CN110792470A - 一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，包括杆体、注流管、固定装置、出流管，杆体外表面设四条导流槽，导流槽横断面为“L”字型结构，注流管嵌于杆体内并通过若干固定装置与杆体侧壁内表面连接，出流管环绕杆体轴线均布，其两端分别与杆体、注流管连接，且出流管对应的注流管管壁上设流入口，对应的杆体外侧面设流出口，注流管通过出流管与杆体外侧连通；其使用方法包括设备组装及钻探作业等两个步骤。本发明极大的提高了钻杆的排渣能力，降低了钻杆工作时卡钻、抱钻或断钻的概率，具有排渣效果好、钻进深、钻孔残渣少、散热效果好等优势，适用于松软煤层、高应力煤层的钻进，值得在煤矿企业推广应用。

Description

一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆及使用方法

技术领域

本发明涉及一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆及使用方法，属钻探机械装备技术领域。

背景技术

瓦斯是威胁煤矿安全生产的主要因素之一，井下钻孔法抽采瓦斯是全国大多数矿井治理瓦斯的主要手段。在瓦斯抽采钻孔钻进过程中，钻杆卡钻、抱钻、断钻的现象时有发生，钻孔钻进存在钻进深度浅、钻进效率低、钻进成本高、成孔率低等问题。钻杆的排渣能力弱是导致上述现象和问题的主要原因之一。

随着煤矿科技的发展以及机械化和自动化的普及，许多专家和学者在煤矿瓦斯抽采钻孔钻进机具方面有大量的研究成果。之前，井下普遍使用的光面钻杆在煤层钻进中已被逐渐替代。目前，国内煤矿井下钻进采用的钻杆主要包括：刻槽钻杆、刻槽钻杆和三棱钻杆。其中，刻槽钻杆相对比传统的光面钻杆在排渣方面得到了一定的提高，但排渣能力仍旧有限，在钻井过程中，钻渣易在“钻穴”处停留堵塞，随着钻渣在该处的集聚，极易出现钻杆卡钻、抱钻、断钻甚至出现钻杆过热、断钻等现象。刻槽钻杆和光面钻杆均属于单束流体外排渣类钻杆，即在孔口处，沿钻杆的内部注入一束带压流体，该流体由钻杆经钻头出流口进入孔底，携带钻渣，经杆体外壁与钻孔壁之间的环形排渣通道将钻渣排出孔外。其排渣原理具有单位长度钻孔内的排渣量由孔底向孔口递增，但排渣能力由孔底向孔口递减的规律。刻槽钻杆相对于光面钻杆是通过在杆体外表面的布置螺旋刻槽使其排渣原理在单束流体外排渣的基础上增添了机械辅助排渣和散热的效果，虽排渣能力相对提高，排渣效果相对改善，但在其排渣原理上并未实现真正意义的突破，在应用中仍存在卡钻、断钻问题，排渣效果有待进一步提高。

所以，为更好得解决钻杆排渣能力弱导致的钻杆卡钻、抱钻、断钻问题，需在钻杆的排渣原理方面上进行突破或改进，开发一种排渣能力强的钻杆。

发明内容

本发明所解决现有技术中存在的技术问题是针对钻杆排渣能力弱的问题，结合刻槽钻杆和光面钻杆在实际运用中的不足，基于多束流体多级推动外排渣原理，提供一种能显著提高钻杆的排渣能力的螺旋刻槽双通道多级推动排渣钻杆。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，包括杆体、注流管、固定装置、出流管，其中所述杆体为空心圆柱管状结构，其外表面设四条环绕杆体轴线均布并与杆体轴线平行分布的导流槽，导流槽横断面为“L”字型结构，杆体前端面与设杆体连接公口，后端面设杆体连接母口，注流管嵌于杆体内并与杆体同轴分布，并通过若干固定装置与杆体侧壁内表面连接，且杆体、注流管间构成导流通道，其中注流管前端面设插接口，并与杆体前端面间间距为0—50毫米，后端面设套口，并与杆体后端面间间距为0—50毫米，出流管共3—6条，环绕杆体轴线均布，其两端分别与杆体、注流管连接，且出流管对应的注流管管壁上设流入口，对应的杆体外侧面设流出口，注流管通过出流管与杆体外侧连通。

进一步的，所述杆体内径为注流管外径的1.3—2.5倍，且杆体前端面和后端面的杆体连接公口和杆体连接母口及注流管前端面和后端面的插接口及套口的轴向断面均为等腰梯形结构。

进一步的，所导流槽包括底面和侧面，所述底面与侧面连接并构成横断面呈“L”字型槽状结构，且底面与侧面间呈90°—135°夹角，其中侧面高度为5—20毫米，底面宽度为为5—50毫米。

进一步的，所述导流槽中，相邻两条导流槽之间的杆体外侧面设引流道，所述引流道横断面呈“凵”字形、“U”字形、“V”字形及等腰梯形中任意一种槽状结构，其最大宽度为5—50毫米，深度为3—20毫米，且引流道轴线与杆体轴线呈15°—60°夹角。

进一步的，所述出流管轴线与注流管轴线呈30°—60°夹角，且出流管对应杆体外侧面位置的出流口位于相邻两条引流道之间。

进一步的，所述固定装置至少两个，沿杆体轴线方向均布，所述固定装置包括定位内环、定位外环及承载柱，所述定位内环、定位外环为与注流管同轴分布的环状结构，定位内环、定位外环间通过至少三条承载柱连接，且承载柱轴线与定位内环、定位外环轴线垂直分布，其中所述定位内环包覆在注流管外，定位外环与杆体侧壁内表面相抵。

进一步的，所述定位内环、定位外环与杆体、注流管间通过至少三条环绕杆体轴线均布的滑槽滑动连接，且每条滑槽上均设至少一个定位销，杆体、注流管通过定位销分别与定位内环、定位外环连接，所述承载柱为至少两级弹性伸缩杆及螺旋弹簧中的任意一种。

一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆的使用方法，包括以下步骤：

S1，设备组装，首先根据使用需要，对杆体、注流管、固定装置、出流管进行组装，完成钻杆装配，然后根据钻探作业需要，将若干组装后的钻杆进行连接，连接时将后一级钻杆的杆体连接公口嵌于后一级杆体连接母口进行连接；后一级钻杆的注流管的插接口嵌于后一级注流管套口进行连接；最后将位于最前方杆体通过杆体连接公口与钻头连接，将位于最后方杆体通过杆体一方面与钻机连接，另一方面通过杆体连接母口与外部高压流体供给系统连通，从而完钻杆装配；

S2，钻探作业，完成S1步骤后，即可进行钻探作业，在钻探作业时，一方面由钻机驱动杆体驱动钻头旋转进行钻探作业；另一方面外部高压流体供给系统的高压液体一方面直接注入到注流管内并沿注流管输送至钻头位置，另一方面通过杆体、注流管之间输送至钻头位置，实现对钻头位置降温和对碎屑冲刷排屑；同时，外部高压流体在沿注流管流动时，各级杆体内的注流管内的部分高压流体沿出流管流动并从流出口直接输送至杆体与钻孔之间位置，对杆体降温及对钻杆与钻孔接触面间的碎屑进行冲刷排屑，在进行排屑作业时，高压流体与碎屑的混合物通过导流槽进行导流进行高效排屑，钻杆外壁与钻孔内壁形成的排渣通道，把钻渣排除孔外；其中钻渣进入排渣通道后，由于钻杆的高速旋转以及多级出流管轴线与杆体轴线呈一定夹角，并使主流管内高压流体进入排渣通道时形成圆锥体流体喷射面，喷射方向由孔底朝向孔外，钻孔内的多根钻杆会形成多个上述圆锥体流体喷射面，在排渣通道内形成对钻渣的多级推动，加快钻渣从孔底排出孔外；同时，棱面在高速旋转过程中会形成涡流，实现扬起下部钻屑以及对该区域钻屑进行松透，棱面上的螺旋形刻槽具有提高排渣和散热的效果。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明采用双注流通道双流体多级推动外排渣原理和多棱旋转扬起下部钻屑、涡流松透以及螺旋刻槽辅助排渣与散热相结合的方式，在钻杆的排渣原理上进行了较大的突破，极大的提高了钻杆的排渣能力，降低了钻杆工作时卡钻、抱钻或断钻的概率，具有排渣效果好、钻进深、钻孔残渣少、散热效果好等优势，适用于松软煤层、高应力煤层的钻进，值得在煤矿企业推广应用。

附图说明

图1为本发明为设引流道时结构示意图；

图2为本发明为不设引流道时结构示意图；

图3为本发明为横断面局部结构示意图；

图4为本发明轴向剖视局部结构示意图；

图5为本发明使用方法流程示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

如图1—4所示，一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，包括杆体1、注流管2、固定装置3、出流管4，其中杆体1为空心圆柱管状结构，其外表面设四条环绕杆体1轴线均布并与杆体1轴线平行分布的导流槽5，导流槽5横断面为“L”字型结构，杆体1前端面与设杆体连接公口101，后端面设杆体连接母口102，注流管2嵌于杆体1内并与杆体1同轴分布，并通过若干固定装置3与杆体1侧壁内表面连接，且杆体1、注流管2间构成导流通道6，其中注流管2前端面设插接口21，并与杆体1前端面间间距为0—50毫米，后端面设套口22，并与杆体1后端面间间距为0—50毫米，出流管4共3—6条，环绕杆体1轴线均布，其两端分别与杆体1、注流管2连接，且出流管4对应的注流管2管壁上设流入口41，对应的杆体外侧面设流出口42，注流管2通过出流管4与杆体1外侧连通。

其中，所述杆体1内径为注流管2外径的1.3—2.5倍，且杆体1前端面和后端面的杆体连接公口101和杆体连接母口102及注流管2前端面和后端面的插接口21及套口22的轴向断面均为等腰梯形结构。

重点说明的，所导流槽5包括底面51和侧面52，所述底面51与侧面52连接并构成横断面呈“L”字型槽状结构，且底面51与侧面52间呈90°—135°夹角，其中侧面52高度为5—20毫米，底面51宽度为为5—50毫米。

进一步优化的，所述导流槽5中，相邻两条导流槽5之间的杆体1外侧面设引流道7，所述引流道7横断面呈“凵”字形、“U”字形、“V”字形及等腰梯形中任意一种槽状结构，其最大宽度为5—50毫米，深度为3—20毫米，且引流道7轴线与杆体1轴线呈15°—60°夹角。

本实施例中，所述出流管4轴线与注流管2轴线呈30°—60°夹角，且出流管4对应杆体1外侧面位置的出流口42位于相邻两条引流道之间。

需要说明的，所述固定装置3至少两个，沿杆体1轴线方向均布，所述固定装置3包括定位内环31、定位外环32及承载柱33，所述定位内环31、定位外环32为与注流管2同轴分布的环状结构，定位内环31、定位外环32间通过至少三条承载柱33连接，且承载柱33轴线与定位内环31、定位外环32轴线垂直分布，其中所述定位内环31包覆在注流管2外，定位外环32与杆体1侧壁内表面相抵。

进一步优化的，所述定位内环31、定位外环32与杆体1、注流管2间通过至少三条环绕杆体轴线均布的滑槽34滑动连接，且每条滑槽34上均设至少一个定位销35，杆体1、注流管2通过定位销35分别与定位内环31、定位外环32连接，所述承载柱33为至少两级弹性伸缩杆及螺旋弹簧中的任意一种。

如图5所示，一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆的使用方法，包括以下步骤：

S1，设备组装，首先根据使用需要，对杆体、注流管、固定装置、出流管进行组装，完成钻杆装配，然后根据钻探作业需要，将若干组装后的钻杆进行连接，连接时将后一级钻杆的杆体连接公口嵌于后一级杆体连接母口进行连接；后一级钻杆的注流管的插接口嵌于后一级注流管套口进行连接；最后将位于最前方杆体通过杆体连接公口与钻头连接，将位于最后方杆体通过杆体一方面与钻机连接，另一方面通过杆体连接母口与外部高压流体供给系统连通，从而完钻杆装配；

S2，钻探作业，完成S1步骤后，即可进行钻探作业，在钻探作业时，一方面由钻机驱动杆体驱动钻头旋转进行钻探作业；另一方面外部高压流体供给系统的高压液体一方面直接注入到注流管内并沿注流管输送至钻头位置，另一方面通过杆体、注流管之间输送至钻头位置，实现对钻头位置降温和对碎屑冲刷排屑；同时，外部高压流体在沿注流管流动时，各级杆体内的注流管内的部分高压流体沿出流管流动并从流出口直接输送至杆体与钻孔之间位置，对杆体降温及对钻杆与钻孔接触面间的碎屑进行冲刷排屑，在进行排屑作业时，高压流体与碎屑的混合物通过导流槽进行导流进行高效排屑，钻杆外壁与钻孔内壁形成的排渣通道，把钻渣排除孔外；其中钻渣进入排渣通道后，由于钻杆的高速旋转以及多级出流管轴线与杆体轴线呈一定夹角，并使主流管内高压流体进入排渣通道时形成圆锥体流体喷射面，喷射方向由孔底朝向孔外，钻孔内的多根钻杆会形成多个上述圆锥体流体喷射面，在排渣通道内形成对钻渣的多级推动，加快钻渣从孔底排出孔外；同时，棱面在高速旋转过程中会形成涡流，实现扬起下部钻屑以及对该区域钻屑进行松透，棱面上的螺旋形刻槽具有提高排渣和散热的效果。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明采用双注流通道双流体多级推动外排渣原理和多棱旋转扬起下部钻屑、涡流松透以及螺旋刻槽辅助排渣与散热相结合的方式，在钻杆的排渣原理上进行了较大的突破，极大的提高了钻杆的排渣能力，降低了钻杆工作时卡钻、抱钻或断钻的概率，具有排渣效果好、钻进深、钻孔残渣少、散热效果好等优势，适用于松软煤层、高应力煤层的钻进，值得在煤矿企业推广应用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，其特征在于：所述的异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆包括杆体、注流管、固定装置、出流管，其中所述杆体为空心圆柱管状结构，其外表面设四条环绕杆体轴线均布并与杆体轴线平行分布的导流槽，所述导流槽横断面为“L”字型结构，所述杆体前端面与设杆体连接公口，后端面设杆体连接母口，所述注流管嵌于杆体内并与杆体同轴分布，并通过若干固定装置与杆体侧壁内表面连接，且杆体、注流管间构成导流通道，其中所述注流管前端面设插接口，并与杆体前端面间间距为0—50毫米，后端面设套口，并与杆体后端面间间距为0—50毫米，所述出流管共3—6条，环绕杆体轴线均布，其两端分别与杆体、注流管连接，且出流管对应的注流管管壁上设流入口，对应的杆体外侧面设流出口，所述注流管通过出流管与杆体外侧连通。

2.根据权利要求1所述的一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，其特征在于：所述杆体内径为注流管外径的1.3—2.5倍，且杆体前端面和后端面的杆体连接公口和杆体连接母口及注流管前端面和后端面的插接口及套口的轴向断面均为等腰梯形结构。

3.根据权利要求1所述的一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，其特征在于：所导流槽包括底面和侧面，所述底面与侧面连接并构成横断面呈“L”字型槽状结构，且底面与侧面间呈90°—135°夹角，其中侧面高度为5—20毫米，底面宽度为为5—50毫米。

4.根据权利要求1所述的一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，其特征在于：所述导流槽中，相邻两条导流槽之间的杆体外侧面设引流道，所述引流道横断面呈“凵”字形、“U”字形、“V”字形及等腰梯形中任意一种槽状结构，其最大宽度为5—50毫米，深度为3—20毫米，且引流道轴线与杆体轴线呈15°—60°夹角。

5.根据权利要求1所述的一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，其特征在于：所述出流管轴线与注流管轴线呈30°—60°夹角，且出流管对应杆体外侧面位置的出流口位于相邻两条引流道之间。

6.根据权利要求1所述的一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，其特征在于：所述固定装置至少两个，沿杆体轴线方向均布，所述固定装置包括定位内环、定位外环及承载柱，所述定位内环、定位外环为与注流管同轴分布的环状结构，定位内环、定位外环间通过至少三条承载柱连接，且承载柱轴线与定位内环、定位外环轴线垂直分布，其中所述定位内环包覆在注流管外，定位外环与杆体侧壁内表面相抵。

7.根据权利要求7所述的一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆，其特征在于：所述定位内环、定位外环与杆体、注流管间通过至少三条环绕杆体轴线均布的滑槽滑动连接，且每条滑槽上均设至少一个定位销，杆体、注流管通过定位销分别与定位内环、定位外环连接，所述承载柱为至少两级弹性伸缩杆及螺旋弹簧中的任意一种。

8.一种异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆的使用方法，其特征在于：所述异型截面刻槽双通道多级推动排渣钻杆的使用方法包括以下步骤：

S1，设备组装，首先根据使用需要，对杆体、注流管、固定装置、出流管进行组装，完成钻杆装配，然后根据钻探作业需要，将若干组装后的钻杆进行连接，连接时将后一级钻杆的杆体连接公口嵌于后一级杆体连接母口进行连接；后一级钻杆的注流管的插接口嵌于后一级注流管套口进行连接；最后将位于最前方杆体通过杆体连接公口与钻头连接，将位于最后方杆体通过杆体一方面与钻机连接，另一方面通过杆体连接母口与外部高压流体供给系统连通，从而完钻杆装配；

S2，钻探作业，完成S1步骤后，即可进行钻探作业，在钻探作业时，一方面由钻机驱动杆体驱动钻头旋转进行钻探作业；另一方面外部高压流体供给系统的高压液体一方面直接注入到注流管内并沿注流管输送至钻头位置，另一方面通过杆体、注流管之间输送至钻头位置，实现对钻头位置降温和对碎屑冲刷排屑；同时，外部高压流体在沿注流管流动时，各级杆体内的注流管内的部分高压流体沿出流管流动并从流出口直接输送至杆体与钻孔之间位置，对杆体降温及对钻杆与钻孔接触面间的碎屑进行冲刷排屑，在进行排屑作业时，高压流体与碎屑的混合物通过导流槽进行导流进行高效排屑，钻杆外壁与钻孔内壁形成的排渣通道，把钻渣排除孔外；其中钻渣进入排渣通道后，由于钻杆的高速旋转以及多级出流管轴线与杆体轴线呈一定夹角，并使主流管内高压流体进入排渣通道时形成圆锥体流体喷射面，喷射方向由孔底朝向孔外，钻孔内的多根钻杆会形成多个上述圆锥体流体喷射面，在排渣通道内形成对钻渣的多级推动，加快钻渣从孔底排出孔外；同时，棱面在高速旋转过程中会形成涡流，实现扬起下部钻屑以及对该区域钻屑进行松透，棱面上的螺旋形刻槽具有提高排渣和散热的效果。

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