溶洞用防护装置及采用此防护装置的航道水上钻探方法

摘要

本发明的第一目的在于提供一种溶洞用防护装置，包括套管、套管接头以及套管刃脚，套管上设有第一外螺纹和第一内螺纹；套管接头的下端内壁上设有第二内螺纹，且其下端外壁呈上宽下窄的第一圆台形结构；套管刃脚的上端外壁上设有第二外螺纹，且其下端外壁呈上宽下窄的第二圆台形结构。整体结构精简；套管、套管接头以及套管刃脚三者之间采用螺纹连接，安装方便；套管接头上的圆台形结构，便于扩孔用；套管刃脚上的圆台形结构，便于穿破非岩质溶洞填充物，使得整个溶洞用防护装置较平稳埋设，实用性强。本发明的第二目的在于提供一种航道水上钻探方法，操作方便，节省了钻探费用以及套管埋设和套管切除所需时间。

说明书

技术领域

本发明涉及勘探工程技术领域，具体涉及一种溶洞用防护装置及采用此防护装置的航 道水上钻探方法。

背景技术

钻探是用机具设备由地表向地下钻进成孔，从而达到预设要求的工程施工措施。现有 技术中的钻探方法如下：

申请号为02807756.3的专利申请公开了一种用一钻探设备进行的钻探方法，该设备有 一钻探装置，该装置包括一外壳部件和一钻探组件，在其钻探头中有钻中心孔用的第一钻 探工具和对外壳部件中心孔扩孔的第二钻探工具以及用于冲洗所产生的废屑的冲洗流构 造。至少在钻探情况下该第一钻探工具联接到动力传输上，而为了使该工具从钻孔移出， 一个可移出的构造如卡口联轴器之类与第二钻探工具联接。在中心完成的冲洗介质的进给 流通过属于第一钻探工具的第一框架部件部的内钻孔输送到其外周缘，而为了完成所谓冲 洗介质的逆循环，冲洗介质的返回流从第一框架部件的钻探面通过其中的内钻孔输送到第 一框架部件和外壳部件之间的空间中。

申请号为201380023210.6的专利申请公开了一种采用钻柱钻探地下井眼的方法，包 括以下步骤：a、通过钻柱向井眼内注入钻井液，并且通过环空返回线路从围绕钻柱的环形 空间(环空)内移走所述钻井液；b、使环空内的流体的压力振荡；c、为每个流体压力振 荡确定井眼存储容积以及井眼存储系数；d、利用井眼存储容积和井眼存储系数确定在所 述压力振荡期间在环空内的气体体积比例以及液体体积比例。

现有技术中采用钻孔套管来保护钻孔，通常设置在钻口防止孔口塌陷，也可以在孔下 某个支护段起支撑作用。当航道水上钻探在较深的地层中遇到溶洞时，通常方法是花费大 量时间埋置套管至溶洞位置处，完成钻探工作后，将面临套管无法拔出的问题，而在航道 中水底到水面这段距离的套管因影响航道通行而需要花费成本进行切割拔出，其下到溶洞 底部这段距离的套管将会被埋置于地层中，无法取出。

综上所述，急需一种适合航道水上钻探用、操作方便且对溶洞防护效果好的装置和钻 探方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种溶洞用防护装置，适合航道水上钻探用、操作方便且 对溶洞防护效果好，具体技术方案如下：

一种溶洞用防护装置，包括一组防护单件或者至少两组型号大小不同的防护单件，型 号小的防护单件能从型号大的防护单件中完全穿过；

所述防护单件包括中空的套管、设置在所述套管上端且与钻杆连接的套管接头以及设 置在所述套管下端的套管刃脚，所述套管接头和套管刃脚均具有与所述套管内径相同且同 中心轴线设置的第一通孔；

所述套管的上端外壁上设有第一外螺纹，其下端内壁上设有第一内螺纹；

所述套管接头的下端内壁上设有与所述第一外螺纹相匹配的第二内螺纹，且其下端外 壁呈上宽下窄的第一圆台形结构；所述套管接头的上端与钻杆连接；

所述套管刃脚的上端外壁上设有与所述第一内螺纹相匹配的第二外螺纹，且其下端外 壁呈上宽下窄的第二圆台形结构。

为了达到更好的技术效果，所述套管接头通过套管接盘与钻杆连接，所述套管接头的 上端包括内壁呈上宽下窄的第三圆台形结构的管刃段以及内壁上设有第三内螺纹的连接 段；所述套管接盘的上端内壁上设有与钻杆下端相匹配的内螺纹，其下端外壁上设有与所 述第三内螺纹相匹配的外螺纹。

以上技术方案中优选的，所述套管接盘包括竖直管以及设置在所述竖直管下端且沿水 平方向设置的圆盘体，所述内螺纹设置在所述竖直管的上端内壁上，所述外螺纹设置在所 述圆盘体的下端外壁上；所述圆盘体上设有多个第二通孔，所述第二通孔的中心轴线与所 述第一通孔的中心轴线相互平行。

以上技术方案中优选的，所述第二通孔沿环形均布设置，其数量为4-8个。

以上技术方案中优选的，所述第一外螺纹、第二外螺纹、外螺纹、第一内螺纹、第二 内螺纹、第三内螺纹以及内螺纹沿竖直方向的高度均为5-15厘米；沿竖直方向，所述套管 的长度比溶洞的高度大8％-20％；所述套管接头外壁到所述套管外壁的最大水平距离大于 0；所述套管刃脚的外壁到所述套管刃脚的内壁的最小水平距离为0。

以上技术方案中优选的，所述套管、套管接头、套管刃脚以及套管接盘的材质均为钢 材。

以上技术方案中优选的，所述第一圆台形结构的外壁所在的曲面与水平面之间、所述 第二圆台形结构的外壁所在的曲面与水平面之间以及所述第三圆台形结构的内壁所在的 曲面与水平面之间均成15°-45°的夹角。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明溶洞用防护装置包括套管、设置在所述套管上端且与钻杆连接的套管接 头以及设置在所述套管下端的套管刃脚，所述套管的上端外壁上设有第一外螺纹，其下端 内壁上设有第一内螺纹；所述套管接头的下端内壁上设有与所述第一外螺纹相匹配的第二 内螺纹，且其下端外壁呈上宽下窄的第一圆台形结构；所述套管刃脚的上端外壁上设有与 所述第一内螺纹相匹配的第二外螺纹，且其下端外壁呈上宽下窄的第二圆台形结构。整体 结构精简；包括型号大小不同的两组或两组以上防护单件时，型号小的防护单件能从型号 大的防护单件中完全穿过，能实现多层溶洞的防护(具体操作是：下层溶洞采用型号小的 防护单件，上层溶洞采用型号大的防护单件，对上层溶洞进行防护后，使得下层溶洞所采 用的防护单件能从上层溶洞所采用的防护单件中穿过来进行下层溶洞的防护，从而满足现 实生活中对多层溶洞进行防护的需求)；套管、套管接头以及套管刃脚三者之间采用螺纹 连接，安装方便；套管接头上的圆台形结构，便于扩孔用；套管刃脚上的圆台形结构，便 于穿破非岩质溶洞填充物，使得整个装置较平稳埋设，实用性强。

(2)本发明中所述套管接头通过套管接盘与钻杆连接，所述套管接头的上端包括内 壁呈上宽下窄的第三圆台形结构的管刃段以及内壁上设有第三内螺纹的连接段，所述套管 接盘的上端内壁上设有内螺纹，其下端外壁上设有外螺纹。套管接头的结构精简；管刃段 与套管刃脚相对设置，用于扩孔的同时减少施工过程中钻头的倾斜(保证其沿竖直方向进 行钻探)，即实现下一层溶洞用防护装置中的套管刃脚快速对准插入，尽可能地减小上层 套管与下层套管在竖直方向安装时的偏差，使得钻头尽可能多地穿过更多层溶洞，从而实 现多层溶洞的防护，实用性强；采用螺纹连接，便于安装和拆卸。

(3)本发明中所述套管接盘包括竖直管和圆盘体，所述圆盘体上设有多个第二通孔， 所述第二通孔的中心轴线与所述第一通孔的中心轴线相互平行。套管接盘的结构设计便于 安装，且第二通孔的设计用于埋设溶洞用防护装置时过水，减少水的阻力，提高施工效率 且溶洞的防护性能；所述第二通孔沿环形均布设置，其数量为4-8个，满足实际需求，实 用性强。

(4)本发明中所述第一外螺纹、第二外螺纹、外螺纹、第一内螺纹、第二内螺纹、 第三内螺纹以及内螺纹沿竖直方向的高度均为5-15厘米；沿竖直方向，所述套管的长度比 溶洞的高度大8％-20％。溶洞用防护装置的内部稳定性好，能更好地实现溶洞的防护。

(5)本发明中所述套管、套管接头、套管刃脚以及套管接盘的材质均为钢材，容易 获得且能满足实际需求。

(6)本发明中所述第一圆台形结构的外壁所在的曲面与水平面之间、所述第二圆台 形结构的外壁所在的曲面与水平面之间以及所述第三圆台形结构的内壁所在的曲面与水 平面之间均成15°-45°的夹角。加工方便，且能很好地实现各自的功能，实用性强。

本发明的第二目的在于提供一种采用上述溶洞用防护装置的航道水上钻探方法，具体 包括以下步骤：

步骤一：按照常规水上钻探方法埋置钻探工作面至航道水底的大口径开孔管套管，开 始常规水上钻探；

步骤二：在第i层溶洞的位置，将钻具钻穿第i层溶洞至第i层溶洞的底板位置，其中 i为大于等于1的自然数；

步骤三：将钻杆收回，在钻具的钻杆下端安装如权利要求1-7任意一项所述溶洞用防 护装置，将所述溶洞用防护装置送入第i层溶洞处，以所述套管完全贯穿所述第i层溶洞 进行设置为准；

步骤四：反向转动钻机使得溶洞用防护装置中的套管接头与套管接盘脱离，使得套管、 套管接头以及套管刃脚留在第i层溶洞处，完成第i层溶洞的防护；将带有套管接盘的钻 杆收回，取下套管接盘后继续进行钻探；

步骤五：在第i+1层溶洞位置，重复步骤二至步骤四，且第i+1层溶洞处使用的溶洞 用防护装置的型号比第i层溶洞处所使用的溶洞用防护装置的型号小；当无溶洞且达到钻 探深度要求时，钻探完毕。

应用本发明的航道水上钻探方法，具有以下效果：(1)钻探工艺步骤精简，操作方便； (2)与传统钻探方法相比较，减少了开孔套管至溶洞护壁套管之间的套管材料，同时开 孔套管在钻探完成后可以直接拔出重复利用，节省了钻探费用；(3)套管不必进行切割， 节省了套管埋设和套管切除所需时间。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下 面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例 及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的溶洞用防护装置的爆炸结构示意图；

图2是本发明优选实施例1中溶洞用防护装置用于钻探时的示意图；

图3是本发明优选实施例2中溶洞用防护装置用于钻探时的示意图；

其中，1、套管，11、第一外螺纹，12、第一内螺纹，2、套管接头，21、第二内螺纹， 22、管刃段，23、连接段，231、第三内螺纹，3、套管刃脚，31、第二外螺纹，4、套管 接盘，41、内螺纹，42、外螺纹，43、竖直管，44、圆盘体，45、第二通孔，5、大口径 开孔管套管，6、溶洞，61、溶洞顶板，62、溶洞底板，7、钻杆，8、第一层溶洞，81、 第一层溶洞顶板，82、第一层溶洞底板，9、第二层溶洞，91、第二层溶洞顶板，92、第 二层溶洞底板，101、钻探工作面，102、航道水底102。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和 覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1以及图2，一种溶洞用防护装置，包含一组防护单件，所述防护单件包括套 管1、设置在所述套管1上端且通过套管接盘4与钻杆7连接的套管接头2以及设置在所 述套管1下端的套管刃脚3，所述套管接头2和套管刃脚3均具有与所述套管1内径相同 且同中心轴线设置的第一通孔。

所述套管1的上端外壁上设有第一外螺纹11，其下端内壁上设有第一内螺纹12；沿竖 直方向，所述套管1的长度比溶洞的高度大8％-20％。

所述套管刃脚3的上端外壁上设有与所述第一内螺纹12相匹配的第二外螺纹31，且 其下端外壁呈上宽下窄的第二圆台形结构；所述套管刃脚3外壁到其内壁的最小水平距离 为0。

所述套管接头2的下端内壁上设有与所述第一外螺纹11相匹配的第二内螺纹21，且 其下端外壁呈上宽下窄的第一圆台形结构；所述套管接头2的上端包括内壁呈上宽下窄的 第三圆台形结构的管刃段22以及内壁上设有第三内螺纹231的连接段23；所述套管接头 2外壁到所述套管1外壁的最大水平距离大于0(最好是：在水平设置的平面上，所述套 管接头2的最小横截面积与所述套管1的最大横截面积相同)。套管接头的结构精简；其 上设有的管刃段与套管刃脚相对设置，用于扩孔的同时减少施工过程中钻头的倾斜，即实 现下一层溶洞用防护装置中的套管刃脚快速对准插入，尽可能地减小上层套管与下层套管 在竖直方向的安装差，使得钻头尽可能多地穿过更多层溶洞，从而实现多层溶洞的防护， 实用性强。

所述套管接盘4的上端内壁上设有与钻杆下端相匹配的内螺纹41，其下端外壁上设有 与所述第三内螺纹22相匹配的外螺纹42。最好是：所述套管接盘4包括由上至下依次串 联的竖直管43和圆盘体44，所述内螺纹41设置在所述竖直管43的上端内壁上，所述外 螺纹42设置在所述圆盘体44的下端外壁上；所述圆盘体44上设有多个第二通孔45，所 述第二通孔45的中心轴线与所述第一通孔的中心轴线相互平行。所述第二通孔45最好是 沿环形均布设置，其数量为4-8个。

所述第一外螺纹11、第二外螺纹31、外螺纹42、第一内螺纹12、第二内螺纹21、第 三内螺纹22以及内螺纹41沿竖直方向的高度均为5-15厘米。

所述套管1、套管接头2、套管刃脚3以及套管接盘4的材质均为钢材(最好是选用 不锈钢材质，渐层的部分溶洞用防护装置可根据需要收回重复使用)。

应用本实施例的溶洞用防护装置进行航道水上钻探方法，具体包括以下步骤：

步骤一：按照常规水上钻探方法埋置钻探工作面至航道水底的大口径开孔管套管，开 始常规水上钻探；

步骤二：在溶洞6的位置，将钻具钻穿溶洞6至溶洞底板62位置；

步骤三：将钻杆7收回，在钻具的钻杆下端安装上述溶洞用防护装置(使用前，将已 经连接好的套管、套管接头、套管刃脚以及套管接盘各部件的连接处最好再进行点焊接或 者采用其他焊接方式以加固连接)，将所述溶洞用防护装置送入溶洞6处，以所述套管1 完全贯穿所述溶洞设置为准(套管1的两端分别位于溶洞顶板61以上(大约5-15厘米) 和溶洞底板62以下(大约5-15厘米)，即套管1的高度比溶洞6的高度要大)；

步骤四：反向转动钻机使得溶洞用防护装置中的套管接头2与套管接盘4脱离，使得 套管1、套管接头2以及套管刃脚3留在溶洞处，完成溶洞的防护；将带有套管接盘4的 钻杆收回，取下套管接盘4后继续进行钻探；

步骤五：达到钻探深度要求时，钻探完毕。

采用本发明的溶洞用防护装置及钻探方法，具有以下效果：

(1)本发明溶洞用防护装置整体结构简单，套管、套管接头、套管刃脚以及套管接 盘均可设计成标准化配件，部分只需要稍加工处理，易于维护。

(2)本发明钻探方法，操作简便，施工难度小，使用方便。

(3)本发明钻探方法与传统钻探方法相比较，减少了开孔套管至溶洞护壁套管之间 的套管材料，开孔套管在钻探完成后可以直接拔出重复利用，不必进行切割，节省了钻探 费用以及套管埋设和切除所需的时间。

实施例2：

一种溶洞用防护装置，包含第一组防护单件以及比所述第一组防护单件型号小一号的 第二组防护单件，第二组防护单件可从第一组防护单件中完全穿过。第一组防护单件和第 二组防护单件在构造方面均与实施例1中的防护单件的结构相同。

上述溶洞用防护装置应用于具有两层溶洞的航道水上钻探过程，本实施例溶洞用防护 装置用于钻探时的示意图详见图3。

具体施工方法包括以下步骤：

步骤一：按照常规水上钻探方法埋置钻探工作面101至航道水底102的大口径开孔管 套管5，开始常规水上钻探；

步骤二：在第一层溶洞8的位置，将钻具钻穿第一层溶洞8至第一层溶洞底板82位 置；

步骤三：将钻杆7收回，在钻具的钻杆下端安装第一组防护单件(使用前，将已经连 接好的套管、套管接头、套管刃脚以及套管接盘各部件的连接处最好再进行点焊接或者采 用其他焊接方式以加固连接)，将所述第一组防护单件送入第一层溶洞8处，以所述套管1 完全贯穿所述第一层溶洞8设置为准(套管1的两端分别位于第一层溶洞顶板81以上和 第一层溶洞底板82以下，即套管1的高度比第一层溶洞8的高度要大)；

步骤四：反向转动钻机使得第一组防护单件中的套管接头2与套管接盘4脱离，使得 套管1、套管接头2以及套管刃脚3留在第一层溶洞8处，完成第一层溶洞8的防护；将 带有套管接盘4的钻杆收回，取下套管接盘4后继续进行钻探；

步骤五：在第二层溶洞9的位置，将钻具钻穿第二层溶洞9至第二层溶洞底板92位 置；

步骤六：将钻杆7收回，在钻具的钻杆下端安装第二组防护单件(使用前，将已经连 接好的套管、套管接头、套管刃脚以及套管接盘各部件的连接处最好再进行点焊接或者采 用其他焊接方式以加固连接)，将所述第二组防护单件送入第二层溶洞9处，以所述套管1 完全贯穿所述第二层溶洞9设置为准(套管1的两端分别位于第二层溶洞顶板91以上和 第二层溶洞底板92以下，即套管1的高度比第二层溶洞9的高度要大)；

在第二组防护单件的下降过程中，第二组防护单件整体穿过了第一层防护单件后，才 到达第二层溶洞9处。

步骤七：反向转动钻机使得第二组防护单件中的套管接头2与套管接盘4脱离，使得 套管1、套管接头2以及套管刃脚3留在第二层溶洞9处，完成第二层溶洞9的防护；将 带有套管接盘4的钻杆收回，取下套管接盘4后继续进行钻探；

步骤八：达到钻探深度要求时，钻探完毕。

当钻探过程中遇到三层及以上层数溶洞时，采用包含与溶洞层数相同组数且规格均不 同的防护单件的溶洞用防护装置(施工过程中，下一层溶洞处使用的溶洞用防护装置比上 一层溶洞处所使用的溶洞用防护装置型号至少小一号，以确保下一层溶洞处所采用的防护 单件能顺利穿过上一层防护单件)，施工方法与本实施例2相似。

浅层采用的溶洞防护装置可以根据需求进行收回，具体方式是：将待收回防护单件所 匹配的套管接盘安装在钻杆的端部并送至待收回防护单件处，转动钻杆，使得套管接盘与 套管接头连接稳固，竖直向上抽回钻杆即可实现防护单件的回收。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人 员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。