CN115773116B - 一种圆形轨道式钻井设备及钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆形轨道式钻井设备及钻井方法，采用环型轨道运行代替伸缩臂的回转运行，能够大大缩短伸缩臂的跨度。该钻井设备包括：主机、沉井井壁、提吊单元和用于下放沉井井壁的井壁下放单元；主机包括：轨道粱、动力单元、环型轨道和排渣单元；所述轨道粱与所述沉井井壁滑动配合；所述轨道粱下端面设置圆环形的环型轨道；动力单元安装在环型轨道上；动力单元包括：动力头、伸缩臂及钻具；所述动力头能够沿环型轨道移动，所述伸缩臂的固定端与动力头销接，钻具安装在伸缩臂伸缩端的端部；所述伸缩臂能够绕其与动力头销接的销轴摆动；所述排渣单元用于排出钻进后形成的破碎渣土。

Description

一种圆形轨道式钻井设备及钻井方法

技术领域

本发明涉及一种钻井设备，具体涉及一种圆形轨道式钻井设备及钻井方法，属于钻井技术领域。

背景技术

近年来，城市发展迅速，地下空间业务不断发展，从而推动地下空间机械工程装备的发展，特别是钻井技术得到快速发展。

然而，目前已有的钻井技术方案中，其主机大多以单臂回转式为主，该类设备回转中心设置在井的圆心处，挖掘最外侧的土面时需要将臂完全伸出，挖掘圆心的土面时需要将臂缩回。此种方案在钻进大直径井时，对伸缩臂的伸缩行程、强度都要求较高，造成整个主机重量增加，并且回转需要大型回转支撑，结构复杂，密封难度大，将大大增加钻井设备的成本造价。

因此，针对大直径井的施工，如何适应大跨度、长悬臂，并且保持结构轻巧是急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种圆形轨道式钻井设备，采用环型轨道运行代替伸缩臂的回转运行，能够大大缩短伸缩臂的跨度。

本发明的技术方案是：一种圆形轨道式钻井设备，包括：主机、沉井井壁、提吊单元和用于下放沉井井壁的井壁下放单元；

所述主机在所述提吊单元的提吊下，位于所述沉井井壁内部；

所述主机包括：轨道粱、动力单元、环型轨道和排渣单元；所述轨道粱与所述沉井井壁滑动配合；所述轨道粱下端面设置圆环形的环型轨道；动力单元安装在环型轨道上，能够沿环型轨道移动；

所述动力单元包括：动力头、伸缩臂及钻具；所述动力头能够沿环型轨道移动，所述伸缩臂的固定端与动力头销接，钻具安装在伸缩臂伸缩端的端部；所述伸缩臂能够绕其与所述动力头销接的销轴摆动；

所述排渣单元用于排出钻进后形成的破碎渣土。

上述方案的基础上，进一步的，所述钻具为回转式组合刮刀，包括：刀头、刀齿、刀座和刀头动力模块，所述刀头通过销轴与刀座相连，所述刀座与伸缩臂的伸缩端相连；所述刀头能够在刀头动力模块的驱动下绕其与刀座相连的销轴的轴线转动；所述刀头外圆周面上分布有若干宽齿，作为刀齿。

上述方案的基础上，进一步的，所述轨道粱通过沿周向间隔分布的多个大臂与沉井井壁滑动配合。

上述方案的基础上，进一步的，所述大臂的端部设置有矩形开口导向槽，所述沉井井壁内圆周面上与大臂端部导向槽对应的位置设置有导向滑轨，大臂通过导向槽与导向滑轨滑动配合；所述导向滑轨的导向面为弧形面。由此所述导向滑轨包括矩形部和矩形部前端的弧形部，且所述弧形部的直径大于矩形部的宽度，使得所述导向滑轨的矩形部与导向槽之间有间隙；采用弧面接触面，在面对沉井井壁具有一定角度的扭转时仍然能够很好的与大臂贴合。

上述方案的基础上，进一步的，安装有钻具的伸缩臂在环型轨道上进行正反设定角度的运行以覆盖整个钻进断面。

上述方案的基础上，进一步的，所述环型轨道与所述沉井井壁同轴，且所述环型轨道的半径为沉井井壁内径的1/2。

上述方案的基础上，进一步的，每个大臂上均设置有用于和提吊单元相连的提吊点。

上述方案的基础上，进一步的，所述轨道粱为正六边形轨道粱。

上述方案的基础上，进一步的，所述伸缩臂通过伸缩油缸推拉实现伸缩，通过摆动油缸推拉实现摆动。

此外，本发明提供一种圆形轨道式钻井设备的钻井方法，钻井时，将竖井的圆形断面沿环型轨道分为若干幅面，若干幅面实现对圆形断面的全覆盖；通过提吊单元将主机下放至沉井井壁内设定深度位置，启动动力头，使安装有钻具的伸缩臂在环型轨道上运行，每到一个幅面，动力头停止运行并锁紧伸缩臂，所述钻具开始工作，伸缩臂带动钻具内外摆动，完成一个幅面的钻进；

依次完成所有幅面的钻进，从而形成一个完整圆形断面的钻进；

每个圆形断面钻进完成后，利用井壁下放单元下放沉井井壁，然后下放主机，所述主机下放过程中，所述轨道粱与所述沉井井壁滑动配合，对主机下放起导向作用。

有益效果：

（1）本发明的圆形轨道式钻井设备中，主机采用环型轨道运行替代传统的单臂回转运行，将伸缩臂的支点由沉井井壁的圆心改为偏心位置，利用伸缩臂的摆动配合沿环型轨道的移动完成一个完整的断面钻进，能够大大缩短伸缩臂的跨度，由此伸缩臂的长度和强度均可降低；且采用轨道式运行机构，结构简单，能够大大降低生产成本。

（2）本发明的圆形轨道式钻井设备中，钻具采用回转式组合刮刀钻头，钻进后形成块状结构的碎土，能够大幅度减小造浆量，抽排后分离效率高，泥浆量少，大大降低泥浆分离能耗。

（3）本发明的圆形轨道式钻井设备中，设置在沉井井壁的内圆周面上与主机的大臂滑动配合的导向滑轨采用弧形导向面，与常规导向方式不同，常规导向方式一般采用与U形滑槽配合的方形滑轨导向，经过实践发现，方形滑轨在受到井壁扭转偏斜等情况时容易受力卡阻，采用具有弧形导向面的导向滑轨在面对一定角度的扭转时仍然能够很好的与大臂贴合，起到较好的导向作用。

（4）本发明的圆形轨道式钻井设备中，主机在环型轨道上环向正反运行，形成一个完整断面，能够避免伸缩臂沿环型轨道转动过程中，与伸缩臂相连的管线（如排渣管线、液压管线等）过度缠绕，影响整个装置运行的可靠性。

（5）本发明的圆形轨道式钻井设备中，将环型轨道与沉井井壁同轴设置，且环型轨道的半径为沉井井壁内径的1/2，由此能够最优化整个钻井设备的结构布局，最大程度缩短伸缩臂的跨度。

附图说明

图1为本发明的圆形轨道式钻井设备的结构示意图；

图2为本发明中主机与沉井井壁配合结构示意图；

图3为本发明中主机的结构示意图；

图4为动力单元在环型轨道上的安装示意图一；

图5为动力单元在环型轨道上的安装示意图二；

图6为本发明中钻具的结构示意图。

其中：1-主机、2-沉井井壁、3-导向滑轨、4-提吊单元、5-大臂、6-轨道梁、7-动力单元、8-环型轨道、9-动力头、10-伸缩臂、11-钻具、12-刀头、13-刀齿、14-刀座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种圆形轨道式钻井设备，采用环型轨道运行代替主机的回转运行，能够大大缩短伸缩臂的跨度。

如图1和图2所示，该圆形轨道式钻井设备包括：主机1、沉井井壁2、提吊单元4和井壁下放单元（图中未画出）。

如图3-图5所示，主机1包括：大臂5、轨道粱6、动力单元7、环型轨道8和排渣单元（图中未画出）。本例中轨道粱6采用正六边形轨道粱，由六根箱型梁依次首尾相连形成；轨道粱6下端面设置圆环形的环型轨道8；轨道粱6通过沿周向均匀间隔分布的多个大臂5与沉井井壁2滑动配合，具体的：本例中，沿轨道粱6外圆周的周向均匀间隔分布有三个大臂5，三个大臂5分别位于正六边形轨道粱三条边的中间位置；每个大臂5的端部设置有矩形开口导向槽，沉井井壁2内圆周面上与大臂5端部导向槽对应的位置设置有导向滑轨3，大臂5通过导向槽与导向滑轨3滑动配合，对主机1具有导向作用，同时保证主机1钻进过程中晃动小。

动力单元7安装在环型轨道8上，能够沿环型轨道8运动；动力单元7包括：动力头9、伸缩臂10及钻具11；其中动力头9用于带动伸缩臂10沿环型轨道8移动，动力头9作为伸缩臂10的安装座，伸缩臂的固定端与动力头9销接，钻具11安装在伸缩臂伸缩端的端部；动力头9可采用液压马达为动力源，通过驱动行走部件沿环型轨道8移动（比如液压马达驱动滚轮，滚轮作为行走部件与环型轨道8滚动配合，在环型轨道8上运行）；伸缩臂10通过伸缩油缸推拉实现伸缩，通过摆动油缸推拉实现摆动（即绕伸缩臂与动力头9销接的销轴转动），由此可调节钻进深度及钻进直径；具体的：将摆动油缸的缸体端与动力头9上的支耳铰接，活塞端与伸缩臂10外表面的中部铰接，且摆动油缸的轴线与伸缩臂10的轴线呈一定夹角，由此能够通过摆动油缸活塞杆的伸缩推拉伸缩臂10，实现伸缩臂10向内或向外的摆动（这里的内和外指环型轨道8的内侧和外侧）。

为避免安装有钻具11的伸缩臂10沿环型轨道8转动过程中，与伸缩臂10相连的管线（如排渣管线、液压管线等）过度缠绕，影响整个装置运行的可靠性；本例中，动力头9在环型轨道8上进行正反192°的运行，如图5所示，由此完成一个完整的圆形断面的挖掘。

排渣单元通过渣浆泵抽排，吸渣口布置在钻具11附近，以便及时吸出破碎渣土。

优选的，主机1位于沉井井壁2的中心位置，即主机1与沉井井壁2同轴，且在沉井井壁2半径近1/2处设置环型轨道8，即环型轨道8的半径约为沉井井壁2内径的1/2；由此主机1在环型轨道8上环向正反运行，伸缩臂10内外摆动实现一个幅面挖掘，最终形成一个完整的断面。

提吊单元4用于提吊主机1，即提吊单元4采用提吊的方式实现主机1的提升和下放，通过提吊单元4对主机1的提吊能够实现减压钻进。主机1中每个大臂的端部均设置有用于和提吊单元4相连的提吊点，本例中，对应三个大臂5设置三个提吊点，即提吊单元4采用三点提吊的方式实现对主机1的提吊；本例中，提吊单元4为布置在井口的三个绞车，三个绞车分别与三个大臂5的提吊点相连，从而提吊整个主机1。

井壁下放单元用于下放沉井井壁2；在地面上沿沉井井壁2的周向均匀间隔分布两个以上结构相同的井壁下放单元；针对沿海软土地区，增设附加浮力装置减重下沉，实现减少对井壁的提吊力、轻量化井口装备和减小地基承载力的目的。

该圆形轨道式钻井设备的工作原理为：

钻井时，将井的圆形断面沿环型轨道分为若干幅面，通过若干幅面实现对圆形断面的全覆盖；通过提吊单元4将主机1下放至沉井井壁2内设定深度位置，启动动力头9，使安装有钻具11的伸缩臂10在环型轨道8上运行，每到一个幅面，动力头9停止运行并锁紧伸缩臂10（即将伸缩臂10锁定在当前位置），钻具11开始工作，伸缩臂10带动钻具11内外摆动，完成一个幅面的钻进（一个幅面钻进过程中，伸缩臂10适应性伸缩，优化钻进弧面，调整坡度大小），依次完成所有不同幅面的土块钻进，从而形成一个完整的钻进断面；每个断面钻进完成后，利用井壁下放单元下放沉井井壁2，然后下放主机1，主机1下放过程中，通过大臂5与导向滑轨3的滑动配合，对主机1下放起导向作用。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，本实施例给出钻具11的一种具体结构形式。

如图6所示，本例中钻具11采用回转式组合刮刀钻头，包括刀头12、刀齿13、刀座14和液压马达，其中刀头12为回转式刀头，通过销轴与刀座14相连，刀座14与伸缩臂10的伸缩端相连；刀头12能够在液压马达的驱动下绕销轴的轴线转动；刀头12外圆周面上分布有若干具有一定宽度的刀齿13，形成刮刀结构，本方案中，刀齿13的优选宽度为100mm～120mm。

与其他铣挖刀的区别在于，铣挖刀的刀齿太尖，土破碎后成细碎状，与水搅动后全变成泥浆，抽排后分离难度很大，特别是黏土层。本方案采用回转式组合刮刀，土破碎后成50mm左右的块状，大幅度减小造浆量，抽排后分离效率高，泥浆量少，大大降低泥浆分离能耗。

实施例3：

在上述实施例1或实施例2的基础上，本例中，导向滑轨3焊接固定在沉井井壁2的预埋件上，起导向和稳定作用。且导向滑轨3采用弧形接触面滑轨，即导向滑轨3与导向槽相对的面为弧形面，由此所述导向滑轨包括矩形部和矩形部前端的弧形部，且所述弧形部的直径大于矩形部的宽度，使得所述导向滑轨的矩形部与导向槽之间有间隙；如图2所示，采用弧面接触面，在面对沉井井壁2具有一定角度的扭转时仍然能够很好的与大臂5贴合，起到较好的导向作用。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种圆形轨道式钻井设备，其特征在于，包括：主机、沉井井壁、提吊单元和用于下放沉井井壁的井壁下放单元；

所述主机在所述提吊单元的提吊下，位于所述沉井井壁内部；

所述主机包括：轨道粱、动力单元、环型轨道和排渣单元；所述轨道粱与所述沉井井壁滑动配合；所述轨道粱下端面设置圆环形的环型轨道；动力单元安装在环型轨道上，能够沿环型轨道移动；

所述动力单元包括：动力头、伸缩臂及钻具；所述动力头能够沿环型轨道移动，所述伸缩臂的固定端与动力头销接，钻具安装在伸缩臂伸缩端的端部；所述伸缩臂能够绕其与所述动力头销接的销轴摆动；

所述排渣单元用于排出钻进后形成的破碎渣土；

所述钻具为回转式组合刮刀，包括：刀头、刀齿、刀座和刀头动力模块，所述刀头通过销轴与刀座相连，所述刀座与伸缩臂的伸缩端相连；所述刀头能够在刀头动力模块的驱动下绕其与刀座相连的销轴的轴线转动；所述刀头外圆周面上分布有若干宽齿，作为刀齿；

所述轨道粱通过沿周向间隔分布的多个大臂与沉井井壁滑动配合；

所述大臂的端部设置有矩形开口导向槽，所述沉井井壁内圆周面上与大臂端部导向槽对应的位置设置有导向滑轨，大臂通过导向槽与导向滑轨滑动配合；所述导向滑轨的导向面为弧形面；由此所述导向滑轨包括矩形部和矩形部前端的弧形部，且所述弧形部的直径大于矩形部的宽度，使得所述导向滑轨的矩形部与导向槽之间有间隙；采用弧面接触面，在面对沉井井壁具有一定角度的扭转时仍然能够很好的与大臂贴合。

2.如权利要求1所述的圆形轨道式钻井设备，其特征在于，安装有钻具的伸缩臂在环型轨道上进行正反设定角度的运行以覆盖整个钻进断面。

3.如权利要求1所述的圆形轨道式钻井设备，其特征在于，所述环型轨道与所述沉井井壁同轴，且所述环型轨道的半径为沉井井壁内径的1/2。

4.如权利要求1所述的圆形轨道式钻井设备，其特征在于，每个大臂上均设置有用于和提吊单元相连的提吊点。

5.如权利要求1所述的圆形轨道式钻井设备，其特征在于，所述轨道粱为正六边形轨道粱。

6.如权利要求1所述的圆形轨道式钻井设备，其特征在于，所述伸缩臂通过伸缩油缸推拉实现伸缩，通过摆动油缸推拉实现摆动。

7.一种圆形轨道式钻井设备的钻井方法，其特征在于，所述钻井设备为上述权利要求1-6任一项所述的圆形轨道式钻井设备；

钻井时，将竖井的圆形断面沿环型轨道分为若干幅面，若干幅面实现对圆形断面的全覆盖；通过提吊单元将主机下放至沉井井壁内设定深度位置，启动动力头，使安装有钻具的伸缩臂在环型轨道上运行，每到一个幅面，动力头停止运行并锁紧伸缩臂，所述钻具开始工作，伸缩臂带动钻具内外摆动，完成一个幅面的钻进；

依次完成所有幅面的钻进，从而形成一个完整圆形断面的钻进；每个圆形断面钻进完成后，利用井壁下放单元下放沉井井壁，然后下放主机，所述主机下放过程中，所述轨道粱与所述沉井井壁滑动配合，对主机下放起导向作用。

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