CN111350461A - 一种水平定向钻用扩孔装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械设备技术领域，公开了一种水平定向钻用扩孔装置，包括：用于扩孔的扩孔钻头以及与扩孔钻头连接的管道，所述管道包括：所述管道包括：外管道和内管道，外管道的直径小于二次孔的孔径，使得管道与二次孔之间形成狭小的环状空间，外管道套设在内管道外，内管道的两端和外管道的两端分别通过密封头对应密封连接；所述扩孔钻头包括：钻头装置和空心钻杆，钻头装置以空心钻杆为轴心设置在空心钻杆的周向边缘，空心钻杆上设有多个喷头，多个喷头分别与空心钻杆相连通，空心钻杆的一端穿过密封头与内管道连接且连通，空心钻杆的另一端设有用于堵塞一次孔的封头，这种扩孔装置，提高了泥浆的运移效率，确保施工工期，降低了施工成本。

Description

一种水平定向钻用扩孔装置
技术领域
本发明涉及机械设备技术领域，特别涉及一种水平定向钻用扩孔装置。
背景技术
随着我国经济的飞速发展，以及非开挖技术在管道铺设方面的广泛应用，水平定向钻技术被日益广泛地用于大口径管道的敷设工程。
随着铺设管道直径的增加，管道铺设的孔径增大，须先进行一次钻孔，然后在一次孔的基础上进行扩孔，形成二次孔，二次孔达到大口径管道铺设所需的孔径。
目前在扩孔时，使用一次孔的钻杆输送清洗液，会导致清洗液的输送量太小，而且由于一次孔间隙的存在，大大降低了清洗液清洗扩孔孔壁后形成泥浆的运移效率，严重影响施工周期。
如果使用大口径管道运输清洗液，将会大大增加清洗液的使用量，增加了施工成本。
如何提高泥浆的运移效率，同时降低施工成本，是现有扩孔作业亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种水平定向钻用扩孔装置，提高了泥浆的运移效率，确保施工工期，降低了施工成本。
本发明提供了一种水平定向钻用扩孔装置，包括：用于扩孔的扩孔钻头以及与扩孔钻头连接的管道，
所述管道包括：外管道和内管道，外管道的直径小于二次孔的孔径，使得管道与二次孔之间形成狭小的环状空间，外管道套设在内管道外，内管道的两端和外管道的两端分别通过密封头对应密封连接；
所述扩孔钻头包括：钻头装置和空心钻杆，钻头装置以空心钻杆为轴心设置在空心钻杆的周向边缘，空心钻杆上设有多个喷头，多个喷头正对钻头装置设置，多个喷头分别与空心钻杆相连通，空心钻杆的一端穿过密封头与内管道连接且连通，空心钻杆的另一端设有用于堵塞一次孔的封头，封头的一侧与空心钻杆密封连接，封头的另一侧通过连杆与一次孔钻头连接；
所述管道远离扩孔钻头的一端位于孔外，且与清洗液高压泵的输出端密封连接，高压泵的输入端连接清洗液池。
所述外管道和内管道之间设有气体填充装置，气体填充装置由弹性橡胶膜制成，所述气体填充装置上设有泄气阀，气体填充装置内填充有气体。
所述气体为氦气。
所述钻头装置包括：多个牙轮钻头、多个第一驱动电机、控制箱、控制系统和电源模块，控制系统、电源模块和多个第一驱动电机均设置在控制箱内，控制箱通过多个连杆固定的空心钻杆的周向外侧，多个牙轮钻头设置在控制箱外，多个牙轮钻头均匀分布在空心钻杆的周向外侧，多个喷头一一对应朝向多个牙轮钻头设置，多个牙轮钻头和多个第一驱动电机一一对应连接，多个第一驱动电机和控制系统分别与电源模块连接，多个第一驱动电机分别与控制系统电信号连接。
所述钻头装置还包括第二驱动电机，第二驱动电机固定设置在控制箱内，所述空心钻杆上还固定套设有第一齿轮，第二驱动电机的输出轴上设有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合连接，第二驱动电机分别与电源模块和控制系统连接。
上述第二驱动电机和第二齿轮均为两个，且对应连接，两个第二齿轮对称设置，两个第二齿轮分别与第一齿轮啮合连接，两个第二驱动电机同向转动。
上述密封头的周向外侧设有环形限位槽，环形限位槽内周向设有多个定位螺钉。
上述密封头的内侧由外向内依次设置的第一环形凹槽、第二环形凹槽和通道，第一环形凹槽和第二环形凹槽内均设有密封圈，外管道插入第一环形凹槽内，内管道插入第二环形凹槽内，空心钻杆的一端密封插入通道内，多个定位螺钉依次穿过环形限位槽、外管道和内管道将密封头、外管道和内管道固定连接。
上述空心钻杆上固定设有凸轮，凸轮的左侧面上设有第一环形滑槽，凸轮的右侧面上均设有第二环形滑槽；
密封头的左侧端面上设有第一环形卡槽，第一环形卡槽内嵌设有多个第一滚珠，多个第一滚珠同时位于第二环形滑槽内；
还包括对凸轮进行限位的限位套，限位套的内侧面上设有第二环形卡槽，第二环形卡槽内嵌设有多个第二滚珠，多个第二滚珠同时位于第一环形滑槽内；
限位套上周向还设有沿边，沿边上均匀设有多个第一定位螺孔，密封头的左侧端面上设有多个与第一定位螺孔对应的第二定位螺孔，定位螺栓依次穿过第一定位螺孔和第二定位螺孔与密封头固定连接。
上述控制系统包括无线通信装置，控制系统通过无线通信装置与地面控制系统连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过内管道输送高压清洗液，不会因为孔径扩大而大幅增加清洗液的用量，高压清洗液通过空心钻杆上的喷头喷向扩孔钻头，高压清洗液对扩孔钻头进行清洁和降温后，由于封头对一次孔进行封堵，高压清洗液不会进入一次孔，高压清洗液沿外管道与扩孔之间的狭小空间对扩孔的孔壁进行清洗后，清洗后的高压泥浆沿着狭小环状空间流出后进入泥浆池，不会由于孔径扩大而降低泥浆的流速，从而提高了泥浆的运移效率，确保施工工期，降低施工成本。
附图说明
图1为本发明提供的一种水平定向钻用扩孔装置的主体部分截面的结构示意图。
图2为本发明提供的一种水平定向钻用扩孔装置中密封头及连接关系的结构示意图。
图3为本发明提供的一种水平定向钻用扩孔装置中限位套右侧面内的结构示意图。
附图标记说明：
1-空心钻杆，2-喷头，3-牙轮钻头，4-第一驱动电机，5-控制箱，6-外管道，7-内管道，8-气体填充装置，9-密封头，9-1-第一环形凹槽，9-2-第二环形凹槽，9-3-通道，9-4-第二定位螺孔，10-定位螺钉，11-第二驱动电机，12-第一齿轮，13-封头，14-连杆，15-限位套，15-1-第二环形卡槽，15-2-第二滚珠，15-3-沿边，15-4-第一定位螺孔，16-第一环形卡槽，16-1-第一滚珠，17-凸轮。
具体实施方式
下面结合附图1-3，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供的一种水平定向钻用扩孔装置，包括用于扩孔的扩孔钻头以及与扩孔钻头连接的管道，
所述管道包括：外管道6和内管道7，外管道6的直径小于二次孔的孔径，使得管道6与二次孔之间形成狭小的环状空间，外管道6套设在内管道7外，内管道7的两端和外管道6的两端分别通过密封头9对应密封连接；
所述扩孔钻头包括：钻头装置和空心钻杆1，钻头装置以空心钻杆1为轴心设置在空心钻杆1的周向边缘，空心钻杆1上设有多个喷头2，多个喷头2正对钻头装置设置，多个喷头2分别与空心钻杆1相连通，空心钻杆1的一端穿过密封头9与内管道7连接且连通，空心钻杆1的另一端设有用于堵塞一次孔的封头13，封头13的一侧与空心钻杆1密封连接，封头13的另一侧通过连杆14与一次孔钻头连接；
所述管道远离扩孔钻头的一端位于孔外，且与清洗液高压泵的输出端密封连接，高压泵的输入端连接清洗液池。
封头13为与一次孔的孔径相匹配的挡板，挡板的边缘设有弹性密封圈。
本发明对管道进行改进，使用内管道输送清洗液，外管道与二次孔之间形成狭小的环状空间，输送高压清洗泥浆水，通过封头13对一次孔进行封堵，避免清洗液顺着一次孔流出，降低了清洗效率。
工作过程：一次孔钻头通过连杆14对封头13进行牵拉，随着封头13在一次孔内的前进，钻头装置开始扩孔作业，清洗液从高压泵泵出后顺着内管道7输送，到达内管道7的前端时顺着空心钻杆1输送，从空心钻杆1前部的多个喷头2喷出，喷头2朝向钻头装置设置，清洗液对钻头装置进行清洗和降温后，由于封头13对一次孔的封堵，高压清洗液沿着外管道6对扩孔的孔壁进行清洗和防护，避免由于扩孔的孔径增加而大幅增加清洗液的用量，同时避免清洗液进入一次孔而大大降低清洗液的流速，严重影响施工周期，增加施工成本。
本发明能够节省清洗液的用量，同时提高清洗效率，降低了施工成本。
为了使得内管道7处于外管道6的中心位置，提高扩孔位置的精确度，所述外管道6和内管道7之间设有气体填充装置8，气体填充装置8由弹性橡胶膜制成，所述气体填充装置8上设有泄气阀，气体填充装置8内填充有气体。所述气体为氦气，比空气密度小，不可燃，能够减轻整体管道的重量，可避免气体在挤压时出现泄漏造成事故。
本发明在外管道6和内管道7之间设置气体填充装置8，气体填充装置8能够使内管道7处于外管道6内居中的位置，避免内管道7在重力作用下牵动钻头装置严重偏离扩孔的中心，提高扩孔位置的精确度。
扩孔完成后，可将密封头9拆卸掉，然后气体填充装置8中的气体抽出后取出，再将内管道7取出即可完成管道外管道6铺设。
所述钻头装置包括：多个牙轮钻头3、多个第一驱动电机4、控制箱5、控制系统和电源模块，控制系统、电源模块和多个第一驱动电机4均设置在控制箱5内，控制箱5通过多个连杆固定的空心钻杆1的周向外侧，多个牙轮钻头3设置在控制箱5外，多个牙轮钻头3均匀分布在空心钻杆1的周向外侧，多个喷头2一一对应朝向多个牙轮钻头3设置，多个牙轮钻头3和多个第一驱动电机4一一对应连接，多个第一驱动电机4和控制系统分别与电源模块连接，多个第一驱动电机4分别与控制系统电信号连接。
所述钻头装置还包括第二驱动电机11，第二驱动电机11固定设置在控制箱5内，所述空心钻杆1上还固定套设有第一齿轮12，第二驱动电机11的输出轴上设有第二齿轮，第一齿轮12与第二齿轮啮合连接，第二驱动电机11分别与电源模块和控制系统连接。
第一驱动电机4和第二驱动电机11和控制系统均设置在控制箱5内，控制箱5通过支撑架固定设置在空心钻杆1上，电源模块连接电源，电源为移动电源，空心钻杆1与控制箱5之间密封连接。
为了提高牙轮钻头3的扩孔能力，牙轮钻头3的锥形侧面正对扩孔面，为了避免清洗液进入控制箱5内，牙轮钻头3的转轴与控制箱5之间设有防水密封圈，同时，控制箱5为防水控制箱，由不锈钢制成，所有连接处均为密封连接，而且在清洗液的流动下，能够对控制箱5进行降温。保障控制系统、第一驱动电机4和第二驱动电机11的正常使用。
工作过程：多个第一驱动电机4带动多个牙轮钻头3各自转动，对一次孔的外围进行扩钻，扩大孔径，第二驱动电机11带动第二齿轮转动，第二齿轮带动第一齿轮12转动，第一齿轮12带动空心钻杆1转动，空心钻杆1带动控制箱5转动，控制箱5带动多个牙轮钻头3跟随空心钻杆1转动，使得钻头装置在多个牙轮钻头3自转扩孔的过程中沿一次孔的中心公转进行扩孔，提高了扩孔的效率。
为了使得空心钻杆1平稳转动，所述第二驱动电机11和第二齿轮均为两个，且对应连接，两个第二齿轮对称设置，两个第二齿轮分别与第一齿轮啮合连接，两个第二驱动电机11同向转动，两个第二驱动电机11对称设置能够使得空心钻杆1平稳转动，同时提高了钻头装置的使用寿命。
为了使得密封头9与管道紧固连接，所述密封头9的周向外侧设有环形限位槽，环形限位槽内周向设有多个定位螺钉10，多个定位螺钉10对管道和密封头进行定位。
为了使得密封头9与外管道6和内管道7密封连接，所述密封头9的内侧由外向内依次设置的第一环形凹槽9-1、第二环形凹槽9-2和通道9-3，第一环形凹槽9-1和第二环形凹槽9-2内均设有密封圈，外管道6插入第一环形凹槽9-1内，内管道7插入第二环形凹槽9-2内，空心钻杆1的一端密封插入通道9-3内，多个定位螺钉10依次穿过环形限位槽、外管道6和内管道7将密封头9、外管道6和内管道7固定连接。
通过第一环形凹槽9-1和第二环形凹槽9-2对外管道6和内管道7进行限位，通过设置密封圈，避免清洗液从内管道7进入外管道6内，通过通道9-3与空心钻杆1的一端密封连接，避免清洗液从通道9-3与空心钻杆1之间进入扩孔空间内，从而也保障了清洗液的压力，多个定位螺钉10使得外管道6、内管道7和密封头9成为一个紧固整体。
为了避免空心钻杆在转动时带动管道转动，避免造成甩管道的问题，如图2和图3所示，所述空心钻杆1上固定设有凸轮17，凸轮17的左侧面上设有第一环形滑槽，凸轮17的右侧面上均设有第二环形滑槽；
密封头9的左侧端面上设有第一环形卡槽16，第一环形卡槽16内嵌设有多个第一滚珠16-1，多个第一滚珠16-1同时位于第二环形滑槽内；
还包括对凸轮17进行限位的限位套15，限位套15的内侧面上设有第二环形卡槽15-1，第二环形卡槽15-1内嵌设有多个第二滚珠15-2，多个第二滚珠15-2同时位于第一环形滑槽内；
限位套15上周向还设有沿边15-3，沿边15-3上均匀设有多个第一定位螺孔15-4，密封头9的左侧端面上设有多个与第一定位螺孔15-4对应的第二定位螺孔9-4，定位螺栓依次穿过第一定位螺孔15-4和第二定位螺孔9-4与密封头9固定连接。
密封头9和限位套15均由金属制成。
工作原理：凸轮17通过第一环形滑槽和多个第二滚珠15-2实现与限位套15之间的滑动连接，凸轮17通过第二环形滑槽和多个第一滚珠16-1实现与密封头9之间滑动连接，限位套15能够对凸轮17进行限位，避免在拉力作用下空心钻杆1与内套管7分离，通过滚珠滑动连接，避免凸轮17与限位套15和密封头9之间摩擦，提高了装置的使用寿命和转动效率。
为了对扩孔进程更好地控制，上述控制系统包括无线通信装置，控制系统通过无线通信装置与地面控制系统连接。
控制系统通过无线通信装置与地面控制系统进行信息交换，通过地面控制系统控制多个牙轮钻头3的转速，从而控制扩孔的进程。
现有的扩孔装置连接的管道用于输送清洗液，管道直径太大，导致清洗液的输送量较大，管道直径减小，又导致管道外的环状空间较大，管道外环状空间增大，导致清洗液对孔进行清洗后的泥浆流速降低，降低扩孔岩屑的运移效率，本发明通过对管道进行改进，使用内管道输送清洗液，外管道与扩孔的孔壁之间形成狭小的环状空间，输送高压清洗泥浆水，通过封头13对一次孔进行封堵，避免清洗液顺着一次孔流出，降低了清洗液的压力和清洗效率，提高泥浆对孔壁的均匀防护。
本发明避免在每个牙轮钻头3后连接清洗液管道，结构简单，同时避免多个清洗液管道造成“甩钻杆”的问题，提高的了钻杆的使用寿命。
本发明通过内管道输送高压清洗液，不会因为孔径扩大而大幅增加清洗液的用量，高压清洗液通过空心钻杆上的喷头喷向扩孔钻头，高压清洗液对扩孔钻头进行清洁和降温后，由于封头对一次孔进行封堵，高压清洗液不会进入一次孔，高压清洗液沿外管道与扩孔之间的狭小空间对扩孔的孔壁进行清洗后，清洗后的高压泥浆沿着狭小环状空间流出后进入泥浆池，不会由于孔径扩大而降低泥浆的流速，从而提高了泥浆的运移效率，确保施工工期，降低施工成本。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水平定向钻用扩孔装置，包括：用于扩孔的扩孔钻头以及与扩孔钻头连接的管道，其特征在于，
所述管道包括：外管道(6)和内管道(7)，外管道(6)的直径小于二次孔的孔径，使得管道(6)与二次孔之间形成狭小的环状空间，外管道(6)套设在内管道(7)外，内管道(7)的两端和外管道(6)的两端分别通过密封头(9)对应密封连接；
所述扩孔钻头包括：钻头装置和空心钻杆(1)，钻头装置以空心钻杆(1)为轴心设置在空心钻杆(1)的周向边缘，空心钻杆(1)上设有多个喷头(2)，多个喷头(2)正对钻头装置设置，多个喷头(2)分别与空心钻杆(1)相连通，空心钻杆(1)的一端穿过密封头(9)与内管道(7)连接且连通，空心钻杆(1)的另一端设有用于堵塞一次孔的封头(13)，封头(13)的一侧与空心钻杆(1)密封连接，封头(13)的另一侧通过连杆(14)与一次孔钻头连接；
所述管道远离扩孔钻头的一端位于孔外，且与清洗液高压泵的输出端密封连接，高压泵的输入端连接清洗液池。
2.如权利要求1所述的水平定向钻用扩孔装置，其特征在于，所述外管道(6)和内管道(7)之间设有气体填充装置(8)，气体填充装置(8)由弹性橡胶膜制成，所述气体填充装置(8)上设有泄气阀，气体填充装置(8)内填充有气体。
3.如权利要求2所述的水平定向钻用扩孔装置，其特征在于，所述气体为氦气。
4.如权利要求1所述的水平定向钻用扩孔装置，其特征在于，所述钻头装置包括：多个牙轮钻头(3)、多个第一驱动电机(4)、控制箱(5)、控制系统和电源模块，控制系统、电源模块和多个第一驱动电机(4)均设置在控制箱(5)内，控制箱(5)通过多个连杆固定的空心钻杆(1)的周向外侧，多个牙轮钻头(3)设置在控制箱(5)外，多个牙轮钻头(3)均匀分布在空心钻杆(1)的周向外侧，多个喷头(2)一一对应朝向多个牙轮钻头(3)设置，多个牙轮钻头(3)和多个第一驱动电机(4)一一对应连接，多个第一驱动电机(4)和控制系统分别与电源模块连接，多个第一驱动电机(4)分别与控制系统电信号连接。
5.如权利要求4所述的水平定向钻用扩孔装置，其特征在于，所述钻头装置还包括第二驱动电机(11)，第二驱动电机(11)固定设置在控制箱(5)内，所述空心钻杆(1)上还固定套设有第一齿轮(12)，第二驱动电机(11)的输出轴上设有第二齿轮，第一齿轮(12)与第二齿轮啮合连接，第二驱动电机(11)分别与电源模块和控制系统连接。
6.如权利要求5所述的水平定向钻用扩孔装置，其特征在于，所述第二驱动电机(11)和第二齿轮均为两个，且对应连接，两个第二齿轮对称设置，两个第二齿轮分别与第一齿轮啮合连接，两个第二驱动电机(11)同向转动。
7.如权利要求1所述的水平定向钻用扩孔装置，其特征在于，所述密封头(9)的周向外侧设有环形限位槽，环形限位槽内周向设有多个定位螺钉(10)。
8.如权利要求7所述的水平定向钻用扩孔装置，其特征在于，所述密封头(9)的内侧由外向内依次设置的第一环形凹槽(9-1)、第二环形凹槽(9-2)和通道(9-3)，第一环形凹槽(9-1)和第二环形凹槽(9-2)内均设有密封圈，外管道(6)插入第一环形凹槽(9-1)内，内管道(7)插入第二环形凹槽(9-2)内，空心钻杆(1)的一端密封插入通道(9-3)内，多个定位螺钉(10)依次穿过环形限位槽、外管道(6)和内管道(7)将密封头(9)、外管道(6)和内管道(7)固定连接。
9.如权利要求7所述的水平定向钻用扩孔装置，其特征在于，所述空心钻杆(1)上固定设有凸轮(17)，凸轮(17)的左侧面上设有第一环形滑槽，凸轮(17)的右侧面上均设有第二环形滑槽；
密封头(9)的左侧端面上设有第一环形卡槽(16)，第一环形卡槽(16)内嵌设有多个第一滚珠(16-1)，多个第一滚珠(16-1)同时位于第二环形滑槽内；
还包括对凸轮(17)进行限位的限位套(15)，限位套(15)的内侧面上设有第二环形卡槽(15-1)，第二环形卡槽(15-1)内嵌设有多个第二滚珠(15-2)，多个第二滚珠(15-2)同时位于第一环形滑槽内；
限位套(15)上周向还设有沿边(15-3)，沿边(15-3)上均匀设有多个第一定位螺孔(15-4)，密封头(9)的左侧端面上设有多个与第一定位螺孔(15-4)对应的第二定位螺孔(9-4)，定位螺栓依次穿过第一定位螺孔(15-4)和第二定位螺孔(9-4)与密封头(9)固定连接。
10.如权利要求4所述的水平定向钻用扩孔装置，其特征在于，所述控制系统包括无线通信装置，控制系统通过无线通信装置与地面控制系统连接。
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