专利名称：反循环切割成孔方法
技术领域：
本发明主要涉及钻孔桩桩孔施工技术领域，尤其是反循环切割成孔方法.
背景技术：
所述桩孔施工钻是工程施工钻中的一种，其含意与桩孔施工技术、桩孔施工方法的相同。桩孔施工钻由一种成孔设备与一类或多类成孔方法及其成孔工艺组成，一种桩孔施工钻的成孔设备在成孔过程中，不经过拆装(不包括接长)钻杆或刚性排碴管，可分别实现分属于各类成孔方法的成孔工艺。在成孔过程中，一种经过拆装钻杆或刚性排碴管可分别实现多类成孔方法的成孔设备，是多功能成孔设备。成孔方法由钻进方法和排碴方法组成，一种成孔方法的钻进方法和排碴方法在成孔过程中，不经过拆装钻杆或刚性排碴管(不包括接长)，可联合作业。钻进方法由一种或几种钻进方法组成，一种钻进方法中的各种钻进方法在钻进过程中，不经过拆装钻杆或刚性排碴管(不包括接长)，可联合作业。排碴方法由一种或几种排碴方法组成，一种排碴方法中的各种排碴方法在排碴过程中，不经过拆装钻杆或刚性排碴管(不包括接长)，可联合作业。成孔工艺由钻进工艺和排碴方法工艺组成，一种成孔工艺的钻进工艺和排碴工艺在成孔过程中，不经过拆装钻杆或刚性排碴管(不包括接长)，可进行造孔作业。钻进工艺由一种或几种钻进工艺组成，一种钻进工艺中的各种钻进工艺，在钻进过程中，不经过拆装钻杆或刚性排碴管(不包括接长)，可进行钻进作业。排碴工艺由一种或几种排碴工艺组成，一种排碴工艺中的各种排碴工艺在排碴过程中，不经过拆装钻杆或刚性排碴管(不包括接长)，可进行排碴作业。根据施加外力的性质和方式，钻进方法可分成水平和垂直钻进方法；按是否有泥浆参与排碴，排碴方法可分成泥浆和运载排碴方法。各类钻进方法和排碴方法见表3。两种钻进方法和两种排碴方法可组成9种类型成孔方法。各类成孔方法见表2。9种类型的成孔方法，可组成9种类型的桩孔施工钻。各类桩孔施工钻见表1。桩孔施工钻的先进性、适用性和经济性，均取决于其成孔方法类型的多样性。岩石是一种脆性固体，其特点是脆性和坚固性。不对被钻岩体进行体积破碎的成孔工艺，适应岩石地层的特点；对被钻岩体进行体积破碎的成孔工艺，不适应岩石地层的特点ο200410013230. 8号发明专利所述的桩孔施工方法，是一种IX型桩孔施工钻，其成孔设备在成孔过程中，不经过拆装钻杆可分别实行分属于9类成孔方法的12种成孔工艺。 其中，用于在岩石地层中成孔的泥浆循环冲爆旋抓斗成孔工艺，是一种对被钻岩体进行体积破碎的成孔工艺，因此，不适应岩石地层的特点。
在《多工艺旋挖钻进技术研究》(刘三意.中国博士学位论文全文数据库)中，有一种局部空气反循环环切取芯成孔工艺。局部空气反循环环切取芯成孔工艺由环切钻进工艺、卡断器断芯钻进工艺和局部空气反循环排碴工艺、卡断器取芯及钻头排碴工艺组成，并由环切钻进工艺和局部空气反循环排碴工艺组成局部空气反循环环切成孔工艺。局部空气反循环环切取芯成孔工艺的成孔过程是先用局部空气反循环环切成孔工艺造孔，钻成达到回次钻进深度的沿孔壁的圆环形沟之后停钻，再用卡断器断芯钻进工艺卡断被圆环形沟所围的岩芯柱，岩芯柱被卡断后用卡断器取芯孔排碴工艺从孔内取出岩芯柱。局部空气反循环环切成孔工艺的成孔过程是在筒状钻头的牙轮掌牙齿沿孔壁圆环形孔底面回转向下破岩的同时，空压机通过地面式回转器上的气龙头和沿钻杆下入桩孔的高压胶管、钻头的进气管，将压缩空气送入钻头的排渣管，压缩空气在排渣管内与泥浆混合生成气水混合物，气水混合物在排渣管内快速上升，带动排渣管内的泥浆从下向上高速流出排渣管，并在排渣管的下入口处形成负压及巨大的抽吸力，抽吸力将孔底的岩渣吸离孔底，并通过排渣管排出，排出后的岩渣重返桩孔后因过流面积的增大而上升速度减缓，并最终沉淀于钻头上部的储渣筒内。卡断器断芯钻进工艺的钻进过程是提钻，钻头的卡断器受自身重力或弹簧力的影响，卡断器由筒状钻头的筒壁向孔心伸出卡在岩心柱上，通过强力提拔和振动将岩心柱卡断。卡断器取芯及钻头排碴工艺的排碴过程是提升钻头出孔，暂贮在贮碴斗内的岩碴和被卡断器卡住的岩芯柱随钻头出孔，令钻头离开孔位后卸去岩碴和岩芯柱。用局部空气反循环环切取芯成孔工艺成孔，可能会遇到以下3种情况被钻岩体裂隙发育、岩层不完整，在钻凿圆环形沟的过程中，不用卡断器岩心柱可被扭断；被钻岩体裂隙不发育、岩层完整但岩芯柱直径较小，岩心柱可被卡断器卡断；被钻岩体裂隙不发育，岩层完整且岩芯柱直径较大，岩心柱不可被卡断器卡断。对于后一种情况的成孔过程是用局部空气反循环环切成孔工艺钻成达到回次钻进深度的沿孔壁圆环形沟后，先换用短螺旋钻头破碎岩芯柱，再换用捞碴斗排出孔内岩碴。据上所述，局部空气反循环环切取芯成孔工艺的适用性如下适用于在岩体裂隙发育、岩层不完整的岩石中造桩孔；适用于在岩体裂隙不发育、岩层完整的岩石中造小直径桩孔；不适用于在岩体裂隙不发育、岩层完整的岩石中造大直径桩孔。由于成孔设备不适成孔工艺，局部空气反循环环切取芯成孔工艺目前还不具有实用性。研究单位在现场试验中，发现了局部空气反循环环切钻进工艺的原因互相矛盾的两个问题，即岩碴的重复破碎高、成孔速度较低，原因是排风量、空气压力太小，孔底泥浆的上返速度不足以把大颗粒的岩渣带离钻进面；在覆盖层易塌壁，原因是排风量、空气压力太大，当大量压缩空气在孔内快速上升时，泥浆压力快速减小、空气急剧澎胀，导致泥浆剧烈扰动而造成塌壁。研究单位认为采用局部空气反循环旋挖成孔工艺的目的，就是要获得较高的成孔速度，要达到目的，空气压力和排风量的大小必须满足排渣和清理孔底的需要。研究单位提出的解决方案是从孔口至岩面用护筒护壁，加大排风量和空气压力。研究单位认为实施解决方案的问题是从孔口至岩面用护筒护壁成本太高，目前无法在我国推广使用。在桩孔施工技术领域，除了局部空气反循环环切取芯成孔工艺，尚未见有其它不对被钻岩体进行体积破碎的成孔工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种反循环切割成孔方法，以改善 200410013230. 8号发明专利所述桩孔施工钻对岩石地层的适应性。本发明所要解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的反循环切割成孔方法，其包括由环切钻进工艺和反循环排碴工艺组成的反循环环切成孔工艺、由向心给进回转钻进工艺和反循环排碴工艺组成的反循环向心给进回转成孔工艺、旋抓钻头取芯排碴工艺。具体是先用反循环环切成孔工艺造孔，钻成达到回次钻进深度的沿孔壁的圆环形沟之后停止向下给进，接着用反循环向心给进回转成孔工艺切割被圆环形沟所围的岩芯柱，岩芯柱被断下后，用旋抓钻头取芯排碴工艺从孔内取出岩芯柱。在所述的用反循环环切成孔工艺造孔过程中，其方法是在环切筒的牙轮掌牙齿沿孔壁圆环形孔底面回转向下破岩的同时，携带岩碴的泥浆从沿孔壁圆环形沟底面进入管道，然后流向地面。所述的携带岩碴的泥浆从沿孔壁圆环形沟底面进入管道，并经过钻头的排碴管、 水龙头、密封式伸缩钻杆的空腔流向地面，泥浆和岩碴出孔后，岩碴沉淀于地面，泥浆则回流入孔。在所述的切割过程中，其方法是在向心给进力和回转力矩的共同作用下，刃具向孔心回转切割岩芯柱，切割下来的岩碴，由不断在孔内外反循环流动的泥浆携带出孔。在所述的旋抓钻头取芯排碴过程中，其方法是岩芯柱被断下后，在夹持力的作用下，刃具在断面处托住岩芯柱，然后提升钻头出孔，令钻头离开孔位后卸去岩芯柱。本发明提供的上述方法通过反循环切割钻头实现，该钻头由钻头座、双连杆瓣叶开合机构、环切筒、向心切割瓣叶、排碴管道组成，其中双连杆瓣叶开合机构设有拉压连杆、上开合连杆、下开合连杆，它们的一端通过一个铰轴铰接，拉压连杆的另一端与拉压器铰接相连，上开合连杆的另一端与钻头座铰接相连，下开合连杆的另一端与向心切割瓣叶铰接相连；向心切割瓣叶的下端分布有向孔心回转切割破岩的向心齿。所述双连杆瓣叶开合机构的工作过程是拉压器下压拉压连杆使向心切割瓣叶开启，拉压器拉起拉压连杆使向心切割瓣叶闭合。所述的上开合连杆的另一端与钻头座的中心管铰接相连。所述的下开合连杆的另一端与向心切割瓣叶上的下连杆座铰接。所述的拉压连杆的另一端与拉压器的下转盘底面铰接相连。
本发明与局部空气反循环环切取芯成孔方法相比，具有以下的主要优点在管道内高速流动的泥浆不扰动孔壁，从孔口至岩面不需要用护筒护壁，克服了局部空气反循环环切取芯成孔工艺易垮壁、或成本高的缺点，令不对被钻岩体进行体积破碎的成孔工艺具有了实用性，解决了在岩石地层中造孔慢、成本高的难点和热点问题。
图1是本发明使用的反循环切割钻头的结构示意图。图2是拉压器的结构示意图。图中1.钻头中心管；2.上连杆座；3.拉压连杆；4.上开合连杆；5.上排碴管； 6.导环盘；7.下开合连杆；8.瓣铰坐；9.下连杆坐；10.环切筒；11.向心切割瓣叶；12.下排碴管；13.牙轮掌；14.向心齿；15.环切齿；16.主机壳体；17.定向筒；18.开合油缸; 19.主机中心管；20.拉压器中心管；21.升降筒；22.上转盘；23.不转盘；24.下转盘。
具体实施例方式下面结合顺顺利利及附图详述本发明的具体实施方式
。本发明通过解决局部空气反循环环切取芯成孔工艺易垮壁、或成本高的问题，解决在岩石地层中造孔慢、成本高的难点和热点问题。配置有密封式伸缩钻杆的孔底式成孔设备，使用反循环切割钻头，可实现反循环切割成孔工艺。本发明提供的反循环切割成孔方法，包括由环切钻进工艺和反循环排碴工艺组成的反循环环切成孔工艺、由向心给进回转钻进工艺和反循环排碴工艺组成的反循环向心给进回转成孔工艺、旋抓钻头取芯排碴工艺。具体是先用反循环环切成孔工艺造孔，钻成达到回次钻进深度的沿孔壁的圆环形沟之后停止向下给进，接着用反循环向心给进回转成孔工艺切割被圆环形沟所围的岩芯柱，岩芯柱被断下后，用旋抓钻头取芯排碴工艺从孔内取出岩芯柱。所述的反循环环切成孔工艺的成孔过程是在环切筒的牙轮掌牙齿沿孔壁圆环形孔底面回转向下破岩的同时，携带岩碴的泥浆从沿孔壁圆环形沟底面进入管道，并经过钻头的排碴管、水龙头、密封式伸缩钻杆的空腔流向地面，泥浆和岩碴出孔后，岩碴沉淀于地面，泥浆则回流入孔。所述的反循环环切成孔工艺的排碴过程是携带岩碴的泥浆从沿孔壁圆环形孔底面通过管道流向地面，泥浆和岩碴出孔后，岩碴沉淀于地面，泥浆则回流入孔。所述的反循环向心给进回转成孔工艺的成过程是在给进力和回转力矩的共同作用下，刃具向孔心齿回转切割岩芯柱，切割下来的岩碴，由不断在孔内外反循环流动的泥浆携带出孔。所述的反循环向心给进回转成孔工艺的钻进过程是在给进力和回转力矩的共同作用下，刃具向孔心齿回转切割岩芯柱。所述的旋抓钻头取芯排碴工艺的排碴过程是岩芯柱被断下后，在瓣叶夹持力的作用下，向心齿在断面处托住岩芯柱，然后提升钻头出孔，令钻头离开孔位后卸去岩碴和岩芯柱。
所述的旋抓钻头取芯排碴工艺的持岩方式是在夹持力的作用下，刃具在断面处托住岩芯柱。本发明提供的上述方法通过使用图1所示的反循环切割钻头来实现，该钻头由钻头座、双连杆瓣叶开合机构、环切筒、向心切割瓣叶、排碴管道组成，其中双连杆瓣叶开合机构设有拉压连杆3、上开合连杆4、下开合连杆7，它们的一端通过一个铰轴铰接，拉压连杆3的另一端与拉压器铰接相连，上开合连杆4的另一端与钻头座铰接相连，下开合连杆7 的另一端与向心切割瓣叶11铰接相连；向心切割瓣叶11的下端分布有向孔心回转切割破岩的向心齿14。所述的双连杆瓣叶开合机构，降下拉压连杆则开合连杆开启瓣叶，升起拉压连杆则开合连杆闭合瓣叶。所述的向心切割瓣叶，在瓣叶11的下端分布有向孔心回转切割破岩的向心齿14。图1是反循环切割钻头的结构示意图。钻头座由中心管1和导环盘6固连面成。双连杆瓣叶开合机构由上开合连杆4、下开合连杆7、拉压连杆2组成。上开合连杆的上端与在中心管上的上连杆座2铰接，下开合连杆的下端与瓣叶上的下连杆座9铰接，拉压连杆的下端与上开合连杆的下端和下开合连杆的上端铰接。环切筒10的顶面与导环盘6的导环的底面相接，环切筒底面分布有牙轮掌13和环切齿15。向心切割瓣叶的瓣叶11的下端分布有向心齿14，瓣叶通过瓣铰坐8与导环盘铰接，瓣叶还通过下连杆坐9下开合连杆的下端铰接。钻头的排碴管道由中心管1、上排碴管5、下排碴管12组成。图2是拉压器的结构示意图.其中定向筒17与主机壳体16相连，拉压器中心管20上与主机中心管19相连、下与钻头中心管1相连，开合油缸18上与主机壳体16相连、下与不转盘23相连；升降筒21通过键、槽外套于定向筒17，升降筒21的下端与不转盘23相连；不转盘23在上转盘22和下转盘M之间，不转盘是上转盘和下转盘的支承盘；上转盘22和下转盘M通过键、槽外套于主机中心管19并可随主机中心管转动；拉压连杆3的上端与下转盘对底面上的铰接相连、下端与上开合连杆3、下开合连杆7、铰接。本发明提供的上述方法，其造孔过程如下主机驱动开合油缸18出活塞，推动升降筒21、上转盘22、不转盘23、下转盘M、拉压连杆3下移，在拉压连杆的压力作用下，上开合连杆3绕上连杆座2、下开合连杆7绕下连杆坐9同时向下转动，随着上、下开合连杆的转动，上连杆座2与下连杆坐9之间的直线距离逐渐缩短、瓣叶11绕瓣铰坐8逐渐张开，瓣叶11的外壁贴住环切筒10的内壁后，下钻。钻头触底后，主机驱动、主机中心管19、拉压器中心管20、；上转盘22、;下转盘M、 拉压连杆3和反循环切割钻头回转，与此同时，地面上的砂石泵依次通过入孔胶管、密封式伸缩钻杆的空腔、水龙头、主机中心管、拉压器中心管、钻头中心管、上排碴管、下排碴管，从沿孔壁圆环形孔底面向孔外抽吸泥浆、并从孔口向孔内补充泥浆。
向下给进，环切齿和牙轮掌的牙齿，沿孔壁回转破碎岩石，从岩石上破碎下来的岩碴，随即被不断在孔内钻反循环流动的泥浆携带出孔。在沿孔壁成孔的过程中，瓣叶和环切筒随着环切齿和牙轮掌的牙齿向下进尺，进尺深度与瓣时高度相等时，停止向下给进并回缩油缸活塞，瓣叶向孔心合拢为向心齿提供向心给进力，向心给进力和回转力矩的共同作用下，向心齿向孔心切割岩芯柱，切割过程在岩芯柱被扭断时结束。经过切割的岩芯柱被扭断后，停止回转钻头和流动泥浆，提升钻头出孔，张开瓣叶卸掉岩芯柱后，降下钻头进行下一回次成孔作业。从具体实施方式
可看到，用反循环切割成孔工艺成孔，从孔口向孔内补充的泥浆， 虽然流经已成孔段，但因过流面积大、泥浆流速低，对孔壁稳定没有大的影响；从孔底向孔外流出的泥浆，虽然流速大，但泥浆是经管道出孔且泥浆在岩石孔段中流入管道，对孔壁稳定也没有大的影。所以，从孔口至岩面不需要用护筒护壁。附表
权利要求
1.反循环切割成孔方法，包括由环切钻进工艺和反循环排碴工艺组成的反循环环切成孔工艺、由向心给进回转钻进工艺和反循环排碴工艺组成的反循环向心给进回转成孔工艺、旋抓钻头取芯排碴工艺，其特征是先用反循环环切成孔工艺造孔，钻成达到回次钻进深度的沿孔壁的圆环形沟之后停止向下给进，接着用反循环向心给进回转成孔工艺切割被圆环形沟所围的岩芯柱，岩芯柱被断下后，用旋抓钻头取芯排碴工艺从孔内取出岩芯柱。
2.根据权利要求1所述的反循环切割成孔方法，其特征是在造孔过程中，其方法是在环切筒的牙轮掌牙齿沿孔壁圆环形孔底面回转向下破岩的同时，携带岩碴的泥浆从沿孔壁圆环形沟底面进入管道，然后流向地面。
3.根据权利要求2所述的反循环切割成孔方法，其特征是携带岩碴的泥浆从沿孔壁圆环形沟底面进入管道，并经过钻头的排碴管、水龙头、密封式伸缩钻杆的空腔流向地面， 泥浆和岩碴出孔后，岩碴沉淀于地面，泥浆则回流入孔。
4.根据权利要求1所述的反循环切割成孔方法，其特征是在切割过程中，其方法是在向心给进力和回转力矩的共同作用下，刃具向孔心回转切割岩芯柱，切割下来的岩碴，由不断在孔内外反循环流动的泥浆携带出孔。
5.根据权利要求1所述的反循环切割成孔方法，其特征是在旋抓钻头取芯排碴过程中，其方法是岩芯柱被断下后，在夹持力的作用下，刃具在断面处托住岩芯柱，然后提升钻头出孔，令钻头离开孔位后卸去岩芯柱。
6.根据反循环切割成孔方法，其特征是该方法使用反循环切割钻头，所述钻头由钻头座、双连杆瓣叶开合机构、环切筒、向心切割瓣叶(11)、排碴管道组成，其中双连杆瓣叶开合机构设有拉压连杆(3)、上开合连杆G)、下开合连杆(7)，它们的一端通过一个铰轴铰接，拉压连杆(3)的另一端与拉压器铰接相连，上开合连杆的另一端与钻头座铰接相连，下开合连杆(7)的另一端与向心切割瓣叶(11)铰接相连；向心切割瓣叶(11)的下端分布有向孔心回转切割破岩的向心齿(14)。
7.根据权利要求6所述的反循环切割成孔方法，其特征在于所述双连杆瓣叶开合机构的工作过程是拉压器下压拉压连杆(3)使向心切割瓣叶(11)开启，拉压器拉起拉压连杆 (3)使向心切割瓣叶(11)闭合。
8.根据权利要求6所述的反循环切割成孔方法，其特征是上开合连杆的另一端与钻头座的中心管铰接相连。
9.根据权利要求6所述的反循环切割成孔方法，其特征是下开合连杆的另一端与向心切割瓣叶(11)上的下连杆座(9)铰接。
10.根据权利要求6所述的反循环切割成孔方法，其特征是拉压连杆(3)的另一端与拉压器的下转盘04)底面铰接相连。
全文摘要
本发明涉及反循环切割成孔方法，其包括由环切钻进工艺和反循环排碴工艺组成的反循环环切成孔工艺、由向心给进回转钻进工艺和反循环排碴工艺组成的反循环向心给进回转成孔工艺、旋抓钻头取芯排碴工艺，该方法是先用反循环环切成孔工艺造孔，钻成达到回次钻进深度的沿孔壁的圆环形沟之后停止向下给进，接着用反循环向心给进回转成孔工艺切割被圆环形沟所围的岩芯柱，岩芯柱被断下后，用旋抓钻头取芯排碴工艺从孔内取出岩芯柱。本发明的优点，是克服了局部空气反循环环切取芯成孔工艺易垮壁、或成本高的缺点，解决了在岩石地层中造孔慢、成本高的难点和热点问题。
文档编号E21B7/00GK102392599SQ20111032540
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者程天森 申请人:程天森