CN108952597B - 防冲专用钻杆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种防冲专用钻杆，钻杆尾部为六方锥柄，钻杆前部为六方锥孔，钻杆前部和锥柄上设有扁销孔，钻杆外周有翅片；其中，所述翅片对称设置，翅片第一外弧形段的形状根据公式确定，其中，L1表示第一外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。本发明解决了煤矿井下松软突出煤层钻进成孔问题，边钻进边排屑，减少了工人劳动强度，提高了钻进效率。并且连接快速灵活，适配性能强。本发明将第一外弧形段结合翅片的强度作为基准参量，在钻杆工作时，维持在一个固定的应力强度值，不会出现阻滞的情况，进一步提高了钻井效率。

Description

防冲专用钻杆
技术领域
本发明涉及工程钻探、煤层探矿钻具配件技术领域，尤其涉及一种防冲专用钻杆。
背景技术
我国很多矿井煤层透气性差，煤质松软，瓦斯含量大，甚至有动力现象或突出危险，使煤层预抽钻孔钻进难度极大。
采用常规水循环钻进时容易塌孔，卡钻严重，钻孔深度不能达到设计目标，致使瓦斯排放和防冲击地压效果差，不能很好地满足生产和开发的要求，影响了煤矿生产的正常进行。
现有技术中的钻杆，在施工中存在两个缺陷，一是钻杆端头的活门未打开，此时施工人员难以发现，当发现较晚时，整个钻杆被堵死，给清理钻杆造成很大困难，影响施工；二是，由于设计要求成桩的上部有一定高度的桩头，现有钻杆凭施工人员经验控制，导致桩头高度误差过大，如过高时，后期需人工进行去除，既浪费人力，右浪费材料，如过低，不符合设计要求。
同时，现有技术中的钻杆在边工作边排屑时，由于旋转翼结构的缺陷，各段排屑的力度基本相同，造成排屑阻拦。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防冲专用钻杆，用以克服现有技术的技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种防冲专用钻杆，钻杆尾部为六方锥柄，钻杆前部为六方锥孔，钻杆前部和锥柄上设有扁销孔，钻杆外周有翅片；
其中，所述翅片对称设置，翅片第一外弧形段的形状根据下述公式(1)确定，第一端点a至第二端点b的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000021
其中，L1表示第一外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角；
圆心角α计算公式为：
Figure GDA0002653210740000022
α0表示初始设定的标准夹角值，Ω表示钻杆的应力强度，Ω0表示初始设定的钻杆的应力强度；
第二外弧形段的形状根据下述公式(2)确定，第二端点b至第三端点c的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000023
其中，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角；
第三外弧形段的形状根据下述公式(4)确定，第三端点c至第四端点d的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000024
其中，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。
进一步地，钻杆的第一内弧形段的形状根据下述公式(5)确定，第五端点e至第六端点f的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000031
其中，l1表示第一内弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长；
第二内弧形段形状根据下述公式(6)确定，第六端点f至第七端点g的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000032
其中，l2表示第二内弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长；
第三内弧形段形状根据下述公式(7)确定，第七端点g至第八端点h的形状公式为：
具体而言，钻杆的第一内弧形段的形状根据下述公式(7)确定，第五端点e至第六端点f的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000033
其中，l1表示第一内弧形段的弧长，l2表示第二内弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。
进一步地，在钻杆外侧壁上从上至下设置第一传感器槽、在第一传感器槽内设置第一压力传感器，第二传感器槽、在第二传感器槽内设置第二压力传感器，第三传感器槽、在第三传感器槽内设置第三压力传感器，传感器实时采集压力信息，并传输至一远端控制器中；
所述控制器设定压力差值阈值为M，第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器的压力值Φ2，第三压力传感器的压力值Φ3，控制器按照下述计算第一压力传感器和第二压力传感器的初始差值：
Figure GDA0002653210740000041
式中，M21表示第一压力传感器和第二压力传感器的压力差值，Φ表示第一压力传感器的实时检测值，Φ2表示第二压力传感器的实时检测值，Φ3表示第三压力传感器的实时检测值，T表示均方差运算，I表示积分运算；
其中I表示基于二次函数的任意积分运算，上述公式为获取积分的比值信息，下述两公式相同，如基于函数y＝ax2，在x取值为(a,b)内，a<b为任意数值。
技术相比本发明的有益效果在于，在使用时，钻柄通过钻机连接套与钻机连接，钻杆与钻杆之间采用锥形插接式接头配合弹性开口销连接，钻杆顶部连接防冲专用钻头，即可工作。
本发明解决了煤矿井下松软突出煤层钻进成孔问题，边钻进边排屑，减少了工人劳动强度，提高了钻进效率。并且连接快速灵活，适配性能强。
本发明将第一外弧形段结合翅片的强度作为基准参量，在钻杆工作时，维持在一个固定的应力强度值，不会出现阻滞的情况，进一步提高了钻井效率。
尤其，本发明最优实施例中，在确定曲线形状时，结合钻杆自身特点，将夹角及弧形曲线引入，并通过结合曲线长度、钻杆直径与钻杆尺寸，来确定翅片的整体形状；在设置各个曲线段时，采用柔性的正弦、余弦曲线，避免产生应力死角及分离产生漩涡。
本发明，在钻杆外侧壁上从上至下设置第一传感器槽、在第一传感器槽内设置第一压力传感器，第二传感器槽、在第二传感器槽内设置第二压力传感器，第三传感器槽、在第三传感器槽内设置第三压力传感器，传感器实时采集压力信息，并传输至一远端控制器中；所述控制器设定压力差值阈值为M，第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器的压力值Φ2，第三压力传感器的压力值Φ3。通过对三个位置的压力值的有机判定，可以准确确定压力值。
附图说明
图1为本发明防冲专用钻杆的整体结构示意图；
图2为本发明的翅片的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术防护机构员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术防护机构而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1所示，其为本发明防冲专用钻杆的整体结构示意图，钻杆2尾部为六方锥柄4，钻杆2前部为六方锥孔1，钻杆2前部和锥柄4上设有扁销孔5，钻杆2外周有翅片3，用于钻进时排屑。具体而言，钻杆外周有翅片，用于钻进时排屑，翅片可以采用Spcen系列特种合金钢制造，外表面增加耐磨涂层，耐热涂层。在使用时，钻柄通过钻机连接套与钻机连接，钻杆与钻杆之间采用锥形插接式接头配合弹性开口销连接，钻杆顶部连接防冲专用钻头，即可工作。本实施例解决了煤矿井下松软突出煤层钻进成孔问题，边钻进边排屑，减少了工人劳动强度，提高了钻进效率。并且连接快速灵活，适配性能强。
为了增强钻杆本身的排屑性能，本实施例对翅片3的外形边缘曲线采用柔性的曲线形状。
具体而言，本实施例的翅片采用对称设置，结合图2所示，其为翅片的半圈，另半圈相对于钻杆竖直中心线对称，其中，翅片第一外弧形段的形状根据下述公式(1)确定，第一端点a至第二端点b的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000061
其中，L1表示第一外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。本实施例，首先确定第一外弧形段的圆心角，根据钻杆翅片其本身的应力强度而定，设定标准的应力强度与标准夹角，当应力强度升高时，夹角增加，以便第一外弧形段能够保持足够的强度。
Figure GDA0002653210740000062
α0表示初始设定的标准夹角值，Ω表示钻杆的应力强度，Ω0表示初始设定的钻杆的应力强度。
第二外弧形段的形状根据下述公式(2)确定，第二端点b至第三端点c的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000071
其中，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。
第三外弧形段的形状根据下述公式(4)确定，第三端点c至第四端点d的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000072
其中，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。
具体而言，钻杆的第一内弧形段的形状根据下述公式(5)确定，第五端点e至第六端点f的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000073
其中，l1表示第一内弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长。
第二内弧形段形状根据下述公式(6)确定，第六端点f至第七端点g的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000081
其中，l2表示第二内弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长。
第三内弧形段形状根据下述公式(7)确定，第七端点g至第八端点h的形状公式为：
具体而言，钻杆的第一内弧形段的形状根据下述公式(7)确定，第五端点e至第六端点f的形状公式为：
Figure GDA0002653210740000082
其中，l1表示第一内弧形段的弧长，l2表示第二内弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。
实施例中，将第一外弧形段结合翅片的强度作为基准参量，在钻杆工作时，维持在一个固定的应力强度值，不会出现阻滞的情况，进一步提高了钻井效率。
尤其，本发明最优实施例中，在确定曲线形状时，结合钻杆自身特点，将夹角及弧形曲线引入，并通过结合曲线长度、钻杆直径与钻杆尺寸，来确定翅片的整体形状；在设置各个曲线段时，采用柔性的正弦、余弦曲线，避免产生应力死角及分离产生漩涡。
本实施例为了防止整个钻杆被堵死，不能及时发现，在所述钻杆上设置一组压力传感器，其为无线压力传感器。具体而言，在钻杆外侧壁上从上至下设置第一传感器槽61、在第一传感器槽内设置第一压力传感器61，第二传感器槽63、在第二传感器槽内设置第二压力传感器64，第三传感器槽65、在第三传感器槽内设置第三压力传感器66。传感器实时采集压力信息，并传输至一远端控制器中。
所述控制器设定压力差值阈值为M，第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器的压力值Φ2，第三压力传感器的压力值Φ3。控制器按照下述计算第一压力传感器和第二压力传感器的初始差值：
Figure GDA0002653210740000091
式中，M21表示第一压力传感器和第二压力传感器的压力差值，Φ表示第一压力传感器的实时检测值，Φ2表示第二压力传感器的实时检测值，Φ3表示第三压力传感器的实时检测值，T表示均方差运算，I表示积分运算。
其中I表示基于二次函数的任意积分运算，上述公式为获取积分的比值信息，下述两公式相同，如基于函数y＝ax2，在x取值为(a,b)内，a<b为任意数值。
上述均值运算的基本算法为：通过获取在某个时间段内的所有采样点的位置值，对某个时间段内的各个取值进行积分运算和均方差运算，然后取比值，得出相比较的平均值。
控制器按照下述计算第一压力传感器和第三压力传感器的初始差值：
Figure GDA0002653210740000092
式中，M31表示第一压力传感器和第三压力传感器的压力差值，Φ表示第一压力传感器的实时检测值，Φ2表示第二压力传感器的实时检测值，Φ3表示第三压力传感器的实时检测值，T表示均方差运算，I表示积分运算。
控制器按照下述计算第二压力传感器和第三压力传感器的初始差值：
Figure GDA0002653210740000101
式中，M23表示第二压力传感器和第三压力传感器的压力差值，
Φ表示第一压力传感器的实时检测值，Φ2表示第二压力传感器的实时检测值，Φ3表示第三压力传感器的实时检测值，T表示均方差运算，I表示积分运算。
所述控制器设定差值阈值为M，经过上述公式计算所得的M21、M31、M23，分别与差值阈值M进行比较，若M21、M31、M23均小于M，则此时，压力在控制范围内。
若上述公式计算所得的M21、M31、M23，分别与差值阈值M进行比较，存在M21、M31、M23任一差值大于M，则说明压力大于阈值，需控制钻杆停止，采取措施。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术防护机构容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术防护机构可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种防冲专用钻杆，其特征在于，钻杆尾部为六方锥柄，钻杆前部为六方锥孔，钻杆前部和锥柄上设有扁销孔，钻杆外周有翅片；
其中，所述翅片对称设置，翅片第一外弧形段的形状根据下述公式(1)确定，第一端点a至第二端点b的形状公式为：
Figure FDA0002631353460000011
其中，L1表示第一外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角；
圆心角α计算公式为：
Figure FDA0002631353460000012
α0表示初始设定的标准夹角值，Ω表示钻杆的应力强度，Ω0表示初始设定的钻杆的应力强度；
第二外弧形段的形状根据下述公式(3)确定，第二端点b至第三端点c的形状公式为：
Figure FDA0002631353460000013
其中，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角；
第三外弧形段的形状根据下述公式(4)确定，第三端点c至第四端点d的形状公式为：
Figure FDA0002631353460000014
其中，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长，L3表示第三外弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。
2.根据权利要求1所述的防冲专用钻杆，其特征在于，钻杆的第一内弧形段的形状根据下述公式(5)确定，第五端点e至第六端点f的形状公式为：
Figure FDA0002631353460000021
其中，l1表示第一内弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长；
第二内弧形段形状根据下述公式(6)确定，第六端点f至第七端点g的形状公式为：
Figure FDA0002631353460000022
其中，l2表示第二内弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角，L1表示第一外弧形段的弧长，L2表示第二外弧形段的弧长；
第三内弧形段形状根据下述公式(7)确定，第七端点g至第八端点h的形状公式为：
Figure FDA0002631353460000023
其中，l1表示第一内弧形段的弧长，l2表示第二内弧形段的弧长，l3表示第三内弧形段的弧长，R表示钻杆的半径，α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。
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