CN217080399U - 防突涌水辅助钻井机构及安全起钻与封堵装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及钻井设备技术领域，公开了防突涌水辅助钻井机构及安全起钻与封堵装置。辅助钻井机构，包括涌水隔离器和灌浆封闭器；涌水隔离器包括提供工作通道的隔离器筒体和用于及时切断工作通道的阻挡机构；灌浆封闭器包括封闭器筒体、活动盖板、弹性胶塞和端盖，端盖可拆卸设置于封闭器筒体的一端，弹性胶塞卡设于封闭器筒体内靠近端盖的位置，活动盖板设置于封闭器筒体内位于弹性胶塞远离端盖的一侧，弹性胶塞和端盖同轴设置，装置使用过程中，钻井遇涌水时，活动盖板在水流压力下向靠近端盖的方向移动并自动挤压弹性胶塞实现密封。钻遇突涌水安全起钻与封堵装置，包括上述的辅助钻井机构。上述装置可防止突涌水给钻井施工带来的安全隐患与损失。

Description

防突涌水辅助钻井机构及安全起钻与封堵装置

技术领域

本实用新型涉及钻井设备技术领域，具体而言，涉及富水地层钻井用防突涌水辅助钻井机构及安全起钻与封堵装置。

背景技术

在水利水电、铁路公路的深埋地下洞室、深埋长隧道开挖过程中，常会遇见富水承压地层、岩溶洞段，面临围岩突泥涌水，严重时淹没掌子面施工洞段，给施工人员生命和财产安全带来严重隐患，使得掘进多受阻严重，有的甚至影响全线贯通工期。为此，在可能的富水地层掘进开挖前，通常在掌子面附近采用水平向超前钻孔预注浆方式进行堵水和引排处治。当超前钻孔钻穿富水区时，大量的压力水(涌水压力有时高达5MPa甚至更高)将从钻孔孔口突涌出，给施工安全和财产安全带来不利影响。鉴于此，富水地层钻进时迫切需要采取安全起钻的措施以及起钻后能安全地安装注浆管进行灌浆堵水的措施。

鉴于此，特提出本申请。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种防突涌水辅助钻井机构及安全起钻与封堵装置，其能够防止突涌水给钻井施工带来的安全隐患与损失。

本实用新型的实施例是这样实现的：

第一方面，本实用新型提供一种防突涌水辅助钻井机构，包括涌水隔离器和灌浆封闭器；

涌水隔离器包括提供工作通道的隔离器筒体和设置于隔离器筒体上用于及时切断工作通道的阻挡机构；

灌浆封闭器包括封闭器筒体、活动盖板、弹性胶塞和端盖，端盖可拆卸设置于封闭器筒体的一端，弹性胶塞卡设于封闭器筒体内靠近端盖的位置，活动盖板设置于封闭器筒体内位于弹性胶塞远离端盖的一侧，弹性胶塞和端盖同轴设置，活动盖板、弹性胶塞和端盖的中心位置均设置有供钻杆穿过的通孔，装置使用过程中，钻井遇涌水时，活动盖板在水流压力下向靠近端盖的方向移动并自动挤压弹性胶塞实现密封；

隔离器筒体与封闭器筒体远离端盖的一端可拆卸连接。

在可选的实施方式中，活动盖板按照在垂直于封闭器筒体长度的方向上被限位、在平行于封闭器筒体长度的方向上活动的方式设置于封闭器筒体内靠近弹性胶塞的位置。

在可选的实施方式中，灌浆封闭器还包括卡件，卡件设置于封闭器筒体内远离涌水隔离器的位置，弹性胶塞被卡设于卡件内；

活动盖板的边缘设置有供限位螺栓低摩擦或无摩擦穿过的多个限位孔，卡件靠近涌水隔离器的一端设置有与限位孔一一对应的多个螺孔，通过使限位螺栓穿过限位孔旋拧至对应的螺孔内实现活动盖板的设置，活动盖板与卡件之间存在活动间隙，活动盖板远离涌水隔离器的一侧穿过卡件朝靠近弹性胶塞的方向凸起。

在可选的实施方式中，隔离器筒体内靠近灌浆封闭器的一端设置有用于阻挡活动盖板的挡环。

在可选的实施方式中，阻挡机构包括隔离滑板、设置于隔离器筒体的一侧的水压仓、设置于隔离器筒体的另一侧与水压仓对应的配合仓，以及穿过配合仓用于推动隔离滑板的推件，水压仓以及配合仓均与工作通道连通；

水压仓连接有水压泵，水压仓内设置有密封件，密封件与水压仓的仓壁围成水压空间，水压空间与水压泵连通；

隔离滑板滑动位于配合仓到密封件之间的这个区域内。

在可选的实施方式中，配合仓靠近工作通道处的仓壁设置有第一密封胶环，水压仓靠近工作通道处的仓壁设置有第二密封胶环。

在可选的实施方式中，推件包括轮盘、螺杆以及推板，轮盘位于配合仓外与螺杆的一端连接，推板位于配合仓与工作通道构成的空间内，螺杆远离轮盘的一端与推板连接。

在可选的实施方式中，封闭器筒体与隔离器筒体法兰连接。

第二方面，本实用新型提供钻遇突涌水安全起钻与封堵装置，包括如前述实施方式任一项的防突涌水辅助钻井机构、与隔离器筒体连接的孔口管、工作时穿过防突涌水辅助钻井机构伸入孔口管内的钻杆、与钻杆连接的钻头以及与钻杆连接的顶驱动力头。

在可选的实施方式中，孔口管与隔离器筒体法兰连接。

本实用新型实施例的有益效果是：

本申请提供的装置，由于灌浆封闭器的遇涌水自动密封的这种具体设置，在钻井中遇到突涌水时，使得活动盖板在水流压力作用下能够自动对弹性胶塞施加压力，从而使弹性胶塞和钻杆以及端盖之间的密封性更好，可有效防止承压水涌出；而具有此密封特点的灌浆封闭器配合涌水隔离器，可较远地安全实现暂时隔断涌水，便于安全地将钻井工具退出井孔并更换为注浆工具进行注浆堵水，之后亦能安全地再将注浆工具退出井孔，整个更换过程操作简单方便、安全，在起钻、注浆管进入以及注浆管注浆过程中能够防止突涌水给施工工作带来安全隐患与损失。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的防突涌水辅助钻井机构在未切断工作通道时的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的防突涌水辅助钻井机构在切断工作通道时的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的钻遇突涌水安全起钻与封堵装置在三个不同施工阶段的结构示意图。

图标:100-防突涌水辅助钻井机构；110-涌水隔离器；111-隔离滑板；112-水压仓；113-配合仓；114-推件；114a-轮盘；114b-螺杆；114c-推板；115-密封件；116-水压空间；118-水压泵；120-隔离器筒体；121-第一密封胶环；122-第二密封胶环；123-挡环；124-工作通道；130-灌浆封闭器；131-封闭器筒体；132-活动盖板；133-弹性胶塞；134-端盖；135-卡件；136-限位螺栓；137-活动间隙；11-孔口管；12-钻杆；13-钻头；14-顶驱动力头；15-注浆管。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供了一种防突涌水辅助钻井机构100，包括涌水隔离器110和灌浆封闭器130。

涌水隔离器110包括提供工作通道124的隔离器筒体120和设置于隔离器筒体120上用于及时切断工作通道124的阻挡机构。

灌浆封闭器130包括封闭器筒体131、活动盖板132、弹性胶塞133和端盖134，端盖134可拆卸设置于封闭器筒体131的一端，弹性胶塞133卡设于封闭器筒体131内靠近端盖134的位置，活动盖板132设置于封闭器筒体131内位于弹性胶塞133远离端盖134的一侧，弹性胶塞133和端盖134同轴设置，活动盖板132、弹性胶塞133和端盖134的中心位置均设置有供钻杆12穿过的通孔，装置使用过程中，钻井遇涌水时，活动盖板132受水流压力在钻杆12上向靠近端盖134的方向移动并自动挤压弹性胶塞133实现密封。

隔离器筒体120与封闭器筒体131远离端盖134的一端可拆卸连接。

如图3所示，本申请实施例还提供了钻遇突涌水安全起钻与封堵装置，其包括本申请实施例提供的防突涌水辅助钻井机构100、与隔离器筒体120连接的孔口管11、工作时穿过防突涌水辅助钻井机构100伸入孔口管11内的钻杆12、与钻杆12连接的钻头13以及与钻杆12连接的顶驱动力头14。

本申请提供的防突涌水辅助钻井机构100、钻遇突涌水安全起钻与封堵装置的使用方法为：

请参照图3并结合图1和2所示，图3中第一幅图为钻井过程装置的工作状态示意图；第二幅图为钻遇突涌水后启动阻挡机构切断工作通道124的工作状态示意图；第三幅图为更换好注浆管15后进行注浆的工作状态示意图。

在地下洞室、长隧道等地下洞室富水区段开挖前进行灌浆堵水施工时，采用能高效凿孔的顶驱动力头14钻机的顶驱动力头14带动钻杆12、钻头13在地下洞室、隧道掌子面沿洞线向前水平向开孔钻进，在孔口段地层镶嵌1.5m～4.0m长孔口管11。

使钻杆12依次穿过端盖134、弹性胶塞133和活动盖板132，然后在钻杆12端部安装好钻头13；将隔离器筒体120、封闭器筒体131以及孔口管11依次采用法兰连接，安装好后钻头13向深处钻井，当遇到承压水时，承压水会沿着钻开的通道向外涌，外涌时承压水推动活动盖板132，使活动盖板132自动挤压弹性胶塞133，弹性胶塞133受到挤压产生形变使得其与钻杆12以及端盖134之间的密封性进一步增加，可有效避免承压水涌出；此时退出钻杆12至钻头13回到灌浆封闭器130内时，控制阻挡机构切断工作通道124将承压水阻挡在通道内，然后拆卸下灌浆封闭器130，进一步拆卸下钻头13，退出钻杆12；钻杆12退出后换上注浆管15，使注浆管15依次穿过端盖134、弹性胶塞133以及活动盖板132，重新将灌浆封闭器130与涌水隔离器110连接，控制阻挡机构解除对工作通道124的切断，使注浆管15穿过工作通道124伸入至距富水地层0.5m左右，用高压三缸注浆泵和螺杆注浆泵注入抗动水分散浆液、水泥-水玻璃浆液、水泥浆液等灌浆材料，进行地层出水的封堵。

本申请提供的装置，由于灌浆封闭器130的遇涌水自动密封的这种具体设置，在钻井中遇到突涌水时，使得活动盖板132在水流压力作用下能够自动对弹性胶塞133施加压力，从而使弹性胶塞133和钻杆12以及端盖134之间的密封性更好，可有效防止承压水涌出；而具有此密封特点的灌浆封闭器130配合涌水隔离器110，可较远地安全实现暂时隔断涌水，便于安全地将钻井工具退出井孔并更换为注浆工具进行注浆堵水，之后亦能安全地再将注浆工具退出井孔，整个更换过程操作简单方便、安全，在起钻、注浆管15进入以及注浆管15注浆过程中能够防止突涌水给施工工作带来安全隐患与损失。

下面对本申请提供的防突涌水辅助钻井机构100进行更具体描述。

端盖134通过螺栓与封闭器筒体131连接，以便于实现弹性胶塞133的压紧或松开。

为便于钻杆12和注浆管15穿过灌浆封闭器130，需要将活动盖板132以限位的方式安装在隔离器筒体120内部。限位方式为：活动盖板132按照在垂直于封闭器筒体131长度的方向上(即图示纵向上)被限位、在平行于封闭器筒体131长度的方向上(即图示横向上)活动的方式设置于封闭器筒体131内靠近弹性胶塞133的位置。如此设置可保证活动盖板132与弹性橡胶以及端盖134同轴，便于钻杆12和注浆管15穿过，又能保证活动盖板132在平行于隔离器筒体120的长度方向上可移动，实现对弹性胶塞133的挤压或解除挤压。

进一步地，实现上述限位方式的更具体设置为：灌浆封闭器130还包括卡件135，卡件135设置于封闭器筒体131内远离涌水隔离器110的位置，弹性胶塞133被卡设于卡件135内。弹性胶塞133被卡于卡件135内可避免其受力时发生位移。活动盖板132的边缘设置有供限位螺栓136低摩擦或无摩擦穿过的多个限位孔，卡件135靠近涌水隔离器110的一端设置有与限位孔一一对应的多个螺孔，通过使限位螺栓136穿过限位孔旋拧至对应的螺孔内实现活动盖板132的设置，活动盖板132与卡件135之间存在活动间隙137，活动盖板132远离涌水隔离器110的一侧穿过卡件135朝靠近弹性胶塞133的方向凸起。

当钻遇突涌水时，水流推动活动盖板132朝向端盖134的方向移动，当活动盖板132凸起的一侧与弹性胶塞133接触后，在水压作用下活动盖板132自动开始对弹性胶塞133进行挤压，弹性胶塞133受到挤压产生变形使得其与卡件135之间、与钻杆12之间以及与端盖134之间的接触更加紧密从而实现更好的密封效果，可有效防止承压水涌出。同样地，在换上注浆管15，打开阻挡机构使工作通道124的切断解除后，也能通过上述作用实现密封，避免注浆过程中承压水涌出。

进一步地，隔离器筒体120内靠近灌浆封闭器130的一端设置有用于阻挡活动盖板132的挡环123。

由于限位螺栓136只是将活动盖板132限位设置于隔离器筒体120内，其相对于卡件135并未拧紧，为避免因限位螺栓136脱落造成活动盖板132进入涌水隔离器110、甚至进入开设的钻井通道中，设置挡环123将活动盖板132阻挡在封闭器筒体131内。

进一步地，阻挡机构包括隔离滑板111、设置于隔离器筒体120的一侧的水压仓112、设置于隔离器筒体120的另一侧与水压仓112对应的配合仓113，以及穿过配合仓113用于推动隔离滑板111的推件114，水压仓112以及配合仓113均与工作通道124连通。水压仓112连接有水压泵118，水压仓112内设置有密封件115，密封件115与水压仓112的仓壁围成水压空间116，水压空间116与水压泵118连通。隔离滑板111滑动位于配合仓113到密封件115之间的这个区域内。

钻井动作进行时，隔离滑板111位于水压仓112内，工作通道124畅通，当遇突涌水时，可较远地启动水压泵118向水压空间116内输水，水压空间116变大推动隔离滑板111滑动，隔离滑板111经工作通道124最终其远离水压空间116的一端嵌入配合仓113内，另一端仍留在水压仓112内，安全地实现工作通道124的切断进而实现承压水的阻隔。当需要解除工作通道124的切断时，控制推件114将隔离滑板111推出配合仓113回到水压仓112，实现切断解除。

优选地，上述推件114以及水压泵118可以与控制器连接，安全地自动化控制水压泵118和推件114的工作。

进一步地，配合仓113靠近工作通道124处的仓壁设置有第一密封胶环121，水压仓112靠近工作通道124处的仓壁设置有第二密封胶环122。

当隔离滑板111滑动至一端嵌入配合仓113内后，其相对两端分别嵌入第一密封胶环121和第二密封胶环122内实现密封。

进一步地，推件114包括轮盘114a、螺杆114b以及推板114c，轮盘114a位于配合仓113外与螺杆114b的一端连接，推板114c位于配合仓113与工作通道124构成的空间内，螺杆114b远离轮盘114a的一端与推板114c连接。

推件114的上述设置可实现转动轮盘114a使螺杆114b转动，实现螺杆114b的进出，从而实现推板114c的移动，进而实现隔离滑板111对工作通道124的切断解除。

进一步地，封闭器筒体131与隔离器筒体120通过法兰连接，隔离器筒体120与孔口管11通过法兰连接，实现装置的安装。法兰连接稳定性好且拆卸方便。

综上所述，本申请实施例提供的防突涌水辅助钻井机构，由于灌浆封闭器的遇涌水自动密封的这种具体设置，在钻井中遇到突涌水时，使得活动盖板在水流压力作用下能够自动对弹性胶塞施加压力，从而使弹性胶塞和钻杆以及端盖之间的密封性更好，可有效防止承压水涌出；而具有此密封特点的灌浆封闭器配合涌水隔离器，可较远地安全实现暂时隔断涌水，便于安全地将钻井工具退出井孔并更换为注浆工具进行注浆堵水，之后亦能安全地再将注浆工具退出井孔，整个更换过程操作简单方便、安全，在起钻、注浆管进入以及注浆过程中能够防止突涌水给施工工作带来安全隐患与损失。

本申请实施例提供的钻遇突涌水安全起钻与封堵装置，由于包括本申请实施例提供的防突涌水辅助钻井机构，因此，该起钻与封堵装置使用方便，实现了钻遇富水地层时可安全封住出水以免涌出，保证了在取出钻头和钻杆时不涌水以及安装注浆管时不涌水。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防突涌水辅助钻井机构，其特征在于，包括涌水隔离器和灌浆封闭器；

所述涌水隔离器包括提供工作通道的隔离器筒体和设置于所述隔离器筒体上用于及时切断所述工作通道的阻挡机构；

所述灌浆封闭器包括封闭器筒体、活动盖板、弹性胶塞和端盖，所述端盖可拆卸设置于所述封闭器筒体的一端，所述弹性胶塞卡设于所述封闭器筒体内靠近所述端盖的位置，所述活动盖板设置于所述封闭器筒体内位于所述弹性胶塞远离所述端盖的一侧，所述弹性胶塞和所述端盖同轴设置，所述活动盖板、所述弹性胶塞和所述端盖的中心位置均设置有供钻杆穿过的通孔，装置使用过程中，钻井遇涌水时，所述活动盖板在水流压力下向靠近所述端盖的方向移动挤压所述弹性胶塞实现密封；

所述隔离器筒体与所述封闭器筒体远离所述端盖的一端可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的防突涌水辅助钻井机构，其特征在于，所述活动盖板按照在垂直于所述封闭器筒体长度的方向上被限位、在平行于所述封闭器筒体长度的方向上活动的方式设置于所述封闭器筒体内靠近所述弹性胶塞的位置。

3.根据权利要求2所述的防突涌水辅助钻井机构，其特征在于，所述灌浆封闭器还包括卡件，所述卡件设置于所述封闭器筒体内远离所述涌水隔离器的位置，所述弹性胶塞被卡设于所述卡件内；

所述活动盖板的边缘设置有供限位螺栓低摩擦或无摩擦穿过的多个限位孔，所述卡件靠近所述涌水隔离器的一端设置有与所述限位孔一一对应的多个螺孔，通过使限位螺栓穿过所述限位孔旋拧至对应的所述螺孔内实现所述活动盖板的设置，所述活动盖板与所述卡件之间存在活动间隙，所述活动盖板远离所述涌水隔离器的一侧穿过所述卡件朝靠近所述弹性胶塞的方向凸起。

4.根据权利要求1所述的防突涌水辅助钻井机构，其特征在于，所述隔离器筒体内靠近所述灌浆封闭器的一端设置有用于阻挡所述活动盖板的挡环。

5.根据权利要求1所述的防突涌水辅助钻井机构，其特征在于，所述阻挡机构包括隔离滑板、设置于所述隔离器筒体的一侧的水压仓、设置于所述隔离器筒体的另一侧与所述水压仓对应的配合仓，以及穿过所述配合仓用于推动所述隔离滑板的推件，所述水压仓以及所述配合仓均与所述工作通道连通；

所述水压仓连接有水压泵，所述水压仓内设置有密封件，所述密封件与所述水压仓的仓壁围成水压空间，所述水压空间与所述水压泵连通；

所述隔离滑板滑动位于所述配合仓到所述密封件之间的这个区域内。

6.根据权利要求5所述的防突涌水辅助钻井机构，其特征在于，所述配合仓靠近所述工作通道处的仓壁设置有第一密封胶环，所述水压仓靠近所述工作通道处的仓壁设置有第二密封胶环。

7.根据权利要求5所述的防突涌水辅助钻井机构，其特征在于，所述推件包括轮盘、螺杆以及推板，所述轮盘位于所述配合仓外与所述螺杆的一端连接，所述推板位于所述配合仓与所述工作通道构成的空间内，所述螺杆远离所述轮盘的一端与所述推板连接。

8.根据权利要求1所述的防突涌水辅助钻井机构，其特征在于，所述封闭器筒体与所述隔离器筒体法兰连接。

9.钻遇突涌水安全起钻与封堵装置，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的防突涌水辅助钻井机构、与所述隔离器筒体连接的孔口管、工作时穿过所述防突涌水辅助钻井机构伸入所述孔口管内的钻杆、与所述钻杆连接的钻头以及与所述钻杆连接的顶驱动力头。

10.根据权利要求9所述的钻遇突涌水安全起钻与封堵装置，其特征在于，所述孔口管与所述隔离器筒体法兰连接。

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