CN103774993A - 一种压电陶瓷式声波钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷式声波钻头，本发明将压电陶瓷伸缩振动装置安放在钻头内，压电陶瓷产生的高频振动力直接传递给钻头的切削齿，形成声波钻进，大大提高钻头的振动碎岩效果，并可实现深孔声波钻进，大幅度提高深孔钻进效率。

Description

一种压电陶瓷式声波钻头

技术领域

本发明涉及一种利用共振现象快速破碎岩石并提高机械钻速的钻井技术，主要应用于灌注桩钻孔施工、水文水井及矿山竖井施工、石油钻井等领域。具体地说是一种压电陶瓷式声波钻头及其钻井方法。

背景技术

声波钻进又称高频振动回转钻进，它利用与岩石共振的高频冲击，使岩石裂隙加速扩展形成疲劳破碎的原理，将高频振动力、压力和回转力三者结合在一起，达到高速碎岩的目的。随着我国现代化建设事业的快速发展，我国在灌注桩钻孔施工、水文水井及矿山竖井施工、石油钻井等领域对钻进效率的要求不断提高。

声波钻进是一种高频（接近声频）振动回转钻进技术，振动频率达1-2万次/分种。目前该方法中，高频振动力是通过安放在钻机动力头上部的高频振动发生器，通过动力头下部的钻杆将振动力传给底部的钻头；再通过动力头提供的回转力和加压力，进行振动回转钻进的一种方法。声波钻进是一种使岩石产生疲劳破碎的过程，与其它冲击钻进或振动钻进方法相比，其碎岩效率更高、能量利用率更高，且具有泥浆用量少的特点，国外环境地质勘察用的较多，国内在工程地质勘察、环境地质勘察中也开始得到应用。

目前声波钻进技术主要存在以下问题：

工作频率低：目前声波钻进使用的振动发生器主要有两种：偏心轮式机械振动发生器、液压冲击式振动发生器。偏心轮式机械振动发生器振动频率低，最高只能达3000次/分种；液压振动发生器最高也仅达12000次/分种。其振动频率尚未达到岩石的自振频率，碎岩效果不理想。

机械式振动器可靠性差：偏心轮由电机带动高速旋转，容易飞车，并且运动部位易磨损，使用寿命短。

液压式振动器加工工艺复杂、成本高：目前我国应用的液压振动器只能靠进口，成本高，维修困难，不适合国情。

深孔钻进效率低：目前声波钻进中，振动发生器均安放在钻机的动力头上，振动力只能通过钻杆传递给钻头。深孔钻杆长时，振动力在钻杆中传递的损失大，钻头对岩石的振动效果差，钻进效率低。

发明内容

本发明的目的就在于克服目前声波钻进技术的不足，而提供一种压电陶瓷式声波钻头。本发明将压电陶瓷伸缩振动装置安放在钻头内，压电陶瓷产生的高频振动力直接传递给钻头的切削齿，形成声波钻进，大大提高钻头的振动碎岩效果，并可实现深孔声波钻进，大幅度提高深孔钻进效率。

本发明是由发电部分、振动部分、上钻头体和下钻头体构成，

所述的发电部分是由涡轮马达、发电机和压电陶瓷驱动电路构成，涡轮马达与发电机联接，涡轮马达带动发电机转动发电，发电机的输出电源与压电陶瓷驱动电路连接，发电部分通过固定柱与上钻头体连接，发电机的导电线经由固定柱的导线通道中穿出；上钻头体的具有外螺纹；

所述的振动部分是由绝缘壳体、上端导电金属圈、下端导电金属圈、压电陶瓷、绝缘垫片和弹簧构成，压电陶瓷的上下端面分别贴设上端导电金属圈和下端导电金属圈，下端导电金属圈的下面依次设置绝缘垫片和弹簧，下端导电金属圈和绝缘垫片可随压电陶瓷在绝缘壳体内上下振动；振动部分内置在上钻头体内，并位于发电部分之下；压电陶瓷、绝缘垫片和弹簧构成压电陶瓷伸缩振动装置；

所述的上钻头体与钻杆通过螺纹连接，上钻头体内设有导线槽和导线通道，导线自固定伸出，沿上钻头体内表面导线槽，再进入导线通道并分别直接连接压电陶瓷的上端导电金属圈和下端导电金属圈，从而形成闭合回路；上钻头体与下钻头体通过螺纹连接构成钻头体，将钻头的振动部分密封；振动部分的弹簧与下钻头体直接接触并与绝缘垫片压紧，进而挤压压电陶瓷，给予压电陶瓷初始压应力；下钻头体下部具有钻井液通道和钻头的切削具。

钻头的各部位连接后，内腔相通，形成钻井液通道，钻井液通过涡轮马达驱动发电机发电后，从钻头钻底部水口流出，冷却钻头、携带岩屑。

本发明的工作原理：

压电陶瓷的伸缩材料在交变电流下能够产生高频伸缩，并且在室温下应变值很大，能量密度高；机电耦合系数大；响应快，输出力大，因此是可产生高频振动并传递高强度应力的新型材料。本发明首次将其置入钻头中。

本钻头工作时，钻井液经钻杆中心通道，流至钻头，驱动涡轮马达旋转，发电机发电，产生的交变电流通过导线驱动压电陶瓷产生高频轴向振动。由于压电陶瓷下部设置有弹簧，故产生向下的高频振动力，并驱动下钻头体对孔底岩石产生高频振动力。在钻头的回转与给进力联合作用下，实现声波钻进。

压电陶瓷外部绝缘壳体和下部绝缘垫片防止钻头体导电、漏电，使电路更加稳定。由于上钻头体与下钻头体的螺纹连接构成钻头体，使得整个振动部分处于密闭空间中，既能够将压电陶瓷的高频振动直接传递给下钻头体，又能够保证其密封性，避免泥浆侵入钻头振动部分。同时，由于压电陶瓷的抗拉强度较低，因此当弹簧与压电陶瓷压紧后，使压电陶瓷始终处于一定压应力下，减少受拉破坏，延长使用寿命。因此，钻头在正常回转钻进同时，能够稳定地进行与岩石“自然频率”一致的高频振动。

本发明的有益效果：

1、本发明将压电陶瓷致伸缩材料置于钻头中，克服了声波钻进技术的不足。本发明能够在钻头部位直接产生高频振动破碎岩石，不需经过钻杆进行传递，大大提高了能量利用率；

2、本发明的振动频率高，能够达到岩石的共振频率，使岩石快速产生疲劳破碎，提高机械钻速2至5倍。并且降低了钻压，可减少钻杆弯曲及钻孔弯曲。可大幅度提高声波钻进钻孔深度，使声波钻进应用于中深孔、深孔、超深孔钻进，扩大了声波钻进应用范围。

3、本发明的发电部分、振动部分和钻头体配合良好，提高了高频振动传递效率和可靠性，提高了钻头声波钻进碎岩的稳定性。本发明钻头减小使用钻压和钻头磨损，延长了声波钻头的使用寿命2至3倍。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实施例是由发电部分、振动部分、上钻头体和下钻头体构成，

所述的发电部分是由涡轮马达2、发电机3和压电陶瓷驱动电路4构成，涡轮马达2与发电机3联接，涡轮马达2带动发电机3转动发电，发电机3的输出电源与压电陶瓷驱动电路4连接，发电部分通过固定柱5与上钻头体7连接，发电机3的导电线经由固定柱5的导线通道6中穿出；上钻头体7的具有外螺纹1；

所述的振动部分是由绝缘壳体9、上端导电金属圈10、下端导电金属圈11、压电陶瓷12、绝缘垫片13和弹簧14构成，压电陶瓷12的上下端面分别贴设上端导电金属圈10和下端导电金属圈11，下端导电金属圈11的下面依次设置绝缘垫片13和弹簧14，下端导电金属圈11和绝缘垫片13可随压电陶瓷12在绝缘壳体9内上下振动；振动部分内置在上钻头体7内，并位于发电部分之下；

所述的上钻头体7与钻杆通过螺纹连接，上钻头体7内设有导线槽8和导线通道6，导线自固定5伸出，沿上钻头体7内表面导线槽8，再进入导线通道并6分别直接连接压电陶瓷12的上端导电金属圈10和下端导电金属圈11，从而形成闭合回路；上钻头体7与下钻头体16通过螺纹15连接构成钻头体，将钻头的振动部分密封；振动部分的弹簧14与下钻头体16直接接触并与绝缘垫片13压紧，进而挤压压电陶瓷12，给予压电陶瓷12初始压应力；下钻头体16下部具有钻井液通道17和钻头的切削具18。

钻头的各部位连接后，内腔相通，形成钻井液通道，钻井液通过涡轮马达2驱动发电机3发电后，从钻头钻底部水口流出，冷却钻头、携带岩屑。

本实施例的工作原理：

压电陶瓷12的伸缩材料在交变电流下能够产生高频伸缩，并且在室温下应变值很大，能量密度高；机电耦合系数大；响应快，输出力大，因此是可产生高频振动并传递高强度应力的新型材料。本发明首次将其置入钻头中。

本钻头工作时，钻井液经钻杆中心通道，流至钻头，驱动涡轮马达2旋转，发电机3发电，产生的交变电流通过导线驱动压电陶瓷12产生高频轴向振动。由于压电陶瓷12下部设置有弹簧14，故产生向下的高频振动力，并驱动下钻头体16对孔底岩石产生高频振动力。在钻头的回转与给进力联合作用下，实现声波钻进。

压电陶瓷12外部绝缘壳体9和下部绝缘垫片13防止钻头体导电、漏电，使电路更加稳定。由于上钻头体7与下钻头体16的螺纹连接构成钻头体，使得整个振动部分处于密闭空间中，既能够将压电陶瓷12的高频振动直接传递给下钻头体16，又能够保证其密封性，避免泥浆侵入钻头振动部分。同时，由于压电陶瓷12的抗拉强度较低，因此当弹簧14与压电陶瓷12压紧后，使压电陶瓷12始终处于一定压应力下，减少受拉破坏，延长使用寿命。因此，钻头在正常回转钻进同时，能够稳定地进行与岩石“自然频率”一致的高频振动。

Claims (1)

1.一种压电陶瓷式声波钻头，其特征在于：是由发电部分、振动部分、上钻头体和下钻头体构成，

所述的发电部分是由涡轮马达（2）、发电机（3）和压电陶瓷驱动电路（4）构成，涡轮马达（2）与发电机（3）联接，涡轮马达（2）带动发电机（3）转动发电，发电机（3）的输出电源与压电陶瓷驱动电路（4）连接，发电部分通过固定柱（5）与上钻头体（7）连接，发电机（3）的导电线经由固定柱（5）的导线通道（6）中穿出；上钻头体（7）的具有外螺纹（1）；

所述的振动部分是由绝缘壳体（9）、上端导电金属圈（10）、下端导电金属圈（11）、压电陶瓷（12）、绝缘垫片（13）和弹簧（14）构成，压电陶瓷（12）的上下端面分别贴设上端导电金属圈（10）和下端导电金属圈（11），下端导电金属圈（11）的下面依次设置绝缘垫片（13）和弹簧（14），下端导电金属圈（11）和绝缘垫片（13）可随压电陶瓷（12）在绝缘壳体（9）内上下振动；振动部分内置在上钻头体（7）内，并位于发电部分之下；

所述的上钻头体（7）与钻杆通过螺纹连接，上钻头体（7）内设有导线槽（8）和导线通道（6），导线自固柱（5）伸出，沿上钻头体（7）内表面导线槽（8），再进入导线通道并6分别直接连接压电陶瓷（12）的上端导电金属圈（10）和下端导电金属圈（11），从而形成闭合回路；上钻头体（7）与下钻头体（16）通过螺纹（15）连接构成钻头体，将钻头的振动部分密封；振动部分的弹簧（14）与下钻头体（16）直接接触并与绝缘垫片（13）压紧，进而挤压压电陶瓷（12），给予压电陶瓷（12）初始压应力；下钻头体（16）下部具有钻井液通道（17）和钻头的切削具（18）。