CN110748302A - 一种分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头，包括扩底中心钻头体、扩底钻头补芯、限位环、花键轴、花键套、半环卡键、导向平键及钻头活瓣。花键轴与扩底中心钻头体、镶嵌有硬质合金柱形齿的钻头活瓣等零部件组合安装共同实现对岩石进行切削；花键轴与花键套组合利用其内部的槽和孔形成空气循环介质的循环通道；半环卡键将扩底钻头固定安装在空气潜孔锤钻具下方进行冲击回转钻进；钻头活瓣安装在扩底中心钻头体上并可以沿其上T型卡键移动从而改变钻头钻进直径，本发明与护壁套管、空气潜孔锤钻具组配可进行空气反循环潜孔锤扩底跟管钻进，与常规套管钻进工艺相比具有钻具组合结构简单、便于维护、能耗低、使用寿命长等技术优势。

Description

一种分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头

技术领域

本发明涉及一种地质勘探、石油钻井、岩土工程钻探等领域的扩孔钻进装置，特别是涉及一种分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头。

背景技术

地质勘探、石油钻井、岩土工程钻探等行业的施工常常要在复杂地层中进行，针对众多复杂地层，尤其是在易坍塌破碎地层、易漏失地层中钻进时，如若不采取相应的固井护壁措施，埋钻、卡钻事故则会经常发生，钻井工程中严重的井内事故有可能影响整个工程的成败。为此，钻井工程技术人员往往采用常规的钻井后下放套管、应用套管钻井工艺或者应用跟管钻进工艺的方法以维护孔壁。

常规套管护壁方法是在钻进时遇到严重坍塌破碎地层、严重漏失地层时，停止钻进，下放外径略小于孔壁直径的套管，向孔壁与套管壁间隙注入水泥，待水泥凝固之后继续钻进。如若钻井工程钻进区域复杂地层较多，该种加固井壁的方法则显得耗时较长，导致钻井工程经济钻速较低。此外，由于每次固井下放的套管外径都要小于固井段直径，为了能够继续钻进则不得不选用直径小于上一级套管内径的钻头与套管继续钻进与护壁，因此使用这种传统固井方法的钻孔自下而上呈阶梯状，但这并不利于深井与超深井的钻井生产。

套管钻井是指用套管代替钻杆对钻头施加扭矩和钻压，实现钻头旋转与钻进。整个钻井过程不再使用钻杆、钻铤等，钻头是利用钢丝绳投捞，在套管内实现钻头升降，即实现不提钻更换钻头钻具。在石油钻井工程中则减少了起下钻次数，从而大大降低了井喷、卡钻等意外事故发生的概率，提高了钻井安全性。但由于套管钻井工艺使用的套管生产要求十分严格，生产成本较高，在进行深井、超深井钻进时该种钻井工艺反而大幅度提高了工程成本，因此此类钻井工艺并不能得到不同领域钻井工程的广泛应用。

跟管钻进使用的钻具直径小于套管内径，因此为了使钻头钻进产生的钻孔能够容纳套管同时实现套管与钻头同步进尺，在钻具下方设置有偏心钻头，偏心钻头在钻进时会向外张开增大钻头外径进行扩孔钻进。跟管钻进只适用于孔深较浅的地质勘探、水井钻进、隧道管棚施工等工程领域，适用范围较狭窄。此外，由于跟管扩孔偏心钻头与偏心钻具结构较复杂、易损件多，因此该种钻井工艺实施效果与预期相比并不是很理想。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是提出了一种应用于空气反循环潜孔锤扩底钻进的钻头，其为分体式大直径钻头，沿钻头环向均匀分布且可以活动的钻头活瓣与套管配合可以实现空气反循环潜孔锤跟管钻进，维护孔壁，并且无需更换更小直径的钻头与套管就能够持续钻进，并且由于钻头的特殊结构设计，钻头容易从钻孔套管中频繁的拔出与下放。本发明对传统的用于反循环钻进的钻头的空气流道布置与岩屑排出钻孔的路径进行了重新设计，钻头整体具有排出岩屑效率高、流体流动压力损失小，因而冲击回转钻进效率高，大幅降低生产施工能耗成本等优势。此外由于钻头整体使用的零件较少，钻头也具有结构简单、便于维护、使用寿命长等优势。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头，其特征在于，包括：扩底中心钻头体、扩底钻头补芯、限位环、花键轴、花键套、半环卡键、导向平键及钻头活瓣，

所述扩底中心钻头体为倒置的圆台形结构，扩底中心钻头体与花键轴同轴，并与花键轴的下部螺纹连接，扩底中心钻头体的顶部向内凹陷形成环形凹槽，扩底中心钻头体的外侧壁沿周向均布有至少三个T型卡键，并在每个T型卡键的下部开设有限位平键槽，同时每一个T型卡键下底面布置有一个硬质合金柱型齿；

所述扩底钻头补芯与扩底中心钻头体同轴，并与扩底中心钻头体的底部螺纹连接，扩底钻头补芯的底唇面上设置有硬质合金柱型齿；

所述限位环用于控制钻头活瓣行程的上止点，限位环设置在扩底中心钻头体与花键轴之间，且限位环通过定位销固定在扩底中心钻头体上；

所述花键轴内部设有上下贯通的过流通道，该过流通道的底部与扩底中心钻头体的环形凹槽连通，过流通道自下而上依次为空气循环介质入口段、流体增速通道段及岩屑上返通道段，空气循环介质入口段从下至上直径逐渐变小，空气循环介质入口段顶端的直径与流体增速通道段的直径一致；岩屑上返通道段的直径大于流体增速通道段的直径；花键轴从上到下分为三段，第一轴段为花键段，花键段的外表面沿圆周均布设有矩形花键齿,相邻两个矩形花键齿之间形成花键齿凹槽，并在每个矩形花键齿上部设置有卡槽，所有卡槽呈环形布置，第二轴段为光杆段，第二轴段的直径大于第一轴段和第三轴段的直径，第二轴段中设置有沿轴向贯穿的空气过孔，空气过孔围绕着第二轴段的中轴线均匀分布，空气过孔顶部延伸至花键段并与花键齿凹槽连通，空气过孔的底部与扩底中心钻头体的环形凹槽连通，同时第二轴段外部均布有槽孔，该槽孔沿倾斜于第二轴段轴向的方向设置，槽孔的上部与花键轴内部的过流通道的流体增速段连通，槽孔的底部与第二轴段的底端面贯通；第三轴段为螺纹段，其外壁上设置有与扩底中心钻头体连接的外螺纹；

所述花键套与空气潜孔锤钻具外缸筒螺纹连接，花键套套设在花键轴的花键段上，其采用外径定心的方式与花键轴花键联接，花键套与花键轴之间形成的间隙为空气过流孔道；

所述半环卡键安装在位于花键轴上部的呈环形布置的卡槽内，半环卡键与空气潜孔锤钻具固定连接；

所述钻头活瓣数量至少为三个，钻头活瓣数量与T型卡键数量一致，至少三个钻头活瓣沿着扩底中心钻头体外侧壁周向均匀布置，钻头活瓣朝向扩底中心钻头体的一侧形状与扩底中心钻头体外壁形状吻合，该侧上开设有与扩底中心钻头体上的T型卡键匹配的T型键槽，且T型键槽沿钻头活瓣纵向贯通，T型键槽的槽底下部开设有沿纵向布置的导向平键槽，导向平键槽的上端封闭，下端贯通，钻头活瓣的底唇面及在钻头回转的方向钻头活瓣与岩石接触的侧边上均布置有硬质合金柱型齿；

所述导向平键的一侧通过螺钉固定在限位平键槽内部，导向平键的另一侧与导向平键槽相互配合用于限制钻头活瓣行程的下止点。

进一步，所述扩底中心钻头体上的环形凹槽的截面为半圆形，并在其边缘处设置有圆形倒角。

进一步，所述扩底中心钻头体上的T型卡键上开设有与扩底中心钻头体的环形凹槽连通的空气分流孔，同时在扩底中心钻头体上任意相邻两个钻头活瓣安装空隙之间开设有与扩底中心钻头体的环形凹槽连通的空气分流孔。

进一步，所述槽孔为圆角矩形直槽孔。

进一步，所述钻头活瓣为扇环柱体结构，扇环柱体朝向扩底中心钻头体的一侧形状与扩底中心钻头体外壁形状吻合，扇环柱体远离扩底中心钻头体的一侧从上部到中部为倒置抛物线型曲面。

进一步，所述花键套外部加工有空间螺线型的凹槽。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

(1)本发明提出的分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头结构简单可靠，易于维修。分体式、可活动、通过相对扩底中心钻头体移动实现变径的钻头活瓣可以与护壁套管良好配合工作，在钻头进尺时钻头活瓣张开实现扩孔钻进，在提钻时各个钻头活瓣间的空隙会将钻头上方岩屑落至钻孔底部，防止埋钻事故发生，同时钻头活瓣收缩会减小钻头外径，从而使钻头可以顺利进入套管内部并被提离钻孔，该种设计摒弃了传统的套管钻进结构复杂工艺方法实现困难的缺点，具有不更换钻头直径与不更换套管直径即可进行套管钻进的优点，大幅降低了套管钻进的成本，可以适应更广泛的生产应用。

(2)改进了传统的空气反循环方法，通过钻具配气装置空气循环介质被送入花键轴与花键套之间的空气流道，在钻头内部经过换向空气循环介质携带岩粉上返至地表，最终实现空气循环介质仅在钻头与钻具内部循环。此种空气循环方法可以大幅减小空气反循环钻进产生的压力损失，与钻头配合的钻具因此可以具有更大且更均匀的冲击功，可以显著提升钻井施工的机械钻速。压力损失的大幅降低也可以实现更深的钻进施工、大幅减少空气压缩机的能源消耗，大幅节约钻进工程能耗成本。

(3)送入钻头内部的空气循环介质被扩底中心钻头体上的空气分流孔分出一部分加速加压流通到钻头底部，可以对钻头底部沉积的岩屑进行清理并使其进入花键轴上返至地表，同时压缩空气会冷却钻头活瓣，防止钻进时烧钻与埋钻事故发生。

(4)改进了传统的空气反循环潜孔锤钻进岩屑上返至地表的方式。通过在花键轴外部加工槽孔方式，在钻头进尺时岩屑被动进入花键轴并在高速空气的带动下岩屑得以上返至地表，此种方法并不会额外消耗空气动能将岩屑送入循环通道，因此这种设计可以进一步降低流体压力损失，提高钻头碎岩效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头的整体结构示意图。

图2为分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头的正视图。

图3为分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头的俯视图。

图4为分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头的侧视图。

图5为分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头的剖视图。

图6为分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头底唇面的结构示意图。

图中各标记如下：1-扩底中心钻头体，2-扩底钻头补芯，3-限位环，4-花键轴，5-花键套，6-半环卡键，7-导向平键，8-钻头活瓣，9-硬质合金柱型齿，a-花键轴上端空气流道，b-花键轴下端空气流道，c-换向槽，d-空气分流孔，e-导向平键槽，f-岩屑入口，m-空气循环介质入口段，n-流体增速通道段，k-岩屑上返通道段。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、图4、图5及图6，一种分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头，包括扩底中心钻头体1、扩底钻头补芯2、限位环3、花键轴4、花键套5、半环卡键6、导向平键7及钻头活瓣8，限位环3通过定位销固定在扩底中心钻头体1上；扩底钻头补芯2与扩底中心钻头体1同轴，并与扩底中心钻头体1的底部螺纹连接；钻头活瓣8通过T型卡键和导向平键7安装在扩底中心钻头体1上；扩底中心钻头体1通过螺纹连接于花键轴4的下方；花键轴4通过外径定心的方式与花键套5连接并通过两个半环卡键6安装于空气潜孔锤钻具下方；花键套5与潜孔锤钻具外缸筒螺纹连接。

所述扩底中心钻头体1用于将来自地表的空气循环介质流换向并使其携带岩粉上返到地表实现空气反循环，同时扩底中心钻头体1承载安装钻头活瓣8与扩底钻头补芯2并将来自上方空气潜孔锤钻具的钻压与扭矩传递给钻头活瓣8与扩底钻头补芯2上的硬质合金柱型齿9，进而破碎岩石，扩底中心钻头体1通过螺纹连接方式安装在花键轴4下方，扩底中心钻头体1为倒置的圆台形结构，在扩底中心钻头体1的外侧壁沿周向均布有至少三个T型卡键，T型卡键与设置在钻头活瓣8上的T型键槽配合，每个T型卡键上都加工有一个限位平键槽，同时每一个T型卡键下底面布置有一个硬质合金柱型齿9，用以破碎扩底钻头补芯2与钻头活瓣8间的岩石；扩底中心钻头体1的顶部向内凹陷形成环形凹槽，该环形凹槽即为图5中换向槽c，对来自地表流经空气流道的空气循环介质起到换向作用，经过换向的空气循环介质流经花键轴4的过流通道最终上返到地表实现反循环；环形凹槽的边缘为流线型曲面，可以大大减少空气过流循环过程中产生的压力损失从而保持钻具冲击功稳定；空气流道由花键轴上端空气流道a和花键轴下端空气流道b两部分构成，其中花键轴上端空气流道a即为花键轴4与花键套5配合形成的空气过流孔道，花键轴下端空气流道b即为设置在花键轴4上呈轴向均布设置的空气过孔，空气过孔的上部与花键轴上端空气流道a连通，空气过孔的底部与扩底中心钻头体1的环形凹槽连通；扩底中心钻头体1上的T型卡键上开设有与扩底中心钻头体1的环形凹槽连通的空气分流孔d，同时在扩底中心钻头体1上任意相邻两个钻头活瓣8安装空隙之间开设有与扩底中心钻头体1的环形凹槽连通的空气分流孔d，空气分流孔d将空气循环介质分出一部分并将其导流到扩底中心钻头体1外部对钻头与钻孔壁之间的岩屑进行清理，特别地，如果空气循环介质中混合了油液，则可以对硬质合金柱型齿9进行良好的润滑冷却，扩底中心钻头体1整体外表面为一个光滑的倒置圆台曲面，该结构形式有利于破碎岩石产生的岩屑向上运移排出，扩底中心钻头体1利用T型卡键将钻具扭矩传递给钻头活瓣8，通过导向平键7对钻头活瓣8纵向运动进行导向并限制其位移下止点，起到限制钻头活瓣8纵向行程下止点不变，防止其掉落的作用。

所述扩底钻头补芯2与扩底中心钻头体1同轴，并通过螺纹连接在扩底中心钻头体1底部，扩底钻头补芯2底唇面上设置有硬质合金柱型齿9，用以冲击破碎扩底钻头底唇面轴向正中位置的钻孔底部岩石；扩底钻头补芯2底唇面上设置的硬质合金柱型齿9数量与布置方式需要根据钻具碎岩功率与扩底钻头补芯2的碎岩面积来确定，例如：扩底钻头补芯2底唇面上的硬质合金柱型齿9呈同心环状分布。

所述限位环3设置在扩底中心钻头体1与花键轴4之间，限位环3通过定位销固定在扩底中心钻头体1上，限位环3在钻头受到钻压作用并开始钻进时起到限制钻头活瓣8向上位移行程的终止点进而限制钻头扩孔钻进的钻孔直径保持不变的作用。

所述花键轴4采用外径定心的方式与花键套5花键联接，花键轴与花键套之间形成的间隙为空气过流孔道即图5中花键轴上端空气流道a，花键轴4内部设有上下贯通的过流通道，该过流通道的底部与扩底中心钻头体1的环形凹槽连通，过流通道自下而上依次为空气循环介质入口段m、流体增速通道段n及岩屑上返通道段k，空气循环介质入口段m从下至上直径逐渐变小，空气循环介质入口段m顶端的直径与流体增速通道段n的直径一致；岩屑上返通道段k的直径大于流体增速通道段n的直径；花键轴4从上到下分为三段，第一轴段为花键段，花键段的外表面沿圆周均布设有矩形花键齿,相邻两个矩形花键齿之间形成花键齿凹槽，并在每个矩形花键齿上部设置有卡槽，所有卡槽呈环形布置，第二轴段为光杆段，第二轴段的直径大于第一轴段和第三轴段的直径，第二轴段中设置有沿轴向贯穿的空气过孔即图5中的花键轴下端空气流道b，空气过孔围绕着第二轴段的中轴线均匀分布，空气过孔顶部延伸至花键段并与花键齿凹槽连通，空气过孔的底部与扩底中心钻头体1的环形凹槽连通，同时第二轴段外部均布有槽孔，槽孔即为图5中的岩屑入口f，该槽孔沿倾斜于第二轴段轴向的方向设置，槽孔的底部与第二轴段的底端面贯通，槽孔的上部与花键轴4内部的过流通道的流体增速通道段n连通，槽孔为圆角矩形直槽孔，在钻压作用下，钻头不断进尺，岩屑在钻头挤压作用下，被动进入圆角矩形直槽孔内并最终进入花键轴4的过流通道的流体增速通道段n，随着空气循环介质上返到地表；第三轴段为螺纹段，其外壁上设置有与扩底中心钻头体1连接的外螺纹。

所述钻头活瓣8数量至少为三个，钻头活瓣数量与T型卡键数量一致，至少三个钻头活瓣8沿着扩底中心钻头体1外侧壁周向均匀布置，钻头活瓣8朝向扩底中心钻头体1的一侧上开设有与扩底中心钻头体1上的T型卡键匹配的T型键槽，且T型键槽沿钻头活瓣8纵向贯通，T型键槽的槽底开设有沿纵向布置的导向平键槽e，导向平键槽e的上端封闭，下端贯通，在钻头活瓣8底唇面及在钻头回转的方向其与岩石接触的侧边上布置有硬质合金柱型齿9，钻头活瓣8底唇面及侧边上的硬质合金柱型齿9分别用于切削破碎钻孔孔底岩石和钻孔壁岩石，钻头活瓣8上的硬质合金柱型齿9数量与布置方式需要根据钻头配备的空气潜孔锤钻具的碎岩功率与实际钻头活瓣8的碎岩面积来确定；钻头活瓣8底唇面及侧边上的硬质合金柱型齿9通过合理的布置均能够起到将接触的岩石完全破碎并剪切剥离的作用，如：每个钻头活瓣8底唇面在半径方向上交错布置有十个硬质合金柱型齿9，在钻头回转的方向上每个钻头活瓣8的侧边沿纵向布置有三个硬质合金柱型齿9；每个所述钻头活瓣8均为一个扇环柱体，扇环柱体朝向扩底中心钻头体1的一侧形状与扩底中心钻头体1外壁形状吻合，扇环柱体远离扩底中心钻头体1的一侧从上部到中部为倒置抛物线型曲面，该倒置抛物线型曲面有助于在空气潜孔锤完成一段钻孔的跟管钻进需要对钻头提钻时，钻头活瓣8能够顺利收缩到套管内部；同时，钻头活瓣8加工有纵向贯通的T型键槽，T型键槽与扩底中心钻头体1上的T型卡键配合传递扭矩，扩底中心钻头体1的T型卡键底部加工有一个限位平键槽，通过螺钉连接将导向平键7安装在限位平键槽中并起到限制钻头活瓣8纵向行程下止点不变的作用；

所述导向平键7的一侧通过螺钉固定在限位平键槽内部，导向平键7的另一侧与导向平键槽e相互配合限制钻头活瓣8的纵向行程下止点，进而保证钻头活瓣8不会从扩底中心钻头体1掉落；

所述花键套5与空气潜孔锤钻具的外缸筒相连，花键套与花键轴之间形成的间隙为空气过流孔道，为空压机将空气泵送至扩孔中心钻头体1内提供了通道；花键套5的外表面结构有空间螺线型的凹槽，因此花键套5也可以用作扩孔器保持钻孔外径不变并将钻头上部钻孔壁掉落的岩屑落至钻孔底部，防止卡钻与埋钻事故发生；

所述半环卡键6安装在花键轴4上端偏下位置的呈环形布置的卡槽中，用于将整个扩底钻头1固定安装在上部空气潜孔锤钻具底部从而形成一套完整的空气反循环潜孔锤扩底钻具。

本发明分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头的工作过程如下：限位环3通过定位销固定安装在扩底中心钻头体1上，扩底钻头补芯2螺纹连接在扩底中心钻头体1底部，钻头活瓣8通过导向平键7与T型卡键安装在扩底中心钻头体1外侧壁上，扩底中心钻头体1通过螺纹连接安装在花键轴4的下方，花键轴4通过外径定心的方式与花键套5连接并通过两个半环卡键6安装于空气潜孔锤钻具下方，花键套5通过螺纹连接与空气潜孔锤钻具外缸筒相连。所有的零部件按照各自正确的安装方式进行组装之后，当实施一个钻井工程过程中遇到极其复杂的地层情况需要使用分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头进行跟管钻进以保护钻孔壁时，套管与该钻头预先在地表进行组装，将钻具与钻头置于套管内部，钻头活瓣8整体露出套管下端口以准备进行钻进。

当开始钻进时套管与钻头同步进尺，在钻头上部空气潜孔锤钻具的钻压作用下，钻头活瓣8沿T型卡键向上产生位移，钻头钻进直径增大，最后受到限位环3的限制，钻头的钻进时的直径保持不变且大于套管外径。钻进直径大于套管外径可以确保套管顺利跟随钻头同步进尺，可以实现良好的钻井护壁效果。

钻进过程中，钻压与冲击功经由空气潜孔锤的冲锤活塞传递给花键轴4，花键轴4将钻压传递给扩底中心钻头体1进而将钻压传递到扩底钻头补芯2，同时花键轴4也将钻压传递给限位环3进而传递给钻头活瓣8以进行钻进。扩底钻头补芯2只有在钻头钻进时始终超前于钻头活瓣8，目的是可以对钻孔轨迹进行导向，防止钻孔倾斜过大。与此同时，在钻压作用下钻头钻进的过程中，自钻孔底部破碎下来的岩屑会沿扩底中心钻头体1的圆台曲面外表面向上运移，通过花键轴4的第二轴段上的岩屑入口f进入花键轴4并被空气循环介质带到地表。

钻进过程中，空气循环介质被空压机输送入空气潜孔锤钻具内，在空气潜孔锤钻具配气装置的作用下，空气循环介质进入花键轴4与花键套5间的花键轴上端空气流道a，然后流入花键轴下端空气流道b进而流入扩底中心钻头体1的内部空间，随后空气流体在扩底中心钻头体1内部的换向槽c处换向，进入花键轴4的空气循环介质入口段m，然后沿着流体增速通道段n及岩屑上返通道段k，然后开始返回至地表，同时，一部分空气循环介质通过空气分流孔d加速加压喷射到钻头活瓣8的T型卡槽或者直接喷射到钻孔底部对钻头进行冷却并将沉积在钻孔底部的岩屑喷离孔底然后通过花键轴4的第二轴段上的岩屑入口f进入花键轴4内部的流体增速通道段n，最终来自孔底的岩屑被空气循环介质携带至地表。进一步，空气循环介质在进入流体增速通道段n之后由于过流面积变小流速增大，空气循环介质携带进入花键轴4的岩屑加速向钻孔上方运移。当空气—岩屑两相混合流体进入岩屑上返通道段k之后由于过流面积变大，流体流速降低并以一个均匀的速度流动，最终上返至地表。

钻进过程中，空气潜孔锤钻具外缸筒处于周期性回转状态，通过螺纹连接，碎岩扭矩传递给花键套5，花键套5通过花键将碎岩扭矩传递给花键轴4，花键轴4又通过螺纹连接将扭矩传递给扩底中心钻头体1并最终传递给钻头活瓣8与扩底钻头补芯2上布置的硬质合金柱型齿9对岩石进行剪切破碎。

当完成一定长度套管钻进工作需要提钻进行加接套管操作并继续钻进时，首先需要停止套管与钻头同步进尺然后继续使用扩底钻头钻进一定钻深，然后停止泵送空气循环介质，最后将钻具钻头向孔口提动。在钻头活瓣8外径加工的倒置抛物线曲面与套管底边缘的相互作用力作用下，钻头活瓣8沿扩底中心钻头体1的T型卡键纵向向下移动，钻头活瓣8整体外径收缩并小于套管内径，同时钻头活瓣8上方钻孔壁的岩屑经钻头活瓣8间的空隙落至钻孔底部，扩底钻头因此顺利进入套管内部，最终被提离钻孔以便进行加接套管工作。

当完成加接套管或其他相关辅助作业需要继续钻进时，首先需要将钻具与钻头下放至钻孔底部。在重力作用下钻头活瓣8处于行程下止点位置，此时钻头活瓣8的整体外径小于套管内径，可以顺利进入套管，当钻头下放到钻孔底部，空气压缩机泵送空气循环介质开始钻进时，钻头活瓣8在钻压的作用下沿纵向向上移动，外径再一次变大，最终受到限位环3的限制，外径大于套管外径，即可以继续进行套管与钻头同步进尺的套管钻进。

当完成复杂地层维护孔壁套管钻进之后，将扩底钻头提离钻孔，向钻孔内注入混凝土并使用特定工具将混凝土挤压至套管与孔壁间隙，待混凝土凝固后即可以达到强化套管维护孔壁的效果。

Claims (6)

1.一种分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头，其特征在于，包括：扩底中心钻头体、扩底钻头补芯、限位环、花键轴、花键套、半环卡键、导向平键及钻头活瓣，

所述扩底中心钻头体为倒置的圆台形结构，扩底中心钻头体与花键轴同轴，并与花键轴的下部螺纹连接，扩底中心钻头体的顶部向内凹陷形成环形凹槽，扩底中心钻头体的外侧壁沿周向均布有至少三个T型卡键，并在每个T型卡键的下部开设有限位平键槽，同时每一个T型卡键下底面布置有一个硬质合金柱型齿；

所述扩底钻头补芯与扩底中心钻头体同轴，并与扩底中心钻头体的底部螺纹连接，扩底钻头补芯的底唇面上设置有硬质合金柱型齿；

所述限位环用于控制钻头活瓣行程的上止点，限位环设置在扩底中心钻头体与花键轴之间，且限位环通过定位销固定在扩底中心钻头体上；

所述花键轴内部设有上下贯通的过流通道，该过流通道的底部与扩底中心钻头体的环形凹槽连通，过流通道自下而上依次为空气循环介质入口段、流体增速通道段及岩屑上返通道段，空气循环介质入口段从下至上直径逐渐变小，空气循环介质入口段顶端的直径与流体增速通道段的直径一致；岩屑上返通道段的直径大于流体增速通道段的直径；花键轴从上到下分为三段，第一轴段为花键段，花键段的外表面沿圆周均布设有矩形花键齿,相邻两个矩形花键齿之间形成花键齿凹槽，并在每个矩形花键齿上部设置有卡槽，所有卡槽呈环形布置，第二轴段为光杆段，第二轴段的直径大于第一轴段和第三轴段的直径，第二轴段中设置有沿轴向贯穿的空气过孔，空气过孔围绕着第二轴段的中轴线均匀分布，空气过孔顶部延伸至花键段并与花键齿凹槽连通，空气过孔的底部与扩底中心钻头体的环形凹槽连通，同时第二轴段外部均布有槽孔，该槽孔沿倾斜于第二轴段轴向的方向设置，槽孔的上部与花键轴内部的过流通道的流体增速段连通，槽孔的底部与第二轴段的底端面贯通；第三轴段为螺纹段，其外壁上设置有与扩底中心钻头体连接的外螺纹；

所述花键套与空气潜孔锤钻具外缸筒螺纹连接，花键套套设在花键轴的花键段上，其采用外径定心的方式与花键轴花键联接，花键套与花键轴之间形成的间隙为空气过流孔道；

所述半环卡键安装在位于花键轴上部的呈环形布置的卡槽内，半环卡键与空气潜孔锤钻具固定连接；

所述钻头活瓣数量至少为三个，钻头活瓣数量与T型卡键数量一致，至少三个钻头活瓣沿着扩底中心钻头体外侧壁周向均匀布置，钻头活瓣朝向扩底中心钻头体的一侧形状与扩底中心钻头体外壁形状吻合，该侧上开设有与扩底中心钻头体上的T型卡键匹配的T型键槽，且T型键槽沿钻头活瓣纵向贯通，T型键槽的槽底下部开设有沿纵向布置的导向平键槽，导向平键槽的上端封闭，下端贯通，钻头活瓣的底唇面及在钻头回转的方向钻头活瓣与岩石接触的侧边上均布置有硬质合金柱型齿；

所述导向平键的一侧通过螺钉固定在限位平键槽内部，导向平键的另一侧与导向平键槽相互配合用于限制钻头活瓣行程的下止点。

2.根据权利要求1所述的分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头，其特征在于：所述扩底中心钻头体上的环形凹槽的截面为半圆形，并在其边缘处设置有圆形倒角。

3.根据权利要求1所述的分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头，其特征在于：所述扩底中心钻头体上的T型卡键上开设有与扩底中心钻头体的环形凹槽连通的空气分流孔，同时在扩底中心钻头体上任意相邻两个钻头活瓣安装空隙之间开设有与扩底中心钻头体的环形凹槽连通的空气分流孔。

4.根据权利要求1所述的分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头，其特征在于：所述槽孔为圆角矩形直槽孔。

5.根据权利要求1所述的分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头，其特征在于：所述钻头活瓣为扇环柱体结构，扇环柱体朝向扩底中心钻头体的一侧形状与扩底中心钻头体外壁形状吻合，扇环柱体远离扩底中心钻头体的一侧从上部到中部为倒置抛物线型曲面。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的分体式大直径空气反循环潜孔锤扩底钻头，其特征在于：所述花键套外部加工有空间螺线型的凹槽。

Images