專利名稱：一種螺旋式鉆頭及一種泡沫鉆進裝置和泡沫鉆進工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及鉆探工程領域，尤其涉及一種螺旋式鉆頭以及一種使用了這種鉆頭的泡沫鉆進裝置和一種使用這種泡沫鉆進裝置的新型泡沫鉆進方法。
背景技術：
眾所周知，鉆頭在鉆進過程中可以達到的溫度非常高，導致鉆頭，尤其是鉆頭唇面部分常常因為溫度過高而過快燒損。目前在解決鉆頭在鉆探過程中降溫防損的問題時，通常在鉆頭上設置多個側面式或者底噴式水口，在鉆探工程中通過對鉆頭提供冷卻液體以降低鉆頭的溫度，相比較而言，采用底噴式水口能夠使冷卻液體更充分的流過鉆頭，冷卻效果較好。在水口數量的選擇上，為達到更好的冷卻效果，水口數量越多越好，但從保證鉆頭強度方面考慮，目前通常選擇的水口數量為8 14個。在水口形狀的選擇上，目前對水口形狀的設計有直水口或者螺旋式水流槽，但是采用直水口時冷卻液體不能充分流過鉆頭，因此冷卻效果較差，鉆頭燒損較快；而采用螺旋式水流槽時，冷卻液可以更大面積的流過鉆頭，冷卻效果較好。對于螺旋式水流槽的鉆頭，目前常用形式是水口在鉆頭唇面的形狀為全斷面形，但是采用這種形式時，冷卻液體的水流還是不能流過鉆頭的唇面部分，仍難以達到最佳冷卻效果；且采用這種形式時鉆頭的強度較小，因此在鉆探過程中鉆頭尤其是鉆頭的唇面部分任然燒損較快。泡沫鉆進技術，在我國80年代開始應用，主要應用于石油鉆井、深水井等深井鉆進中，在工程地質勘察中也有應用，解決在鉆進過程中鉆頭的冷卻和潤滑以降低燒損率。目前通用的泡沫鉆進裝置，是在常規沖洗液鉆機裝置和器具的基礎上增加了空壓機、計量泵、增壓裝置等，具體結構在題為《空氣泡沫鉆技術及其應用研究》(中國科技論文在線)一文中公開。這種裝置的節水效果教普通沖洗液鉆進裝置明顯。然而，如果一個勘探孔的孔深為30m，平均鉆速為1.5m/h，則純鉆時間為20小時，若采用常規的泡沫鉆進時，也即采用普通泡沫清洗液和普通鉆頭時，由于普通泡沫清洗液發泡效果較差，因此鉆進過程需用水量為20X60X15=18000L=18T,則在常規的泡沫鉆探過程中用水量至少需要要15 L/min以上，用水量很大；但若水量減少，將導致鉆頭燒毀。并且，由于普通泡沫清洗液發泡效果較差，因此其對鉆頭的潤滑作用也較差，鉆頭燒損速度仍然較快。在滿足正常工況(水量充足)的情況下，此方法的成孔率最多可達到90%。現有技術中，有人公開了泡沫液CN200710118082.X及其用于鉆井的方法，還有用于空氣泡沫鉆井的發泡劑(CN85105173)。然而，由于近年來風力發電的迅速發展，高山地區風力發電的工程地質勘察缺水問題突顯。因風電廠風機機位常位于風量良好的山頂，地質勘探工作常因水源難以尋找，勘探用水運輸困難，導致施工成本急劇增高。因此，水資源缺乏的條件下對鉆進過程中的鉆頭冷卻及潤滑成了急需解決的問題
發明內容
本發明所要解決的技術問題是:在鉆探過程中充分冷卻鉆頭的同時增加鉆頭的強度以延長鉆頭的使用壽命并節約鉆進過程中冷卻用水的問題。為解決上述技術問題，本發明提供了一種螺旋式鉆頭。本發明提供的一種螺旋式鉆頭，具有多個螺旋式水口，所述螺旋式水口由螺旋式水流槽和注水口構成，所述螺旋式水流槽在鉆頭唇面部分為部分斷面形狀。采用上述方案，在鉆進過程中冷卻液體可以通過注水口流進設置在鉆頭的螺旋式水流槽，使冷卻液體充分的流過鉆頭唇面部分，在保證鉆頭得到充分有效地冷卻的同時又增強了鉆頭的強度，延長了鉆頭的使用壽命；同時由于冷卻液體可以更大面的流經鉆頭，因此也相對減少了鉆進過程中的冷卻用水量，節約了冷卻用水。進一步的，所述注水口為開設在螺旋式水流槽的底面上。通過該進一步改進,可以進一步改善鉆頭冷卻效果,使鉆頭及時得到充分的冷卻。進一步的，所述螺旋式水流槽在鉆頭唇面部分的厚度為沿鉆頭半徑方向占到鉆頭唇面厚度1/2 2/3。在該進一步改進方案中，將所述螺旋式水流槽在鉆頭唇面部分的厚度選擇在沿鉆頭半徑方向占到鉆頭唇面厚度的1/2 2/3時可以更加有效的保證鉆頭唇面的強度，使鉆頭唇面在鉆進時不容易崩損，延長了鉆頭的使用壽命。進一步的，所述螺旋式水口數量為12個。通過該進一步改進，進一步改善鉆頭冷卻效果，使鉆頭及時得到充分的冷卻；同時還保證了鉆頭的強度，延長了鉆頭的使用壽命。進而，本發明提供了一種泡沫鉆進裝置，包括泡沫池、回水管、鉆機和排液槽，其特征在于，所述泡沫池通過回水管連接一多功能柱塞泵，所述多功能柱塞泵通過液體流量計與一泡沫混合器連接，所述泡沫混合器通過氣體流量計及單向閥與一空氣壓縮機連接，所述泡沫混合器通過壓力表及單向閥連接鉆機，所述鉆機采用了本發明所述的螺旋式鉆頭，所述螺旋式鉆頭通過鉆桿與所述鉆機連接，所述鉆機連接所述排液槽，所述排液槽連接所述泡沫池。在以上基礎上，本發明還提供了一種新型的泡沫鉆進方法，包括以下步驟:
A.組裝上述本發明所提供的的泡沫鉆進裝置；
B.配置一種新型泡沫沖洗液，所述新型泡沫沖洗液為在普通泡沫沖洗液中加入起泡劑得到；
C.應用步驟A所述的泡沫鉆進裝置和步驟B所述的新型泡沫沖洗液進行鉆進。進一步的，所述步驟A中的起泡劑為普通民用洗衣粉。進一步的，所述普通民用洗衣粉的含量為0.39ΓΟ.5%。進一步的,所述多功能柱塞泵流量蘭3L/min,壓力蘭5kg/cm2。進一步的,所述空氣壓縮機的風量為1.8m3/min、壓力為5kg/cm2。采用本發明提供的泡沫鉆進裝置及新型鉆進工藝所具有的有益效果是:在普通鉆進裝置中增加多功能柱塞泵和空氣壓縮機，在鉆進時啟動柱塞泵和空氣壓縮機，將3L/min-5L/min的泡沫液在發泡裝 置中與空氣混合形成空氣泡沫清洗介質，可以改善發泡效果，增加泡沫沖洗液的潤滑性，改善了鉆進過程中對鉆頭的潤滑效果；同時，由于對鉆頭的改進，使得沖洗介質在鉆頭高速鉆進過程中能更大面地沿鉆頭唇面流過，大大改善了對鉆頭的冷卻效果，降低了鉆頭的燒損率，延長了鉆頭的使用壽命。并且，采用本發明工藝方法后，鉆探過程中的用水量為20X60X (3 5) =3600L 6000L=3.6T 6T，至少節約用水12T/(30m)孔，節水效果十分明顯，這使得在水資源缺乏的工況下進一步保證了對鉆頭的潤滑和冷卻，降低了鉆頭的燒損率，延長了鉆頭的使用壽命。在此基礎上，由于所述新型泡沫沖洗液發泡十分充分，因此在鉆頭的高速運轉下更容易產生霧化，而該霧化泡沫沖洗液中混合了巖粉，其對破碎地層能起到較好的粘滯與填充作用，減弱了巖粉漿液對孔壁的沖刷，孔壁穩定性增加,大幅降低孔內事故率,大大提高了成孔率,成孔率可達99%以上。
圖1為螺旋式鉆頭的唇面部分在鉆進狀態下的正面示意圖。圖2為為螺旋式鉆頭在鉆進狀態下的左視圖。圖3為本發明工藝方法所采用的的泡沫鉆進裝置的總體系統圖。其中:1_泡沫池；2_回水管；3_多功能柱塞泵；4_液體流量計；5_泡沫混合器；6-氣體流量計；7、10_單向閥；8_空氣壓縮機；9_壓力表；11_鉆機；12_鉆桿；14-排液槽；13-底噴螺旋式鉆頭；15_螺旋式水流槽；16_注水口 ；17_鉆進時鉆頭內腔；18_鉆進時冷卻液體流向；19_鉆桿壁；20_水流槽唇面厚度。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細說明。
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根據圖1、圖2所示，一種螺旋式鉆頭，具有多個螺旋式水口，所述螺旋式水口由螺旋式水流槽15和注水口 16構成，所述螺旋式水流槽15在鉆頭唇面部分為部分斷面形狀。所述注水口 16為開設在螺旋式水流槽15的底面上。所述螺旋式水流槽15在鉆頭唇面部分的厚度20優選為沿鉆頭半徑方向占到鉆頭唇面厚度1/2 2/3。所述螺旋式水口數量優選為12個。如圖3所示,包括泡沫池1、回水管2、鉆機11和排液槽14,所述泡沫池I通過回水管2連接一多功能柱塞泵3，所述多功能柱塞泵3通過液體流量計4與一泡沫混合器5連接，所述泡沫混合器5通過氣體流量計6及單向閥7與一空氣壓縮機8連接，所述泡沫混合器5通過壓力表9及單向閥10連接鉆機11，所述鉆機11采用了權利要求f 4所述的螺旋式鉆頭13，所述螺旋式鉆頭13通過鉆桿12與所述鉆機11連接，所述鉆機11連接所述排液槽14，所述排液槽14連接所述泡沫池I。利用上述鉆進裝置進行鉆進時，采用如下工藝方法:組裝本發明提供的泡沫鉆進裝置，并配置一種新型泡沫沖洗液，該新型泡沫沖洗液為在普通泡沫沖洗液中加入起泡劑得到，該起泡劑含量為0.39ΓΟ.5%的普通高泡民用洗衣粉；啟動多功能柱塞泵，設定流量=3L/min,壓力蘭5kg/cm2,并啟動空氣壓縮機,設定風量為1.8m3/min、壓力為5kg/cm2,將3L/min-5L/min的上述泡沫沖洗液，在發泡裝置中與空氣混合形成空氣泡沫清洗介質；啟動所述泡沫鉆進裝置進行鉆進。
權利要求
1.一種螺旋式鉆頭，具有多個螺旋式水口，其特征在于，所述螺旋式水口由螺旋式水流槽(15)和注水口( 16)構成，所述螺旋式水流槽(15)在鉆頭唇面部分為部分斷面形狀。
2.根據權利要求1所述的螺旋式鉆頭，其特征在于，所述注水口(16)為開設在螺旋式水流槽(15)的底面上。
3.根據權利要求1或2所述的螺旋式鉆頭，其特征在于，所述螺旋式水流槽(15)在鉆頭唇面部分的厚度(20)為沿鉆頭半徑方向占到鉆頭唇面厚度1/2 2/3。
4.根據權利要求1或2所述的螺旋式鉆頭，其特征在于，所述螺旋式水口數量為12個。
5.一種泡沫鉆進裝置,包括泡沫池(I )、回水管(2)、鉆機(11)和排液槽(14),其特征在于，所述泡沫池(I)通過回水管(2)連接一多功能柱塞泵(3)，所述多功能柱塞泵(3)通過液體流量計(4 )與一泡沫混合器(5 )連接，所述泡沫混合器(5 )通過氣體流量計(6 )及單向閥(7 )與一空氣壓縮機(8 )連接，所述泡沫混合器(5 )通過壓力表(9 )及單向閥(10 )連接鉆機(11)，所述鉆機(11)采用了權利要求廣4所述的螺旋式鉆頭(13)，所述螺旋式鉆頭(13)通過鉆桿(12)與所述鉆機(11)連接，所述鉆機(11)連接所述排液槽(14)，所述排液槽(14)連接所述泡沫池(I)。
6.一種泡沫鉆進工藝方法，其特征在于，包括以下步驟: A.組裝權利要求5中的泡沫鉆進裝置； B.配置一種新型泡沫沖洗液，所述新型泡沫沖洗液為在普通泡沫沖洗液中加入起泡劑得到； C.應用步驟A所述的泡沫鉆進裝置和步驟B所述的新型泡沫沖洗液進行鉆進。
7.根據權利要求6所述的泡沫鉆進工藝方法，其特征在于，所述步驟A中的起泡劑為普通民用洗衣粉。
8.根據權利要求7所述的泡沫鉆進工藝方法，其特征在于，所述普通民用洗衣粉的含量為0.3% 0.5%ο
9.根據權利要求61任一權利要求所述的泡沫鉆進工藝方法，其特征在于，所述多功能柱塞泵(3)流量蘭3L/min,壓力蘭5kg/cm2。
10.根據權利要求61任一權利要求所述的泡沫鉆進工藝方法，其特征在于，所述空氣壓縮機(8)的風量為1.8m3/min、壓力為5kg/cm2。
全文摘要
本發明涉及鉆探工程領域，尤其涉及一種螺旋式鉆頭以及一種使用了這種鉆頭的泡沫鉆進裝置和一種使用這種泡沫鉆進裝置的新型泡沫鉆進方法。為解決在鉆探過程中充分冷卻鉆頭同時增加鉆頭強度以延長鉆頭的使用壽命并節約鉆進過程中冷卻用水的問題，本發明提供了一種螺旋式鉆頭，該螺旋時鉆頭具有多個螺旋式水口，所述螺旋式水口由螺旋式水流槽和注水口構成，所述螺旋式水流槽在鉆頭唇面部分為部分斷面形狀，所述注水口為底噴式注水口，所述螺旋式水流槽在鉆頭唇面部分的厚度優選為沿鉆頭半徑方向占到鉆頭唇面厚度1/2~2/3。本發明提供的螺旋式鉆頭在鉆進時鉆頭唇面可以得到充分的冷卻，同時唇面的強度也得到了增強，延長了鉆頭的使用壽命，節約了鉆探工程的成本。
文檔編號E21B10/44GK103195372SQ20131014449
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月24日 優先權日2013年4月24日
發明者曹進華 申請人:中國水電顧問集團中南勘測設計研究院