CN109083601B - 侧向伸缩式跟管钻具 - Google Patents

Abstract

侧向伸缩式跟管钻具，主要包括钻头本体、扩孔钻头及中心钻头，本发明扩孔钻头位于钻头本体与中心钻头之间，扩孔钻头的两侧面与钻头本体上开设的矩形槽配合滑动，扩孔钻头的圆柱销置于开设在中心钻头上的曲线控制槽内。当驱动跟管钻具正反转控制扩孔钻头伸出或缩回时，由于中心钻头底部存在着摩擦阻力，钻头本体与中心钻头发生相对转动，通过相互约束关系，产生了一个扩孔钻头伸出或缩回可移动的自由度。曲线控制槽的过渡曲线段和缩径曲线段，具有增力效应，能在孔底摩擦力不足或扩孔钻头卡滞的情况下，保证扩孔钻头的伸出或缩回，提高了跟管钻具的工作可靠性。

Description

侧向伸缩式跟管钻具

技术领域

本发明涉及侧向伸缩式跟管钻具，应用于岩土钻凿、水井施工等领域。

背景技术

潜孔锤在钻进不稳定地层时，通常采用跟管钻进工艺进行钻进，配套的跟管钻具最常用的就是单偏心跟管钻具，跟管钻进时扩孔部分的偏心钻头外径大于套管外径，钻孔完毕，反转钻具，扩孔部分的偏心钻头回缩，外径小于套管内径，提钻可从套管内孔中将钻具抽出。

单偏心跟管钻具在实际的使用中存在着一些问题。首先偏心钻头由于结构的非对称性，导致钻具包括钻头承受着非对称的力和力矩以及支撑反力等，这对钻具和钻头的使用有一定的影响，对钻孔的质量也会产生一定的影响，从而影响钻进跟管的能力；其次由于偏心钻头只存在单侧冲击和剪切的作用，这样就会一方面存在着钻进效率问题，一方面存在着早期磨损的问题，进而带来了维护成本高等一系列的问题。因而有必要解决单偏心跟管钻具存在的这些问题。

申请号为“CN201320665088.X”的专利文献公开了一种旋扩式同心潜孔跟管钻具，解决了偏心跟管钻具存在一些问题，但其结构较为复杂，零件较多，扩孔片靠自重缩回，存在着工作可靠性的问题。类似的申请号为“CN201210410945.1”的专利文献公开了一种同心滑块跟管钻具及中心钻头、导正器，其扩孔钻头均匀分布在中心钻头底部的周边，也克服了偏心跟管钻头主要缺陷，但同时也存在一定的可靠性的问题，由于滑块缺乏强制的驱动，驱动力小，滑块存在不收缩或部分收缩的可能性，这将导致跟管钻头有时不能顺利从套管中抽出；

申请号为“CN201220057944.9”的专利文献公开了一种偏心跟管钻具，是利用双偏心或三偏心布置的跟管钻具，也克服了单偏心跟管钻具的主要缺陷，与单偏心跟管钻具工作方式类似，也是利用钻具的正反转来控制跟管钻头的伸出和缩回的，但这种钻具由于钻头不存在主辅的关系，也就是说钻进扩孔的工作和正常钻进的工作是由共同的钻头冲击作用完成的，但由于扩孔大径的合金柱齿易于磨损，存在着早期破坏的问题，会影响跟管整个钻头正常使用寿命，因而这种双偏心或多偏心式构成的同心跟管钻具维护成本高，同时这种钻头在收缩时，由于结构的因素，会在偏心钻头底部间有开合的缝隙，一旦有颗粒性的岩屑进入就会影响其有效的缩回，同样存在着工作可靠性的问题。

申请号为“CN201320131953.2”的专利文献公开的一种甩块扩孔跟管钻具，也是采用双偏心或三偏心布置的跟管钻具，与上述专利CN201220057944.9不同的是，该专利将甩块扩片的位置由钻头底面提升至一定高度，有益于钻进时分级破碎岩石，提高钻进的效率，钻头形成了主辅关系，但这种形式的跟管钻具不利于冲击功的传递，而且用于扩孔的甩块扩片体积大，结构复杂，维护成本较高，其通过离心力来驱动甩块扩片的伸出和缩回，驱动力小，存在着很大的不确定性，所以也存在着工作可靠性的问题。

同时目前的跟管钻具还存在以下两个共同的问题：

1、由于跟管钻头，缺乏保径的结构，扩孔状态是靠驱动扭矩或者钻具的钻压保持的，但在扩孔钻进时，遇到地质条件极其复杂，特别是冲击力较大的工况下，扩孔钻头存在着回缩的概率，扩孔外径存在着一定的波动，影响了钻孔质量，势必增加了跟管的阻力，必然影响到了跟管深度，跟管效率，同时也易对管靴、套管等产生不良作用。

2、虽然近年来陆续研发出跟管钻具的新结构，但这些结构还没有一个像单偏心跟管钻具那样将其扩孔伸出和缩回的传动副，完全封闭起来，以避免岩屑等对其动作的干扰和影响，因而这些结构均存在着工作可靠性和适应性的问题，在实际的应用中也就必然存在着这样或那样的问题，难以长期立足于施工现场。

发明内容

针对当前跟管钻具存在的技术问题，本发明提出的侧向伸缩式跟管钻具，采用主辅钻头，主钻头即中心钻头，辅钻头为可伸缩的扩孔钻头，扩孔钻头布置在中心钻头的上方，并均匀布置在中心钻头的周边，尽可能的在钻头上多设置排屑通道，以提高排屑能力，利用钻具的正反转实现扩孔钻头的伸出或缩回。

本发明采用如下的技术方案：

侧向伸缩式跟管钻具，其特征在于，包括：钻头本体、悬挂横销、扩孔钻头及中心钻头，

所述中心钻头分为钻头头部及用于连接钻头本体的定位中心管，钻头头部呈圆柱形，定位中心管的直径小于钻头头部的直径，定位中心管和钻头头部同轴布置，且定位中心管的底端与钻头头部的上端连接形成一体式结构，定位中心管的中部设置有沿轴向贯穿并延伸至钻头头部的中心通风通道，定位中心管靠近顶端处设置有凸起，钻头头部的朝向定位中心管一侧的端面上设置有沿钻头头部圆周方向均匀布置的曲线控制槽，钻头头部的外侧壁上设置有若干个第二排屑通道，钻头头部的底部镶嵌有第二合金柱齿；

所述钻头本体外侧壁上部设置有用于与冲击器连接的花键，钻头本体的中心设置有中心通道，中心通道为变径通道，中心通道下部的直径大于其上部的直径，在中心通道变径处的内侧壁上设置有环槽，环槽底台面的下方设置有销孔，销孔内设置有悬挂横销，悬挂横销由设置在悬挂横销一端的弹性销固定；中心通道下部的内侧壁上设置有沿轴向布置的键槽，键槽的底端与环槽连通，在中心钻头与钻头本体装配时，键槽用于供凸起在其内部滑动；钻头本体的外侧壁上设置若干个第一排屑通道，钻头本体的底部设置有若干矩形槽，矩形槽朝向钻头本体外部的一侧为敞口式结构；

所述扩孔钻头位于钻头本体和中心钻头之间，扩孔钻头具有与钻头本体的矩形槽配合的两个侧面，扩孔钻头嵌在矩形槽内，并可沿矩形槽的长度方向滑动，扩孔钻头安装有圆柱销，且圆柱销设置在中心钻头的曲线控制槽内，在扩孔钻头上朝向矩形槽敞口的一侧及该侧的下方镶嵌有用于扩孔的第一合金柱齿；

其中曲线控制槽的形状与中心钻头和钻头本体间相对转动的角度具有对应关系，曲线控制槽分为起始端、保径曲线控制段、过渡曲线段、缩径曲线段及终止端，起始端和终止端均为半圆形包络面，扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的起始端时，中心钻头与钻头本体间的相对转动角度为零，此时扩孔钻头处于缩回状态；扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的终止端时，中心钻头与钻头本体间的相对转动角度为最大，此时扩孔钻头处于最大伸出状态；扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的保径曲线控制段时，与扩孔钻头接触的曲线控制槽的两侧曲面的切向方向与扩孔钻头的运动方向呈垂直关系，该保径曲线控制段对应钻头本体与中心钻头间的相对转动角度为5°～15°；在扩孔钻头的圆柱销位于过渡曲线段及缩径曲线段时，圆柱销接触点的曲线控制槽的两侧曲面的切向方向与钻头本体回转方向的角度小于30°。

其中，所述中心通道的上端连接有尼龙套。

其中，矩形槽和曲线控制槽的位置互换，即钻头本体的底部设置有沿钻头本体圆周方向均匀布置的曲线控制槽；钻头头部朝向定位中心管一侧的端面上设置有沿钻头头部圆周方向均匀布置的矩形槽。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、克服了单偏心钻具的缺陷，受力平衡，提高了跟管扩孔钻头的寿命，有易于提高跟管能力。

2、采用主辅钻头形式，冲击时分级破碎，扩孔钻头破碎钻进时岩层存在着自由面，会大幅度提高扩孔钻头的破碎效率，减少磨损，提高跟管的钻进效率。

3、结构简单，拆卸方便，扩孔钻头体积小、重量轻，使用维护的成本低，既适合于中小口径的跟管钻具，也适合大孔径跟管钻具。

4、扩孔钻头的伸出和缩回驱动力来自于钻具回转时，钻头底部的摩擦力，设计的增力效应的结构有利于强制性克服扩孔钻头伸缩动作时遇到的各种卡滞，驱动力大；同时扩孔钻头的滑动副完全处于封闭空间，受外界岩屑影响小，因而工作可靠性高，适应性强。

5、采用了带有保径曲线控制段的曲线控制槽，可确保扩孔孔径的稳定性，提高了扩孔的质量，有助于进一步的提高跟管效率和跟管深度。

6、该结构有利于冲击功的传递，通过镶嵌钻头本体与中心钻头间的扩孔钻头传递回转扭矩，传递扭矩大，零件的应力幅值小，有益于延长相关零件的工作寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具结构示意图。

图2为图1的A-A向剖面图。

图3为图1的B-B向剖面图。

图4本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具的钻头本体结构示意图。

图5本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具的中心钻头结构示意图。

图6为本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具的扩孔钻头的结构示意图。

图7为本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具的扩孔钻头缩回状态轴测图。

图8为本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具的扩孔钻头伸出状态轴测图。

图9为本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具的扩孔钻头伸出最大状态A情况剖面图。

图10为本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具的扩孔钻头伸出最大状态B情况剖面图。

图11为本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具的钻具扩孔钻头伸出状态剖面图。

图12为本发明实施例中侧向伸缩式跟管钻具的局部放大图。

图中：1-尼龙套，2-钻头本体，21-中心通道，22-花键，23-环槽，24-销孔，25-键槽，26-矩形槽，27-第一排屑通道，3-弹性销，4-悬挂横销，5-扩孔钻头，51-侧面，52-圆柱销，53-第一合金柱齿，6-中心钻头，61-凸起，62-中心通风通道，63-定位中心管，64-第二排屑通道，65-曲线控制槽，66-第二合金柱齿。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明中使用的“第一”及“第二”并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

如图1至图8所示，侧向伸缩式跟管钻具包括有尼龙套1、钻头本体2、弹性销3、悬挂横销4、扩孔钻头5及中心钻头6。

所述中心钻头6位于钻头本体2的下方，中心钻头6分为钻头头部及用于连接钻头本体的定位中心管63，钻头头部呈圆柱形，定位中心管63的直径小于钻头头部的直径，定位中心管63和钻头头部同轴布置，且定位中心管63的底端与钻头头部的上端连接形成一体式结构，定位中心管63的中部设置有沿轴向贯穿并延伸至钻头头部的中心通风通道62，定位中心管63靠近顶端处设置有凸起61，钻头头部的朝向定位中心管63一侧的端面上设置有沿钻头头部圆周方向均匀布置的曲线控制槽65，钻头头部的外侧壁上设置有若干个第二排屑通道64，钻头头部的底部镶嵌有第二合金柱齿66；

所述钻头本体2上部外侧壁上设置有用于与冲击器连接的花键22，钻头本体2的中心设置有中心通道21，中心通道21为变径通道，中心通道21的上端连接有尼龙套1，中心通道21下部的直径大于其上部的直径，在中心通道21变径处的内侧壁上设置有环槽23，环槽23底台面的下方设置有销孔24，销孔24内设置有悬挂横销4，悬挂横销4由设置在悬挂横销4一端的弹性销3固定；中心通道21下部的内侧壁上设置有沿轴向布置的键槽25，键槽25的底端与环槽23连通，在中心钻头6与钻头本体2装配时，键槽25用于供凸起61在其内部滑动；钻头本体2的外侧壁上设置若干个第一排屑通道27，钻头本体2的底部开设有若干矩形槽26，矩形槽26朝向钻头本体2外部的一侧为敞口式结构；

所述扩孔钻头5位于钻头本体2和中心钻头6之间，扩孔钻头5具有与钻头本体2的矩形槽26配合的两个侧面51，扩孔钻头5嵌在矩形槽26内，并可沿矩形槽26的长度方向滑动，扩孔钻头5安装有圆柱销52，且圆柱销52设置在中心钻头6的曲线控制槽内65，在扩孔钻头5上朝向矩形槽26开口的一侧及该侧的下方镶嵌有用于扩孔的第一合金柱齿53；

中心钻头6的定位中心管63在与钻头本体2装配时，先将定位中心管63上的凸起61对准钻头本体2加大部分中心通道21的轴向键槽25，凸起61沿键槽25进入到钻头本体2的加大部分中心通道21内壁上靠近上端的环槽23内，在垂直于轴向键槽25的方向，环槽23底台面的下方，设置一销孔24，销孔24内设置一悬挂横销4，悬挂横销4由设置在悬挂横销4一端的弹性销3固定，这样，将中心钻头6的定位中心管63设置在钻头本体2加大部分的中心通道21后，钻头本体2与中心钻头6之间可以相对转动，而中心钻头6不会从钻头本体2中掉落，当驱动跟管钻具转动时，由于中心钻头6与孔底间存在着摩擦阻力，使得中心钻头6与钻头本体2间产生相对转动，由于扩孔钻头5的主体位于钻头本体2的矩形槽26内，同时扩孔钻头5的圆柱销52位于中心钻头6的曲线控制槽65内，形成了相互约束关系，产生了一个扩孔钻头5可移动的自由度。

中心钻头6与钻头本体2间产生相对转动时，中心钻头6上的曲线控制槽65的两侧面，通过扩孔钻头5的圆柱销52对扩孔钻头5产生推出力和回拉力，在推出力和回拉力的作用下，扩孔钻头5在钻头本体2的矩形槽26内伸出或缩回，如图9、图10、图11及图12所示，由于设计的曲线控制槽65的形状和走向，当中心钻头6与钻头本体2间产生相对转动时，可使用相对较小的回转扭矩，通过曲线控制槽65的两个侧面对扩孔钻头5的圆柱销52产生较大的推出力和回拉力，存在角度增力效应。曲线控制槽65的形状及其走向和中心钻头6与钻头本体2间相对转动的角度存在对应关系，曲线控制槽65的起始端和终止端为半圆包络面，对应扩孔钻头5缩回和最大伸出的两个状态，当扩孔钻头5处于最大伸出和缩回中间的某个状态时，对应着中心钻头6与钻头本体2间的一个转动角度，这时圆柱销52位于曲线控制槽65中间的某一对应位置；当扩孔钻头5缩回时，扩孔钻头5的圆柱销52位于曲线控制槽65的起始端，这时中心钻头6与钻头本体2间的相对转动角度为零；当扩孔钻头5处于最大伸出状态时，扩孔钻头5的圆柱销52位于曲线控制槽65的终止端，这时中心钻头6与钻头本体2间的相对转动角度为最大，这时再继续驱动跟管钻具转动时，由于扩孔钻头5的圆柱销52位于曲线控制槽65的终止端，这时钻具的扭矩通过冲击器带动钻头本体2，再带动设置在钻头本体2底部的矩形槽26内的扩孔钻头5，扩孔钻头5通过设置在其上的圆柱销52位于曲线控制槽65的终止端，由于圆柱销52已经位于曲线控制槽65的终止端不能再继续在曲线控制槽65内滑动，从而通过曲线控制槽65终止端的半圆包络面，将钻进的驱动扭矩传递给中心钻头6，驱动中心钻头6回转。

所述的曲线控制槽65，进一步的描述，除两端起始端和终止端外，如图12示Ⅰ-Ⅰ与Ⅱ-Ⅱ间的部分为保径曲线控制段，Ⅱ-Ⅱ与Ⅲ-Ⅲ之间的部分为过渡曲线段，Ⅲ-Ⅲ与Ⅳ-Ⅳ之间的部分为缩径曲线段，见图11和图12，当扩孔钻头5的圆柱销52位于保径曲线控制段时，与圆柱销52接触的曲线控制槽65的两侧曲面的切向方向与扩孔钻头5的运动方向呈垂直关系，说明当扩孔钻头5的圆柱销52在保径曲线控制段滑动时，扩孔钻头5既不伸出，也不缩回，扩孔的外径保持不变。这段保径曲线控制段对应于钻头本体2与中心钻头6间的相对角度范围α，α的角度设计范围为5°～15°，能够实现在扩孔钻进时，即便扩孔钻头5受到强烈冲击和扰动，强制性的使钻头本体2与中心钻头6间发生相对转动，使扩孔钻头5的圆柱销52脱离曲线控制槽65的终止端，但只要是钻头本体2与中心钻头6间发生相对转动的角度不超过5°～15°，扩孔钻头5的圆柱销52处于保径曲线控制段，这时扩孔钻头5能确保扩孔外径保持不变；当扩孔钻头5的圆柱销52位于过渡曲线段时，与圆柱销52接触点的曲线控制槽65的两侧曲面的切向方向与钻头本体2回转方向的角度小于30°，呈小角度锐角关系。回转钻具驱动扩孔钻头5伸出和缩回，存在着角度增力作用；扩孔钻头5的圆柱销52处于缩径曲线段时，与圆柱销52接触的曲线控制槽65的两侧曲面的切向方向与钻头本体2回转方向的角度小于30°，和过渡曲线段同样，对扩孔钻头5伸出和缩回也存在着驱动角度增力的作用；对应于该缩径曲线段，这时扩孔钻头5已经缩回，当扩孔钻头5的圆柱销52刚刚由过渡曲线段进入到缩径曲线段时，这时扩孔钻头5缩回的外径，已经足以将跟管钻具从套管内抽出，继续回转钻具可以进一步驱动扩孔钻头5缩回，扩孔钻头5外径进一步的变小，直至扩孔钻头5的圆柱销52抵在曲线控制槽65的起始端的半圆包络面上。

进一步，所述扩孔钻头5位于钻头本体2与中心钻头6之间，扩孔钻头5的两侧面51与钻头本体2底部的矩形槽26配合滑动，扩孔钻头5的圆柱销52置于中心钻头6的曲线控制槽65内；由此可知将矩形槽26和曲线控制槽65的位置互换，形成一种侧向伸缩式的跟管钻具，均为本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.侧向伸缩式跟管钻具，其特征在于，包括：钻头本体、悬挂横销、扩孔钻头及中心钻头，

所述中心钻头分为钻头头部及用于连接钻头本体的定位中心管，钻头头部呈圆柱形，定位中心管的直径小于钻头头部的直径，定位中心管和钻头头部同轴布置，且定位中心管的底端与钻头头部的上端连接形成一体式结构，定位中心管的中部设置有沿轴向贯穿并延伸至钻头头部的中心通风通道，定位中心管靠近顶端处设置有凸起，钻头头部的朝向定位中心管一侧的端面上设置有沿钻头头部圆周方向均匀布置的曲线控制槽，钻头头部的外侧壁上设置有若干个第二排屑通道，钻头头部的底部镶嵌有第二合金柱齿；

所述钻头本体外侧壁上部设置有用于与冲击器连接的花键，钻头本体的中心设置有中心通道，中心通道为变径通道，中心通道下部的直径大于其上部的直径，在中心通道变径处的内侧壁上设置有环槽，环槽底台面的下方设置有销孔，销孔内设置有悬挂横销，悬挂横销由设置在悬挂横销一端的弹性销固定；中心通道下部的内侧壁上设置有沿轴向布置的键槽，键槽的底端与环槽连通，在中心钻头与钻头本体装配时，键槽用于供凸起在其内部滑动；钻头本体的外侧壁上设置若干个第一排屑通道，钻头本体的底部设置有若干矩形槽，矩形槽朝向钻头本体外部的一侧为敞口式结构；

所述扩孔钻头位于钻头本体和中心钻头之间，扩孔钻头具有与钻头本体的矩形槽配合的两个侧面，扩孔钻头嵌在矩形槽内，并可沿矩形槽的长度方向滑动，扩孔钻头安装有圆柱销，且圆柱销设置在中心钻头的曲线控制槽内，在扩孔钻头上朝向矩形槽敞口的一侧及该侧的下方镶嵌有用于扩孔的第一合金柱齿；

其中曲线控制槽的形状与中心钻头和钻头本体间相对转动的角度具有对应关系，曲线控制槽分为起始端、保径曲线控制段、过渡曲线段、缩径曲线段及终止端，起始端和终止端均为半圆形包络面，扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的起始端时，中心钻头与钻头本体间的相对转动角度为零，此时扩孔钻头处于缩回状态；扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的终止端时，中心钻头与钻头本体间的相对转动角度为最大，此时扩孔钻头处于最大伸出状态；扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的保径曲线控制段时，与扩孔钻头接触的曲线控制槽的两侧曲面的切向方向与扩孔钻头的运动方向呈垂直关系，该保径曲线控制段对应钻头本体与中心钻头间的相对转动角度为5°～15°；在扩孔钻头的圆柱销位于过渡曲线段及缩径曲线段时，圆柱销接触点的曲线控制槽的两侧曲面的切向方向与钻头本体回转方向的角度小于30°。

2.根据权利要求1所述的侧向伸缩式跟管钻具，其中，所述中心通道的上端连接有尼龙套。

3.根据权利要求1或2所述的侧向伸缩式跟管钻具，其中，矩形槽和曲线控制槽的位置互换，即钻头本体的底部设置有沿钻头本体圆周方向均匀布置的曲线控制槽；钻头头部朝向定位中心管一侧的端面上设置有沿钻头头部圆周方向均匀布置的矩形槽。