CN113216856B - 一种旋喷式原位修复钻具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋喷式原位修复钻具，包括封堵器、吸入短节、钻具主体，所述钻具主体包括阀座短节、涡轮节内轴、涡轮节外筒、涡轮定子、涡轮转子、上端盖、喷射短节、阀芯、转换接头和钻头，钻具主体内具有低压流道、高压流道，阀座短节下端与涡轮节内轴上端套接，阀芯在阀座短节与涡轮节内轴套接部分内轴向移动以进行所述低压流道、高压流道的切换，所述阀芯轴向移动以互斥的打开或关闭高压出口与低压出口，所述涡轮节外筒同轴套设于涡轮节内轴的外部，所述封堵器包括中心管以及固接于中心管外侧壁上的扩张筒；本发明能够解决现有技术中注入修复药液过程中出现的返浆、地面冒浆的问题，提高了钻机在注入修复药液的施工效率。

Description

一种旋喷式原位修复钻具

技术领域

本发明涉及土壤及地下水原位修复领域，尤其是涉及一种土壤及地下水原位修复的旋喷式原位修复钻具。

背景技术

随着工业的高速发展，我国土壤和地下水污染逐步恶化，已呈现从点状污染向带状和面状污染发展的态势。目前，对土壤和地下水进行修复的主要方式为原位注入修复法，由于采用原位注入修复法具有不需要用泵抽和地面处理，无需开挖、可减少污染物暴露，施工影响较小、成本低、修复彻底、处理污染物种类多等优点，因此被广泛地应用。

土壤及地下水原位注入修复效果的好坏与修复药液和地层污染物混合均匀程度密切相关，一般是采用钻机注入设备，钻机通过较大的喷射速度将修复药液喷入地层中，使药剂切割重构地层，实现较好的混合效果，但与此同时也会出现一个技术性难题，即由于修复药液的喷射速度较大，容易引起返浆和地面冒浆的情况发生，对施工造成麻烦。

针对上述中的相关技术，发明人认为传统的钻机注入设备在注入修复药液的过程中存在有易返浆和地面冒浆的缺陷。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于土壤及地下水原位修复的旋喷式原位修复钻具，以解决现有技术中注入修复药液过程中出现的返浆、地面冒浆的问题，提高了钻机在注入修复药液的施工效率。

本发明提供了一种旋喷式原位修复钻具，包括封堵器、吸入短节、钻具主体，所述钻具主体包括阀座短节、涡轮节内轴、涡轮节外筒、涡轮定子、涡轮转子、上端盖、喷射短节、阀芯、转换接头和钻头，钻具主体内具有低压流道、高压流道，阀座短节下端与涡轮节内轴上端套接，阀芯在阀座短节与涡轮节内轴套接部分内轴向移动以进行所述低压流道、高压流道的切换，所述阀芯轴向移动以互斥的打开或关闭高压出口与低压出口，所述涡轮节外筒同轴套设于涡轮节内轴的外部，所述封堵器包括中心管以及固接于中心管外侧壁上的扩张筒。

进一步地，所述封堵器、吸入短节、阀座短节、涡轮节内轴、转换接头和钻头自上而下依次连接并在内部形成相互连通的低压流道，所述上端盖安装于涡轮节外筒一端并且与阀座短节的外侧壁转动密封连接，所述喷射短节安装于涡轮节外筒另一端并且与涡轮节内轴的外侧壁转动密封连接，使得涡轮节内轴、涡轮节外筒、上端盖和喷射短节之间形成密闭的高压流道。

进一步地，所述阀座短节侧壁径向贯通设有高压出口，所述涡轮节内轴连接阀座短节的一端内部一体成型有支撑台，支撑台轴向贯通设有低压出口。

进一步地，所述阀芯包括内部中空且两端开口的柱体、一体成型于主体靠近上端盖一端的端头，以及同轴套设于柱体外部的复位弹簧，复位弹簧的两端分别与支撑台和端头相对的一侧抵接，柱体与支撑台之间存在活动间隙。

进一步地，所述端头远离柱体一端的端面与阀座短节的内壁通过锲形面接触配合，配合位置高于高压出口，所述柱体远离端头一端的端面与支撑台平面接触配合，配合平面与低压出口轴向对应。

进一步地，所述涡轮定子设置在涡轮节内轴和涡轮节外筒之间并且通过花键、花键槽与涡轮节内轴固定配合，涡轮转子设置在涡轮节内轴外部的涡轮节外筒之间并且通过花键、花键槽与涡轮节外筒固定配合。

进一步地，所述中心管一端与钻杆螺纹连接，中心管另一端与吸入短节螺纹连接，中心管位于扩张筒内的侧壁上贯通设有过流孔。

进一步地，所述吸入短节一端与中心管连接，另一端插入阀座短节内并与阀座短节螺纹连接，吸入短节内部设有分别与封堵器和阀座短节相连通的缩径腔，缩径腔的中间位置过流面积最小，缩径腔位于上游的开口大于位于下游的开口，并且在吸入短节的侧壁上加工有对称设置的两吸入孔。

进一步地，所述阀座短节远离吸入短节的另一端螺纹套设在涡轮节内轴外并且端部压持在涡轮定子顶部上，所述涡轮节内轴的外侧壁上固接有支撑环，涡轮定子的底部卡放于支撑环上，所述阀座短节位于高压流道内的侧壁上加工有多个高压出口。

进一步地，所述上端盖一端通过轴承转动连接于阀座短节上，上端盖另一端的外壁与涡轮节外筒的内壁螺纹连接，所述喷射短节一端通过轴承转动连接于涡轮节内轴上，喷射短节另一端的外壁与涡轮节外筒的内壁螺纹连接，所述喷射短节侧壁安装有喷嘴。

本发明的有益技术效果如下：

1.本发明的旋喷式原位修复钻具，能够在通入压力较高的修复药液时，使得膨胀密封胶筒张开，从而封闭钻杆与井壁之间的环空，达到防止返浆、地面冒浆的效果；

2.旋喷式原位修复钻具的吸入短节能够将环空中的液体和固体颗粒吸入内部，形成带固体颗粒的磨料射流，从而增强射流的切削能力，提高修复效果，同时吸入部分环空流体还能减小环空上返压力，进一步防止返浆和冒浆；

3.通过调节注入修复药液的压力，能够实现旋喷式原位修复钻具的流道切换，低压时流体流向钻头，高压时流体流向涡轮转子，并通过涡轮转子带动涡轮节外筒、上端盖和喷射短节一起旋转，实现旋喷作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种旋喷式原位修复钻具的整体运行示意图；

图2为本发明提供的一种旋喷式原位修复钻具的内部剖视图；

图3为本发明提供的一种旋喷式原位修复钻具的截面视图。

附图标记说明：

1、封堵器；2、吸入短节；3、阀座短节；4、涡轮节内轴；5、涡轮节外筒；6、涡轮定子；7、涡轮转子；8、上端盖；9、喷射短节；10、阀芯；11、转换接头；12、钻头；13、中心管；14、扩张筒；15、过流孔；16、缩径腔；17、吸入孔；18、高压出口；19、支撑环；20、支撑台；21、低压出口；22、柱体；23、端头；24、复位弹簧；25、轴承；26、密封圈；27、挡圈；28、喷嘴。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见附图1-3，本发明提供了一种旋喷式原位修复钻具，具有钻具主体、封堵器1和吸入短节2，所述钻具主体包括阀座短节3、涡轮节内轴4、阀芯10，钻具主体内具有低压流道、高压流道，阀座短节3下端与涡轮节内轴4上端套接，阀芯10在阀座短节3与涡轮节内轴4套接部分内轴向移动，以进行低压流道、高压流道的切换，当修复药液进入高压流道时，修复药液可通过涡轮转子7带动喷射短节9旋喷作业。

钻具主体还包括涡轮节外筒5、涡轮定子6、涡轮转子7、上端盖8、喷射短节9、阀芯10、转换接头11和钻头12，所述封堵器1、吸入短节2、阀座短节3、涡轮节内轴4、转换接头11和钻头12自上而下依次连接并在内部形成相互连通的低压流道，所述上端盖8安装于涡轮节外筒5一端并且与阀座短节3的外侧壁转动密封连接，所述喷射短节9安装于涡轮节外筒5另一端并且与涡轮节内轴4的外侧壁转动密封连接，使得涡轮节内轴4、涡轮节外筒5、上端盖8和喷射短节9之间形成密闭的高压流道。

阀座短节3侧壁径向贯通设有高压出口18，所述涡轮节内轴4连接阀座短节3的一端内部一体成型有支撑台20，支撑台20轴向贯通设有低压出口21，所述阀芯10轴向移动以互斥的打开或关闭高压出口18与低压出口21。进一步地，支撑台20用于承载阀芯10，支撑台20上加工有多个沿涡轮节内轴4轴向贯穿的低压出口21。

阀芯10包括内部中空且两端开口的柱体22、一体成型于主体靠近上端盖8一端的端头23，以及同轴套设于柱体22外部的复位弹簧24，复位弹簧24的两端分别与支撑台20和端头23相对的一侧抵接，柱体22与支撑台20之间存在活动间隙。

端头23远离柱体22一端的端面与阀座短节3的内壁通过锲形面接触配合，配合位置高于高压出口18，所述柱体22远离端头23一端的端面与支撑台20平面接触配合，配合平面与低压出口21轴向对应。

复位弹簧24处于自然状态时，端头23的锲形面与阀座短节3的锲形面紧密贴合，关闭高压出口18，复位弹簧24处于压缩状态时，柱体22与支撑台20平面紧密贴合，关闭低压出口21。

涡轮节外筒5同轴套设于涡轮节内轴4的外部，涡轮定子6设置在涡轮节内轴4和涡轮节外筒5之间并且通过花键、花键槽与涡轮节内轴4固定配合，涡轮转子7设置在涡轮节内轴4外部的涡轮节外筒5之间并且通过花键、花键槽与涡轮节外筒5固定配合。

封堵器1包括中心管13以及固接于中心管13外侧壁上的扩张筒14，中心管13一端与钻杆螺纹连接，中心管13另一端与吸入短节2螺纹连接，中心管13位于扩张筒14内的侧壁上贯通设有过流孔15，施工时，中心管13远离吸入短节2的一端可通过螺纹与钻杆连接并延伸至地面上。

吸入短节2一端与中心管13连接，另一端插入阀座短节3内并与阀座短节3螺纹连接，吸入短节2内部设有分别与封堵器1和阀座短节3相连通的缩径腔16，缩径腔16的中间位置过流面积最小，缩径腔16位于上游的开口大于位于下游的开口，并且在吸入短节2的侧壁上加工有对称设置的两吸入孔17。

阀座短节3远离吸入短节2的另一端螺纹套设在涡轮节内轴4外并且端部压持在涡轮定子6顶部上，所述涡轮节内轴4的外侧壁上固接有支撑环19，涡轮定子6的底部卡放于支撑环19上，所述阀座短节3位于高压流道内的侧壁上加工有多个高压出口18。

上端盖8一端通过轴承25转动连接于阀座短节3上，上端盖8另一端的外壁与涡轮节外筒5的内壁螺纹连接，所述喷射短节9一端通过轴承25转动连接于涡轮节内轴4上，喷射短节9另一端的外壁与涡轮节外筒5的内壁螺纹连接，所述喷射短节9侧壁安装有喷嘴28。上端盖8与喷射短节9均呈筒状。

参照图2，为保证旋喷式原位修复钻具在作业过程中具有良好的密封性，上端盖8与阀座短节3之间和/或所述喷射短节9与涡轮节内轴4之间设置有密封结构，所述密封结构包括套设在涡轮节内轴4外壁和/或阀座短节3外壁上的密封圈26和挡圈27，挡圈27压持在密封圈26上并通过螺钉进行固定，使得涡轮节内轴4、轴承25和喷射短节9之间或阀座短节3、轴承25和上端盖8之间的缝隙被填充。

喷射短节9的侧壁上加工有四个呈圆周等距分布的螺纹孔，每个螺纹孔内均安装有一个喷嘴28，进入喷射短节9内的高压修复药液通过喷嘴28旋转喷射。

转换接头11螺纹连接于涡轮节内轴4的外壁上，所述钻头12螺纹连接在转换接头11上，钻头12的内部与外界连通，以便水或润滑液流出。

利用上述的旋喷式原位修复钻具进行土壤及地下水原位修复，具体包括如下步骤：

钻进时，向旋喷式原位修复钻具中通入压力较低的水，由于水压较低，因此在流经阀芯10时，复位弹簧24仍处于自然状态，端头23和阀座短节3的锲形面仍贴紧配合，此时，高压出口18处于关闭状态，水只能从低压出口21流向钻头12，起到润滑的作用；

当钻进到预定深度后，向旋喷式原位修复钻具中通入压力较高的修复药液，修复药液经过吸入短节2的过程中，受缩径腔16的影响积聚在中心管13内，并通过过流孔15进入扩张筒14内，使得扩张筒14张开，从而封闭钻杆与井壁之间的环空，达到防止返浆、地面冒浆的效果；

同时，当高压修复药液流经吸入短节2时，还会由于断面收缩、流速加快，在吸入短节2内部发生文丘里效应并产生负压，从而通过吸入孔17将环空中混合有固体颗粒的液体吸入到射流中，形成带固体颗粒的磨料射流，增强流体的切削能力，同时，由于环空中部分流体的吸入，还能减小环空上返压力，进一步防止返浆和冒浆；

当磨砂射流由阀座短节3喷出时，带压力的流体会作用在端头23上，推动阀芯10整体向下运动并压缩复位弹簧24，使柱体22与支撑台20接触，从而关闭低压出口21，与此同时，端头23的楔形面与阀座短节3的楔形面脱离，并打开高压出口18，使混合流体只能通过高压出口18进入高压流道内，此时混合流体向下流动并驱动涡轮转子7旋转，同时带动涡轮节外筒5、上端盖8和喷射短节9一起旋转，最后混合液体从安装在喷射节上的喷嘴28高速喷出切割土体。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种旋喷式原位修复钻具，包括封堵器(1)、吸入短节(2)、钻具主体，其特征在于：所述钻具主体包括阀座短节(3)、涡轮节内轴(4)、涡轮节外筒(5)、涡轮定子(6)、涡轮转子(7)、上端盖(8)、喷射短节(9)、阀芯(10)、转换接头(11)和钻头(12)，钻具主体内具有低压流道、高压流道，阀座短节(3)下端与涡轮节内轴(4)上端套接，阀芯(10)在阀座短节(3)与涡轮节内轴(4)套接部分内轴向移动以进行所述低压流道、高压流道的切换，所述阀芯(10)轴向移动以互斥的打开或关闭高压出口(18)与低压出口(21)，所述涡轮节外筒(5)同轴套设于涡轮节内轴(4)的外部，所述封堵器(1)包括中心管(13)以及固接于中心管(13)外侧壁上的扩张筒(14)。

2.根据权利要求1所述的旋喷式原位修复钻具，其特征在于，所述封堵器(1)、吸入短节(2)、阀座短节(3)、涡轮节内轴(4)、转换接头(11)和钻头(12)自上而下依次连接并在内部形成相互连通的低压流道，所述上端盖(8)安装于涡轮节外筒(5)一端并且与阀座短节(3)的外侧壁转动密封连接，所述喷射短节(9)安装于涡轮节外筒(5)另一端并且与涡轮节内轴(4)的外侧壁转动密封连接，使得涡轮节内轴(4)、涡轮节外筒(5)、上端盖(8)和喷射短节(9)之间形成密闭的高压流道。

3.根据权利要求1所述的旋喷式原位修复钻具，其特征在于，所述阀座短节(3)侧壁径向贯通设有高压出口(18)，所述涡轮节内轴(4)连接阀座短节(3)的一端内部一体成型有支撑台(20)，支撑台(20)轴向贯通设有低压出口(21)。

4.根据权利要求1所述的旋喷式原位修复钻具，其特征在于，所述阀芯(10)包括内部中空且两端开口的柱体(22)、一体成型于主体靠近上端盖(8)一端的端头(23)，以及同轴套设于柱体(22)外部的复位弹簧(24)，复位弹簧(24)的两端分别与支撑台(20)和端头(23)相对的一侧抵接，柱体(22)与支撑台(20)之间存在活动间隙。

5.根据权利要求4所述的旋喷式原位修复钻具，其特征在于，所述端头(23)远离柱体(22)一端的端面与阀座短节(3)的内壁通过锲形面接触配合，配合位置高于高压出口(18)，所述柱体(22)远离端头(23)一端的端面与支撑台(20)平面接触配合，配合平面与低压出口(21)轴向对应。

6.根据权利要求1所述的旋喷式原位修复钻具，其特征在于，所述涡轮定子(6)设置在涡轮节内轴(4)和涡轮节外筒(5)之间并且通过花键、花键槽与涡轮节内轴(4)固定配合，涡轮转子(7)设置在涡轮节内轴(4)外部的涡轮节外筒(5)之间并且通过花键、花键槽与涡轮节外筒(5)固定配合。

7.根据权利要求1所述的旋喷式原位修复钻具，其特征在于，所述中心管(13)一端与钻杆螺纹连接，中心管(13)另一端与吸入短节(2)螺纹连接，中心管(13)位于扩张筒(14)内的侧壁上贯通设有过流孔(15)。

8.根据权利要求1所述的旋喷式原位修复钻具，其特征在于，所述吸入短节(2)一端与中心管(13)连接，另一端插入阀座短节(3)内并与阀座短节(3)螺纹连接，吸入短节(2)内部设有分别与封堵器(1)和阀座短节(3)相连通的缩径腔(16)，缩径腔(16)的中间位置过流面积最小，缩径腔(16)位于上游的开口大于位于下游的开口，并且在吸入短节(2)的侧壁上加工有对称设置的两吸入孔(17)。

9.根据权利要求1所述的旋喷式原位修复钻具，其特征在于，所述阀座短节(3)远离吸入短节(2)的另一端螺纹套设在涡轮节内轴(4)外并且端部压持在涡轮定子(6)顶部上，所述涡轮节内轴(4)的外侧壁上固接有支撑环(19)，涡轮定子(6)的底部卡放于支撑环(19)上，所述阀座短节(3)位于高压流道内的侧壁上加工有多个高压出口(18)。

10.根据权利要求1所述的旋喷式原位修复钻具，其特征在于，所述上端盖(8)一端通过轴承(25)转动连接于阀座短节(3)上，上端盖(8)另一端的外壁与涡轮节外筒(5)的内壁螺纹连接，所述喷射短节(9)一端通过轴承(25)转动连接于涡轮节内轴(4)上，喷射短节(9)另一端的外壁与涡轮节外筒(5)的内壁螺纹连接，所述喷射短节(9)侧壁安装有喷嘴(28)。

Images