专利名称：潜孔锤双管钻具及其钻进方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于松散无胶结的砂、卵、砾、碎石层及夹有软泥层和硬岩层等复杂地层钻探施工的钻探设备和钻进方法，特别是物探震源孔钻探施工的机具及其钻进方法。
背景技术：
在砂、卵、砾、碎石地层及夹层中进行物探震源孔钻探施工最大的问题是成孔难，下炸药难，施工速度慢，施工效率低。其原因是砂、卵、砾、碎石地层松散，在钻进中孔壁不稳定，经常塌孔，用泥浆护壁又漏失严重。现有卵砾石地层钻进，为了克服塌孔和漏失，多采用套管护壁方法。因孔壁不稳定，套管难以下到规定的深度，即使能把套管沉入到规定的深度，当完成钻进时提拔套管也非常因难，由此导致成孔时间长，施工成本高的严重问题。
泥浆护壁正、反循环钻进适用于不稳定地层厚度较薄，地层颗粒之间存在一定的粘结力，地层孔隙比较小，漏失量较少的地层。泥浆护壁钻进对于漏失严重和坚硬岩层钻进效率低，钻头磨损严重。
钢绳冲击钻进对于含漂石、滚石的卵砾石地层钻进效果较好，利用钻头的自重冲击挤密和孔内填加粘土的办法，可有效护壁，保证孔壁稳定。但孔内遇水，地层孔隙比较大时，孔壁不易稳定。钢绳冲击纯钻进时间仅占总工作时间的0.27％～0.4％，钻进效率低，钢绳冲击钻进只能钻进直孔。
落锤冲击钻进法是利用落锤从一定高度落下冲击钢管，钢管打入松散地层中，到达预定深度后，将炸药从钢管内下入，再拔出钢管。该方法只能用于较小粒径砂、卵、砾石地层，且孔深受到限制。对于粒径较大的卵、砾、碎石地层无法成孔。
潜孔锤单管钻进法利用压缩空气驱动孔底冲击器冲击钻头来破碎坚硬岩石，产生的岩粉由压缩空气从钻杆外吹出孔外。该方法对于坚硬完整岩层，钻进效率较高，但对于松软的卵、砾、碎石地层由于孔壁坍塌而不能成孔。
潜孔锤跟管钻进时，靠套管护壁，虽能钻进松软的卵、砾、碎石地层，但由于套管不回转，下管深度受到限制，且偏心钻头的偏心块有时存在由于被岩屑卡住不能回收而使整个钻孔报废的缺点，如美国英格索兰公司(Ingersoll-Rand USA)生产的潜孔锤偏心跟管钻头。
双壁钻杆空气反循环钻进该方法钻进中内外钻杆同时回转，外管作为套管护壁，但不能钻进坚硬岩层，仅适用于沙层、细卵砾石地层，该钻具的反循环通道易出现被沙粒堵塞。
目前这些钻孔方法不能完全满足松散无胶结的砂、卵、砾、碎石地层及夹有软泥层和坚硬岩层的复杂地层钻进，而该类复杂地层在地震勘探、水利工程施工、边坡锚固、地质勘察等工程施工中又经常遇到，工作量很大。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述现有技术的不足，提供一种适于松散无胶结的砂、卵、砾、碎石地层及夹有软泥层和坚硬岩层的复杂地层钻进的潜孔锤双管钻具及其方法。
本发明的目的是通过以下方式实现的潜孔锤双管钻具是由动力头1的内轴(22)和外轴(21)分别通过螺纹与双管钻具5的内钻杆(14)和外钻杆(12)上端连接构成。
本发明的目的还可以通过以下方式实现双管钻具5是由内管钻具套装在外管钻具内构成，两者为滑动配合；内管钻具是由内钻杆14通过螺纹连接潜孔锤13，潜孔锤13经花键和半圆键连接内钻头6构成；外管钻具是由外钻杆12通过螺纹与连接套9连接，连接套9通过柱销8滑动连接外钻头7构成，也可以将外钻头7和连接套9做成一体；外钻头7的中段设有上台阶面10，内钻头6的中间设有凸台11，内钻杆14外圈焊有导正器15；动力头1所设内轴22与主轴20通过花键装配，内轴22相对主轴20可上下浮动，外轴21与主轴20为六方套装配，外轴21相对主轴20也可上下浮动。
本发明的另一个目的是通过以下方式实现的该方法包括下述顺序和步骤动力头1通过内钻杆14和外钻杆12带动内钻头6和外钻头7同速回转；压缩空气经由内钻杆14推动潜孔锤13冲击内钻头6后端的砧子，通过内钻头6中段所设的凸台11冲击外钻头7所设的上台阶面10，使外钻头7与内钻头6同步冲击回转钻进；推动潜孔锤13冲击做功后的压缩空气经内钻头6底部通风孔携带岩屑经内钻杆14与外钻杆12之环状间隙上返排出地表；钻进终孔时内管钻具从外管钻具中提出，外管钻具留在孔内护壁，炸药、各种管材或各种测量仪器沿外管内壁下入孔内，到达孔底后提出外管钻具。
a.内管钻具不变时，外钻头7与连接套9间采用滑动连接，可钻进夹有坚硬岩层；外钻头7与连接套9间做成一体，可钻进松软砂、卵、砾、碎石地层；b.外管钻具不变时，内钻头6换成三翼或刮刀式，用于钻进夹有软泥的地层。
c.钻进时可采用空气、泡沫、泥浆或清水作为钻孔冲洗液。
本发明的有益效果解决了松散的砂、卵、砾、碎石地层的钻孔和下炸药的技术难题，与现有技术相比钻进效率提高近5倍，施工成本降低3-4倍。与现有技术相比见下表
附图及
附图1为潜孔锤双管钻具结构图附图2为双管钻具5的剖视图附图3为动力头1的剖视图
1动力头，2桅杆，3摆角油缸，4连杆，5双管钻具，6内钻头，7外钻头，8柱销，9连接套，10上台阶面，11凸台，12外钻杆，13潜孔锤，14内钻杆，15导正器，16导杆，17套环，18进风管，19液压马达，20主轴，21外轴，22内轴，23小齿轮，24大齿轮，25排风套，26排风管。
具体实施例方式下面通过实例作进一步详细说明动力头1的两侧通过键销将连杆4固定在动力头1的外壳上，连杆4通过铰链与摆角油缸3连接，摆角油缸3通过铰链与桅杆2连接，动力头1通过摆角油缸3使动力头1回转0-90°，以便接拧钻杆。加接钻杆时，动力头1下到桅杆2底端，并将动力头1回转轴摆到水平位置，将动力头1的内轴22与内钻杆14和外轴21与外钻杆12拧接后，动力头1上升将钻杆提起，动力头1上升到顶端时，钻具呈竖直状态，下端与孔内的双管钻具5连接，完成加接钻具过程。在完成钻孔提升钻具时，使用动力头1边回转边提升，底部用夹持器卸开双管钻具5后，利用摆角油缸3使双管钻具5向外摆动，放倒钻具。
进风管18穿过主轴20的中心孔，两液压马达19用螺钉固定在动力头1的壳体上，小齿轮23通过键固定在液压马达19的转动轴上，大齿轮24通过键固定在主轴20上，两液压马达19通过小齿轮23啮合大齿轮24带动主轴20转动，内轴22与主轴20通过花键装配，内轴22相对主轴20可上下浮动，外轴21与主轴20为六方套装配，外轴21相对主轴20也可上下浮动，提动钻具时可实现潜孔锤13的强吹孔功能，以排出内、外钻杆环状间隙中的大颗粒，保证循环通道清洁、畅通，内钻杆14与外钻杆12之间不被岩粉卡死，同时在拧卸外钻杆时保证钻杆接头丝扣不受损坏。排风管26焊接在排风套25上，排风套25通过轴承装在主轴20上，套环17焊接在排风套25上，导杆16套装在套环17内，并通过螺钉连接在动力头1壳体上，导杆16限制排风套25只能上下移动而不能回转，进风管18通过橡胶密封组件装在动力头1的壳体上。
双管钻具5是由外管钻具和内管钻具构成，内管钻具套装在外管钻具内，两者为滑动配合；外管钻具是由外钻杆12通过螺纹与连接套9连接，连接套9通过柱销8滑动连接外钻头7构成，外钻头7的中段设有上台阶面10，也可以将外钻头7和连接套9做成一体；内管钻具是由内钻杆14通过螺纹连接潜孔锤13，潜孔锤13经花键和半圆键连接内钻头6构成，内钻杆14下段外圈焊有导正器15，使内、外钻杆同心，确保有效排粉和升降钻具时内钻杆14的连接，内钻头6的中间设有凸台11；动力头1的内轴22和外轴21下端通过螺纹分别与双管钻具5的内钻杆14和外钻杆12的上端连接。
动力头1通过内钻杆14和外钻杆12带动内钻头6和外钻头7同速回转，压缩空气经进风管18推动潜孔锤13冲击内钻头6后端的砧子，通过内钻头6中段所设的凸台11间接冲击外钻头7所设的上台阶面10，使外钻头7与内钻头6同步冲击回转钻进，推动潜孔锤冲击做功后的压缩空气经内钻头14底部通风孔携带岩屑经内钻杆14与外钻杆12之环状间隙上返排出地表；钻进终孔时内管钻具从外管钻具中提出，用外管钻具护壁，炸药沿外管钻具内壁投入，到达孔底后提出外管钻具，炸药留在孔内。
钻机动力头通过内钻杆和外钻杆带动内钻头和外钻头同速回转。压缩空气经进风管进入内钻杆内，推动潜孔锤冲击内钻头后端的砧子，一部分能量作用在内钻头上破碎岩石；另一部分能量通过内钻头中段所设的凸台冲击外钻头所设的上台阶面，传递到外钻头上破碎岩石，使得外钻头与内钻头同步冲击回转钻进。推动潜孔锤冲击做功后的压缩空气携带孔内岩粉从内钻头和外钻头之间的环隙，进入内外钻杆间，由动力头两侧排风管排出。钻进终孔后内管钻具从外管钻具中提出。
权利要求
1.一种主要用于砂、卵、砾、碎石地层及夹有软泥层和坚硬岩石层等复杂地层的潜孔锤双管钻具及其钻进方法，其特征在于，潜孔锤双管钻具是由动力头(1)的内轴(22)和外轴(21)分别通过螺纹与双管钻具(5)中的内钻杆(14)和外钻杆(12)上端连接构成。
2.按照权利要求1所说的潜孔锤双管钻具，其特征在于双管钻具(5)是由内管钻具套装在外管钻具内构成，两者为滑动配合。
3.按照权利要求2所说的潜孔锤双管钻具，其特征在于内管钻具是由内钻杆(14)通过螺纹连接潜孔锤(13)，潜孔锤(13)经花键和半圆键连接内钻头(6)构成；外管钻具是由外钻杆(12)通过螺纹与连接套(9)连接，连接套(9)通过柱销(8)滑动连接外钻头(7)构成，也可以将外钻头(7)和连接套(9)做成一体。
4.按照权利要求3所说的潜孔锤双管钻具，其特征在于外钻头(7)的中段设有上台阶面(10)，内钻头(6)的中间设有凸台(11)，内钻杆(14)外圈焊有导正器(15)。
5.按照权利要求1所说的潜孔锤双管钻具，其特征在于动力头(1)所设内轴(22)与主轴(20)通过花键装配，内轴(22)相对主轴(20)可上下浮动，外轴(21)与主轴(20)为六方套装配，外轴(21)相对主轴(20)也可上下浮动。
6.按照权利要求1所说的潜孔锤双管钻具及其钻进方法，其特征在于该方法包括下述顺序和步骤动力头(1)通过内钻杆(14)和外钻杆(12)带动内钻头(6)和外钻头(7)同速回转；压缩空气经由内钻杆(14)推动潜孔锤(13)冲击内钻头(6)后端的砧子，通过内钻头(6)中段所设的凸台(11)冲击外钻头(7)所设的上台阶面(10)，使外钻头(7)与内钻头(6)同步冲击回转钻进；推动潜孔锤(13)冲击做功后的压缩空气经内钻头(6)底部通风孔携带岩屑经内钻杆(14)与外钻杆(12)之环状间隙上返排出地表；钻进终孔时内管钻具从外管钻具中提出，外管钻具留在孔内护壁，炸药、各种管材或各种测量仪器沿外管内壁下入孔内，到达孔底后提出外管钻具；a.内钻具不变时，外钻头(7)与连接套(9)间采用滑动连接，可钻进夹有坚硬岩层；外钻头(7)与连接套(9)间做成一体，可钻进松软砂、卵、砾、碎石地层；b.外钻具不变时，内钻头(6)换成三翼或刮刀式，用于钻进夹有软泥的地层；c.钻进时可采用空气、泡沫、泥浆或清水作为钻孔冲洗液。
全文摘要
本发明公开一种适用于松散无胶结砂、卵、砾、碎石地层及夹有软泥层和坚硬岩层等复杂地层物探震源孔钻探施工设备，钻机动力头通过内、外钻杆带动内、外钻头同速回转，压缩空气经进风管推动潜孔锤冲击砧子，内、外钻头同步冲击回转钻进，推动潜孔锤冲击做功后的压缩空气携带孔内岩粉从内、外钻头之间的环隙排出。通过摆角油缸可使动力头回转0－90°，加接钻杆时将动力头移到桅杆底端，并将动力头回转轴摆到水平位置，以便接拧钻杆，钻进终孔时内管钻具从外管钻具中提出，外管钻具留在孔内护壁，解决了松散的砂、卵、砾、碎石地层的钻孔和下炸药难的问题，与现有技术相比钻孔效率提高近5倍，施工成本降低3－4倍。
文档编号E21B4/06GK1766276SQ20051001718
公开日2006年5月3日 申请日期2005年10月10日 优先权日2005年10月10日
发明者孙友宏, 刘东生, 赵大军, 吴晓含 申请人:吉林大学