CN114016920B - 一种煤矿井下大直径套管下放装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下大直径套管下放装置及方法，包括接头、外管、内管、活塞组件、可变形的胶芯和压盖；接头上设置有中心通孔，接头一端与外管同轴连接，另一端用于连接钻杆；接头外壁上设置有用于支撑套管端部的套管支撑台，套管支撑台的外部轮廓直径大于套管的外径；外管一端开放，另一端内壁上设置有内环形座；内管一端封闭，另一端开放；活塞组件包括活塞筒和弹簧，活塞筒两端的外壁上分别设置有第一外环形座和第二外环形座；采用本发明的装置可以有效解决煤矿井下大直径套管加接、下放困难的问题，完全解放人力，有效降低工人工作量，缩短套管下放周期，提高施工安全性。
Description
技术领域
本发明属于钻探设备技术领域，具体涉及一种煤矿井下大直径套管下放装置及方法。
背景技术
目前煤矿井下施工的常规钻孔孔径基本不超过因其直径小，应用效果及范围受到一定的限制。近年来，随着大直径钻孔施工技术及装备的提升，通过施工大直径钻孔/>在采空区瓦斯抽采、巷道通风、抢险救援及井下管道铺设等方面得到了较多应用并优势明显。大直径钻孔施工前期，需要在钻孔孔口端下入套管进行封孔，是确保钻孔轨迹大位移调整、高压含水体和气体控制、破碎地层防护的基础；施工后期，为了避免因钻孔局部地层破碎塌孔影响钻孔后期使用，需要下放钻孔护孔套管至特定深度。套管的规格及下放深度应结合工程目的及地质条件确定，并根据钻孔施工要求下放到位。针对钻孔孔径/>以内的大直径钻孔，煤矿井下多采用等多种规格的孔口套管及护孔套管，单根长度多为1～1.5m，单根重量大于25Kg，为了保证套管的整体性及连接强度，大多数套管采用螺纹连接的形式。
针对上述套管的连接和下放目前没有专用工具，煤矿井下施工场地可操作空间有限，当大直径钻孔的开孔高度较高或钻孔设计角度较大时，需要多名施工人员佩戴安全绳站在脚手架上对套管进行人工对中并手动拧紧，后续通过钻机动力头夹持钻杆将加接好的套管顶入孔内，过程中套管极易因受力不均发生倾斜而影响套管的连续下放。当套管下入深度较大时，工人工作量大，套管加接周期长，并且高空作业安全性差。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种煤矿井下大直径套管下放装置及方法，解决目前大直径套管下放主要依靠人工操作，工作量大、安全风险高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种煤矿井下大直径套管下放装置，包括接头、外管、内管、活塞组件、可变形的胶芯和压盖；
所述接头上设置有中心通孔，接头一端与外管同轴连接，另一端用于连接钻杆；所述接头外壁上设置有用于支撑套管端部的套管支撑台，所述套管支撑台的外部轮廓直径大于套管的外径；
所述外管一端开放，另一端内壁上设置有内环形座；所述内管一端封闭，另一端开放；
所述活塞组件包括活塞筒和弹簧，所述活塞筒两端的外壁上分别设置有第一外环形座和第二外环形座；所述活塞筒套设在内管上，且所述第一外环形座端设置在外管管内，第一外环形座的外径与外管的内径匹配，所述第二外环形座端设置在外管管外；所述弹簧套设在活塞筒上，且弹簧的两端分别挤顶在内环形座和第一外环形座上；
所述胶芯和压盖均套设在内管上，所述胶芯设置在第二外环形座和压盖之间，所述胶芯上设置有变形空腔；所述内管的封闭端与外管固定连接，所述压盖与外管管壁固定连接。
优选的，所述套管支撑台由多个围绕接头圆周方向设置的第一支撑板组成。
优选的，靠近所述内管封闭端的管壁上设置有泄压孔。
优选的，所述胶芯与第二外环形座的接触面、胶芯与压盖的接触面均设置为凹凸嵌套结构。
优选的，所述接头上设置有与中心通孔贯通的压力检测孔，用于连接压力表或者压力表油管。
具体的，所述内管的封闭端与外管之间通过固定环连接，所述固定环上设置有过流孔。
优选的，所述内管开放端的外壁上或者外管外壁上设置有用于扶正套管的支撑件，所述支撑件至少有两个，所述支撑件的外部轮廓直径小于套管的内径。
具体的，所述支撑件包括连接盘和设置在连接盘外壁上第二支撑板，所述第二支撑板围绕连接盘圆周方向设置有多个。
本发明还公开了一种煤矿井下大直径套管下放方法，该方法采用本发明所述的煤矿井下大直径套管下放装置，具体方法包括：
步骤1，第一根套管下放方法为：将所述煤矿井下大直径套管下放装置的接头与钻杆连接，再将所述煤矿井下大直径套管下放装置***待下放套管内，待下放套管端部顶在套管支撑台上，操作钻机带着钻杆向前移动从而带动所述煤矿井下大直径套管下放装置向前移动，待下放套管在套管支撑台顶推力的作用下进入钻孔；
步骤2，后续套管加接、下放方法为：撤回所述煤矿井下大直径套管下放装置，将所述煤矿井下大直径套管下放装置***下一根待下放套管内；钻杆后端连接送水器，操作泥浆泵向钻杆内部注入冲洗液，冲洗液进入接头的中心通孔，推动活塞筒移动，胶芯受到挤压沿径向膨胀由内抱紧待下放套管后停止注冲洗液；再操作钻机令该下放套管与前一根套管对接；
继续操作钻机令所述煤矿井下大直径套管下放装置前移，加接好的套管在套管支撑台的顶推力下进入钻孔；
泥浆泵泄压，活塞筒在弹簧的反作用力下上移，胶芯复原松开套管；
步骤3，重复上述步骤2，直至完成指定深度的孔口套管或护孔套管的加接、下放。
优选的，在所述接头处设置有压力表，根据压力表上压力值的变化来确定是否停止注冲洗液，具体为：当压力表读数明显变小时，说明冲洗液进入泄压孔，活塞筒已经行至预设位置，此时停止注水。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用本发明的装置可以有效解决煤矿井下大直径套管加接、下放困难的问题，完全解放人力，有效降低工人工作量，缩短套管下放周期，提高施工安全性；
(2)本发明中胶芯的膨胀、复原只受水压及内置弹簧控制，控制来源单一，操作简单，并且该下放工具设有压力表及卸压孔，安全系数高；
(3)本发明装置结构简单，装卸方便，易损件少，可通过更换胶芯及支撑件适应不同尺寸规格套管使用。
(4)本发明装置可与井下多种规格钻杆连接，适应性强；受到支撑件限位作用，套管对中性好，接头处设有套管支撑台，顶推套管时套管受力均匀，有效避免套管顶入过程中发生倾斜。
本发明的其他优点在具体实施方式中进行详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例所展示的煤矿井下大直径套管下放装置整体结构示意图。
图2是本发明实施例所展示的接头的结构示意图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是本发明实施例所展示的外管结构示意图。
图5是本发明实施例所展示的内管的结构示意图。
图6是本发明实施例所展示的活塞筒的结构示意图。
图7是本发明实施例所展示的胶芯的结构示意图。
图8是本发明实施例所展示的其中一支撑件的结构示意图。
图9是图8的B-B剖视图。
图10是本发明实施例所展示的另一支撑件的结构示意图。
图中各标号说明：
1-接头，2-外管，3-内管，4-活塞组件，5-胶芯，6-压盖，7-固定环，8-支撑件，9-压力表；
11-中心通孔，12-套管支撑台，13-压力检测孔；121-第一支撑板；
21-内环形座；31-泄压孔；
41-活塞筒，42-弹簧，43-第一外环形座，44-第二外环形座；
51-第一通孔，52-环形槽；
71-过流孔；81-连接盘，82-第二支撑板。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的，“前方、后方”是指以气体流动方向为基准定义的。
本发明并不局限于以下具体实施例，在下述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。
实施例1
本实施例公开了一种煤矿井下大直径套管下放装置，如图1所示，该装置包括接头1、外管2、内管3、活塞组件4、可变形的胶芯5和压盖6。
其中，接头1上设置有中心通孔11，接头1一端与外管2同轴连接，另一端用于连接钻杆，具体的，接头1与外管2、钻杆之间均通过螺纹连接。
接头1外壁上设置有套管支撑台12，用于支撑套管端部，套管支撑台12的外部轮廓直径大于套管的外径。当套管套入该下放装置上后，其端部就可以顶在套管支撑台12上。具体的，套管支撑台12由多个围绕接头圆周方向设置的第一支撑板121组成，本实施例所示为4个第一支撑板121，如图2所示。
外管2一端开放，另一端内壁上设置有内环形座21，内环形座21内径与活塞筒42的外径匹配，如图4所示。
活塞组件4包括活塞筒41和弹簧42，活塞筒41两端的外壁上分别设置有第一外环形座43和第二外环形座44，其中第一外环形座43与活塞筒41螺纹连接，第二外环形座44与活塞筒为一体结构，如图6所示；活塞筒41套设在内管3上，且第一外环形座43端设置在外管2管内，第一外环形座43的外径与外管2的内径匹配，第二外环形座44端设置在外管2管外，弹簧42套设在活塞筒41上，且弹簧42的两端分别挤顶在内环形座21和第一外环形座43上，如图1所示。
胶芯5上设置有第一通孔51，胶芯5上设置有变形空腔，如图7所示，具体的，变形空腔为设置在第一通孔51孔壁中部环形槽52，该环形槽52的规格尺寸主要取决于胶芯5完全压缩后的径向膨胀量，根据所需下放套管的尺寸规格合理选择合适的膨胀量胶芯。胶芯5径向膨胀量要保证胶芯5膨胀后侧面能够挤顶在套管内壁面上，以抱紧套管，方便与前一段套管进行螺纹对接。压盖6上设置有第二通孔，第一通孔51和第二通孔的直径均与内管3外径匹配，胶芯5和压盖6分别均套设在内管3上，且胶芯5设置在第二外环形座44和压盖6之间。
内管3一端封闭，另一端开放，内管3的封闭端与外管2固定连接，具体的，内管3的封闭端与外管2之间通过固定环7连接，固定环7为圆形环结构，圆形环上设置有过流孔71，供冲洗液流通，过流孔71沿固定环7圆周均匀间隔设置多个；圆形环内壁和外壁上均设置有螺纹，方便固定环7与内管3、外管2的连接。压盖6与外管2管壁固定连接，具体也为螺纹连接。
作为本实施例的优选实施方案，在靠近封闭端的管壁上设置有泄压孔31，如图5所示。泄压孔31沿内管3圆周方向均匀布设多个，其作用是为防止胶芯5被过多压缩而超过屈服强度无法复原。其原理是当冲洗液推动活塞筒41向图1所示右侧运行至一段距离后，泄压孔31露出在活塞筒41外，冲洗液流入泄压孔31沿着内管3流出实现卸压，防止胶芯5被进一步压缩。
作为本实施例的优选实施方案，在胶芯5与第二外环形座44的接触面、胶芯5与压盖6的接触面均设置为凹凸嵌套结构，提升稳固性。
作为本实施例的优选实施方案，内管3开放端的外壁上或者外管2外壁上设置有用于扶正套管的支撑件8，支撑件8的外部轮廓直径略小于套管的内径，两者的轮廓间隙为1～2mm，支撑件8至少有两个，以保证套管的对中。本实施例在内管3开放端的外壁上和外管2外壁上分别设置有一个，如图1所示。需要注意的是，内管3处的支撑件8和外管2处的支撑件8形状略有不同，分别如图8和图10所示，以匹配外管2和内管3的外径，但两者的最外圈轮廓直径相同。
如图8～图10所示，本实施例的支撑件8包括连接盘81和设置在连接盘81外壁上第二支撑板82，第二支撑板82围绕连接盘81圆周方向设置有多个；连接盘81与内管3外壁或者外管2外壁通过螺纹连接，第二支撑板82焊接在连接盘81外壁上。更优选的，本实施例的第二支撑板82为扇形板，增加第二支撑板82与套管的接触面积，扇形板的内圈连接在连接盘81外壁上。
作为本实施例的优选实施方案，在接头1上设置有与中心通孔11贯通的压力检测孔13，用于连接压力表或者压力表油管。其作用是实时观察中心通孔中的流体压力，在套管下方过程中通过压力值的波动来确定是否停止继续注冲洗液。
实施例2
本实施例公开了一种煤矿井下大直径套管下放方法，该方法中采用了实施例1记载的煤矿井下大直径套管下放装置，具体下放方法包括：
步骤1，第一根套管下放方法为：将煤矿井下大直径套管下放装置的接头1与钻杆连接，再通过液压吊臂或者倒链吊起煤矿井下大直径套管置于下放装置的前端，操作钻机，令下放装置***套管内，待下放套管端部顶在套管支撑台12上，在支撑件8的限位作用下待下放套管与下放装置轴线基本重合，操作钻机令下放装置与钻孔轴线对齐，钻机动力头带着钻杆向前移动从而带动下放装置向前移动，待下放套管在套管支撑台12顶推力的作用下进入钻孔；
步骤2，后续套管加接、下放方法为：操作钻机撤回下放装置，再次操作液压吊臂或倒链吊起第二根套管置于下放装置前，操作钻机，令下放装置***套管内，钻杆后端连接送水器，操作泥浆泵向钻杆内部注入冲洗液，冲洗液进入接头1的中心通孔11，推动活塞筒41沿图1所示右侧移动，胶芯5受到挤压沿径向膨胀由内抱紧待下放套管后停止注冲洗液。本实施例优选的，在接头1处设置压力表9，根据压力表9的压力值的变化来确定是否停止注冲洗液，具体为：当压力表9读数明显变小时，说明冲洗液进入泄压孔31，活塞筒41已经行至预设位置，此时停止注水。
再操作钻机，令钻杆回转并慢速给进，胶芯5带动套管回转并慢速前进，直至下放套管与前一根套管实现丝扣对接；
继续操作钻机令下放装置前移，加接好的套管在套管支撑台12的顶推力下进入钻孔；
泥浆泵泄压，活塞筒41在弹簧42的反作用力下上移，胶芯5复原松开套管；
步骤3，重复上述步骤2，直至完成指定深度的孔口套管或护孔套管的加接、下放。
Claims (9)
1.一种煤矿井下大直径套管下放装置，其特征在于，包括接头(1)、外管(2)、内管(3)、活塞组件(4)、可变形的胶芯(5)和压盖(6)；
所述接头(1)上设置有中心通孔(11)，接头(1)一端与外管(2)同轴连接，另一端用于连接钻杆；所述接头(1)外壁上设置有用于支撑套管端部的套管支撑台(12)，所述套管支撑台(12)的外部轮廓直径大于套管的外径；
所述外管(2)一端开放，另一端内壁上设置有内环形座(21)；所述内管(3)一端封闭，另一端开放；
所述活塞组件(4)包括活塞筒(41)和弹簧(42)，所述活塞筒(41)两端的外壁上分别设置有第一外环形座(43)和第二外环形座(44)；所述活塞筒(41)套设在内管(3)上，且所述第一外环形座(43)端设置在外管(2)管内，第一外环形座(43)的外径与外管(2)的内径匹配，所述第二外环形座(44)端设置在外管(2)管外；所述弹簧(42)套设在活塞筒(41)上，且弹簧(42)的两端分别挤顶在内环形座(21)和第一外环形座(43)上；
所述胶芯(5)和压盖(6)均套设在内管(3)上，所述胶芯(5)设置在第二外环形座(44)和压盖(6)之间，所述胶芯(5)上设置有变形空腔；所述内管(3)的封闭端与外管(2)固定连接，所述压盖(6)与外管(2)管壁固定连接；
所述内管(3)开放端的外壁上或者外管(2)外壁上设置有用于扶正套管的支撑件(8)，所述支撑件(8)至少有两个，所述支撑件(8)的外部轮廓直径小于套管的内径。
2.如权利要求1所述的煤矿井下大直径套管下放装置，其特征在于，所述套管支撑台(12)由多个围绕接头圆周方向设置的第一支撑板(121)组成。
3.如权利要求1所述的煤矿井下大直径套管下放装置，其特征在于，靠近所述内管(3)封闭端的管壁上设置有泄压孔(31)。
4.如权利要求1所述的煤矿井下大直径套管下放装置，其特征在于，所述胶芯(5)与第二外环形座(44)的接触面、胶芯(5)与压盖(6)的接触面均设置为凹凸嵌套结构。
5.如权利要求1所述的煤矿井下大直径套管下放装置，其特征在于，所述接头(1)上设置有与中心通孔(11)贯通的压力检测孔(13)，用于连接压力表或者压力表油管。
6.如权利要求1所述的煤矿井下大直径套管下放装置，其特征在于，所述内管(3)的封闭端与外管(2)之间通过固定环(7)连接，所述固定环(7)上设置有过流孔(71)。
7.如权利要求1所述的煤矿井下大直径套管下放装置，其特征在于，所述支撑件(8)包括连接盘(81)和设置在连接盘(81)外壁上第二支撑板(82)，所述第二支撑板(82)围绕连接盘(81)圆周方向设置有多个。
8.一种煤矿井下大直径套管下放方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的煤矿井下大直径套管下放装置，具体方法包括：
步骤1，第一根套管下放方法为：将所述煤矿井下大直径套管下放装置的接头(1)与钻杆连接，再将所述煤矿井下大直径套管下放装置***待下放套管内，待下放套管端部顶在套管支撑台(12)上，操作钻机带着钻杆向前移动从而带动所述煤矿井下大直径套管下放装置向前移动，待下放套管在套管支撑台(12)顶推力的作用下进入钻孔；
步骤2，后续套管加接、下放方法为：撤回所述煤矿井下大直径套管下放装置，将所述煤矿井下大直径套管下放装置***下一根待下放套管内；钻杆后端连接送水器，操作泥浆泵向钻杆内部注入冲洗液，冲洗液进入接头(1)的中心通孔(11)，推动活塞筒(41)移动，胶芯(5)受到挤压沿径向膨胀由内抱紧待下放套管后停止注冲洗液；再操作钻机令该下放套管与前一根套管对接；
继续操作钻机令所述煤矿井下大直径套管下放装置前移，加接好的套管在套管支撑台(12)的顶推力下进入钻孔；
泥浆泵泄压，活塞筒(41)在弹簧(42)的反作用力下上移，胶芯(5)复原松开套管；
步骤3，重复上述步骤2，直至完成指定深度的孔口套管或护孔套管的加接、下放。
9.如权利要求8所述的煤矿井下大直径套管下放方法，其特征在于，在所述接头(1)处设置有压力表(9)，根据压力表(9)上压力值的变化来确定是否停止注冲洗液，具体为：当压力表(9)读数明显变小时，说明冲洗液进入泄压孔(31)，活塞筒(41)已经行至预设位置，此时停止注水。
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| 煤矿井下近水平钻孔大直径套管长距离下放技术;方俊;谷拴成;石智军;任建喜;;煤炭科学技术;20190515(第05期);77-82 * |
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