一种深大直径环形井钻进系统及工作方法

1.本发明涉及一种深大直径环形井钻进系统及工作方法，属于地下工程施工机械领域。


背景技术：

2.地下工程常常受到水害和地层下沉的威胁，在地下工程周围施工环形井后填入防水材料及其它功能性材料后便可使地下结构受力和使用环境大为改善。因此需要有能施工深大直径环形井的机械设备。
3.目前开挖圆形井可采用钻头直径达10多米的1台大直径钻机通过钻杆传力带动旋转进行钻进，最大钻进直径已达15m。施工深度不大的大直径环形井，可以采用钻机带动和环形井深度接近等长的大直径取芯钻头钻进，或采用各种挖槽机械完成环形井施工。但随深度和直径增加，取芯钻头不断加长变得极现实，挖槽机械挖槽深度也受到很大限制，挖槽效率低下。


技术实现要素：

4.针对上述技术的不足之处，提供一种深大直径环形井钻进系统及工作方法，通过钻机群的协同工作驱动环形井钻头浮动转盘，可实现钻进深大直径环形井的目的，能够产生巨大的经济效益和社会效益。
5.为实现上述技术目的，本发明的一种深大直径环形井钻进系统，包括地面钻机群和多个钻进机构，钻进机构包括钻杆和环形钻头，其中地面钻机群中的每个钻机通过钻机转盘提供扭矩给与其连接的钻进机构，钻杆与设置在地表的钻机转盘连接，钻杆包括主动钻杆以及根据钻进深度添加的加长钻杆；所述环形钻头包括与钻杆端部连接的中心管，中心管端部通过键连接有水平设置的输入齿轮，输入齿轮跟随中心管同步旋转，中心管的端部通过止推环连接有固定盘，并使固定盘通过止推环挂载在中心管上，固定盘不随中心管转动而转动，固定盘与实施的环形井匹配；固定盘活动连接有浮动转盘，浮动转盘内设有与输入齿轮啮合的内齿圈结构，浮动转盘内的内齿圈结构与输入齿轮偏心设置，以实现输入齿轮与浮动转盘轮内啮合转动后带动浮动转盘绕环形井中心公转，为减少震动在输入齿轮与内齿圈之间设有支撑齿轮；浮动转盘下方连接有刀架，刀架设有刀具，浮动转盘跟随输入齿轮的转动带动刀架上的刀具旋转切割，同时浮动转盘绕环形井中心旋转，浮动转盘与固定盘为匹配的对半分体密封结构，浮动转盘与固定盘之间通过导向密封连接，从而防止岩渣侵入。
6.进一步，包括泥浆循环系统，泥浆循环系统包括在中心管内设置的泥浆流通通道，固定盘和浮动转盘之间设有匹配的泥浆流通环形槽，固定盘内设有连通泥浆流通通道和泥浆流通环形槽的固定盘泥浆流通孔，浮动转盘内设有连通泥浆流通环形槽和浮动转盘底部中央浮动转盘泥浆流通孔的浆液通道，中心管下方靠近止推环的侧面处开有泥浆出口，泥浆出口位于止推环中设有泥浆腔，泥浆腔与固定盘泥浆流通孔连通。
7.进一步，固定盘泥浆流通孔与刀架内部的泥浆通孔连接，泥浆通孔分散到每个刀架处均设有一个泥浆出口，从而将泥浆喷洒到刀具工作区域。
8.一种使用上述深大直径环形井钻进系统的工作方法，其步骤为：
9.钻杆在钻机转盘的带动下转动，钻杆通过输入齿轮带动浮动转盘转动，绕环形井中心旋转，与浮动转盘固定连接的破岩刀架同时自转，刀架上的刀具在钻压和扭矩作用下破碎岩土，破碎下的岩土通过泥浆循环系统喷出的泥浆压力反向带到地面，从而实现深大直径环形井钻进；其中泥浆循环系统将泥浆从钻杆打入固定盘和浮动转盘之间的环形槽后再通过刀架旁的泥浆出口冲洗岩面，再回流到浮动盘和固定盘与地层之间的空隙然后，继续上升通过环形井流向地面；或者使泥浆循环系统中的泥浆循环路线反向循环。
10.进一步，所述的浮动转盘底部直接安装若干数量刀架，刀架上再安装的刀具随浮动转盘的旋转破岩；刀具可刚性固定连接在刀架上，也可以通过在刀架上安装轴承实现自转滚动破岩。
11.进一步，所述的浮动转盘下设置和环形井直径匹配用以配重和导向的圆柱环，通过安装圆柱环从而延长浮动转盘的高度，从而减小工作时的震动。
12.有益效果：本发明通过钻机群的协同工作驱动环形井钻头浮动转盘，能够实现钻进深大直径环形井的目的，其结构简单，使用方便，只需要在钻井过程中加长钻杆便可实现深大直径环形井的钻进，施工便捷成本低，具有巨大的经济效益和社会效益。
附图说明：
13.图1为本发明深大直径环形井钻进系统的结构示意图；
14.图2为本发明深大直径环形井钻进系统中钻进机构的结构示意图；
15.图3为本发明深大直径环形井钻进系统中刀架布置示意图；
16.图4为本发明深大直径环形井钻进系统中地面钻机转盘布置示意图。
17.图中：1-钻杆，2-钻机转盘，3-固定盘，4-输入齿轮，5-浮动转盘，6-刀架，7-支撑齿轮，8-止推环，9-地层，10-固定盘泥浆流通孔，11-浮动转盘泥浆流通孔，12-中心管，13-泥浆流通环形槽。
具体实施方式：
18.下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：
19.如图1和图2所示，本发明的一种深大直径环形井钻进系统，包括地面钻机群和多个钻进机构，钻进机构包括钻杆1和环形钻头，其中地面钻机群中的每个钻机通过钻机转盘2提供扭矩给与其连接的钻进机构，钻杆1与设置在地表的钻机转盘2连接，钻杆1包括主动钻杆以及根据钻进深度添加的加长钻杆；
20.所述环形钻头包括与钻杆1端部连接的中心管12，中心管12端部通过键连接有水平设置的输入齿轮4，输入齿轮4跟随中心管12同步旋转，中心管12的端部通过止推环8连接有固定盘3，并使固定盘3通过止推环8挂载在中心管12上，固定盘3不随中心管12转动而转动，固定盘3与实施的环形井14匹配；固定盘3活动连接有浮动转盘5，浮动转盘5内设有与输入齿轮4啮合的内齿圈结构，浮动转盘5内的内齿圈结构与输入齿轮4偏心设置，以实现输入齿轮4与浮动转盘5轮内啮合转动后带动浮动转盘5绕环形井14中心公转，为减少震动在输
入齿轮4与内齿圈之间设有支撑齿轮7；
21.其中固定盘3中部设有用以设置止推环8的挂载结构，中心管12端部通过与止推环8活动连接从而将固定盘3悬挂在中心管12上，浮动转盘5在固定盘3的挂载结构上方设置内齿圈，内齿圈相对输入齿轮4偏心设置，输入齿轮4与支撑齿轮7并排设置共同咬合内齿圈。
22.如图3和图4所示，浮动转盘5下方连接有刀架6，刀架6设有刀具，浮动转盘5跟随输入齿轮4的转动带动刀架6上的刀具旋转切割，同时浮动转盘5绕环形井14中心旋转，浮动转盘5与固定盘3为匹配的对半分体密封结构，浮动转盘5与固定盘3之间通过导向密封连接，或者根据需要在浮动转盘5与固定盘3外侧设置外壳，从而防止岩渣侵入。
23.包括泥浆循环系统，泥浆循环系统包括在中心管12内设置的泥浆流通通道，固定盘3和浮动转盘5之间设有匹配的泥浆流通环形槽13，固定盘3内设有连通泥浆流通通道和泥浆流通环形槽13的固定盘泥浆流通孔10，浮动转盘5内设有连通泥浆流通环形槽13和浮动转盘5底部中央浮动转盘泥浆流通孔11的浆液通道，中心管12下方靠近止推环8的侧面处开有泥浆出口，泥浆出口位于止推环8中设有泥浆腔，泥浆腔与固定盘泥浆流通孔10连通。固定盘泥浆流通孔10与刀架6内部的泥浆通孔连接，泥浆通孔分散到每个刀架6处均设有一个泥浆出口，从而将泥浆喷洒到刀具工作区域。
24.一种深大直径环形井钻进系统的工作方法，其步骤为：
25.钻杆1在钻机转盘2的带动下转动，钻杆1通过输入齿轮4带动浮动转盘5转动，绕环形井14中心旋转，与浮动转盘5固定连接的破岩刀架6同时自转，刀架6上的刀具在钻压和扭矩作用下破碎岩土，破碎下的岩土通过泥浆循环系统喷出的泥浆压力反向带到地面，从而实现深大直径环形井14钻进；其中泥浆循环系统将泥浆从钻杆1打入固定盘3和浮动转盘5之间的环形槽后再通过刀架6旁的泥浆出口冲洗岩面，再回流到浮动盘5和固定盘3与地层之间的空隙然后，继续上升通过环形井14流向地面；或者使泥浆循环系统中的泥浆循环路线反向循环。
26.所述的浮动转盘5底部直接安装若干数量刀架6，刀架6上再安装的刀具随浮动转盘5的旋转破岩；刀具可刚性固定连接在刀架6上，也可以通过在刀架6上安装轴承实现自转滚动破岩。
27.所述的浮动转盘5下设置和环形井14直径匹配用以配重和导向的圆柱环，通过安装圆柱环从而延长浮动转盘5的高度，从而减小工作时的震动。