CN111021964B - 一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头，包括有上钻头体和下钻头体，其中下钻头体吊挂在上钻头体的下部，上钻头体和下钻头体的中间部位均开设有中心通道，上钻头体的下部开设有凹槽，下钻头体的顶端设置有凸轴，凹槽与凸轴的形状相应，凸轴插设在凹槽内，凹槽的孔径大于凸轴的外径，凸轴能够在凹槽内进行滑动，当凸轴滑动并抵靠到凹槽的一端时，下钻头体底部移出钻具外缘从而实现扩孔钻进。有益效果：设置孔底双吸渣通道，并配合钻头底面渐开线式排渣导槽，反循环效率高，潜孔锤冲击能效高，排渣效果较好，同时钻头底面边缘球齿采用加密布置，结合良好的排渣条件，有效地增加了钻头的使用寿命。

Description

一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头

技术领域

本发明涉及一种潜孔锤反循环跟管钻头，特别涉及一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头。

背景技术

目前，在岩土钻掘工程中，经常会遇到破碎、松散、漏失以及卵砾石等复杂地层，在这样的条件下施工工程桩孔，特别是大直径桩孔，钻进难度大、工期长、成孔效率低、孔内事故频发。潜孔锤跟管钻进技术是与空气潜孔锤相结合的扩底钻进并同步跟下套管的一种钻进方法，钻进时扩底钻头在套管管靴前端钻出比套管直径略大的钻孔，潜孔锤同时锤击套管管靴使套管同步跟进，起到保护钻孔孔壁，防止垮孔、塌孔的目的。当套管跟至完整地层时，扩底钻头回缩收回，使之从套管中提出，从而顺利通过破碎、复杂地层。潜孔锤跟管钻进技术以其优良的性能，较高的钻进效率和成孔质量，被广泛应用于工程桩孔的施工中。目前潜孔锤跟管钻头按照钻头形式可分为带套管钻头的双钻头形式和不带套管钻头的扩孔钻头形式，其中双钻头形式跟管钻进，地层适应性高，钻孔质量好，钻进稳定，但由于套管钻头无法更换，因此钻进深度受限，一旦套管钻头磨损严重即无法钻进。而扩孔跟管钻头，钻进时可通过扩张机构实现扩孔钻进，钻进结束后钻头收回可自由提出孔外，但不管是偏心式或是活瓣式亦或是扩孔翼式的扩孔钻头，其变径机理都是在钻压与摩擦力作用下，回转或是提拉钻具实现变径。在复杂地层条件下，极易出现岩粉岩屑堵塞、卡死变径机构，或是回转角度大导致钻具钻杆退扣。一旦出现变径机构失效情况将造成重大孔内事故，且处理难度大，严重影响工程进度和经济成本。另外针对大直径潜孔锤，从其循环方式上来看，正循环形式存在排渣不彻底、孔底不干净、需要空气量大以及费用高等问题。因此设计一种大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头，采用扩孔钻头形式，改进其结构，增加变径机构在复杂工况条件下的可靠性和安全性，提高排渣效果、钻头使用寿命与钻进效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的在复杂地层施工大直径工程桩所面临的施工难度大、工期长、效率较低以及事故多发等问题，而提供的一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头。

本发明提供的适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头包括有上钻头体和下钻头体，其中下钻头体吊挂在上钻头体的下部，上钻头体和下钻头体的中间部位均开设有中心通道，上钻头体的下部开设有凹槽，下钻头体的顶端设置有凸轴，凹槽与凸轴的形状相应，凸轴插设在凹槽内，凹槽的孔径大于凸轴的外径，凸轴能够在凹槽内进行滑动，当凸轴滑动并抵靠到凹槽的一端时，下钻头体底部移出钻具外缘从而实现扩孔钻进。

上钻头体的上部设置有花键，上钻头体通过花键与气动潜孔锤冲击器相连接，花键的槽内上钻头体的侧壁上开设有数条通透的喷射孔道，数条喷射孔道均与上钻头体中间部位的中心通道相连通，上钻头体上还罩设有套管靴，套管靴下部的内侧壁上设置有内台阶，与内台阶对应位置的上钻头体侧壁上设置有悬挂凸台，上钻头体与套管靴之间通过内台阶与悬挂凸台相卡接，上钻头体下部的侧壁上插设有固定销，下钻头体通过该固定销吊挂在上钻头体上。

上钻头体的侧壁上还开设有吸渣通道，吸渣通道的进口位于上钻头体的底部，吸渣通道的出口与上钻头体中间部位的中心通道相连通。

下钻头体上设置有台肩，上钻头体的底部抵靠在台肩上，下钻头体与上钻头体设置固定销的对应位置处设置有弧形槽，上钻头体上的固定销插设在弧形槽内，下钻头体能够在弧形槽的轨迹内进行滑动，下钻头体下部的一侧设置有切削面，下钻头体的底部嵌设有硬质合金球齿，下钻头体的底部还设置有数条排渣导槽，数条排渣导槽的出口均与下钻头体底部的中间通道进口相连通。

数条排渣导槽围绕下钻头体底部中心通道的进口呈渐开线形式设置。

上钻头体下部的凹槽为以圆弧线为对称轴线的长圆槽，下钻头体上部的凸轴形状与该长圆槽的形状相应。

下钻头体底部的硬质合金球齿沿回转切削路径全覆盖交叉镶嵌，同时下钻头体底边侧缘也嵌设有硬质合金球齿，并在下钻头体底部旋转伸出部分加密嵌设硬质合金球齿。

套管靴的顶端通过丝扣与套管相连接。

本发明的工作原理：

本发明提供的适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头在钻进时，钻机产生的回转作用通过花键带动上钻头体回转，并驱动下钻头体同步转动，同时压缩空气驱动气动潜孔锤运动，产生的冲击作用通过上钻头体传递至下钻头体，在冲击和回转共同作用下，硬质合金球齿开始工作磨削岩石进行钻进。受切削阻力和摩擦作用，下钻头体上部的凸轴在上钻头体下部的凹槽内沿弧形槽轨迹进行转动，并逐渐旋转伸出钻具外缘，受凸轴和凹槽尺寸约束，凸轴旋转一小角度后与凹槽一端贴合，达到位移极限，此时最大回转直径大于套管直径，实现扩孔钻进。扩孔尺寸可通过改变凸轴和凹槽尺寸来控制。扩孔钻头通过套管靴带动套管共同向下移动。钻头完全打开时，上钻头体中心通道与下钻头中心通道同轴联通，上钻头体侧壁上的吸渣通道打开，压缩气体通过喷射孔道产生高速高压射流并形成射吸作用，在高速射流带动下，孔壁间隙气体携带岩粉岩屑同时沿吸渣通道和底面排渣导槽进入中心通道，将岩粉岩屑排出至地表，形成反循环。钻进结束后，轻提钻具撤去钻压，钻机反向回转一小角度，凸轴沿弧形槽轨迹反向旋转，下钻头体收回至初始闭合状态，下钻头体与钻具同轴线，此时可将钻头从套管内直接提取。如果下钻头体收回受阻，可缓慢回转提钻，在下钻头体外缘切削面的作用下，可强制约束下钻头体滑入套管内，之后可将钻具提出孔外。

上钻头体上的固定销只起悬挂作用，钻进时，潜孔锤产生冲击作用经上钻头体底面直接传递在下钻头体的台肩上后作用在硬质合金球齿上，冲击切削破碎岩石。硬质合金球齿布置采用下钻头体底边外缘加密，内部均布，钻头底面沿回转切削路径全覆盖交叉布置的原则。

本发明的有益效果：

本发明提供的适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头采用一曲槽结构轴配合形成扩孔钻头的变径机构，只需正转一个很小角度即可达到变径效果。停止钻进后，反转一个很小角度即可使扩孔钻头收回。这种结构形式减少了钻头收回时被卡住的概率。并且在下钻头体旋转伸出外缘设置切削面，当遇回收失效情况时，可强制约束下钻头体滑入套管内，并将钻具提出孔外。同时钻头底面为一整体，结构强度大，能更好的满足大直径钻头冲击作用的要求。潜孔锤产生冲击作用经上钻头体底面直接传递在下钻头体顶面，后作用在硬质合金球齿上，冲击切削破碎岩石，能量传递效率高。另外，目前大直径潜孔锤多采用正循环方式，存在所需气体量大，排渣效果不佳，能耗高等问题，本发明钻头采用反循环结构，设置孔底双吸渣通道，并配合钻头底面渐开线式排渣导槽，反循环效率高，潜孔锤冲击能效高，排渣效果较好，同时钻头底面边缘球齿采用加密布置，结合良好的排渣条件，有效地增加了钻头的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述反循环跟管钻头整体结构示意图。

图2为本发明所述反循环跟管钻头断面结构示意图。

图3为本发明所述上钻头体与下钻头体结合结构主视图。

图4为本发明所述上钻头体结构示意图。

图5为本发明所述下钻头体结构示意图。

图6为本发明所述反循环跟管钻头工作状态示意图。

上图中的标注如下：

1、上钻头体 2、下钻头体 3、中心通道 4、凹槽 5、凸轴

6、花键 7、喷射孔道 8、套管靴 9、内台阶 10、悬挂凸台

11、吸渣通道 12、固定销 13、台肩 14、弧形槽 15、切削面

16、硬质合金球齿 17、排渣导槽。

具体实施方式

请参阅图1至图6所示：

本发明提供的适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头包括有上钻头体1和下钻头体2，其中下钻头体2吊挂在上钻头体1的下部，上钻头体1和下钻头体2的中间部位均开设有中心通道3，上钻头体1的下部开设有凹槽4，下钻头体2的顶端设置有凸轴5，凹槽4与凸轴5的形状相应，凸轴5插设在凹槽4内，凹槽4的孔径大于凸轴5的外径，凸轴5能够在凹槽4内进行滑动，当凸轴5滑动并抵靠到凹槽4的一端时，下钻头体2底部移出钻具外缘从而实现扩孔钻进。

上钻头体1的上部设置有花键6，上钻头体1通过花键6与气动潜孔锤冲击器相连接，花键6的槽内上钻头体1的侧壁上开设有数条通透的喷射孔道7，数条喷射孔道7均与上钻头体1中间部位的中心通道3相连通，上钻头体1上还罩设有套管靴8，套管靴8下部的内侧壁上设置有内台阶9，与内台阶9对应位置的上钻头体1侧壁上设置有悬挂凸台10，上钻头体1与套管靴8之间通过内台阶9与悬挂凸台10相卡接，上钻头体1下部的侧壁上插设有固定销12，下钻头体2通过该固定销12吊挂在上钻头体1上。

上钻头体1的侧壁上还开设有吸渣通道11，吸渣通道11的进口位于上钻头体1的底部，吸渣通道11的出口与上钻头体1中间部位的中心通道3相连通。

下钻头体2上设置有台肩13，上钻头体1的底部抵靠在台肩13上，下钻头体2与上钻头体1设置固定销12的对应位置处设置有弧形槽14，上钻头体1上的固定销12插设在弧形槽14内，下钻头体2能够在弧形槽14的轨迹内进行滑动，下钻头体2下部的一侧设置有切削面15，下钻头体2的底部嵌设有硬质合金球齿16，下钻头体2的底部还设置有数条排渣导槽17，数条排渣导槽17的出口均与下钻头体2底部的中间通道3的进口相连通。

数条排渣导槽17围绕下钻头体2底部中心通道3的进口呈渐开线形式设置。

上钻头体1下部的凹槽4为以圆弧线为对称轴线的长圆槽，下钻头体2上部的凸轴5形状与该长圆槽的形状相应。

下钻头体2底部的硬质合金球齿16沿回转切削路径全覆盖交叉镶嵌，同时下钻头体2底边侧缘也嵌设有硬质合金球齿，并在下钻头体2底部旋转伸出部分加密嵌设硬质合金球齿16。

套管靴8的顶端通过丝扣与套管相连接。

本发明的工作原理：

本发明提供的适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头在钻进时，钻机产生的回转作用通过花键6带动上钻头体1回转，并驱动下钻头体2同步转动，同时压缩空气驱动气动潜孔锤运动，产生的冲击作用通过上钻头体1传递至下钻头体2，在冲击和回转共同作用下，硬质合金球齿16开始工作磨削岩石进行钻进。受切削阻力和摩擦作用，下钻头体2上部的凸轴5在上钻头体1下部的凹槽4内沿弧形槽14轨迹进行转动，并逐渐旋转伸出钻具外缘，受凸轴5和凹槽4尺寸约束，凸轴5旋转一小角度后与凹槽4一端贴合，达到位移极限，此时最大回转直径大于套管直径，实现扩孔钻进。扩孔尺寸可通过改变凸轴5和凹槽4尺寸来控制。扩孔钻头通过套管靴8带动套管共同向下移动。钻头完全打开时，上钻头体1中间部位的中心通道3与下钻头体2中间部位的中心通道3同轴联通，上钻头体1侧壁上的吸渣通道11打开，压缩气体通过喷射孔道7产生高速高压射流并形成射吸作用，在高速射流带动下，孔壁间隙气体携带岩粉岩屑同时沿吸渣通道11和底面排渣导槽17进入中心通道3，将岩粉岩屑排出至地表，形成反循环。钻进结束后，轻提钻具撤去钻压，钻机反向回转一小角度，凸轴5沿弧形槽14轨迹反向旋转，下钻头体2收回至初始闭合状态，下钻头体2与钻具同轴线，此时可将钻头从套管内直接提取。如果下钻头体2收回受阻，可缓慢回转提钻，在下钻头体2外缘切削面15的作用下，可强制约束下钻头体2滑入套管内，之后可将钻具提出孔外。

上钻头体1上的固定销12只起悬挂作用，钻进时，潜孔锤产生冲击作用经上钻头体1底面直接传递在下钻头体2的台肩13上后作用在硬质合金球齿16上，冲击切削破碎岩石。硬质合金球齿16布置采用下钻头体2底边外缘加密，内部均布，下钻头体2底面沿回转切削路径全覆盖交叉布置的原则。

Claims (5)

1.一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头，包括有上钻头体和下钻头体，其中下钻头体吊挂在上钻头体的下部，上钻头体和下钻头体的中间部位均开设有中心通道，上钻头体的下部开设有凹槽，下钻头体的顶端设置有凸轴，凹槽与凸轴的形状相应，凸轴插设在凹槽内，凹槽的孔径大于凸轴的外径，凸轴能够在凹槽内进行滑动，当凸轴滑动并抵靠到凹槽的一端时，下钻头体底部移出钻具外缘从而实现扩孔钻进，其特征在于：上钻头体下部的侧壁上插设有固定销，下钻头体通过该固定销吊挂在上钻头体上，下钻头体上设置有台肩，上钻头体的底部抵靠在台肩上，下钻头体与上钻头体设置固定销的对应位置处设置有弧形槽，上钻头体上的固定销插设在弧形槽内，下钻头体能够在弧形槽的轨迹内进行滑动，下钻头体下部的一侧设置有切削面，下钻头体的底部嵌设有硬质合金球齿，下钻头体的底部还设置有数条排渣导槽，数条排渣导槽的出口均与下钻头体底部的中间通道进口相连通，受切削阻力和摩擦作用，下钻头体上部的凸轴在上钻头体下部的凹槽内沿弧形槽轨迹进行转动，并逐渐旋转伸出钻具外缘，受凸轴和凹槽尺寸约束，凸轴旋转一小角度后与凹槽一端贴合，达到位移极限，此时最大回转直径大于套管直径，实现扩孔钻进，上钻头体的侧壁上还开设有吸渣通道，吸渣通道的进口位于上钻头体的底部，吸渣通道的出口与上钻头体中间部位的中心通道相连通。

2.根据权利要求1所述的一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头，其特征在于：所述的上钻头体的上部设置有花键，上钻头体通过花键与气动潜孔锤冲击器相连接，花键的槽内上钻头体的侧壁上开设有数条通透的喷射孔道，数条喷射孔道均与上钻头体中间部位的中心通道相连通，上钻头体上还罩设有套管靴，套管靴下部的内侧壁上设置有内台阶，与内台阶对应位置的上钻头体侧壁上设置有悬挂凸台，上钻头体与套管靴之间通过内台阶与悬挂凸台相卡接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头，其特征在于：所述的数条排渣导槽围绕下钻头体底部中心通道的进口呈渐开线形式设置。

4.根据权利要求1所述的一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头，其特征在于：所述的上钻头体下部的凹槽为以圆弧线为对称轴线的长圆槽，下钻头体上部的凸轴形状与该长圆槽的形状相应。

5.根据权利要求1所述的一种适用于大直径钻孔的潜孔锤反循环跟管钻头，其特征在于：所述的下钻头体底部的硬质合金球齿沿回转切削路径全覆盖交叉镶嵌，同时下钻头体底边侧缘也嵌设有硬质合金球齿，并在下钻头体底部旋转伸出部分加密嵌设硬质合金球齿。