钻杆连接，沿着原钻孔进行钻进，直至钻进至上部碎石地层的底板一定深度处，此时护壁段顶端位于上部碎石地层完整顶板内一定范围，与此同时内部的钻进系统也工作；

S4，提钻，下部的护壁段留在上部碎石地层中；

S5，采用常规钻头连接钻杆，继续沿着原钻孔钻进；

S6，当钻进至下部碎石地层时，提钻；之后注浆，注浆方法同步骤S2；

S7，注浆结束后，采用水泥浆封孔至距地表一定距离，然后放入钢筋笼，继续灌注水泥浆形成钢筋水泥桩用以加固浅层地基。

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