潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具的製作方法

2023-04-28 23:44:46

專利名稱：潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於複雜地層中鑽探的巖土鑽鑿機具，特別是潛孔錘反循環跟管 鑽進。
背景技術：
潛孔錘跟管鑽進技術是針對破碎、漏失、卵礫石、漏失坍塌等複雜地層鑽進成孔的 高效鑽探方法。其利用潛孔錘高效碎巖、利用同步跟入套管保護孔壁，實現鑽進、護壁和排 渣三個工序同時進行。現有的跟管鑽具主要分為偏心跟管鑽具和同心跟管鑽具兩大類。實 踐證明現有的潛孔錘偏心跟管鑽具具有一定的缺陷，例如鑽孔所需扭矩大，鑽孔同心度 差，偏心鐘擺大，易發生卡鑽，跟管阻力大而導致套管容易破壞。目前，常見的潛孔錘同心跟管鑽具主要採用正循環排渣。代表產品如芬蘭的 Symmetrix跟管鑽具利用內鑽頭帶動外鑽頭迴轉鑽進，套管不迴轉。美國英格索蘭的跟管 鑽具的鑽頭採用雙偏心或三偏心的活瓣，順時針迴轉時，鑽頭活瓣張開，達到鑽孔直徑超過 套管外徑的目的。美國NUMA跟管鑽具最具特色的是，跟管鑽具由鑽頭體、鑽頭翼瓣和擋銷 組成，鑽頭變徑原理是利用鑽頭翼瓣在軸向方向上下移動來改變鑽頭直徑。以上鑽具系 統均採用正循環排渣方式，當孔徑較大或地層複雜時時，正循環排渣困難，從而導致鑽進 效率降低、鑽具壽命縮短和鑽探成本提高；當鑽遇複雜地層，需要獲取巖礦樣時，難以獲取 礦產勘探所需巖樣；鑽具結構複雜、成本高，提鑽時活瓣易被巖屑卡死，給提鑽帶來不便。 CN1651711A公開了一種潛孔錘反循環跟管鑽頭，利用兩個活瓣結構來改變鑽孔直徑，實現 反循環同心跟管鑽進，但鑽頭結構複雜，加工成本高。因而，有必要設計一種對孔徑和地層 適應能力強的潛孔錘反循環同心跟管鑽具，且要求結構簡單，穩定可靠。

發明內容
本發明的目的就是針對上述現有技術的不足，提供一種適用於不同口徑的反潛孔 錘反循環同心跟管鑽進鑽具。本發明的目的是通過以下技術方案實現的潛孔錘反循環同心跟管鑽具，是由中空式潛孔錘1通過半圓卡2和花鍵套5與導 向鑽頭3連接，在導向鑽頭3在軸向方向上設有外花鍵16，並與環狀套管鑽頭12的內花鍵 17相配合，導向鑽頭3上設有傳扭凹槽14，導向鑽頭3的下段設有底噴孔9，花鍵套5的下 端設有引射噴嘴6，中心排渣通道4的底端設有擴壓槽7，導向鑽頭3的底端設有防堵凸臺 8，環狀套管鑽頭12通過管靴11懸掛在套管10的下端，鑽頭合金13鑲嵌在環狀套管鑽頭 12的底端面，環狀套管鑽頭12的上端設有傳扭凸臺15，導向鑽頭3的下段設有第一傳力臺 階18和第二傳力臺階19構成。本發明的目的還可以通過以下技術方案實現導向鑽頭3設計為反循環結構，部分壓縮空氣通過導向鑽頭底噴孔9噴射後產生 負壓，在壓力差的作用下壓縮空氣向內流動，部分氣體直接通過花鍵套5上的引射噴嘴6向
3中心通道內斜向上噴射，二者共同作用形成反循環，同時分別冷卻導向鑽頭3和環狀套管 鑽頭12上的合金13。跟管鑽具的扭矩傳遞機構是由導向鑽頭3外側的傳扭凹槽14和環狀套管鑽頭12 內側的傳扭凸臺15構成，所述導向鑽頭3的傳扭凹槽14與環狀套管鑽頭12傳扭凸臺15 相咬合，當順時針旋轉時可傳遞扭矩，而逆時針旋轉時使兩者脫開。導向鑽頭3在軸向上開設外花鍵16，並與環狀套管鑽頭12的內花鍵17相配合，既 能實現整套鑽具隨套管總成提升，也能在跟管鑽進結束後，不更換鑽具繼續實施反循環鑽 進。管靴11為兩個半圓環組成，並通過螺紋與套管10連接。潛孔錘的衝擊力通過第一傳力臺階18和第二傳力臺階19傳遞給環狀套管鑽頭 12，實現衝擊碎巖，跟管鑽進結束後，將鑽具逆時針迴轉60°度，使導向鑽頭3與環狀套管 鑽頭12咬合位置脫離，通過導向鑽頭3上的外花鍵16既能使鑽具提離孔底，也能向下繼續 鑽進。有益效果本發明與現有的同類產品相比，能夠在潛孔錘提供的衝擊載荷作用下， 利用導向鑽頭3進行超前破碎巖石，並將衝擊載荷轉遞給環狀套管鑽頭12的同時帶動回 轉，實現同心碎巖、跟管護壁、反循環排渣三個工序同時進行。採用反循環排渣有效地避免 孔壁衝刷和衝洗液漏失，雙氣路結構可同時冷卻內、外鑽頭的球齒合金，提高鑽頭使用壽 命。迴轉機構不容易被巖屑卡死，保證了工作的穩定性，實施反循環排渣能有效地清潔孔 底，可保證在不同孔徑下，有效地清潔孔底巖屑，避免重複破碎以提高鑽進效率。提鑽時不 易被巖屑卡死。跟管鑽進結束後，不需更換鑽具，利用內部鑽具仍能繼續實施反循環鑽進。 該套鑽具結構簡單，加工成本低，使用壽命長，鑽進效率高。


圖1是潛孔錘反循環同心跟管鑽具的結構2是圖1的A-A剖視3是圖1的B-B剖視4是導向鑽頭3與環狀套管鑽頭12的配合關係圖。圖5是導向鑽頭3的外形結構圖。圖6是反循環同心跟管鑽具裝配關係圖。1中空式潛孔錘，2半圓卡，3導向鑽頭，4中心排渣通道，5花鍵套，6引射噴嘴，7擴 壓槽，8防堵凸臺，9底噴孔，10套管，11管靴，12環狀套管鑽頭，13鑽頭合金，14傳扭凹槽， 15傳扭凸臺，16外花鍵，17內花鍵，18第一傳力臺階，19第二傳力臺階，20螺紋。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例做進一步的詳細說明潛孔錘反循環同心跟管鑽具，是由中空式潛孔錘1通過半圓卡2和花鍵套5與導 向鑽頭3連接，在導向鑽頭3在軸向方向上設有外花鍵16，並與環狀套管鑽頭12的內花鍵 17相配合，導向鑽頭3上設有傳扭凹槽14，導向鑽頭3的下段設有底噴孔9，花鍵套5的下 端設有引射噴嘴6，中心排渣通道4的底端設有擴壓槽7，導向鑽頭3的底端設有防堵凸臺8，環狀套管鑽頭12通過管靴11懸掛在套管10的下端，鑽頭合金13鑲嵌在環狀套管鑽頭 12的底端面，環狀套管鑽頭12的上端設有傳扭凸臺15，導向鑽頭3的下段設有第一傳力臺 階18和第二傳力臺階19構成。導向鑽頭3設計為反循環結構，部分壓縮空氣通過導向鑽 頭底噴孔9噴射後產生負壓，在壓力差的作用下壓縮空氣向內流動，部分氣體直接通過花 鍵套5上的引射噴嘴6向中心通道內斜向上噴射，二者共同作用形成反循環，同時分別冷卻 導向鑽頭3和環狀套管鑽頭12上的合金13。形成反循環後的壓縮空氣再經花鍵套5上的 引射噴嘴6向下噴射，分別冷卻導向鑽頭和環狀套管鑽頭12上的合金13。跟管鑽具的扭 矩傳遞機構是由導向鑽頭3外側的傳扭凹槽14和環狀套管鑽頭12內側的傳扭凸臺15構 成，導向鑽頭3的傳扭凹槽14與環狀套管鑽頭12傳扭凸臺15相咬合，當順時針旋轉時傳 遞扭矩，而逆時針旋轉時使兩者脫開。導向鑽頭3在軸向上開設外花鍵16，並與環狀套管 鑽頭12的內花鍵17相配合，既能實現整套鑽具隨套管總成提升，也能在跟管鑽進結束後， 不更換鑽具繼續實施反循環鑽進。管靴11為兩個半圓環組成，並通過螺紋與套管10連接。 潛孔錘的衝擊力通過第一傳力臺階18和第二傳力臺階19傳遞給環狀套管鑽頭12，實現衝 擊碎巖，跟管鑽進結束後，將鑽具逆時針迴轉60°度，使導向鑽頭3與環狀套管鑽頭12咬合 位置脫離，通過導向鑽頭3上的外花鍵16既能使鑽具提離孔底，也能向下繼續鑽進。潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具，是由反循環鑽具和套管總成構成，反循環鑽具 由中空式潛孔錘1和導向鑽頭3組成，套管總成由套管10、管靴11和環狀套管鑽頭12組 成。中空式潛孔錘1上端通過鑽杆連接至鑽機，下端則通過半圓卡2和花鍵套5與導向鑽 頭3連接，環狀套管鑽頭12通過管靴11懸掛於套管10下端並可繞套管的軸心線轉動。導 向鑽頭3由環狀套管鑽頭12的管口向外伸出，環狀套管鑽頭12的底端高於導向鑽頭3，使 導向鑽頭3斷面凸出於環狀套管鑽頭12並實現超前鑽進，在兩者之間設有傳扭凹槽14，導 向鑽頭3帶動環狀套管鑽頭12迴轉碎巖，通過第一傳力臺階和第二傳力臺階將潛孔錘的衝 擊載荷傳遞給環狀套管鑽頭12，實現衝擊迴轉跟管鑽進，而套管不迴轉。導向鑽頭3是形成 反循環的關鍵部件，導向鑽頭3採用反循環結構，壓縮空氣通過導向鑽頭底噴孔9和花鍵套 上的引射噴嘴6，共同作用向內鑽頭內部流動形成反循環，氣體攜帶巖屑沿反循環通道4上 返，經中空式潛孔錘1和雙壁鑽杆排至地表，同時分別冷卻導向鑽頭和環狀套管鑽頭12上 的合金13。導向鑽頭3在巖屑入口有防堵凸臺8可將大塊巖屑打碎，防止巖塊卡堵在反循 環通道。環狀套管鑽頭12與導向鑽頭3之間的距離50 100mm。跟管鑽具採用反循環方式排渣，排氣系統由兩部分組成一路氣流通過導向鑽頭 3的底噴孔9向下噴射，並在鑽頭底部的三處楔形擴壓槽7內產生負壓區，抽吸引射鑽具外 環間隙和孔底空氣攜帶巖屑沿中心通道4上返；另一部分氣體通過花鍵套5上的引射噴嘴 6向下噴射，氣流沿鑽頭3外部形成繞流，由於鑽具中心通道為低壓區，在壓力差作用下，攜 帶巖粉進入中心通道4，產生高速氣體射流膨脹吸熱，能有效地冷卻環狀套管鑽頭的球齒合 金13。兩部分氣體共同作用形成反循環。也可在花鍵套5上的相應位置銑成槽型結構以代 替引射噴嘴。在導向鑽頭3的軸向上開設外花鍵16與環狀套管鑽頭12的內花鍵17相配合，可 以實現整套鑽具在套管總成內自由升降。跟管鑽進過程中順時針旋轉帶動套管鑽頭12同 時軸向迴轉。而環狀套管鑽頭12通過管靴11懸掛在套管10下端，套管不迴轉。現有的跟管鑽具在跟管鑽進結束後大多需提鑽更換鑽具，本發明在跟管鑽進結束後，可以不提鑽、不更換鑽具，原有的內部反循環鑽具利用花鍵通過環狀套管鑽頭12繼續 實施反循環鑽進。當鑽具順時針旋轉時，導向鑽頭3上的傳扭凹槽14與環狀套管鑽頭12傳扭凸臺 15相咬合傳遞扭矩；當逆時針旋轉60°時，導向鑽頭3上的傳扭凹槽14與環狀套管鑽頭12 傳扭凸臺15自動脫開。套管總成的懸掛機構使環狀套管鑽頭12活動懸掛在套管下端並圍繞套管的軸心 線方向迴轉。懸掛機構是由管靴11、環狀套管鑽頭12外側的環槽及螺紋20構成。管靴11 為兩個半圓環組成，與環狀套管鑽頭12配合安裝後，利用管靴11上的螺紋20直接連接到 套管10上。為保證管靴11的強度，在兩個半圓環結合部位進行焊接。懸掛機構還可以設 計為插銷、卡環等結構。
權利要求
一種潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具，其特徵在於，是由中空式潛孔錘(1)通過半圓卡(2)和花鍵套(5)與導向鑽頭(3)連接，在導向鑽頭(3)的軸向方向上設有外花鍵(16)，並與環狀套管鑽頭(12)的內花鍵(17)相配合，導向鑽頭(3)上設有傳扭凹槽(14)，導向鑽頭(3)的下段設有底噴孔(9)，花鍵套(5)的下端設有引射噴嘴(6)，中心排渣通道(4)的底端設有擴壓槽(7)，導向鑽頭(3)的底端設有防堵凸臺(8)，環狀套管鑽頭(12)通過管靴(11)懸掛在套管(10)的下端，鑽頭合金(13)鑲嵌在環狀套管鑽頭(12)的底端面，環狀套管鑽頭(12)的上端設有傳扭凸臺(15)，導向鑽頭(3)的下段設有第一傳力臺階(18)和第二傳力臺階(19)構成。
2.按權利要求1所述的潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具，其特徵在於導向鑽頭(3) 設計為反循環結構，部分壓縮空氣通過導向鑽頭底噴孔(9)噴射後產生負壓，在壓力差的 作用下壓縮空氣向內流動，部分氣體直接通過花鍵套(5)上的引射噴嘴(6)向中心通道內 斜向上噴射，二者共同作用形成反循環，同時分別冷卻導向鑽頭(3)和環狀套管鑽頭(12) 上的合金(13)。
3.按權利要求1所述的潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具，其特徵在於跟管鑽具的扭 矩傳遞機構由導向鑽頭(3)外側的傳扭凹槽(14)和環狀套管鑽頭(12)內側的傳扭凸臺 (15)構成，導向鑽頭(3)的傳扭凹槽(14)與環狀套管鑽頭(12)傳扭凸臺(15)相咬合，當 順時針旋轉時可傳遞扭矩，而逆時針旋轉時使兩者脫開。
4.按權利要求1所述的潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具，其特徵在於導向鑽頭(3) 在軸向上開設外花鍵(16)，並與環狀套管鑽頭(12)的內花鍵(17)相配合，既能實現整套鑽 具隨套管總成提升，也能在跟管鑽進結束後，不更換鑽具繼續實施反循環鑽進。
5.按權利要求1所述的潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具，其特徵在於管靴(11)是由 兩個半圓環組成，並通過螺紋與套管(10)連接。
6.按權利要求1所述的潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具，其特徵在於潛孔錘的衝擊 力通過第一傳力臺階(18)和第二傳力臺階(19)傳遞給環狀套管鑽頭(12)，實現衝擊碎巖， 跟管鑽進結束後，將鑽具逆時針迴轉60°度，使導向鑽頭(3)與環狀套管鑽頭(12)咬合位 置脫離，通過導向鑽頭(3)上的外花鍵(16)既能使鑽具提離孔底，也能向下繼續鑽進。
全文摘要
本發明涉及一種潛孔錘反循環同心跟管鑽進鑽具。是由中空式潛孔錘通過半圓卡和花鍵套與導向鑽頭連接，在導向鑽頭在軸向方向上設有外花鍵並與環狀套管鑽頭的內花鍵相配合，導向鑽頭3設計為反循環結構，環狀跟管鑽頭通過管靴懸掛在套管的下端。與現有技術相比，導向鑽頭超前破碎巖石，並將衝擊載荷轉遞給環狀跟管鑽頭的同時帶動迴轉，實現同心碎巖、跟管護壁、反循環排渣三個工序同時進行。雙氣路結構可同時冷卻內、外鑽頭的球齒合金，提高鑽頭使用壽命。反循環排渣有效地清潔孔底巖屑，避免重複破碎，提鑽時不易被巖屑卡死。跟管鑽進結束後，不需更換鑽具，仍能繼續實施反循環鑽進。該套鑽具結構簡單，加工成本低，使用壽命長，鑽進效率高。
文檔編號E21B4/06GK101956525SQ201010275030
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月8日 優先權日2010年9月8日
發明者井石滾, 何亞清, 劉軍, 博坤, 孔海濤, 莊志明, 王春毅, 王茂森, 謝九敬, 高建敏 申請人:吉林大學;洛陽欒川鉬業集團股份有限公司