CN111677449B - 煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，包括从上到下依次连接的上接头、定子、弯外壳和传动轴壳体；还包括设在定子内的转子、连在转子下端且位于弯外壳内的万向轴、连接万向轴下端的活塞、套在活塞外且位于弯外壳内的异型缸套以及连在异型缸套下端且位于传动轴壳体内的传动轴以及位于传动轴下端的下接头；在定子下端设有键槽，弯外壳内壁设有套筒，套筒上端设有能与键槽配合的花键；套筒和异型缸套之间的间隙内设有弹簧；在套筒外对应的弯外壳上开设有多个与轴向平行的贯通孔，在贯通孔内设有曲柄连杆，曲柄连杆的上端安装在套筒外壁上，下端安装在弯外壳上。本发明结构简单，能实现钻柱回转过程中定向钻进及水力加压钻进。

Description

煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻孔的配套设备技术领域，尤其涉及一种煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具。

背景技术

煤矿井下定向钻进技术经历了从稳定组合钻具配合单点测斜仪到单弯螺杆马达配合随钻测量系统的发展历程，未来煤矿井下定向钻进的发展方向是旋转导向钻进技术。

旋转导向钻进技术是一项集机、电、液一体化技术密集型高科技前沿技术，目前被少数国外石油公司所掌握且对我国实施技术封锁，国内石油行业中旋转导向钻进技术目前处于研究试验阶段，而煤矿井下旋转导向钻进技术则处于起步阶段。鉴于旋转导向钻进技术的高门槛性，石油工业中也有专家学者积极开发介于滑动导向和旋转导向之间的二维导向钻进技术，但应用还不成熟。

因此，煤矿井下在今后一段时间内依靠单弯螺杆马达加随钻测量系统实施定向钻进依然是定向钻孔施工的首选。目前煤矿井下采用单弯螺杆马达加随钻测量系统，实施滑动钻进与复合钻进相结合的工艺技术基本能够满足大部分定向钻孔施工，但在长钻孔施工中由于滑动钻进托压问题严重，而复合钻进轨迹不可控，从而导致定向钻进总体效率较低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，其结构简单，实现方便快捷，可以实现钻柱回转过程中定向钻进及水力加压钻进，钻头碎岩动力来源于钻机转动扭矩及冲洗液压力，克服了滑动定向钻进摩阻大的问题，有利于提高托压孔段定向钻进效率。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，包括从上到下依次连接的上接头、定子、弯外壳和传动轴壳体；还包括设在定子内的转子、连在转子下端且位于弯外壳内的万向轴、连接万向轴下端的活塞、套在活塞外且位于弯外壳内的异型缸套以及连在异型缸套下端且位于传动轴壳体内的传动轴以及位于传动轴下端且沿轴向伸出传动轴壳体下端的下接头；

所述定子下部外壁和弯外壳上部内壁之间设有轴承，在定子下端设有一个键槽；所述弯外壳内壁设有套筒，套筒上端设有能与所述键槽配合安装的花键；

所述套筒套在异型缸套外，在套筒和异型缸套之间设有推力轴承，在推力轴承下方的套筒和异型缸套之间间隙内设有同轴的弹簧；在套筒外对应的弯外壳上开设有多个与轴向平行的长方形贯通孔，在贯通孔内设有曲柄连杆，曲柄连杆的上端安装在套筒外壁上，下端安装在弯外壳上；

所述异型缸套包括依次贯通的：上部六方壳体、中部圆柱以及下部六方壳体，中部圆柱内为圆柱空腔；所述活塞包括：能与所述上部六方壳体配合并插在上部六方壳体内的上部六方杆体以及位于所述圆柱空腔内并与圆柱空腔动密封的活塞头，所述上部六方杆体内设有活塞中心通道，六方杆体侧壁设有侧壁通孔，活塞头上的中心孔与中心通道连通；所述圆柱空腔下端中心贯通孔的孔径小于活塞中心通道的内径；

所述上接头、转子与定子之间环隙、侧壁通孔、活塞中心通道、圆柱空腔、下部六方壳体、传动轴中心通道和下接头依次连通；

所述圆柱空腔内的水压能驱动异型缸套轴向下移进而使花键和键槽脱离，并使弹簧压缩以及使曲柄连杆伸出贯通孔与钻孔壁接触。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述定子下部外壁设有环形槽和下端环形限位凸起；

所述套筒从上到下包括套筒上部和套筒下部，且套筒上部的内径大于套筒下部的内径，在套筒上部和套筒下部之间的套筒外壁上依次设有环形的第一台阶和第二台阶，在套筒上部和套筒下部之间的套筒内壁上依次设有环形的第三台阶和第四台阶；套筒上部紧贴弯外壳内壁，套筒下部内壁与所述异型缸套外壁之间设置所述弹簧。

具体的，所述弯外壳内壁从上到下依次设有：位于上端的第一环形限位凸起、第二环形限位凸起、第三环形限位凸起、环形凹槽、第四环形限位凸起；

所述轴承位于环形槽内并通过第一环形限位凸起和下端环形限位凸起进行轴向定位；

所述第二环形限位凸起能与套筒的第一台阶外壁配合限位；

所述弹簧位于推力轴承和第三环形限位凸起之间；

所述中部圆柱设于环形凹槽内且能在环形凹槽内轴向移动并通过第三环形限位凸起和第四环形限位凸起进行轴向限位。

具体的，所述异型缸套的上端外壁设有垂直于异形缸套中心线的环形限位片；环形限位片外圈紧贴所述套筒上部的内壁；

所述推力轴承位于环形限位片和第四台阶之间。

具体的，所述曲柄连杆包括曲柄和连杆，曲柄上端铰接处安装在所述第二台阶处，曲柄与连杆铰接处设有滚动环，连杆下端铰接处安装在贯通孔下端的弯外壳上；

当异型缸套下移时，曲柄与连杆铰接处伸出接触钻孔壁，所述滚动环能降低曲柄连杆与钻孔壁之间摩擦阻力。

具体的，所述贯通孔有四个且沿周向均布；所述曲柄连杆有四个，分别设在四个贯通孔内。

具体的，所述传动轴的上端为六方结构以与所述下部六方壳体插接；

所述传动轴中心为传动轴中心通道。

具体的，所述传动轴外壁套有推力轴承组。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明能够实现水力加压钻进，异型缸套底部过水孔小于上部活塞过水通孔，异型缸套在水压作用下下行，进而把压力传递给传动轴，传动轴的轴向活动间隙伸出，从而实现水力柔性加压。实现了回转定向钻进，同时为钻头提供额外的钻压，有效避免滑动定向钻进钻具托压问题，提高机械钻进效率。水力加压回转定向螺杆钻具，为纯机械式结构，结构相对简单，可靠性高，实现了水力加压回转定向钻进，避免了旋转导向钻进工具的开发难度大，成本高的难题。

附图说明

图1本发明整体结构示意图；

图2为A-A截面的正视图；

图3为B-B截面的正视图；

图4为异型缸套和活塞安装结构示意图。

附图标号含义：

1.上接头，2.定子，3.弯外壳，4.传动轴壳体，5.转子，6.万向轴，7.活塞，8.异型缸套，9.传动轴，10.下接头，11.轴承，12.套筒，13.推力轴承，14.弹簧，15.曲柄连杆，16.推力轴承组；

2-1.键槽，3-1.贯通孔；

7-1.上部六方杆体，7-2.活塞头；

8-1.上部六方壳体，8-2.中部圆柱，8-3.下部六方壳体，8-4.圆柱空腔，8-5.环形限位片；

12-1.花键；

15-1.滚动环。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，包括从上到下依次连接的上接头1、定子2、弯外壳3和传动轴壳体4；还包括设在定子2内的转子5、连在转子5下端且位于弯外壳3内的万向轴6、连接万向轴6下端的活塞7、套在活塞7外且位于弯外壳3内的异型缸套8以及连在异型缸套8下端且位于传动轴壳体4内的传动轴9以及位于传动轴9下端且沿轴向伸出传动轴壳体4下端的下接头10。

定子2下部外壁和弯外壳3上部内壁之间设有轴承11，在定子2下端设有一个键槽2-1；弯外壳3内壁设有套筒12，套筒12上端设有能与键槽2-1配合安装的花键12-1。

套筒12套在异型缸套8外，在套筒12和异型缸套8之间设有推力轴承13，在推力轴承13下方的套筒12和异型缸套8之间的间隙内设有同轴的弹簧14；在套筒12外对应的弯外壳3上开设有多个与轴向平行的长方形贯通孔3-1，在贯通孔3-1内设有曲柄连杆15，曲柄连杆15的上端安装在套筒12外壁上，下端安装在弯外壳3上。

异型缸套8包括依次贯通的：上部六方壳体8-1、中部圆柱8-2以及下部六方壳体8-3，中部圆柱8-2内为圆柱空腔8-4；活塞7包括：能与上部六方壳体8-1配合并插在上部六方壳体8-1内的上部六方杆体7-1以及位于圆柱空腔8-4内并与圆柱空腔8-4动密封的活塞头7-2，上部六方杆体7-1内设有活塞中心通道，上部六方杆体7-1侧壁设有侧壁通孔，活塞头7-2上的中心孔与活塞中心通道连通；圆柱空腔8-4下端中心贯通孔的孔径小于活塞中心通道的内径。

上接头1、转子5与定子2之间环隙、侧壁通孔、活塞中心通道、圆柱空腔8-4、下部六方壳体8-3、传动轴中心通道和下接头10依次连通。

圆柱空腔8-4内的水压能驱动异型缸套8轴向下移进而使花键12-1和键槽2-1脱离，并使弹簧14压缩以及使曲柄连杆15伸出贯通孔3-1与钻孔壁接触。

通过上述技术方案，当水依次经过上接头1、转子5与定子2之间环隙、侧壁通孔、活塞中心通道，进入圆柱空腔8-4后，由于圆柱空腔8-4下端中心贯通孔的孔径小于活塞中心通道的内径，水在圆柱空腔8-4内产生水压推动异型缸套8轴向下移，从而使花键12-1和键槽2-1脱离，并使弹簧14压缩以及使曲柄连杆15伸出贯通孔3-1与钻孔壁接触；固定住弯外壳3的工具面，同时异型缸套8与套筒12之间的推力轴承13保证了弯外壳3与其内部组件的相对转动，转动钻具定子2带动转子5一起实现复合定向钻进，曲柄连杆15伸出顶端的滚动环15-1有利于降低其与孔壁间的摩擦阻力，单根钻进完成后，停泵状态下，弹簧14推动异型缸套8和套筒12上行，曲柄连杆15机构回收，转动钻具，使套筒12的唯一花键12-1在弹簧14作用下坐键到定子下端的唯一键槽2-1里，此时弯外壳3随钻具一起旋转可以重新调整工具面。

本实施例中，定子2下部外壁设有环形槽和下端环形限位凸起；套筒12从上到下包括套筒上部和套筒下部，且套筒上部的内径大于套筒下部的内径，在套筒上部和套筒下部之间的套筒12外壁上依次设有环形的第一台阶和第二台阶，在套筒上部和套筒下部之间的套筒12内壁上依次设有环形的第三台阶和第四台阶；套筒上部紧贴弯外壳3内壁，套筒下部内壁与异型缸套8外壁之间设置弹簧14。

弯外壳3内壁从上到下依次设有：位于上端的第一环形限位凸起、第二环形限位凸起、第三环形限位凸起、环形凹槽、第四环形限位凸起；各个环形限位凸起的作用如下：

轴承11位于环形槽内并通过第一环形限位凸起和下端环形限位凸起进行轴向定位；

第二环形限位凸起能与套筒12的第一台阶外壁配合限位；

弹簧14位于推力轴承13和第三环形限位凸起之间；

中部圆柱8-2设于环形凹槽内且能在环形凹槽内轴向移动并通过第三环形限位凸起和第四环形限位凸起进行轴向限位。

异型缸套8的上端外壁设有垂直于异形缸套中心线的环形限位片8-5；环形限位片8-5外圈紧贴套筒上部的内壁；

推力轴承13位于环形限位片8-5和第四台阶之间。

曲柄连杆15包括曲柄和连杆，曲柄上端铰接处安装在第二台阶处，曲柄与连杆铰接处设有滚动环15-1，连杆下端铰接处安装在弯外壳3上的贯通孔3-1下端；

当异型缸套8下移时，曲柄与连杆铰接处伸出接触钻孔壁，滚动环15-1能降低曲柄连杆15与钻孔壁之间摩擦阻力。

贯通孔3-1有四个且沿周向均布；曲柄连杆15有四个，分别设在四个贯通孔3-1内。

传动轴9的上端为六方结构以与下部六方壳体8-3插接，用以传递扭矩；

传动轴9中心为传动轴中心通道以与下接头10连通。

传动轴9外壁套有推力轴承组16。

更具体的，在本实施例中，活塞7上端与万向轴6之间通过丝扣连接；活塞7的上部六方杆体7-1能与上部六方壳体8-1配合并插在上部六方壳体8-1内，用以传递扭矩。

异型缸套8下部的过水通孔比活塞7的过水通孔小，使异型缸套8在水压作用下伸出，异型缸套的活动间距大于其下端内六方插接孔长度，使水压力能传递给传动轴。

套筒上端的唯一花键12-1及定子下端的唯一键槽2-1均与弯外壳3的弯角方向对应。

弯外壳3与定子2之间设置的轴承为硬质合金（TC）径向摩擦轴承，使弯外壳3与定子2之间能相对转动。

传动轴9具有一定的上下活动间隙，能在压力作用下伸出。

本发明的工作原理如下：

本发明工作时，能够实现回转定向钻进，水力加压回转定向螺杆钻具（以下简称螺杆钻具）的下端接钻头，上端接随钻测量系统；

（1）首先在孔口未开泵状态下，螺杆钻具弯外壳内部套筒上的唯一花键与定子下端的唯一键槽处于配合状态，弯外壳随钻具一起旋转，调整弯头朝正上方，修正工具面为0°，下入孔内后，在未开泵状态下调整所需工具面；

（2）开泵钻进状态下，螺杆钻具内部异型缸套在水压作用下下行压缩弹簧，带动套筒下行，套筒上的唯一花键与定子下端的唯一键槽脱开，同时套筒下行带动曲柄连杆伸出支撑于孔壁上，固定住弯外壳的工具面，同时异型缸套与套筒之间的推力轴承保证了弯外壳与其内部组件的相对转动，转动钻具定子带动转子一起实现复合定向钻进曲柄连杆伸出顶端的滚动环有利于降低其与孔壁间的摩擦阻力；

（3）单根钻进完成后，停泵状态下，弹簧推动异型缸套和套筒上行，曲柄连杆机构回收，转动钻具，使套筒的唯一花键在弹簧作用下坐键到定子下端的唯一键槽里，此时弯外壳随钻具一起旋转可以重新调整工具面。

本发明装置的能够实现水力加压钻进，异型缸套底部过水孔小于上部活塞过水通孔，异型缸套在水压作用下下行，进而把压力传递给传动轴，传动轴的轴向活动间隙伸出，从而实现水力柔性加压。实现了回转定向钻进，同时为钻头提供额外的钻压，有效避免滑动定向钻进钻具托压问题，提高机械钻进效率。水力加压回转定向螺杆钻具，为纯机械式结构，结构相对简单，可靠性高，实现了水力加压回转定向钻进，避免了旋转导向钻进工具的开发难度大，成本高的难题。

Claims (7)

1.一种煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，其特征在于，包括从上到下依次连接的上接头(1)、定子(2)、弯外壳(3)和传动轴壳体(4)；还包括设在定子(2)内的转子(5)、连在转子(5)下端且位于弯外壳(3)内的万向轴(6)、连接万向轴(6)下端的活塞(7)、套在活塞(7)外且位于弯外壳(3)内的异型缸套(8)以及连在异型缸套(8)下端且位于传动轴壳体(4)内的传动轴(9)以及位于传动轴(9)下端且沿轴向伸出传动轴壳体(4)下端的下接头(10)；

所述定子(2)下部外壁和弯外壳(3)上部内壁之间设有轴承(11)，在定子(2)下端设有一个键槽(2-1)；所述弯外壳(3)内壁设有套筒(12)，套筒(12)上端设有能与所述键槽(2-1)配合安装的花键(12-1)；

所述套筒(12)套在异型缸套(8)外，在套筒(12)和异型缸套(8)之间设有推力轴承(13)，在推力轴承(13)下方的套筒(12)和异型缸套(8)之间的间隙内设有同轴的弹簧(14)；在套筒(12)外对应的弯外壳(3)上开设有多个与弯外壳(3)轴向相平行的长方形贯通孔(3-1)，在贯通孔(3-1)内设有曲柄连杆(15)，曲柄连杆(15)的上端安装在套筒(12)外壁上，下端安装在弯外壳(3)上；

所述异型缸套(8)包括依次贯通的：上部六方壳体(8-1)、中部圆柱(8-2)以及下部六方壳体(8-3)，中部圆柱(8-2)内为圆柱空腔(8-4)；所述活塞(7)包括：能与所述上部六方壳体(8-1)配合并插在上部六方壳体(8-1)内的上部六方杆体(7-1)以及位于所述圆柱空腔(8-4)内并与圆柱空腔(8-4)动密封的活塞头(7-2)，所述上部六方杆体(7-1)内设有活塞中心通道，上部六方杆体(7-1)侧壁设有侧壁通孔，活塞头(7-2)上的中心孔与活塞中心通道连通；所述圆柱空腔(8-4)下端中心贯通孔的孔径小于活塞中心通道的内径；

所述上接头(1)、转子(5)与定子(2)之间环隙、侧壁通孔、活塞中心通道、圆柱空腔(8-4)、下部六方壳体(8-3)、传动轴中心通道和下接头(10)依次连通；

所述圆柱空腔(8-4)内的水压能驱动异型缸套(8)轴向下移进而使花键(12-1)和键槽(2-1)脱离，并使弹簧(14)压缩以及使曲柄连杆(15)伸出贯通孔(3-1)与钻孔壁接触。

2.如权利要求1所述的煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，其特征在于，所述定子(2)下部外壁设有环形槽和下端环形限位凸起；

所述套筒(12)从上到下包括套筒上部和套筒下部，且套筒上部的内径大于套筒下部的内径，在套筒上部和套筒下部之间的套筒(12)外壁上依次设有环形的第一台阶和第二台阶，在套筒上部和套筒下部之间的套筒(12)内壁上依次设有环形的第三台阶和第四台阶；套筒上部紧贴弯外壳(3)内壁，套筒下部内壁与所述异型缸套(8)外壁之间设置所述弹簧(14)。

3.如权利要求2所述的煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，其特征在于，所述弯外壳(3)内壁从上到下依次设有：位于上端的第一环形限位凸起、第二环形限位凸起、第三环形限位凸起、环形凹槽、第四环形限位凸起；

所述轴承(11)位于环形槽内并通过第一环形限位凸起和下端环形限位凸起进行轴向定位；

所述第二环形限位凸起能与套筒(12)的第一台阶外壁配合限位；

所述弹簧(14)位于推力轴承(13)和第三环形限位凸起之间；

所述中部圆柱(8-2)设于环形凹槽内且能在环形凹槽内轴向移动并通过第三环形限位凸起和第四环形限位凸起进行轴向限位。

4.如权利要求2所述的煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，其特征在于，所述异型缸套(8)的上端外壁设有垂直于异形缸套中心线的环形限位片(8-5)；环形限位片(8-5)外圈紧贴所述套筒上部的内壁；

所述推力轴承(13)位于环形限位片(8-5)和第四台阶之间。

5.如权利要求2所述的煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，其特征在于，所述曲柄连杆(15)包括曲柄和连杆，曲柄上端铰接处安装在所述第二台阶处，曲柄与连杆铰接处设有滚动环(15-1)，连杆下端铰接处安装在贯通孔(3-1)下端的弯外壳(3)上；

当异型缸套(8)下移时，曲柄与连杆铰接处伸出接触钻孔壁，所述滚动环(15-1)能降低曲柄连杆(15)与钻孔壁之间摩擦阻力。

6.如权利要求1所述的煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，其特征在于，所述贯通孔(3-1)有四个且沿周向均布；所述曲柄连杆(15)有四个，分别设在四个贯通孔(3-1)内。

7.如权利要求1所述的煤矿井下水力加压回转定向螺杆钻具，其特征在于，所述传动轴(9)的上端为六方结构以与所述下部六方壳体(8-3)插接；

所述传动轴(9)中心为所述传动轴中心通道以与下接头(10)连通。

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