CN103061667A - 一种水锤式钻井机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于打井、打桩技术领域,尤其涉及一种钻井设备,具体的说,是一种水锤式钻井机。本发明的目的是提供一种噪声比较低,在土质松软,地质条件不很复杂的地区使用时,效果明显,能源利用率高,能够钻倾斜井的钻井机。本发明通过水泵从外流管道抽水,向水锤管道供水。当水锤管道内的水流达到一定速度时,阀门关闭,产生一次水锤冲击,水流的动量转化为整个钻井机的动量,打击一次土层。此后,阀门板又在阀门板启动器的作用下开启,水流再次流动,经分流空腔分流后,进入到外流管道,送回水泵出水口,完成一次循环。方向控制仪控制钻井机的钻进方向。本发明主要在对噪声控制比较严格,土质松软,地质条件不很复杂的地区进行钻井作业。
Description
技术领域:
本发明属于打井、打桩技术领域,尤其涉及一种钻井设备,具体的说,是一种水锤式钻井机。
技术背景:
目前工程实践中,常用的钻井机基本可分为冲击式、液压式钻井机。冲击式钻井机能源利用率低,噪声大,在城市施工中,对周围居民影响比较大,不适合在对噪声要求比较高的地区使用。液压式钻井机噪音小,但能耗高,结构复杂,生产费、施工费高,在土质松软,地质条件不很复杂的地区使用时,会浪费能源,增加建设成本。两种钻井机应用于倾斜井时,效果都不明显。
发明内容:
本发明的目的是提供一种噪声比较低,在土质松软,地质条件不很复杂的地区使用时,效果明显,能源利用率高,能够钻倾斜井的钻井机。
该发明主要由1数控机箱,2电缆线,3拉环,4注水排气孔,5顶部负压空气隔膜,6方向控制仪,7水泵,8法兰,9中部正压空气隔膜,10阀门板启动器,11外壳,12水锤管道壁,13水锤管道,14外流管道,15阀门板固定架,16阀门板,17阀门底座,18底部负压空气隔膜,19分流空腔,20钻头组成。
本发明的构思是:与现有打井机不同,本发明用7水泵作为动力来源,带动水流循环。第一步:16阀门板在10阀门板启动器控制下开启,当13水锤管道内的水流达到一定速度时,16阀门板关闭至17阀门底座上,产生一次水锤冲击,水流的动量转化为整个钻井机的动量,打击一次土层;第二步:16阀门板再次开启,水流开始流动,流经19分流空腔分流后,进入到14外流管道,送回73水泵出水口,完成一次循环。整个过程中,5顶部负压空气隔膜、9中部正压空气隔膜、18底部负压阀门隔膜,调节钻井机内部气压平衡,促进水流循环,防止16阀门板关闭时,水流对7水泵的损坏。6方向控制仪在钻井机尾部外侧,共八个,分上下两排交错布置。每个6方向控制仪都能够在1数控机箱的控制下,单独动作,挤压井壁,控制整个钻机的姿态。1数控机箱控制钻井机内所有动力元件的动作,1数控机箱在地面,由人工控制,用 2电缆线连接至钻井机。
本发明钻井机主要的噪声来源有7水泵,16阀门板和17阀门底座关闭时。本钻井机噪音比较低原理有以下几点:
一、由于5顶部负压空气隔膜为柔性介质,包括有空气,程空气囊状,并围绕71水泵电动机一周。柔性介质有吸收噪音的作用,7水泵产生的噪声传递到5顶部负压空气隔膜时,部分被吸收,部分被反射回去,逐渐消耗,具有良好减弱噪声的作用。
二、16阀门板和17阀门底座关闭时产生的噪音的传递途径主要有:1、通过水沿13水锤管道向上传递;2、通过水向下传递;3、通过固体沿17阀门底座传递。第1种途径中,噪声传到9中部正压空气隔膜时,部分被吸收,部分被反射,逐渐削弱,部分继续传递到7水泵,再次被5顶部负压空气隔膜削弱。第2种途径中,噪声传递到18底部负压阀门隔膜时,部分被吸收,部分被反射,逐渐削弱。第3种途径中,经固体向上的传播的声波也会在8法兰里面的法兰垫出得到削弱,经固体向下的传播的声波则会传递到地层中。
三、两处噪声主要发源地,都浸在水中,外层又有外壳。声波在固液气三相交界面上相互反射、吸收,声波将会得到极大削弱。
四、传统钻井机不仅有钻头冲击地层产生的噪声,地面的辅助设备也会产生极大的噪声,如柴油机等。并且地面的辅助设备产生的噪声直接通过空气传播,传播过程中的削弱效果不明显,对周围的居民的影响更大。
本发明的结构不复杂,运动部件少,机械零部件之间的摩擦相对较少,水流流动产生的能量损失远没有机械摩擦产生的能量损失多。传统钻井机结构复杂,运动部件多,机械零部件之间的摩擦相对比较大。因此本发明的能源利用率相对为高。传统钻井机钻井时,由于与井壁的摩擦面积增大,往往会随着钻进的深度越大,摩擦力越大。本钻机与井壁的摩擦面积不变,不会出现钻进越深,摩擦力也大情况,这又从另一方面节省了能源。
本发明中,6方向控制仪的伸展和收缩,可以增大和缩小与井壁的摩擦力,当土质改变而造成钻井机倾斜时,可以通过调节对应方向的6方向控制仪来调节钻井机到竖直状态。若由于工程需要而需开采有一定倾斜角的井时,可以通过强制八个6方向控制仪的各自伸展状态,来实现钻倾斜井的目的。
该钻机由于采取上述机构,具有一下优点:
1、在土质松软,地质条件不很复杂的地区使用时,打击的作用明显,能够满足工程需要。
2、噪声比较低,适合在对噪声控制比较高的地区施工。
3、既能够钻出竖直井,也能够钻出倾斜井,开拓了钻机的使用范围。
4、能源利用率高,节省能量,符合国家节能减排的政策,也减少工程的建设费用。
6、结构简单,需要的辅助设备少,生产制造成本低,便于机动运输。
7、不同直径的钻机可以对应钻出不同直径的孔洞,能够满足实际工程需求。
附图说明:
图1、本发明整体剖面图(阀门开启状态,)
图2、本发明阀门关闭状态剖面图
图3、本发明下部剖面图
图4、本发明上部剖面图(方向控制仪其中一个完全收缩)
图5、本发明上部剖面图A-A平面图
图6、本发明方向控制仪立体图
图7、本发明阀门板立体图
图8、本发明阀门启动器立体图
图9、本发明分流空腔立体图
其中1数控机箱,2电缆线,3拉环,4注水排气孔,5顶部负压空气隔膜,6方向控制仪,7水泵,8法兰,9中部正压空气隔膜,10阀门板启动器,11外壳,12水锤管道壁,13水锤管道,14外流管道,15阀门板固定架,16阀门板,17阀门底座,18底部负压空气隔膜,19分流空腔,20钻头。
具体实施方式:
如图1所示,1数控机箱在地面,用2电缆线连接钻井机,向钻井机提高电源,由地面人工控制,控制6方向控制仪的动作,控制7水泵的运行及运行转速,控制10阀门板启动器的转速。
如图2所示,16阀门板在17阀门底座之上,能够通过16阀门板的上下移动实现13水锤管道内水流通道的闭合或开启。16阀门板为圆盘,其表面是凸面锥台;17阀门底座为圆环,其表面为凹面锥台,当16阀门板与17阀门 底座闭合时,两者之间没有空隙,17阀门底座有八个支脚,呈正八边形分布,焊接在20钻头的同心圆上。
如图3所示,11外壳与20钻头通过螺纹连接,12水锤管道壁与17阀门底座通过螺纹连接,17阀门底座与20钻头通过焊接连接。11外壳、20钻头、12水锤管道壁、17阀门底座的圆心都在钻井机的中轴线上,这样方便钻井机的组装与零部件的维修更换。
如图4所示,3拉环焊接在钻井机11外壳上,方便钻井机从井内拉出。钻井机组装完成后,由4注水孔向钻井机内部注水,排除钻井机内部的空气,注水完成后,封闭注水孔。7水泵由QY型潜水泵改装而成,用8法兰连接到12水锤管道壁上,由72水泵吸水口吸水,从73水泵出水口出水,73水泵出水口向下。因7水泵的抽吸,钻井机上部空间可能会产生负压,这部分负压由5顶部负压空气隔膜补给,5顶部负压空气隔膜呈囊状,包括在71水泵电动机周围。9中部正压空气隔膜,在73水泵出水口与12水锤管道壁之间,调节因7水泵出水造成的正压。
如图4、5、6所示,6方向控制仪,由61液压启动杆、62方向控制板、63方向控制仪底座组成,61液压启动杆铰接在63方向控制仪底座上,62方向控制板铰接在11外壳上,61液压启动杆与62方向控制板亦采用铰接的方式连接,6方向控制仪共有八个分两层布置,八个叠加环钻井机一周,四个在上层,四个在下层,每层均匀布置,两层交错布置,每个6方向控制仪单独控制,起到调节钻井机姿态,控制钻进方向的作用。如图4所示,在钻井机拉出井底前,6方向控制仪全部收缩至竖直状态,防止6方向控制仪成倒钩刺状破坏井壁。
如图2、3、7所示,15阀门板固定架由上下两层151固定支架、152限位环、153拉杆组成。151固定支架每层四根,均匀分布,固定152限位环,153拉环在152限位环内上下运动,这样就能保证阀门准确的到达阀门底座,提高阀门关闭时的密封性。
如图2、8所示,10阀门板启动器由101微型电机、102搅动杆、103曲棍、104细绳、105小铁环组成。101微型电机由1数控机箱控制其启动和转速。103曲棍两端卡在12水锤管道壁和101微型电机的固定槽中,能够绕103曲棍水平段中心轴线自由转动。102搅动杆套在103曲棍靠近101微型电机端的同心圆空腔中,102搅动杆与101微型电机直接相连,102搅动杆在101微型电机带动下匀速转动。104细绳的上端接连105小铁环,105小铁环套在103曲棍的转动半径最大处,105小铁环可以环绕103曲棍转动,在103曲棍与105小铁环接触处两侧有两个卡位挡板。这样就能在阀门板启 动器开始启动时,103曲棍半径最大处在最下面,102搅动杆转动到最低处时与103曲棍接触,带动103曲棍向上转动,转动过最高位置后,103曲棍由于重力自由下落至最低位置,104细绳、153限位杆、16阀门板自由下落,关闭水流通道,102搅动杆继续匀速转动,再次转动到最低处带动103曲棍转动完成一个循环的。这样的启动方法能够充分发挥10阀门板的重力势能,使阀门关闭更加迅速,充分发挥水流动量的作用。
如图9所示,19分流空腔是17阀门底座和20钻头中间的空间,里面有18底部空气隔膜。18底部空气隔膜由181中部空气隔膜支架和182空气隔膜组成,调节底部因16阀门板关闭造成的负压。17阀门底座有八个支脚,呈正八边形分布,焊接在20钻头上。这样就能减少水流的水力损失,节约能源。
钻井机启动前,先从4注水排气孔注满水,排出空气,封闭4注水口。钻井机启动时,先打开16阀门板,然后7水泵运作。水流从14外流管道72水泵吸水口处吸水,送到73水泵出水口,水流进入13水锤管道向下流动,流过17阀门底座后到达19分流空腔,经过分流空腔分流后到达14外流管道并向上流动。16阀门板关闭时,13水锤管道内水流停止,13水锤管道流动的水释放能量,水流的动量转化为整个钻井机的动量,打击一次土层,14外流管道内的水继续向上流动,造成的负压由18底部空气隔膜补给。
随着16阀门板开启的时间增加,13水锤管道内的水流速度也会逐渐增加,16阀门关闭时产生的冲击力也会越大。若16阀门板开启的时间足够长,13水锤管道内的水流速度增加到一定程度就基本不发生变化,这不是我们想要的结果,因此,16阀门板需要在13水锤管道内水流达到一定速度后就关闭。最经济的16阀门板开启时间,根据钻井机尺寸,钻进的土质的不同而不同。
13水锤管道内部的水流的动量向下,14外流管道内部的水流动量向上,16阀门板关闭后,为了防止两者的动量抵消,需要18底部负压空气隔膜膨胀,填补因14外流管道内水流的流动而造成的负压,由于18底部负压空气隔膜的调节,14外流管道内水流的动量损失会很少,不影响钻井机的工作。钻井机运行时,其内部的水流水压的动平衡由5顶部负压空气隔膜、9中部正压空气隔膜、18底部负压阀门隔膜以及7水泵运行转速的改变联合控制完成,7水泵运行转速的改变由数控机箱里的变频器控制。当钻井机因地质条件等原因钻进方向跑偏时,可以通过对应方向的6方向控制仪调节方向。
Claims (9)
1.一种水锤式钻井机,包括1数控机箱、2电缆线、3拉环、4注水排气孔、5顶部负压空气隔膜、6方向控制仪、7水泵、8法兰、9中部正压空气隔膜、10阀门板启动器、11外壳、12水锤管道壁、13水锤管道、14外流管道、15阀门板固定架、16阀门板、17阀门底座、18底部负压空气隔膜、19分流空腔、20钻头、21连接螺栓,其特征在于:利用16阀门板与17阀门底座的闭合,将13水锤管道内的水流的动量转化为整个钻机的动量,将钻井机打进土层里面,7水泵提供水流的动力,5顶部负压空气隔膜、9中部正压空气隔膜、18底部负压空气隔膜调节钻机内部的压强变化,每个6方向控制仪单独动作,调节钻井机姿态,控制钻井机钻进方向。
2.根据权利要求1所述的水锤式钻井机,其特征在于:16阀门板在17阀门底座之上,能够通过16阀门板的上下移动实现13水锤管道内水流通道的闭合或开启。
3.根据权利要求1或2所述的水锤式钻井机,其特征在于:16阀门板为圆盘,其表面是凸面锥台;17阀门底座为圆环,其表面为凹面锥台,当16阀门板与17阀门底座闭合时,两者之间没有空隙,17阀门底座有八个支脚,呈正八边形分布,焊接在20钻头的同心圆上。
4.根据权利要求1或2所述的水锤式钻井机,其特征在于:16阀门板上连接153限位杆,153限位杆限制在上下两个152限位环之中,上下两个152限位环分别被上下两层151固定支架固定,151固定支架每层三根,均匀分布固定在12水锤管道壁上,153限位杆上接104细绳。
5.根据权利要求1或2或4所述的水锤式钻井机,其特征在于:10阀门板启动器由101微型电机、102搅动杆、103曲棍、104细绳组成,101微型电机由1数控机箱控制其启动和转速,103曲棍两端卡在12水锤管道壁和101微型电机的固定槽中,能够绕103曲棍水平段中心轴线自由转动,102搅动杆套在103曲棍靠近101微型电机端的同心圆空腔中,102搅动杆与101微型电机直接相连,102搅动杆在101微型电机带动下匀速转动,104细绳的上端接连105小铁环,105小铁环套在103曲棍的转动半径最大处,105小铁环可以环绕103曲棍转动,在103曲棍与105小铁环接触处两侧有两个卡位挡板。
6.根据权利要求1或2或4或5所述的水锤式钻井机,其特征在于:开始启动时,103曲棍半径最大处在最下面,102搅动杆转动到最低处时与103曲棍接触,带动103曲棍向上转动,转动过最高位置后,103曲棍由于重力自由下落至最低位置,104细绳、153限位杆、16阀门板自由下落,关闭水流通道,102搅动杆继续匀速转动,再次转动到最低处带动103曲棍转动完成一个循环的启动方法。
7.根据权利要求1所述的水锤式钻井机,其特征在于:7水泵用8法兰连接到12水锤管道壁上,7水泵的运行及运行转速被1数控机箱控制控制,73水泵出水口向下,73水泵出水口与12水锤管道壁之间有9中部正压空气隔膜,5顶部负压空气隔膜呈囊状,包括在71水泵电动机周围,18底部负压空气隔膜与20钻头相连,由181中部空气隔膜支架支撑,19分流空腔为17阀门底座和18底部负压空气隔膜之间的中空部分,程光滑曲线设计。
8.根据权利要求1所述的水锤式钻井机,其特征在于:6方向控制仪由61液压启动杆、62方向控制板、63方向控制仪底座组成,61液压启动杆铰接在63方向控制仪底座上,62方向控制板铰接在11外壳上,61液压启动杆与62方向控制板亦采用铰接的方式连接,6方向控制仪共有八个,分两层布置,八个叠加环钻井机一周,四个在上层,四个在下层,每层均匀布置,两层交错布置,每个6方向控制仪单独被1数控机箱控制。
9.根据权利要求1所述的水锤式钻井机,其特征在于:3拉环为弧形圆环,焊接在钻井机的最上部的正中央,4注水排气孔用带螺纹的圆盖封闭,位于外壳的最上部的正中央,11外壳与20钻头通过螺纹连接,12水锤管道壁与17阀门底座通过螺纹连接,11外壳、20钻头、12水锤管道壁、17阀门底座的圆心都在钻井机的中轴线上。
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