CN109403869A - 一种水平定向钻扩孔用钻具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平定向钻扩孔用钻具，通过本发明能够实现在水平定向钻扩孔作业过程中产生较小反扭矩，减小钻杆的疲劳强度，提高扩孔效率，降低施工成本。包括壳体、一级钻头和二级钻头，所述壳体上安装有一级驱动系统、二级驱动系统，所述壳体内沿轴向设有传动轴、传动齿圈，所述传动轴上安装从动齿轮，所述传动齿圈空套在传动轴上，且与传动轴同心，所述一级驱动系统连接一级主动齿轮，所述一级主动齿轮与从动齿轮啮合，所述二级驱动系统连接二级主动齿轮，所述二级主动齿轮与传动齿圈啮合，所述传动轴、传动齿圈的前端分别向前伸出壳体，所述传动齿圈的前端与所述二级钻头连接，所述传动轴的前端穿过二级钻头与所述一级钻头连接。

Description

一种水平定向钻扩孔用钻具
技术领域
本发明涉及非开挖技术领域，特别是涉及一种水平定向钻扩孔用钻具。
背景技术
随着世界能源日益紧张、经济发展与环境保护矛盾日益突出和储备需要， 全球进入管道建设高峰期。国家规划2025年油气管道建设总长预计达到24 万公里。据估计，在未来管道建设中将创造数百亿的工程产值。传统的地下 管线施工方法是“挖槽埋管法”，在油气管道铺设的过程中不可避免要经过河 流、山脉、丘陵、建筑物等障碍，在这种情况下不具备开挖施工条件，“挖槽 埋管法”铺设油气管道就遇到了很大的困难。传统“挖槽埋管法”已经不能 满足日益快速增长的管道铺设需求。
非开挖技术越来越受到人们的重视。目前在石油天然气管道输送领域， 国内外所采用的非开挖技术方法通常是水平定向钻进法。水平定向钻具有： 不破坏地表，施工效率高，经济性好，污染少等优点，最重要的是能够在不 破坏地表的前提下穿越河流、山脉、丘陵等障碍，克服传统“挖槽埋管法” 的缺陷。水平定向钻的工艺包括：打导向孔、逐级扩孔以及管线回拖三个步 骤。目前水平定向钻成为大直径、长距离管道穿越河流、山脉、城镇等地域 的首选工程方法。
但随着管道铺设距离、直径和地质复杂程度的增加，传统水平定向钻技 术的不足之处逐渐凸显出来。长距离水平定向钻进轨迹多为弧形孔甚至多段 弯曲孔，导致钻杆与孔壁摩擦较大，回转器通过钻杆传递给动力钻具的扭矩 损耗大，从而发生扩孔动力不足的现象。钻杆在钻进过程中要受到拉、压、 弯、扭力以及振动、冲击等载荷，使得每一段钻杆都处于级端的机械应力状 态，时常发生堵卡钻、钻杆断脱等问题。与地面开挖施工技术相比，水平定 向穿越技术地下工程一旦失败，再次施工时，成本和风险会更大。因此，急 需解决上述水平定向钻存在的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水平定向钻扩孔用钻 具，通过本发明能够实现在水平定向钻扩孔作业过程中产生较小反扭矩，减 小钻杆的疲劳强度，提高扩孔效率，降低施工成本。
本发明的目的是这样实现的：
一种水平定向钻扩孔用钻具，包括壳体、一级钻头和二级钻头，所述壳 体上安装有一级驱动系统、二级驱动系统，所述壳体内沿轴向设有传动轴、 传动齿圈，所述传动轴上安装从动齿轮，所述传动齿圈空套在传动轴上，且 与传动轴同心，所述一级驱动系统连接一级主动齿轮，所述一级主动齿轮与 从动齿轮啮合，所述二级驱动系统连接二级主动齿轮，所述二级主动齿轮与 传动齿圈啮合，所述传动轴、传动齿圈的前端分别向前伸出壳体，所述传动 齿圈的前端与所述二级钻头连接，所述传动轴的前端穿过二级钻头与所述一 级钻头连接。
优选地，所述壳体包括前端盖、壳身和后端盖，所述壳身分别通过螺栓 与前端盖、后端盖固定连接。
优选地，所述传动齿圈为内齿圈。
优选地，所述传动齿圈的前端成型有直径较小的连接管，所述连接管向 前伸出壳体与所述二级钻头连接。
优选地，所述一级驱动系统、二级驱动系统均为潜油电机组，所述一级 驱动系统的各潜油电机、二级驱动系统的各潜油电机均呈环形均匀分布于传 动轴周围，且交错设置。
优选地，所述一级驱动系统的各潜油电机、二级驱动系统的各潜油电机 均固定在壳体外，各潜油电机的转轴伸入壳体内。
优选地，所述一级驱动系统的各潜油电机、二级驱动系统的各潜油电机 的旋转方向相同，使一级钻头和二级钻头的旋转方向相反。
优选地，所述一级钻头、二级钻头均呈从前往后逐渐增大的锥状，所述 二级钻头前端的外圆直径大于等于一级钻头后端的外圆直径，所述一级钻 头、二级钻头外周面的面积相同。
优选地，所述一级钻头和二级钻头之间设有岩屑导向器，所述岩屑导向 器前端的外圆直径等于一级钻头后端的外圆直径，所述岩屑导向器后端的外 圆直径等于二级钻头前端的外圆直径，所述岩屑导向器固定在二级钻头上， 用于将一级钻头后端的岩屑输送到二级钻头的前端。
优选地，所述传动轴为中空轴，其后端与钻杆连接器转动式连接，所述 钻杆连接器的内腔与传动轴的内腔连通。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
1.一级钻头与二级钻头的破岩有效面积相等，一级钻头与二级钻头产生 的破岩力矩大小相等，方向相反，最终实现力矩抵消；
2.中空的传动轴可以在钻进过程中输送泥浆，地面泥浆泵通过管汇将泥 浆打入中空的传动轴，经依次引入一级钻头和二级钻头喷嘴，最终经环空将 岩屑带出地面；
3.动力设置临近钻头的位置，钻杆连接器不发生转动，减少钻扩孔过程受 到管道铺设距离的影响；
4.解决水平定向钻扩孔作业过程中存在的扩孔动力不足，钻杆易断脱等问 题，在一定程度上提高扩孔效率，降低施工成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为一级主动齿轮、二级主动齿轮布置示意图；
图3为钻杆联接器与传动轴的动密封示意图；
图4为齿轮轴的结构示意图。
附图标记
附图中，1-钻杆联接器、2-一级驱动系统、3-二级驱动系统、4-二级主动 齿轮、5-后端盖、6-壳身、7-从动齿轮、8-传动齿圈、9-前端盖、10-二级钻头、 11-传动轴、12-岩屑导向器、13-一级钻头，14-一级主动齿轮。
具体实施方式
参见图1-图4，为一种水平定向钻扩孔用钻具，包括壳体、一级钻头(一 级扩孔器)和二级钻头(二级扩孔器)，所述壳体包括前端盖、壳身和后端盖， 所述壳身分别通过螺栓与前端盖、后端盖固定连接。
所述壳体上安装有一级驱动系统、二级驱动系统，所述壳体内沿轴向设 有传动轴、传动齿圈，所述传动轴上平键连接从动齿轮，所述传动齿圈为内 齿圈。所述传动齿圈空套在传动轴上，且与传动轴同心，所述一级驱动系统 连接一级主动齿轮，所述一级主动齿轮与从动齿轮啮合，所述二级驱动系统 连接二级主动齿轮，所述二级主动齿轮与传动齿圈啮合，所述传动轴、传动 齿圈的前端分别向前伸出壳体，所述传动齿圈的前端与所述二级钻头连接， 所述传动轴的前端穿过二级钻头与所述一级钻头连接。本实施例中，所述传 动齿圈的前端成型有直径较小的连接管，所述连接管向前伸出壳体与所述二 级钻头连接，连接管与壳体之间形成动密封。进一步地，连接管前端设有一 个标准的二级钻头螺纹孔，用于与所述二级钻头螺纹连接；传动轴前端设有 一个标准的锥形钻头螺纹孔，用于与一级钻头螺纹连接。
本实施例中，所述一级驱动系统、二级驱动系统均为包括四个潜油电机 的潜油电机组，所述一级驱动系统的各潜油电机、二级驱动系统的各潜油电 机均呈环形均匀分布于传动轴周围，且交错设置。所述一级驱动系统的各潜 油电机、二级驱动系统的各潜油电机均固定在壳体外，各潜油电机的转轴伸 入壳体内，连接一级主动齿轮、二级主动齿轮，各潜油电机的转轴与壳体之 间形成动密封，所述一级主动齿轮、二级主动齿轮均为齿轮轴，与各潜油电 机的转轴花键连接。所述一级驱动系统的各潜油电机、二级驱动系统的各潜 油电机的旋转方向相同，使一级钻头和二级钻头的旋转方向相反，一级驱动 系统、二级驱动系统的四个潜油电机同时通电，实现动力集成、传输。
所述一级钻头、二级钻头均呈从前往后逐渐增大的锥状，所述二级钻头 前端的外圆直径大于一级钻头后端的外圆直径，所述一级钻头、二级钻头外 周面的面积相同。所述一级钻头和二级钻头之间设有岩屑导向器，所述岩屑 导向器前端的外圆直径等于一级钻头后端的外圆直径，所述岩屑导向器后端 的外圆直径等于二级钻头前端的外圆直径，所述岩屑导向器经螺纹固定在二 级钻头上，岩屑导向器周面上设置有一定形状的导向叶片，用于将一级钻头后 端的岩屑输送到二级钻头的前端。
所述传动轴为中空轴，其后端与钻杆连接器转动式连接，所述钻杆连接 器的内腔与传动轴的内腔连通。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人 员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本 发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：包括壳体、一级钻头和二级钻头，所述壳体上安装有一级驱动系统、二级驱动系统，所述壳体内沿轴向设有传动轴、传动齿圈，所述传动轴上安装从动齿轮，所述传动齿圈空套在传动轴上，且与传动轴同心，所述一级驱动系统连接一级主动齿轮，所述一级主动齿轮与从动齿轮啮合，所述二级驱动系统连接二级主动齿轮，所述二级主动齿轮与传动齿圈啮合，所述传动轴、传动齿圈的前端分别向前伸出壳体，所述传动齿圈的前端与所述二级钻头连接，所述传动轴的前端穿过二级钻头与所述一级钻头连接。
2.根据权利要求1所述的一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：所述壳体包括前端盖、壳身和后端盖，所述壳身分别通过螺栓与前端盖、后端盖固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：所述传动齿圈为内齿圈。
4.根据权利要求1或3所述的一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：所述传动齿圈的前端成型有直径较小的连接管，所述连接管向前伸出壳体与所述二级钻头连接。
5.根据权利要求1所述的一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：所述一级驱动系统、二级驱动系统均为潜油电机组，所述一级驱动系统的各潜油电机、二级驱动系统的各潜油电机均呈环形均匀分布于传动轴周围，且交错设置。
6.根据权利要求5所述的一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：所述一级驱动系统的各潜油电机、二级驱动系统的各潜油电机均固定在壳体外，各潜油电机的转轴伸入壳体内。
7.根据权利要求5所述的一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：所述一级驱动系统的各潜油电机、二级驱动系统的各潜油电机的旋转方向相同，使一级钻头和二级钻头的旋转方向相反。
8.根据权利要求1所述的一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：所述一级钻头、二级钻头均呈从前往后逐渐增大的锥状，所述二级钻头前端的外圆直径大于等于一级钻头后端的外圆直径，所述一级钻头、二级钻头外周面的面积相同。
9.根据权利要求1所述的一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：所述一级钻头和二级钻头之间设有岩屑导向器，所述岩屑导向器前端的外圆直径等于一级钻头后端的外圆直径，所述岩屑导向器后端的外圆直径等于二级钻头前端的外圆直径，所述岩屑导向器固定在二级钻头上，用于将一级钻头后端的岩屑输送到二级钻头的前端。
10.根据权利要求1所述的一种水平定向钻扩孔用钻具，其特征在于：所述传动轴为中空轴，其后端与钻杆连接器转动式连接，所述钻杆连接器的内腔与传动轴的内腔连通。
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