CN103603602B - 变推力变径钻 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变推力变径钻，包括外钻杆和内钻杆，固定钻头和活动钻头；在外套管内侧套装有外锁套和内锁套，外锁套和内锁套的对接端设置匹配并相互啮合的斜面齿；同时设置导向槽和压力弹簧。本发明可以通过改变对钻杆推力的方式使钻具被展开或者收缩，收缩后能被压力弹簧作用处于稳定状态，展开后被锁紧机构固定也出于稳定状态，达到随时扩大钻具外径的目的。

Description

变推力变径钻

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯防治领域的钻具，具体涉及一种依靠改变推力达到变径扩孔目的的钻具。

背景技术

一些煤层的瓦斯含量大，煤层的透气性差，给瓦斯防治工作带来困难，存在煤与瓦斯突出的危险，危险矿工的安全。瓦斯预抽是瓦斯防治的重要措施，但是松软的煤层，透气性差，预抽效果差。目前，我国关于突出煤层钻孔的外孔直径要求不超过120mm，钻孔内部可以进行扩孔，钻孔外小内大的结构有利于形成一层煤墙，如果钻孔内部因瓦斯压力大发生突出事件，煤墙起到保护作用。

有多种关于扩孔的技术手段，例如公开号为CN 101315021 A的发明专利“自动变径扩孔钻具”，记载了一种固定钻头与活动钻头相结合的钻具，其中活动钻头包含内外套装的钻杆和可以径向扩展的刀架，该技术方案依靠活动钻头在旋转过程中产生的离心力而自动展开，达到扩展活动钻头直径进而达到扩孔的目的。众所周知，离心力公式F=m×ω²×r，物体的离心力大小与物体的质量m、角速度ω和旋转半径r有关，钻具在原始钻孔内几乎没有被展开，所以旋转半径r接近于零，活动钻头的质量m为定值，无论角速度ω怎样提高，所形成的离心力都较小，在钻孔内的活动钻头很难依靠自身的离心力而展开。另一方面，由于煤层内部压力较大，煤层被长期高压作用下硬度较高，即使活动钻头被小角度展开后，有限的离心力很难提供足够的钻进压力，需要长时间保持原地高速旋转才能逐渐达到扩孔效果，而且钻杆不能被快速推进，否则活动钻头会自动收缩，所以该方案不具有快速打碎煤孔的效果，效率很低。

在利用钻具对煤层钻孔的过程中，需要在钻杆内注入高压水对煤层内部打压扩孔。公开号为CN 202596582 U的实用新型专利“可变径钻头”虽然对活动钻头设置了定位结构，该专利文献所记载的结构复杂，钻头内部无法实现输水通道，难以达到理想的扩孔效果。而且，该定位结构是采样类似伞状的定位原理，但锁紧件不能完全将活动钻头锁死，否则需要有一个深入钻体内部的开锁动作。所以该方案并不能达到对活动钻头稳定定位的功能。

发明内容

本发明提供一种依靠改变对钻杆推力的方式使钻具被展开或者收缩，达到随时扩大钻具外径的目的。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种变推力变径钻，包括相互套装仅能轴向滑动的外钻杆和内钻杆，固定钻头和活动钻头；所述活动钻头包括铰接在外钻杆侧壁的钻体一和铰接在内钻杆侧壁的钻体二，钻体一和钻体二的末端铰接在一起；在外套管内侧套装有外锁套和内锁套，外锁套和内锁套的对接端设置匹配并相互啮合的斜面齿；同时在外锁套和内锁套外侧面均匀分布有导向槽，在外套管内壁上设置有与导向槽数量相等并配合安装的导向棱；所述导向槽数量是斜面齿数量的一半；在外锁套的末端安装有压力弹簧，在压力弹簧的末端设置有位于外套管内壁的挡台；在钻体一和钻体二的侧壁均设置有截齿，对钻具施加向前的推力利用钻体二及其截齿进行工作，或者不展开活动钻头，利用钻体一及其截齿进行工作。

外钻杆和内钻杆的前后位置可以互换，即外套管位于后侧而内套管位于前侧，或者外套管位于后侧而内套管位于前侧。例如，当外套管位于后侧而内套管位于前侧时，固定钻头安装在内钻杆的前端。

支座采用均布的单插孔支座或者多插孔支座。达到与钻体一和钻体二牢固结合的效果。

以上方案具有如下步骤和特点：1、正常情况下，压力弹簧提供F0的压力，使外钻杆与内钻管被拉伸，从而活动钻头处于收缩状态，作为普通钻具使用，用于钻孔入口处。此时可以对整个钻杆施加推力Fx以提高钻进效率，确保推力Fx＜F0即可。2、当整个钻杆深入煤层内部后，对外钻杆和内钻杆施加的推力Fx满足F0≤Fx＜F1（F1=F0+f，f为煤层阻力），此时活动钻头会逐渐展开，径向宽度增大。3、待步骤2持续扩孔达到足够的宽度后，增加推力Fx满足Fx≥F1后，再减小推力Fx满足F0≤Fx＜F1。增加推力Fx满足Fx≥F1是，进一步压缩弹簧，内锁套推动外锁套使外锁套的导向槽脱离导向棱，但内锁套的导向槽始终不脱离导向棱；在斜面齿作用下，外锁套发生旋转。减小推力Fx满足F0≤Fx＜F1时，旋转后的外锁套侧壁支撑在导向棱的端部，从而保持外钻杆和内钻杆出于稳定的压缩状态，确保活动钻头的钻体一和钻体二同时被展开并被固定，此时整个钻具处于正常稳定的扩孔作业状态。5、在扩孔作业结束后，增加推力Fx满足Fx≥F1后，再减小推力Fx满足F0≤Fx＜F1。增加推力Fx满足Fx≥F1时，内锁套推动外锁套使外锁套端部与导向棱脱离，在斜面齿作用下外锁套随即发生旋转，减小推力Fx满足F0≤Fx＜F1时，外锁套的导向槽滑向导向棱，轴向行程增大，在压力弹簧提供的F0压力作用下，外钻杆和内钻杆继续保持拉伸状态，从而钻体一和钻体二处于稳定的收缩状态，可以从钻孔退钻。

另外，在钻体一和钻体二的侧壁均设置有截齿，从而钻体一和钻体二均可以具有钻进作用。从而，不仅可以利用钻体二及其截齿进行工作，对钻具施加向前的推力达到钻进效果；也可以在暂不展开活动钻头的情况下，利用钻体一及其截齿进行工作。例如，将钻具深入到最大限度后，通过展开活动钻头并提供向外拉力，使钻体一及其截齿进行工作。

附图说明

图1是本发明变径钻的剖面结构示意图；

图2是图1的局部装配示意图；

图3是图1的A-A剖面结构示意图之一；

图4是图1的A-A剖面结构示意图之二。

图中标号1为外钻杆，2为内钻杆，3为固定钻头，4a为钻体一，4b为钻体二，5a为后截齿，5b为前截齿，6为挡台，7为压力弹簧，8a为外锁套，8b为内锁套，9a为外锁套导向槽，9b为内锁套导向槽，10为导向棱，11为斜面齿，12a和12b分别为支座。

具体实施方式

实施例1：一种变推力变径钻，参见图1，外钻杆1和内钻杆2相互套装，两者之间设置了仅能轴向滑动的结构，例如通过花键配合，或者在内套管外侧壁上设置了与导向棱10配合的凹槽。

在内钻杆2的前端安装有固定钻头3，在外钻杆1和内钻杆2之间设置有活动钻头。

图1中，活动钻头包括多组钻体一4a和钻体二4b，分别在外钻杆1和内钻杆2外侧固定有支座12a和12b。每组钻体一4a和钻体二4b的端部分别通过销轴铰接在支座12a和12b上。每组钻体一4a和钻体二4b的另一端部通过销轴铰接在一起。

参见图1和图2，在外钻杆1的内侧套装有外锁套8a和内锁套8b，外锁套8a和内锁套8b的对接端设置匹配并相互啮合的斜面齿11；同时在外锁套8a和内锁套8b外侧面均匀分布有导向槽9a和9b，在外套管1的 内壁上设置有与导向槽9a和9b配合安装的导向棱10；所述导向槽9a和9b数量是斜面齿11数量的一半；在外锁套8a的外侧安装有压力弹簧7，在压力弹簧7的外侧设置有位于外套管1内壁的挡台6。

参见图3或图4，支座12a或12b采用均布的单插孔支座或者多插孔支座，钻体一4a和钻体二4b的末端被支座夹持并压紧配合，支撑强度提高。

实施例2：另一种变推力变径钻，附图未画，内容与实施例基本相同，相同之处不重述，不同的是：内钻杆位于后端而外钻杆位于前端，固定钻杆设置在外钻杆末端。

Claims (2)

1.一种变推力变径钻，包括相互套装仅能轴向滑动的外钻杆和内钻杆，固定钻头和活动钻头；所述活动钻头包括铰接在外钻杆侧壁的钻体一和铰接在内钻杆侧壁的钻体二；分别在外钻杆和内钻杆外侧固定有支座，钻体一和钻体二的端部分别通过销轴铰接在支座上；支座采用均布的单插孔支座或者多插孔支座，钻体一和钻体二的末端被支座夹持并压紧配合；钻体一和钻体二的末端铰接在一起；其特征是：在外套管内侧套装有外锁套和内锁套，外锁套和内锁套的对接端设置匹配并相互啮合的斜面齿；同时在外锁套和内锁套外侧面均匀分布有导向槽，在外套管内壁上设置有与导向槽数量相等并配合安装的导向棱；所述导向槽数量是斜面齿数量的一半；在外锁套的末端安装有压力弹簧，在压力弹簧的末端设置有位于外套管内壁的挡台；在钻体一和钻体二的侧壁均设置有截齿，对钻具施加向前的推力利用钻体二及其截齿进行工作，或者不展开活动钻头，利用钻体一及其截齿进行工作。

2.根据权利要求1所述的变推力变径钻，其特征是：外套管位于后侧而内套管位于前侧，或者外套管位于后侧而内套管位于前侧。