前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统及其安装方法

技术领域

本申请涉及钻孔施工的领域，尤其是涉及一种前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统及其安装方法。

背景技术

目前，水平定向钻进技术因其施工速度快、成本低等优点，广泛应用于管线铺设施工工程中，伴随着技术推广开来，在不同的施工条件下各种技术难点层出不穷。相关技术中，为了解决定向钻施工过程中泥浆渗出以及坍孔等问题，往往需要通过套管对钻孔中的砂卵砾石地层进行隔离，但是通过传统的定向钻套管插打的方式在硬岩地质中应用效果不佳。

发明内容

为了提升水平定向钻在硬岩地质下放钢套管的应用效果，本申请提供一种前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统及其安装方法。

第一方面，本申请提供的一种前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统，采用如下的技术方案：

一种前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统，包括潜孔锤和水平定向钻，所述潜孔锤通过钻杆与水平定向钻转动头连接，所述潜孔锤的钻头远离钻杆的一端通过卡扣卡接有导向管，所述导向管远离潜孔锤钻头的一端通过卡接件套设并卡接有钢套管，所述钻头正转时，所述导向管通过卡接件与钢套管卡紧，所述钻头反转时，所述导向管通过卡接件与钢套管脱离。

通过采用上述技术方案，将潜孔锤通过钻杆与水平定向钻转动头连接，利用水平定向钻技术角度可调的优势和空气潜孔锤使用硬岩的特性，可以在复杂地质如硬岩中安装钢套管，钢套管安装施工效率提高，有效降低了施工难度，提升水平定向钻在硬岩地质下放钢套管的应用效果；且导向管通过卡接件与钢套管卡紧，在钻进的过程中，钻头正转，导向管与钢套管卡紧，钢套管不会脱落且可以随着钻头进入需要安装钢套管的位置，当钢套管钻需要安装的位置后，钻头反转并钻出，导向管通过卡接件与钢套管脱离，钢套管顺利安装至需要安装的位置处，从而便于在硬岩中安装钢套管。

可选的，所述卡接件包括卡接槽和弹簧跳豆，所述弹簧跳豆于所述导向管的外圈上周向设置有多个，所述弹簧跳豆包括弹簧和半圆球，所述弹簧沿垂直于导向管方向穿设于导向管内壁内，且所述弹簧穿出导线管一端与半圆球的平面相连，所述卡接槽于钢套管内圈上周向设置有多个，且所述卡接槽与所述弹簧跳豆一一对应，所述卡接槽于钢套管内圈内沿钢套管的圆周顺时针方向深度逐渐增加，且所述卡接槽用于卡接半圆球。

通过采用上述技术方案，在对钢套管和导向管进行连接的过程中，将导向管与钢套管同轴对齐，并将导向管插入至钢套管中，弹簧跳豆与钢套管的内圈相抵接，当弹簧跳豆滑动至卡接槽处时，顺时针转动导向管，使得导向管带动弹簧跳豆一同进行转动，在此过程中，半圆球在弹簧的作用下穿出导向管并进入至卡接槽中，并且进入卡接槽中的深度逐渐增加，使得半圆球完全卡接至卡接槽中，使得导向管与钢套管相卡紧，在沿钢套管轴线方向进行运动的过程中，同时在钻进的过程中，钻杆为顺时针转动，导向管与钢套管之间不会发生脱离；当将钢套管下方至需要护壁的位置，反转螺旋转杆，即可将半圆球从卡接槽中转出，使得半圆球与卡接槽相脱离，通过钻杆的提升，从而使得导向管与钢套管相脱离，从而将钢套管安装在需要进行护壁的位置。

可选的，所述钢套管于其内圈沿其轴线方向设置有若干条导向槽，所述导向槽一端穿出钢套管与外界连通，所述导向槽另一端与卡接槽相连通，所述导向槽与卡接槽的连通处远离卡接槽的最深处。

通过采用上述技术方案，通过设置有导向槽，在导向管进入钢套管的过程中，弹簧跳豆对准导向槽，使得半圆槽在弹簧的作用下抵接进导向槽中，从而在导向管插入钢套管的过程中，弹簧跳豆在导向槽的导向作用下，顺利滑动至卡接槽中。

可选的，所述导向槽穿出钢套管一端于钢套管内设置有斜槽，所述斜槽沿导向槽穿出钢套管的方向深度逐渐增加。

通过采用上述技术方案，通过设置有斜槽，使得导向管在插入钢套管的过程中，因为斜槽沿导向槽穿出钢套管的方向深度逐渐增加，所以只需要将在弹簧作用下穿出导线管的半圆球与斜槽相对准，即可使得半圆球沿着斜槽滑入导向槽中，不需要施工人员用手对半圆球进行按压才能使导向管插入钢套管中，方便导向管与钢套管对齐后插入。

可选的，还包括用于钢套管和导向管连接的定位装置，所述定位装置包括支架、伸缩杆和横杆，所述伸缩杆沿竖直方向设置且伸缩杆上端与支架相连，所述横杆的一端与伸缩杆的下端垂直相连，所述支架上设置有用于驱动伸缩杆沿横杆长度方向往复运动的第一气缸，所述横杆沿远离伸缩杆的方向分别设置有第一定位组件和第二定位组件，所述第一定位组件用于钢套管与横杆同轴，所述第二定位组件用于导向管与横杆同轴。

通过采用上述技术方案，在将钢套管与导向管对齐相插接的过程中，启动第一气缸，第一气缸沿横杆长度方向驱动伸缩杆带动横杆先后插入至钢套管和导向管中，再通过第一定位组件使得钢套管与横杆同轴，在此过程中，伸缩杆经过长度变化，从而使得横杆与钢套管同轴，再通过第二定位组件使得导向管与横杆同轴，从而使得钢套管与导向管同轴，进而便于导向管与钢套管对齐后插入钢套管中。

可选的，所述第一定位组件包括第一套筒和若干第一支杆，所述第一套筒套设并滑动连接于横杆上，若干所述第一支杆沿横杆的周向方向等距设置于横杆上，所述第一支杆内部中空且第一支杆穿设并滑动连接有第一滑杆，所述第一滑杆穿出第一支杆远离横杆的一端，所述第一支杆沿其长度方向上开设与其内部相连通的第一开槽，所述第一套筒通过第一斜杆穿过第一开槽与第一滑杆相连，所述第一斜杆分别与第一套筒和第一滑杆转动连接，所述横杆沿其长度方向设置有与第一套筒相连的第二气缸，所述第二定位组件包括第二套筒和若干第二支杆，所述第二套筒套设并滑动连接于横杆上，若干所述第二支杆沿横杆的周向方向等距设置于横杆上，所述第二支杆内部中空且第二支杆穿设并滑动连接有第二滑杆，所述第二滑杆穿出第二支杆远离横杆的一端，所述第二支杆沿其长度方向上开设与其内部相连通的第二开槽，所述第二套筒通过第二斜杆穿过第二开槽与第二滑杆相连，所述第二斜杆分别与第二套筒和第二滑杆转动连接，所述横杆沿其长度方向设置有与第二套筒相连的第三气缸。

通过采用上述技术方案，启动第二气缸，第二气缸带动第一套筒沿着横杆长度方向进行滑动，第一套筒通过第一斜杆带动第一滑杆，使得第一滑杆穿出第一支杆并与钢套管内壁相抵接，因为横杆与钢套管的轴线不同轴，所以部分第一滑杆与钢套管内壁相抵接，再在第二气缸继续作用下，其他第一滑杆与钢套管内壁相抵接，使得伸缩杆的长度发生变化，当所有第一滑杆的端部与钢套管内壁相抵接后，便于横杆的轴线与钢套管的轴线相平齐；启动第三气缸，第三气缸带动第二套筒沿着横杆长度方向进行滑动，第二套筒通过第二斜杆带动第二滑杆，使得第二滑杆穿出第二支杆并与导向管内壁相抵接，因为横杆与导向管的轴线不同轴，所以部分第二滑杆与导向管内壁相抵接，再在第三气缸的继续作用下，其他第二滑杆与导向管内壁相抵接，从而使得导向管与横杆同轴，进而便于导向管与钢套管对齐后进行插接。

可选的，所述支架的下端设置有底座，所述底座设置有弧形槽，所述弧形槽的轴线与横杆的轴线相互平行且处于同一竖直平面。

通过采用上述技术方案，在进行钢套管和导向管插接配合前，分别将钢套管和导向管依次放入底座的弧形槽中，因为弧形槽的轴线与横杆的轴线相互平行且处于同一竖直平面，所以钢套管和导向管与弧形槽相抵接后，钢套管的轴线和导向管的轴线分别与横杆的轴线相平行且处于同一竖直平面。

可选的，所述第一滑杆远离横杆的一端连接有第一弧形抵接板，所述第二滑杆远离横杆的一端连接有第二弧形抵接板，所述第二弧形抵接板的外表面内嵌并滑动连接有若干滚珠。

通过采用上述技术方案，第一滑杆与第一弧形抵接板与钢套管的内壁相抵接，第一弧形抵接板的弧面与钢套管的内壁弧面相贴合，增大了第一滑杆与钢套管的抵接面积，使得钢套管与横杆同轴程度更准确；同理，第二弧形抵接板增大了第二滑杆与导向管内壁的抵接面积，使得导向管与横杆的同轴程度更准确，另外，通过设置有滚珠，将导向管朝向钢套管运动过程中的滑动摩擦转化为导向管与滚珠的滚动摩擦，便于导向管与钢套管相对齐后进行卡接。

第二方面，本申请提供一种前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统安装方法，采用如下的技术方案：

一种前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统安装方法，包括以下步骤：

步骤一、施工准备，并将潜孔锤通过钻杆与水平定向钻的钻动头相连；

步骤二、将钢套管和导向管依次放入底座的弧形槽中，启动第一气缸，使得横杆先后穿入钢套管和导向管中，再通过第一定位组件，伸缩杆长度变化，使得横杆的轴线与横杆的轴线同轴；

步骤三、通过第二定位组件，使得导向管与横杆的轴线同轴，从而使得钢套管与导向管同轴，再沿着横杆的长度方向朝向钢套管推动导向管，使得导向管通过卡接件与钢套管相旋转卡紧；

步骤四、再将导向管远离钢套管的一端通过卡扣与潜孔锤的钻头相连。

通过采用上述技术方案，将潜孔锤通过钻杆与水平定向钻的钻动头相连后，依次将钢套管和导向管放入弧形槽中，启动第一气缸，第一气缸通过伸缩杆带动横杆先后穿入钢套管和导向管中，再通过第一定位组件使得横杆与钢套管同轴，通过第二定位组件使得横杆与导向管同轴，从而再沿着横杆的长度方向朝向钢套管滑动导向管，从而使得导向管与钢套管通过卡接件相卡紧，从而便于导向管与钢套管相连接后，再通过空气潜孔钻和水平定向钻相结合的方式将套筒下放至硬岩地质中。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.将潜孔锤通过钻杆与水平定向钻转动头连接，利用水平定向钻技术角度可调的优势和空气潜孔锤使用硬岩的特性，可以在复杂地质如硬岩中安装钢套管，套管安装施工效率提高，有效降低了施工难度，提升水平定向钻在硬岩地质下放钢套管的应用效果；

2.导向管通过卡接件与钢套管卡紧，在钻进的过程中，钻头正转，导向管与钢套管卡紧，钢套管不会脱落且可以随着钻头进入需要安装钢套管的位置，当钢套管钻需要安装的位置后，钻头反转并钻出，导向管通过卡接件与钢套管脱离，钢套管顺利安装至需要安装的位置处，从而便于在硬岩中安装钢套管；

3.在将钢套管与导向管对齐相插接的过程中，启动第一气缸，第一气缸沿横杆长度方向驱动伸缩杆带动横杆先后插入至钢套管和导向管中，再通过第一定位组件使得钢套管与横杆同轴，在此过程中，伸缩杆经过长度变化，从而使得横杆与钢套管同轴，再通过第二定位组件使得导向管与横杆同轴，从而使得钢套管与导向管同轴，进而便于导向管与钢套管对齐后插入钢套管中。

附图说明

图1是本申请实施例前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统整体结构示意图。

图2是本申请实施例导向管和钢套管装配关系的爆炸图。

图3是本申请实施例定位装置、第一定位组件和第二定位组件的整体结构图。

附图标记说明：1、导向管；2、钢套管；3、卡接件；31、卡接槽；32、弹簧跳豆；321、弹簧；322、半圆球；4、导向槽；5、斜槽；6、定位装置；61、支架；62、伸缩杆；63、横杆；7、第一气缸；8、第一定位组件；81、第一套筒；82、第一支杆；83、第一滑杆；84、第一斜杆；9、第二定位组件；91、第二套筒；92、第二支杆；93、第二滑杆；94、第二斜杆；10、第二气缸；11、第三气缸；12、底座；13、弧形槽；14、第一弧形抵接板；15、第二弧形抵接板；16、滚珠。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统。如图1所示，前砂后岩地质斜角度钢套管钻进系统包括潜孔锤、水平定向钻和定位装置6。潜孔锤通过钻杆与水平定向钻转动头连接，潜孔锤的钻头远离钻杆的一端通过端头卡扣卡接有导向管1，导向管1远离潜孔锤钻头的一端通过卡接件3套设并卡接有钢套管2。

如图2所示，卡接件3包括卡接槽31和弹簧跳豆32，弹簧跳豆32于导向管1的外圈上周向等间距设置有多个，多个弹簧跳豆32均处于沿垂直于导向管1轴线的截面上。弹簧跳豆32包括弹簧321和半圆球322，导向管1的外圈沿垂直于导向管1的轴线上开设有用于容纳弹簧321的容纳槽，弹簧321的一端与导向管1的容纳槽底壁相焊接，弹簧321另一端穿出导向管1容纳槽与半圆球322相焊接。

如图2所示，卡接槽31于钢套管2内圈上周向等间距设置有多个，多个卡接槽31均处于沿垂直于钢套管2轴线的截面上，且卡接槽31与弹簧跳豆32一一对应。卡接槽31于钢套管2内圈内沿钢套管2的圆周顺时针方向深度逐渐增加，卡接槽31远离其深度最深处与钢套管2内圈平滑过渡。钢套管2于其内圈沿其轴线方向等距间隔设置有若干条导向槽4，导向槽4的数量与弹簧跳豆32的数量相等。导向槽4一端穿出钢套管2与外界连通，导向槽4的侧壁与钢套管2的内圈采用圆弧过渡，导向槽4的深度小于半圆球322的直径，使得半圆球322沿着钢套管2的轴线进行转动时，半圆球322可以转出导向槽4中，从而使得钻杆在反时针转动，导向管1与钢套管2相脱离时，若半圆球322卡接进导向槽4中，也能顺利从导向槽4中转出，使得导向管1与钢套管2相脱离。

如图2所示，导向槽4穿出钢套管2与外界的连通处连通有斜槽5，斜槽5沿导向槽4穿出钢套管2的方向深度逐渐增加，且斜槽5与导向槽4的连通处采用圆弧过渡。导向槽4远离斜槽5的一端与卡接槽31相连通，导向槽4与卡接槽31的连通处远离卡接槽31的最深处。卡接槽31最深处的深度大于半圆球322的直径，使得半圆球322进入卡接槽31最深处时，半圆球322可以完全卡接进卡接槽31中。

如图3所示，定位装置6包括支架61、伸缩杆62和横杆63，支架61包括竖向设置的第一支撑杆和横向的设置的第二支撑杆，支架61的第一支撑杆上端与第二支撑杆的一端相焊接，支架61的第一支撑杆下端焊接有底座12。伸缩杆62沿竖直方向设置且伸缩杆62上端与支架61的第二支撑杆滑动连接，且支架61的第二支撑杆沿其长度方向通过螺栓连接有第一气缸7，第一气缸7的活塞杆通过螺栓与伸缩杆62相连，用于伸缩杆62沿着支架61第二支撑杆的长度方向往复运动。横杆63的一端与伸缩杆62的下端垂直相焊接，伸缩杆62可以沿垂直于支架61第二支撑杆的长度方向进行自由伸缩，且伸缩杆62自由伸缩后的最低端不会带动横杆63与底座12相抵接。

结合图1和图3，底座12设置有用于放置钢套管2和导向管1的弧形槽13，弧形槽13的轴线与横杆63的轴线相互平行且处于同一竖直平面。横杆63沿远离伸缩杆62的方向分别设置有第一定位组件8和第二定位组件9，第一定位组件8用于钢套管2与横杆63同轴，第二定位组件9用于导向管1与横杆63同轴。第一定位组件8包括第一套筒81和四根第一支杆82，第一套筒81套设并滑动连接于横杆63上。四根第一支杆82沿横杆63的周向方向等距焊接于横杆63上，第一支杆82内部中空且第一支杆82穿设并滑动连接有第一滑杆83。第一滑杆83穿出第一支杆82远离横杆63的一端，第一滑杆83穿出第一支杆82的一端焊接有第一弧形抵接板14。第一支杆82沿其长度方向上开设与其内部相连通的第一开槽，第一套筒81通过第一斜杆84穿过第一开槽与第一滑杆83相连，第一斜杆84分别与第一套筒81和第一滑杆83通过铰链转动连接。横杆63沿其长度方向螺栓连接有与第一套筒81相连的第二气缸10，第二气缸10的活塞杆与第一套筒81通过螺栓相连。

如图3所示，第二定位组件9包括第二套筒91和四根第二支杆92，第二套筒91套设并滑动连接于横杆63上，四根第二支杆92沿横杆63的周向方向等距焊接于横杆63上，第二支杆92内部中空且第二支杆92穿设并滑动连接有第二滑杆93。第二滑杆93穿出第二支杆92远离横杆63的一端，第二滑杆93穿出第二支杆92的一端焊接有第二弧形抵接板15，第二弧形抵接板15的外表面内嵌并滑动连接有若干滚珠16。第二支杆92沿其长度方向上开设与其内部相连通的第二开槽，第二套筒91通过第二斜杆94穿过第二开槽与第二滑杆93相连，第二斜杆94分别与第二套筒91和第二滑杆93通过铰链转动连接，横杆63沿其长度方向螺栓连接有与第二套筒91相连的第三气缸11，第三气缸11的活塞杆与第二套筒91通过螺栓相连。

本申请实施例一种前砂后岩地质斜角度钢套管2钻进系统安装方法，包括以下步骤：

步骤一、施工准备，将潜孔锤组件组装成一个完整的锤体，然后将锤体装入水平定向钻首节配套的钻杆上；

步骤二、将钢套管2和导向管1依次吊装放入底座12的弧形槽13中，并按先后顺序依次将钢套管2和导线管依次插入横杆63中，并且启动第一气缸7，使得第一气缸7沿着横杆63的长度方向带动第一定位组件8进入钢套管2内、第二定位组件9进入导向管1内；

步骤三、启动第二气缸10，第二气缸10带动第一套筒81沿着横杆63长度方向进行滑动，第一套筒81通过第一斜杆84带动第一滑杆83，使得第一滑杆83穿出第一支杆82并带动第一弧形抵接板14与钢套管2内壁相抵接，因为横杆63与钢套管2的轴线不同轴，所以部分第一滑杆83带动第一弧形抵接板14与钢套管2内壁相抵接，再在第二气缸10继续作用下，其他第一滑杆83带动第一弧形抵接板14与钢套管2内壁相抵接，使得伸缩杆62的长度发生变化，当所有第一滑杆83的端部与钢套管2内壁相抵接后，便于横杆63的轴线与钢套管2的轴线相平齐；

步骤四、启动第三气缸11，第三气缸11带动第二套筒91沿着横杆63长度方向进行滑动，第二套筒91通过第二斜杆94带动第二滑杆93，使得第二滑杆93穿出第二支杆92并带动第二弧形抵接板15与导向管1内壁相抵接，因为横杆63与导向管1的轴线不同轴，所以部分第二滑杆93带动第二弧形抵接板15与导向管1内壁相抵接，再在第三气缸11的继续作用下，其他第二滑杆93带动第二弧形抵接板15与导向管1内壁相抵接，从而使得导向管1与横杆63同轴，进而使得导向管1与钢套管2相对齐；

步骤五、沿着横杆63的长度方向朝向钢套管2滑动导向管1，在滚珠16的作用下，导向管1可以顺利滑动和转动，使得导向管1的弹簧跳豆32与钢套管2的斜槽5相对齐，再继续朝向钢套管2推动导向管1，半圆球322在弹簧321的作用下沿着斜槽5顺利进入至导向槽4内，使得导向管1可以在导向槽4导向的作用下继续滑动并且滑动至钢套管2的卡接槽31处，再顺时针转动导向管1，使得导向管1带动弹簧跳豆32一同进行转动，在此过程中，半圆球322在弹簧321的作用下穿出导向管1并进入至卡接槽31中，并且进入卡接槽31中的深度逐渐增加，使得半圆球322完全卡接至卡接槽31中，使得导向管1与钢套管2相卡紧；

步骤六、再通过端头卡扣将导向管1远离钢套管2的一端与潜孔锤的钻头相卡接，同时将导向管1与端头卡扣相焊接。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。