一种提升钻探反循环举升力的增益接头及其系统控制方法

技术领域

本发明涉及空气反循环深钻探技术领域，尤其是一种提升钻探反循环举升力的增益接头及其系统控制方法。

背景技术

空气反循环钻探技术在国内外小口径市场上的应用较为成熟，主要是通过双壁钻杆中的环形间隙，将高压空气输送至潜孔锤，钻探中破碎的颗粒通过钻杆内管输送至地面以上，具有钻探效率高、粉尘污染小、钻孔内事故少等优势。但在一些气动潜孔锤反循环施工中，尤其是一些特殊场合，如在矿山钻探应急救援大口径救生孔钻井时，因为钻具加装阻风环的反循环钻井工艺存在密封缺陷，容易在排渣过程中因举升力不足造成堵塞的现象，同时阻风环密封不严导致的跑风、跑渣，也经常出现使阻风环卡滞的事故。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种提升钻探反循环举升力的增益接头及其系统控制方法，解决了气动潜孔锤反循环举升力不足的深孔施工技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的解决方案是：

一种提升钻探反循环举升力的增益接头，包括：接头体、卡环、密封圈、内套、挡圈、单向阀和定位销；所述接头体上部为内螺纹结构，中部为凸台结构，下部为外螺纹结构，其内凸台与内套间隙较小，起到导流罩的作用；所述卡环和挡圈组合使用，对内套轴向限位；密封圈为两道O型圈；所述内套的上部为内密封结构，中部凸台与接头体连接固定，下部通过外管密封；所述单向阀，环状分布安装于内套上；定位销，用于接头体与内套之间的定位及连接。

进一步地，所述接头体的上部连接具有环形间隙的双壁钻杆的外管，中部偶数凸台中的两个为定位销安装孔、连接内套凸台，下部根据钻探深度要求情况，或连接双壁钻杆，或连接气动反循环潜孔锤。

进一步地，所述内套的上部与双壁钻杆的内管连接，通过内套上部安装的O型圈进行密封，通过内套上部限位结构保证双壁钻杆的轴向位置；所述内套的中部凸台数量与接头体中部凸台数量一致，其中两个为定位销安装孔，其余安装单向阀的凸台钻有相应单向阀安装螺纹孔，并有与内套内部相连通的通孔，以保证接头体与内套间的环形间隙通过单向阀与内套内部连通。

进一步地，所述单向阀根据增益接头安装位置不同，选用的开启压力和空气流通量不同。

第二方面，本发明提供一种提升钻探反循环举升力用增益接头的系统控制方法，包括以下步骤:

接收钻探请求，其中钻探请求建立在钻探直径、深度等要求评估的基础上，并根据其可行性及钻探方案执行钻探指令。

根据钻探指令，控制空压机和双壁钻杆长度。其中，空压机将压缩空气通过进气管传递至双通道气水龙头，经过双通道气水龙头输送至双壁钻杆中的环形间隙，之后传递给潜孔锤。潜孔锤将破碎颗粒通过双壁钻杆内管输送至地表，经排渣管传递至旋流器处理。

考虑环境温度因素，建立梯度钻探深度与空压机气量和气压、双壁钻杆总长度、常规接头数量、增益接头规格等因素的函数映射关系。

进一步地，所建映射关系采用的方法为正交试验设计方法；

进一步地，梯度钻探深度分为2个阶段，如以钻探深度50米为段距，第1阶段为钻探深度低于50米时，采用无单向阀的常规接头连接钻杆；从第2阶段开始加装不同规格的增益接头；

进一步地，所述温度梯度为-40℃、0℃、40℃等3个温度数值；

进一步地，所述空压机可调节输出空气压力，如中深孔500米时设置2个梯度的压力范围4MPa、6MPa。

进一步地，所述空压机输出气量范围为50m

进一步地，第2阶段随着钻探深度的增加，尤其是面临深孔空气反循环施工中排渣举升力不足的问题时，通过钻具增接不同规格的增益接头来提升举升力。

进一步地，所述举升力提升过程包括：单向阀通径相同、开启压力不同；增益接头规格根据单向阀的不同设定为3类，通过增益接头的使用位置深度，可确定双壁钻杆中环形间隙至内管的通气量的预估值；随着钻探深度增加，选用的单向阀开启压力减小，使得有限供风量的状态下，能在不同钻探深度下都具有上返风速；考虑破碎颗粒通过双壁钻杆内管返回地表，在不同钻探深度安装的增益接头附近，所具有的上返风速在不同的钻深下均能助力破碎颗粒上返，从而降低钻孔底部所需的举升力，提高整个反循环使用过程的举升力。

与现有应用技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明所述内容可用于一些气动潜孔锤反循环施工中，尤其是一些特殊场合，如在可靠性要求高的矿山钻探应急救援大口径救生孔钻井场合，能解决在钻进裂隙、垮塌地层等状况下的排渣过程中因举升力不足造成堵塞的隐患。

2、本发明所述内容涉及的内置单向阀增益接头，可实现在钻具组合加装阻风环、正反接头等钻探中钻孔底部正循环、上部反循环的施工工艺技术。

3、本发明中建立的梯度钻探深度的技术方法，基于空压机气量和气压、双壁钻杆总长度、常规接头数量、增益接头规格等，且考虑环境温度因素，有利于提升整个反循环过程中的钻探举升力。

本发明是从空气反循环钻探举升力提升角度出发，基于内置单向阀增益接头结构，考虑环境温度因素，建立梯度钻探深度与空压机气量和气压、双壁钻杆总长度、常规接头数量、增益接头规格等因素对应关系，创建新的深孔施工技术。

附图说明

图1为本发明实施方式提供的气动潜孔锤反循环钻探系统示意图；

图2为本发明实施方式一种提升钻探反循环举升力的增益接头。

其中，1为旋流器；2为排渣管；3为双通道气水龙头；4为进气管；5为空压机；6为双壁钻杆；7为增益接头1；8为增益接头2；9为常规接头；10为增益接头3；11为潜孔锤；701为接头体；702为卡环；703为密封圈；704为内套；705为挡圈；706为单向阀；707为定位销。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

在一些气动潜孔锤反循环施工中，尤其是一些特殊场合，如在矿山钻探应急救援大口径救生孔钻井时，因为钻具加装阻风环的反循环钻井工艺存在密封缺陷，容易在排渣过程中因举升力不足造成堵塞的现象，同时阻风环密封不严导致的跑风、跑渣，也经常出现使阻风环卡滞的事故。

基于此，本发明提供一种提升钻探反循环举升力的增益接头，包括：接头体701、卡环702、密封圈703、内套704、挡圈705、单向阀706和定位销707；所述接头体701上部为内螺纹结构，中部为凸台结构，下部为外螺纹结构，其内凸台与内套704间隙较小，起到导流罩的作用；所述卡环702和挡圈705组合使用，对内套704轴向限位；密封圈703为两道O型圈；所述内套704的上部为内密封结构，中部凸台与接头体连接固定，下部通过外管密封；所述单向阀706，环状分布安装于内套704上；定位销707，用于接头体701与内套704之间的定位及连接。

进一步地，所述接头体701的上部连接具有环形间隙的双壁钻杆6的外管，中部偶数凸台中的两个为定位销707安装孔、连接内套704凸台，下部根据钻探深度要求情况，或连接双壁钻杆6，或连接气动反循环潜孔锤11。

进一步地，所述内套704的上部与双壁钻杆6的内管连接，通过内套704上部安装的O型圈进行密封，通过内套704上部限位结构保证双壁钻杆6的轴向位置；所述内套704的中部凸台数量与接头体701中部凸台一致，其中两个为定位销707安装孔，其余安装单向阀706的凸台钻有相应单向阀706安装螺纹孔，并有与内套704内部相连通的通孔，以保证接头体701与内套704间的环形间隙通过单向阀706与内套704内部连通。

进一步地，所述单向阀706根据增益接头7、8、10安装位置不同，选用的开启压力和空气流通量不同。

第二方面，本发明提供一种提升钻探反循环举升力用增益接头的系统控制方法，包括以下步骤:

接收钻探请求，其中钻探请求建立在钻探直径、深度等要求评估的基础上，并根据其可行性及钻探方案执行钻探指令。

根据钻探指令，控制空压机5和双壁钻杆6长度。其中，空压机5将压缩空气通过进气管4传递至双通道气水龙头4，经过双通道气水龙4头输送至双壁钻杆6中的环形间隙，之后传递给潜孔锤11。潜孔锤11将破碎颗粒通过双壁钻杆6内部通道输送至地表，经排渣管2传递至旋流器1处理。

考虑环境温度因素，建立梯度钻探深度与空压机5输出空气压力、双壁钻杆总长度、常规接头9数量、增益接头规格等因素的函数映射关系。

进一步地，所建映射关系采用的方法为正交试验设计方法；

进一步地，梯度钻探深度分为2个阶段，如以钻探深度50米为段距，第1阶段为钻探深度低于50米时，采用无单向阀706的常规接头连接钻杆；从第2阶段开始加装不同规格的增益接头7、8、10；

进一步地，所述温度梯度为-30℃、0℃、30℃等3个温度数值；

进一步地，所述空压机5可调节输出空气压力，如中深孔500米时设置2个梯度的压力范围4MPa、6MPa。

进一步地，所述空压机输出气量范围为50m

进一步地，第2阶段随着钻探深度的增加，尤其是面临深孔空气反循环施工中排渣举升力不足的问题时，通过钻具增接不同规格的增益接头7、8、10来提升举升力。

进一步地，所述举升力提升过程包括：单向阀706通径相同、开启压力不同；增益接头7、8、10规格根据单向阀706的不同设定为3类，通过增益接头7、8、10的使用位置深度，可确定双壁钻杆6中环形间隙至内管的通气量的预估值；随着钻探深度增加，选用的单向阀706开启压力减小，使得有限供风量的状态下，能在不同钻探深度下都具有上返风速；考虑破碎颗粒通过双壁钻杆6内管返回地表，在不同钻探深度安装的增益接头7、8、10附近，所具有的上返风速在不同的钻深下均能助力破碎颗粒上返，从而降低钻孔底部所需的举升力，提高整个反循环使用过程的举升力。

上述空气反循环钻探举升力提升方法基于内置单向阀增益接头结构，考虑环境温度因素，在建立梯度钻探深度与空压机气量和气压、双壁钻杆总长度、常规接头数量、增益接头规格等因素对应关系基础上，能解决在钻进裂隙、垮塌地层等的排渣过程中因举升力不足造成堵塞的隐患，创建新的深孔施工工艺技术。

上述对实施例的阐述是为了便于该领域相关的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例作出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。