[发明专利]硬岩定向钻进的涡轮式双弹卡绳索取芯潜孔锤及钻进方法

说明书

本发明涉及一种硬岩定向钻进的涡轮式双弹卡绳索取芯潜孔锤，包括双弹卡绳索机构、涡轮式潜孔锤及取芯内管；所述双弹卡绳索机构位于外管内上部，外管下部末端设有钻头；双弹卡绳索机构通过活接头和轴承连接涡轮式潜孔锤的涡轮一端，涡轮式潜孔锤的另一端通过接头连接内管；所述涡轮包括多个转子，且转子长度小于转轴外圆到外管内壁的距离，转子在外管轴线方向交错、间隔设置，转子在外管的横截面方向间隔设置以此来形成气流通道；气流通过气流通道时对转子施加的力量会带动转子转动，进而带动转轴和气动潜孔锤及取芯内管旋转；还包括一种钻进方法。本发明能提高取芯内管的工作可靠性，避免了现有钻具由钻杆提供扭矩产生的钻具断裂和撞击等现象。

技术领域

本发明属于勘探设备技术领域，是山岭隧道勘探、海底隧道勘察专用设备，特别涉及一种硬岩定向钻进的涡轮式双弹卡绳索取芯潜孔锤及钻进方法。

背景技术

水平定向钻探技术可弥补常规竖向钻孔一孔之见的不足，很好解决艰险山区和海底隧道工程地质勘察问题，可通过调整勘探取芯孔的钻孔轨迹，提高单孔辐射区域。施工长距离水平钻井可以解决在一个施工地点代替多个垂直钻孔施工所能达到的效果，且水平井的轨迹沿隧道走向，确保了钻探勘察资料的翔实性，更能真实反映该隧道内的地质情况，为隧道设计、施工提供详细的地质资料。如海底隧道通过在沿线岛屿上布置定向地质钻探设备，钻进到隧道洞身附近后调整钻进方向，沿隧道走向进行长距离水平地质钻探，从而查清海峡通道海底隧道洞身段围岩情况。定向钻进隧道孔勘察，遇到以下地层则难以施工:①第四系地层中的非胶结卵砾层和漂砾；②各类未风化和微至中风化的岩层。

隧道勘察定向钻进的轨迹是由曲线-直线-曲线组成的，岩石的硬度较高，塑性变形很小甚至微乎其微，钻杆在弯曲钻孔内推拉与回转时承受着弯曲疲劳载荷，并且承受钻头碎岩、钻具与硬岩孔壁摩擦产生的振动和冲击载荷。水平定向钻杆在三维空间中承受着复杂交变的压、拉、扭、弯曲、振动等荷载，加上磨损腐蚀等作用在经过一段时间后会在钻杆应力集中部位折断。

为了得到真实可靠的岩芯，绳索取芯钻具由于避免了频繁的提钻，在深孔地质勘探钻进中发挥了巨大的作用，具有较高的钻进速度和良好的经济性，但常规绳索取芯钻具由钻杆提供钻头所需钻压和扭矩，在钻探过程中，易出现内管钻具卡滞，导致无法打捞，强力打捞易导致打捞钢丝绳在钻杆内或钻杆外断裂，极大影响钻探效率，且需要对钻具进行纠偏控向工作，从而大幅降低了勘察效率；另一方面，在水平钻探时钻井液容易流失，导致卡钻、烧钻、密封快速磨损，容易冲散并污染岩芯，影响取芯率和岩性判断，在缺水山岭隧道地区，钻井液配置困难，成本高。

针对定向钻进技术难题，各国都投入了大量精力和财力进行研究与应用，取得了一定的成果和应用效果。目前在定向钻进方面常用的技术手段有以下几种：①利用孔底泥浆马达，增加相应的泥浆制备、循环和净化设备，配置有较大能力的泥浆泵和内通径较大的钻杆，但这样会造成现场花费较多的资金用于泥浆材料的消耗及废泥浆处置，而且整套设备占用场地较大，成本高，寿命短，造斜半径大；②采用双管钻进与普通偏心钻头，双管钻进需要专用同心式双输出轴的钻机，钻机造价高昂，钻杆磨损严重，碎岩效率极低；③采用干式作业岩石钻进系统，该法采用空气作循环介质，气动潜孔锤作为主要碎岩动力，其主要特点是采用压缩空气作动力，化学污染小，环保优势强，破岩效率最高；由于用空气作冲洗介质，该方法比泥浆护壁钻进节省费用25％左右，但定向困难，易锤头冲击时卡死。

综上所述，需设计一套钻具能够利用气动潜孔锤较高的碎岩优势进行定向钻进，又不能使潜孔锤锤头憋死，还能避免钻杆的疲劳损坏，提高钻杆的使用寿命。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题提供一种硬岩定向钻进的涡轮式双弹卡绳索取芯潜孔锤及钻进方法，能大幅度提高绳索取芯内管总成工作可靠性，有利于提高钻进效率，具有防空打功能，有效的避免了一些孔内事故的发生，利于深孔和超深孔的钻进。

本发明包括如下技术方案：