CN111485832B - 一种六棱形插接式外凹槽高压密钻杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六棱形插接式外凹槽高压密钻杆，包括顺序连接的公接头、钻杆本体和母接头以及用于连接公接头和母接头的连接插销，所述钻杆本体呈六棱形结构，所述公接头和母接头上径向开设连接孔，公接头和母接头连接时，公接头对应的连接孔和母接头对应的连接孔径向相对形成用于供连接插销径向穿过使公接头和母接头连接的插销孔。本发明钻杆杆壁采用六棱体设计，钻杆实现了插接式耐高压密封，六棱形钻杆本体杆壁既可以保持钻进过程中钻机夹持防滑动，又可以提高钻杆对于煤渣的搅拌破碎能力，防止出现堵孔、卡钻、抱钻等故障，确保煤矿瓦斯抽采钻孔安全施工。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，特别涉及一种六棱形插接式外凹槽高压密钻杆。
背景技术
煤炭资源在我国能源结构中占有基础主导地位，其煤炭生产量及消费量据世界前列。我国煤炭资源分布范围广、赋存地质条件复杂，其中高瓦斯突出矿井占有较大比例。多数煤层呈现“三高一低”的特点，煤层瓦斯成为制约煤炭资源回采的主要因素之一。钻孔瓦斯抽采是我国煤矿煤层瓦斯治理的主要措施及技术，特别是对预采煤层施工顺层长钻孔进行预抽是降低煤层回采期间瓦斯含量及瓦斯压力的主要方法。近年来，随着煤矿瓦斯治理技术与装备的发展，以水力压裂、水力冲孔、水力割缝为主的水力化措施普遍应用于全国各大矿区。但是，我国煤矿松软煤层占比较大。煤层内煤体强度较低且多含有泥质砂岩或泥煤等，遇水极易出现泥化或膨胀现象。针对在高应力地区的松软煤层内施工顺层瓦斯抽采钻孔难度较大，特别是采用湿式打钻时，极易造成钻孔孔内煤体坍塌或者排渣不畅造成堵孔、卡钻、埋钻等问题，严重影响煤矿的生产进度。
煤层瓦斯治理水力化措施对钻孔装备有较高的要求，要确保高压水能够安全传输，在目标区域实现定点的卸压增透。当钻杆连接密封性较差时，易出现漏水现象，造成水压损伤，降低水流的破煤能力，影响煤层卸压增透效果。现今矿用钻杆多为三棱钻杆、圆形螺旋钻杆。三棱钻杆杆体光滑排渣能力有限，易出现堵孔现象。圆形螺旋钻杆其螺纹深度较小，对孔内煤渣破坏能力下且传输能力有限，尤其是在排渣不畅的钻孔内，极易发生抱钻现象。此外，由于钻杆杆体为圆形构造，钻进夹持易出现滑动，增加排除故障的难度，增大掉钻的风险。因此，需要一种钻杆，该钻杆对煤渣的搅拌破碎能力高。
发明内容
有鉴于此，有鉴于此，本发明提供了一种六棱形插接式外凹槽高压密钻杆，该钻杆的耐高压、密封性好、排渣效率高，可有效防止出现堵孔、卡钻、抱钻等故障，确保煤矿瓦斯抽采钻孔高效安全施工。
本发明的一种六棱形插接式外凹槽高压密钻杆，包括顺序连接的公接头、钻杆本体和母接头以及用于连接公接头和母接头的连接插销，所述钻杆本体呈六棱形结构，所述公接头和母接头上径向开设连接孔，公接头和母接头连接时，公接头对应的连接孔和母接头对应的连接孔径向相对形成用于供连接插销径向穿过使公接头和母接头连接的插销孔。
进一步，所述公接头包括连接于钻杆本体端部的环形接头卡圈，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与接头卡圈适配的环形接口凹槽以及设置于接口凹槽底部的凹槽密封圈。
进一步，所述公接头还包括连接于接头卡圈与钻杆本体端部之间的接头圆柱体以及设置于接头圆柱体外圆的若干个密封胶圈，接头圆柱体外径大于接头卡圈外径，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与接头圆柱体适配的接口柱体腔，所述接口柱体腔位于接口凹槽外侧，所述密封胶圈用于密封于接头圆柱体外圆与接口柱体腔內圆之间。
进一步，所述公接头还包括连接于接头圆柱体与钻杆本体端部之间的接头锥形柱，所述接头锥形柱外径沿接头圆柱体端部轴向向内逐渐变大，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与接头锥形柱适配的接口锥形槽，所述接口锥形槽位于接口柱体腔外侧。
进一步，所述公接头还包括连接于接头锥形柱与钻杆本体端部之间的接头浅柱体以及连接于接头浅柱体端面的密封垫片，接头浅柱体外径大于接头锥形柱的大圆外径，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与接头浅柱体适配的接口浅柱体槽，所述接口浅柱体槽位于接口锥形槽外侧，所述密封垫片用于轴向密封于接头浅柱体与接口浅柱体槽之间。
进一步，所述公接头还包括连接于接头锥形柱与接头浅柱体之间的六棱柱体，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与六棱柱体适配的接口六棱柱体腔。
进一步，所述六棱柱体呈锥形结构，所述六棱柱体的大径端连接于接头浅柱体端面，所述六棱柱体的大径端外径小于接头浅柱体外径，六棱柱体的小径端连接于接头锥形柱大径端，六棱柱体的小径端外径近似等于接头锥形柱大径端外径。
进一步，所述插销孔为锥形孔，连接插销包括插销帽、连接于插销帽一端的插销体以及与插销体配合的插销卡，所述插销体呈与插销孔适配的锥形体，所述插销体远离插销帽一端的外圆开设有用于供插销卡穿过的锁止孔。
进一步，所述钻杆本体外壁设置有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽牙型为等边梯形结构，凹槽的螺距为100mm，螺旋升角为30°。
本发明的有益效果：
本发明的钻杆在相互连接时通过环形接头卡圈与接口凹槽的配合、接头圆柱体与接口柱体腔的配合、接头锥形柱与接口锥形槽的配合、六棱柱体与接口六棱柱体腔的配合以及接头浅柱体与接口浅柱体槽的配合形成五段式密封结构，且刚性密封结构与弹性密封结构相互交错，共同作用极大地提高了相邻钻杆的高压密封性，可有效保证高压水安全传输，同时该结构在密封的同时也确保钻杆在旋转钻进过程中提供足够的扭矩力，提高钻杆的抗扭刚度；相邻钻杆通过连接插销连接固定，插销卡和插销帽径向夹持于钻杆上，防止插销脱落，提高钻杆连接的稳定性和可靠性，且插销体通过锥形面与连接孔形成密封，提高密封效果；相邻钻杆通过六棱柱体以及接口六棱柱体腔配合，可确保钻杆在旋转钻进过程中提供足够的扭矩力，并可实现钻杆反转功能。钻杆本体采用带螺旋槽的六棱形设计，其六棱形钻杆本体杆壁既可以保持钻进过程中钻机夹持防滑动，又可以提高钻杆对于煤渣的搅拌破碎能力，并且利于钻杆高效排渣，防止出现堵孔、卡钻、抱钻等故障，确保煤矿瓦斯抽采钻孔安全施工。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为钻杆结构示意图；
图2为相邻钻杆连接结构示意图；
附图标记：
10-公接头、11-接头卡圈、12-接头圆柱体、13-密封胶圈、14-接头锥形柱、15-接头浅柱体、16-密封垫片、17-六棱柱体、20-钻杆本体、21-螺旋凹槽、30-母接头、31-接口凹槽、32-凹槽密封圈、33-接口柱体腔、34-接口锥形槽、35-接口浅柱体槽、36-接口六棱柱体腔、40-连接插销、41-插销帽、42-插销体、43-插销卡、51-连接孔。
具体实施方式
图1为钻杆结构示意图；图2为相邻钻杆连接结构示意图；
如图所示：本实施例的一种六棱形插接式外凹槽高压密钻杆，包括顺序连接的公接头10、钻杆本体20和母接头30以及用于连接公接头和母接头的连接插销40，所述钻杆本体20呈六棱形结构，所述公接头10和母接头30上径向开设连接孔51，公接头和母接头连接时，公接头对应的连接孔和母接头对应的连接孔径向相对形成用于供连接插销径向穿过使公接头和母接头连接的插销孔。内侧为轴向靠近钻杆本体中心一侧，外侧为轴向远离钻杆本体中心一侧；钻杆本体与公接头以及母接头均为中空管状结构，利于高压流体的输送；通过公接头10和母接头利于钻杆的相互连接，通过插销孔与连接插销的配合方式实现钻杆的轴向连接定位，防止相邻钻杆脱落，并保证了钻杆连接的精度，辅助钻杆可承受一定的扭矩；钻杆本体采用正六棱形设计，钻杆本体外接圆外径约为70～75mm，钻杆本体杆壁厚度约为7～12mm，本实施例中钻杆本体杆壁厚度为10mm，保证钻杆有足够强度，确保高压水安全传输；钻杆本体外壁表面经过热处理，具有较高的硬度；钻杆本体采用六棱体设计，六棱形钻杆本体杆壁既可以保持钻进过程中钻机夹持防滑动，又可以提高钻杆对于煤渣的搅拌破碎能力，防止出现堵孔、卡钻、抱钻等故障，确保煤矿瓦斯抽采钻孔安全施工。
本实施例中，所述公接头10包括连接于钻杆本体端部的环形接头卡圈11，所述母接头30包括内凹于钻杆本体另一端且与接头卡圈适配的环形接口凹槽31以及设置于接口凹槽31底部的凹槽密封圈32。凹槽密封圈的密封实际为密封于一个钻杆公接头与另一个钻杆母接头之间，接头卡圈内径为15mm、外径为20mm，轴向长度为10mm，对应的接口凹槽轴向深度为10mm、小径为10mm，大径为20mm、凹槽密封圈采用O型聚氨酯密封圈；两个钻杆装配时，一个钻杆的接头卡圈11插入另一个钻杆的接口凹槽31内并抵在凹槽密封圈上形成轴向密封，该结构利于钻杆的相互连接，提高钻杆连接同轴度，同时对相邻钻杆形成密封结构。
本实施例中，所述公接头10还包括连接于接头卡圈与钻杆本体端部之间的接头圆柱体12以及设置于接头圆柱体外圆的若干个密封胶圈13，接头圆柱体12外径大于接头卡圈11外径，所述母接头30包括内凹于钻杆本体另一端且与接头圆柱体适配的接口柱体腔33，所述接口柱体腔位于接口凹槽31外侧，所述密封胶圈13用于密封于接头圆柱体外圆与接口柱体腔內圆之间。密封胶圈13的密封实际为密封于一个钻杆公接头与另一个钻杆母接头之间，接头圆柱体轴向长度为400mm、外径为45mm，接头圆柱体外圆开设有三道密封槽，各个密封槽内相应的设置密封胶圈，密封胶圈为耐磨O型聚氨酯密封圈，密封胶圈的设置数量可依据实际使用工况进行调整；接口柱体腔轴向长度为400mm，内径为45mm，通过接头圆柱体与接口柱体腔的配合进一步提高相邻钻杆之间的密封性能，接头圆柱体与环形接头卡圈形成阶梯结构，共同作用利于提高相邻钻杆的装配精度，同时增大密封接触面积，提高密封效果。
本实施例中，所述公接头10还包括连接于接头圆柱体12与钻杆本体端部之间的接头锥形柱14，所述接头锥形柱14外径沿接头圆柱体12端部轴向向内逐渐变大，所述母接头30包括内凹于钻杆本体另一端且与接头锥形柱适配的接口锥形槽34，所述接口锥形槽34位于接口柱体腔33外侧。接头锥形柱14并不限于圆柱结构，其也可以为六棱形或者其他的正多边型结构，当接头锥形柱为六棱形结构时，其外径为接头锥形柱的外接圆直径；接头锥形柱轴向长度为5mm、倒角为45°，接头锥形柱14与接口锥形槽34锥形相接触形成刚性密封，接头锥形柱、接头圆柱体以及环形接头卡圈形成两级阶梯结构，利于进一步提高相邻钻杆的装配精度和密封效果，该结构结合密封圈的弹性密封以及接头锥形柱的刚性密封，综合的保证相邻钻杆的密封效果。
本实施例中，所述公接头10还包括连接于接头锥形柱14与钻杆本体端部之间的接头浅柱体15以及连接于接头浅柱体15端面的密封垫片16，接头浅柱体15外径大于接头锥形柱14的大圆外径，所述母接头30包括内凹于钻杆本体另一端且与接头浅柱体适配的接口浅柱体槽35，所述接口浅柱体槽35位于接口锥形槽外侧，所述密封垫片16用于轴向密封于接头浅柱体15与接口浅柱体槽之间。密封垫片16的密封，实际用于密封一个钻杆公接头与另一个钻杆母接头之间；接头浅柱体15并不限于圆柱结构，其也可以为六棱形或者其他的正多边型结构，当接头浅柱体15为六棱形结构时，其外径为接头锥形柱的外接圆直径，接头浅柱体轴向长度5mm、外径30mm，密封垫片为聚四氟乙烯垫片；接头浅柱体、接头锥形柱、接头圆柱体以及环形接头卡圈形成三级阶梯结构，利于进一步提高相邻钻杆的装配精度和密封效果，该结构使得刚性密封处的轴向两侧均具有弹性密封结构，该交错密封结构可相互作用保护弹性密封结构的使用寿命和密封效果，同时综合作用共同提高了相邻钻杆的密封效果。
本实施例中，所述公接头10还包括连接于接头锥形柱14与接头浅柱体15之间的六棱柱体17，所述母接头30包括内凹于钻杆本体另一端且与六棱柱体适配的接口六棱柱体腔36。为适配于六棱柱体17的形状，接头锥形柱14与接头浅柱体15均设置为六棱形结构，以提高高压密封性能以及扭矩传递能力；六棱柱体轴向长度为45mm，相邻钻杆连接后六棱柱体与其对应的接口六棱柱体腔紧密贴合，可以确保钻杆在旋转钻进过程中提供足够的扭矩力，并可实现钻杆反转功能，该结构配合连接插销综合提高钻杆的抗扭刚度，而且六棱柱体和接口六棱柱体腔的结构可对连接插销形成保护，减小作用于连接插销上的扭矩，提高连接插销的使用寿命；
本实施例中，所述六棱柱体呈锥形结构，所述六棱柱体的大径端连接于接头浅柱体15端面，所述六棱柱体的大径端外径小于接头浅柱体15外径，六棱柱体的小径端连接于接头锥形柱14大径端，六棱柱体的小径端外径近似等于接头锥形柱大径端外径。六棱柱体的外径含义为六棱柱外接圆对应的直径，近似等于含义为二者直径相等且允许具有一定的加工误差；六棱柱体为锥形体结构，其锥度角为13°，六棱柱体与接口六棱柱体腔的锥形相贴合形成密封，该结构即保证了相邻钻杆的传动配合，也辅助提高相邻钻杆的密封效果，六棱柱体、接头浅柱体、接头锥形柱、接头圆柱体以及环形接头卡圈形成四级阶梯结构，利于进一步提高相邻钻杆的装配精度和密封效果，该结构通过环形接头卡圈11与接口凹槽31的配合、接头圆柱体12与接口柱体腔33的配合、接头锥形柱14与接口锥形槽34的配合、六棱柱体17与接口六棱柱体腔36的配合以及接头浅柱体15与接口浅柱体槽35的配合形成五段式密封结构，且刚性密封结构与弹性密封结构相互交错，共同作用提高密封效果，可有效保证高压水安全传输，同时该结构在密封的同时也确保钻杆在旋转钻进过程中提供足够的扭矩力，提高钻杆的抗扭刚度。
本实施例中，所述插销孔为锥形孔，连接插销包括插销帽41、连接于插销帽一端的插销体42以及与插销体配合的插销卡43，所述插销体呈与插销孔适配的锥形体，所述插销体远离插销帽一端的外圆开设有用于供插销卡穿过的锁止孔。连接孔51开设于六棱柱体外侧壁中部位置，连接孔51锥度角为13°；连接插销的锥度角同样为13°，连接插销的长度确保完全穿过插销孔内，钻杆连接后，连接插销插入插销孔内，并在插销体内插入插销卡，使得插销卡和插销帽径向夹持于钻杆上，防止插销脱落，提高钻杆连接的稳定性和可靠性，插销体通过锥形面与连接孔形成密封，或者插销体外圆可设置密封圈与连接孔內圆形成密封，具体不再赘述；
本实施例中，所述钻杆本体20外壁设置有螺旋凹槽21。钻杆本体外壁螺旋凹槽顺时针成连续的螺旋线，螺距为100mm，螺旋升角为30°；凹槽形状为等边梯形，凹槽深度即为梯形高度5mm，梯形牙型角为45°；通过该结构的螺旋凹槽可以容纳较多的碎渣，可极大提高钻杆的排渣效率；
本实施例中，所述公接头10、钻杆本体20和母接头30一体成型。该一体成型结构可保证钻杆的整体强度和刚度。
另外本实施例中还提供了一种六棱形插接式外凹槽高压密封钻杆的使用方法；具体包括以下步骤：
S1：将密封垫片16安装于接头浅柱体15的端面，将凹槽密封圈32安装于接口凹槽31底部；
S2：将若干道密封胶圈13分别安装于接头圆柱体12外圆的密封槽内；
S3：将一号钻杆的公接头对准二号钻杆的母接头插入；
S4：将连接插销插入插销孔内并将插销卡插至插销体上，完成钻杆连接。
本实施例中，在步骤S1和S2中安装上述密封结构时，在相应的密封结构上涂抹耐磨润滑油脂，以增加密封圈的耐用性；
在钻杆打钻钻进过程中，依次按照上述步骤上钻杆即可；钻孔施工完毕后，退钻过程中拆下插销卡，拔出连接插销，然后抽出钻杆统一清洗归置，即完成打钻作业。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种六棱形插接式外凹槽高压密钻杆，其特征在于：包括顺序连接的公接头、钻杆本体和母接头以及用于连接公接头和母接头的连接插销，所述钻杆本体呈六棱形结构，所述公接头和母接头上径向开设连接孔，公接头和母接头连接时，公接头对应的连接孔和母接头对应的连接孔径向相对形成用于供连接插销径向穿过使公接头和母接头连接的插销孔；
所述公接头包括连接于钻杆本体端部的环形接头卡圈，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与接头卡圈适配的环形接口凹槽以及设置于接口凹槽底部的凹槽密封圈；
所述公接头还包括连接于接头卡圈与钻杆本体端部之间的接头圆柱体以及设置于接头圆柱体外圆的若干个密封胶圈，接头圆柱体外径大于接头卡圈外径，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与接头圆柱体适配的接口柱体腔，所述接口柱体腔位于接口凹槽外侧，所述密封胶圈用于密封于接头圆柱体外圆与接口柱体腔內圆之间；
所述公接头还包括连接于接头圆柱体与钻杆本体端部之间的接头锥形柱，所述接头锥形柱外径沿接头圆柱体端部轴向向内逐渐变大，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与接头锥形柱适配的接口锥形槽，所述接口锥形槽位于接口柱体腔外侧；
所述公接头还包括连接于接头锥形柱与钻杆本体端部之间的接头浅柱体以及连接于接头浅柱体端面的密封垫片，接头浅柱体外径大于接头锥形柱的大圆外径，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与接头浅柱体适配的接口浅柱体槽，所述接口浅柱体槽位于接口锥形槽外侧，所述密封垫片用于轴向密封于接头浅柱体与接口浅柱体槽之间；
所述公接头还包括连接于接头锥形柱与接头浅柱体之间的六棱柱体，所述母接头包括内凹于钻杆本体另一端且与六棱柱体适配的接口六棱柱体腔；
所述六棱柱体呈锥形结构，所述六棱柱体的大径端连接于接头浅柱体端面，所述六棱柱体的大径端外径小于接头浅柱体外径，六棱柱体的小径端连接于接头锥形柱大径端，六棱柱体的小径端外径近似等于接头锥形柱大径端外径。
2.根据权利要求1所述的一种六棱形插接式外凹槽高压密钻杆，其特征在于：所述插销孔为锥形孔，连接插销包括插销帽、连接于插销帽一端的插销体以及与插销体配合的插销卡，所述插销体呈与插销孔适配的锥形体，所述插销体远离插销帽一端的外圆开设有用于供插销卡穿过的锁止孔。
3.根据权利要求1所述的一种六棱形插接式外凹槽高压密钻杆，其特征在于：所述钻杆本体外壁设置有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽牙型为等边梯形结构，凹槽的螺距为100mm，螺旋升角为30°。
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