CN102839917B - 回转热熔钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转热熔钻头，是由两个独立的加热模块和一个不加热模块组成圆头状的钻头，钻头底部开设有排水口；当两个加热模块工作，正常回转钻进时，由于回转，加热模块的热量可以较为均匀地传递给四周，使冰层融化，为垂直孔钻进作业；两个加热模块工作，不回转给进时，紧挨两个加热模块的冰层将由于吸收热量而继续融化，而不加热模块那一侧则缓慢融化或停止融化，这样钻具将产生倾斜，从而改变钻孔方向，实现定向；本发明很好地解决了在极地冰层中钻进定向井的难题，并且该钻头与现有钻具具有很好的兼容性，只需将现有热熔钻具的控制系统与钻头电路配套就可使用该定向钻头，上部机械结构基本不用变化；该热熔钻头采用模块化设计，结构简单，易于更换，大大增加了钻头的寿命和使用效率。

Description

回转热熔钻头

技术领域

本发明涉及一种在极地冰层钻进定向井使用的冰层定向钻井用回转热熔钻头。

背景技术

目前国际上使用的热熔钻具多为钻进垂直孔使用，当主孔出现孔内事故或需要开分支孔时，则需要下入孔底造斜器，并利用特殊工具将孔底扩大，然后下入热熔钻具，在造斜器斜面的帮助下，钻具倾斜从而实现斜孔钻进。但是采用这种方法钻进斜孔，钻具在自重作用下，始终具有向垂直方向偏移的趋势，经过一段时间后也必将回归垂直方向，不能实现斜孔钻进。而随着全球气候变暖以及对极地冰盖研究的深入，越来越多的科学家们不仅仅局限于研究冰芯本身，而开始关注冰盖自身的稳定性，比如冰盖每年的移动速度，冰下河流及冰下湖泊流入大海的水流量等问题。这些问题的研究同时也就为钻探技术提出了新的课题，需要一种不取芯快速成孔并且具备定向孔施工能力的新型钻具。目前国际上已有的不取芯热熔钻具的钻头都为中心加热式，如德国的probes Ⅰ和probes Ⅱ和香港理工大学研究的卫星热熔钻，这样的加热方式不能使钻具实现定向钻进。威斯康辛-麦迪逊大学研制了一种电动机械定向钻具，是依靠控制安装在钻具上的三根定向杆的张开度来给钻具施加一定的侧向力，从而使钻具在钻进中改变方向。针对热熔定向钻具的研究还没有看到国内外文献的介绍。但定向热熔钻具比电动机械钻具具有更强的操控性，而且结构简单，容易实现，工作也相对稳定，在未来的研究中一定会成为极地冰层定向钻具研究的主要方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种在极地和冰川钻探中能够实现定向钻进的冰层定向钻井用的回转热熔钻头。

本发明是由两个独立的加热模块和一个不加热模块组成，两个独立的加热模块和一个不加热模块组成圆头状的钻头，钻头底部开设有排水口，上部钻具排水泵的吸水管可以安装到排水口附近位置，排水口可以及时将孔底熔融水排走，有利于热量传递，加热模块为铸铜加热器，加热模块的侧面和内表面均涂有隔热漆，这样有利于热量通过外表面向冰层传递。

所述加热模块的内壁具有导线接头，导线接头与导线连接，导线接头的另一端与滑环接线柱连接，导线接头、导线和滑环接线柱，都采用防水处理，所述滑环接线柱与来自上部钻具的电源相连。

两个独立的加热模块和一个不加热模块与钻头连接块均采用螺钉连接，钻头连接块通过螺钉固定在传动轴上，传动轴中部通过中部台阶坐落在轴承上，轴承安装在轴承板上，轴承板通过螺钉与下部钻具外管固定在一起，滑环通过螺钉固定在传动轴上，电刷通过螺钉固定在电刷安装板上，电刷安装板通过螺钉与下部钻具外管固定，电刷与滑环始终接触，传递电流，导线上部连接在滑环接线柱上，并穿过传动轴的侧壁开孔及钻头连接块的开孔与加热模块导线接头相连，传动轴上部与电机轴花键配合，传递扭矩，传动轴和电机轴为中空轴，吸水管可从传动轴和电机轴通过到达排水口附近，电机用螺钉安装在电机安装板上，电机安装板通过螺钉连接在上部钻具外管上，上部钻具外管与下部钻具外管螺纹连接。正常回转时，外部钻杆不回转，电机轴带动传动轴回转，滑环旋转，电刷不旋转，两者始终保持接触，传递电流，传动轴通过轴承实现传动轴旋转而下部钻具外管不旋转，通过轴承板连接到下部钻具外管，承担重量。在下部，钻头连接块已与钻头固定，通过螺钉固定在传动轴上，因此实现传动轴带动钻头回转。钻头连接块与下部钻具外管之间放置密封圈，防止外部熔融水通过下部钻具外管与钻头连接块的间隙进入钻具内部。

采用本发明的可回转热熔钻头钻进时，钻具需要安装陀螺仪，随时测量钻孔的顶角和方位角。正常回转时，钻孔为垂直孔，需要定向钻进时，停止回转，通过测量数据把钻具停止在预定的位置，两个加热模块工作，紧挨两个加热模块的冰层将由于吸收热量而继续融化，而不加热模块那一侧则缓慢融化或停止融化，这样钻具将产生倾斜，从而改变钻孔方向，实现定向。可控制钻具按照设计轨迹钻进。

当热熔钻头的加热模块发生损害不能工作时，可以将钻头拆下，由于钻头的各模块之间没有联系，为相互独立的加热系统，因此只需要将损坏的模块换掉即可，这样可以使每个加热模块最大限度的发挥作用，大大增加了钻头的使用寿命，降低了成本。

本发明的有益效果：

1、两个加热模块工作，正常回转钻进时，由于回转，加热模块的热量可以较为均匀地传递给四周，使冰层融化，为垂直孔钻进作业；两个加热模块工作，不回转给进时，紧挨两个加热模块的冰层将由于吸收热量而继续融化，而不加热模块那一侧则缓慢融化或停止融化，这样钻具将产生倾斜，从而改变钻孔方向，实现定向。

2、本发明专利很好的解决了在极地冰层中钻进定向井的难题，并且该钻头与现有钻具具有很好的兼容性，只需将控制系统与钻头电路配套就可使用该定向钻头，上部机械结构基本不用变化。该热熔钻头采用模块化设计，结构简单，易于更换，大大增加了钻头的寿命和使用效率。

附图说明

图1是本发明实施例的剖视示意图。

图2是本发明之钻头的立体分解示意图。

图3是图2的俯视图。

具体实施方式

请参阅图1图2和图3所示，本实施例是由两个独立的加热模块19和一个不加热模块21组成，两个独立的加热模块19和一个不加热模块21组成圆头状的钻头10，钻头10底部开设有排水口20，上部钻具排水泵的吸水管18可以安装到排水口20附近位置，排水口20可以及时将孔底熔融水排走，有利于热量传递，加热模块19为铸铜加热器，加热模块19的侧面和内表面均涂有隔热漆，这样有利于热量通过外表面向冰层传递。

所述加热模块19的内壁具有导线接头9，导线接头9与导线15连接，导线接头9的另一端与滑环接线柱6连接，导线接头9、导线15和滑环接线柱6，都采用防水处理，所述滑环接线柱6与来自上部钻具的电源相连。

两个独立的加热模块19和一个不加热模块21与钻头连接块8均采用螺钉连接，钻头连接块8通过螺钉固定在传动轴13上，传动轴13中部通过中部台阶坐落在轴承16上，轴承16安装在轴承板7上，轴承板7通过螺钉与下部钻具外管3固定在一起，滑环14通过螺钉固定在传动轴13上，电刷5通过螺钉固定在电刷安装板4上，电刷安装板4通过螺钉与下部钻具外管3固定，电刷5与滑环14始终接触，传递电流，导线15上部连接在滑环接线柱6上，并穿过传动轴13的侧壁开孔及钻头连接块8的开孔与加热模块导线接头9相连，传动轴13上部与电机轴12花键配合，传递扭矩，传动轴13和电机轴12为中空轴，吸水管18可从传动轴13和电机轴12通过到达排水口20附近，电机11用螺钉安装在电机安装板2上，电机安装板2通过螺钉连接在上部钻具外管1上，上部钻具外管1与下部钻具外管3螺纹连接。正常回转时，外部钻杆不回转，电机轴12带动传动轴13回转，滑环14旋转，电刷5不旋转，两者始终保持接触，传递电流，传动轴13通过轴承16实现传动轴13旋转而下部钻具外管3不旋转，通过轴承板7连接到下部钻具外管3，承担重量。在下部，钻头连接块8已与钻头10固定，通过螺钉固定在传动轴13上，因此实现传动轴带动钻头10回转。钻头连接块8与下部钻具外管3之间放置密封圈17，防止外部熔融水通过下部钻具外管3与钻头连接块8的间隙进入钻具内部。

采用本发明的可回转热熔钻头钻进时，钻具需要安装陀螺仪，随时测量钻孔的顶角和方位角。正常回转时，钻孔为垂直孔，需要定向钻进时，停止回转，通过测量数据把钻具停止在预定的位置，两个加热模块工作，紧挨两个加热模块的冰层将由于吸收热量而继续融化，而不加热模块那一侧则缓慢融化或停止融化，这样钻具将产生倾斜，从而改变钻孔方向，实现定向。可控制钻具按照设计轨迹钻进。

当热熔钻头的加热模块19发生损害不能工作时，可以将钻头10拆下，由于钻头10的各模块之间没有联系，为相互独立的加热系统，因此只需要将损坏的模块换掉即可，这样可以使每个加热模块最大限度的发挥作用，大大增加了钻头的使用寿命，降低了成本。

Claims (3)

1.一种回转热熔钻头，特征在于：是由两个独立的加热模块（19）和一个不加热模块（21）组成，两个独立的加热模块（19）和一个不加热模块（21）组成圆头状的钻头（10），钻头（10）底部开设有排水口（20），上部钻具排水泵的吸水管（18）安装到排水口（20）附近位置，加热模块（19）的侧面和内表面均涂有隔热漆，所述加热模块（19）的内壁具有导线接头（9），导线接头（9）与导线（15）连接，导线接头（9）的另一端与滑环接线柱（6）连接，导线接头（9）、导线（15）和滑环接线柱（6）都采用防水处理，所述滑环接线柱（6）与来自上部钻具的电源相连；两个独立的加热模块（19）和一个不加热模块（21）与钻头连接块（8）均采用螺钉连接。

2.根据权利要求1所述的一种回转热熔钻头，特征在于：所述钻头连接块（8）通过螺钉固定在传动轴（13）上，传动轴（13）中部通过中部台阶坐落在轴承（16）上，轴承（16）安装在轴承板（7）上，轴承板（7）通过螺钉与下部钻具外管（3）固定在一起，滑环（14）通过螺钉固定在传动轴（13）上，电刷（5）通过螺钉固定在电刷安装板（4）上，电刷安装板（4）通过螺钉与下部钻具外管（3）固定，电刷（5）与滑环（14）始终接触，导线（15）上部连接在滑环接线柱（6）上，并穿过传动轴（13）的侧壁开孔及钻头连接块（8）的开孔与加热模块导线接头（9）相连，传动轴（13）上部与电机轴（12）花键配合，传动轴（13）和电机轴（12）为中空轴，吸水管（18）从传动轴（13）和电机轴（12）通过到达排水口（20）附近，电机（11）用螺钉安装在电机安装板（2）上，电机安装板（2）通过螺钉连接在上部钻具外管（1）上，上部钻具外管（1）与下部钻具外管（3）螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的一种回转热熔钻头，特征在于：所述钻头连接块（8）与下部钻具外管（3）之间放置密封圈（17）。