CN112922531B - 具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头及其施工方法，该定向钻头包括钻头、与钻头连接的下连接构件以及与下连接构件连接并能轴向移动的上连接构件；当球头螺纹销卡在定位长槽内至上连接构件不能上移时，侧向流体通孔位于第二内壁环空并能与斜向通孔连通，可通过斜向通孔内安装的喷嘴进行卸压，并持续反向冲洗钻孔，同时钻头冲洗通道关闭，防止冲洗介质携带岩粉回流；当下压上连接构件时，弹簧被压缩，侧向流体通孔能伸至第一内壁所对环空以与钻头上的钻头水眼连通保证钻头冲洗介质供应。本发明能用于防止因冲洗介质携带钻渣回流至孔底动力钻具导致其损坏，亦可用于易塌孔地层定向钻进中卡钻后事故处理施工。
Description
技术领域
本发明属于定向钻进技术领域，涉及一种具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头及其施工方法，用于防止因冲洗介质携带钻渣回流至孔底动力钻具导致其损坏，亦可用于易塌孔地层定向钻进中卡钻后事故处理施工。
背景技术
随着定向钻进技术的发展，煤矿井下定向钻进技术广泛应用于瓦斯抽采、探放水以及煤层底板注浆加固施工中，解决了采用常规回转钻进导致无效进尺多，施工效率低的问题。井下定向钻进技术利用带有弯接头的螺杆马达，并配套以随钻测量系统实现钻孔轨迹的精确控制，保证钻头沿着既定轨迹钻进。
然而，随着定向钻进技术应用范围的扩展，钻进施工地层趋于复杂，工况日趋严苛，由于钻孔深度的逐渐增加，穿越破碎岩层或碎软煤层概率增加，尤其是近年来我国逐渐将空气定向钻进推广到碎软煤层，由于煤层松软，在提钻切断冲洗介质后常导致冲洗介质携带钻渣从钻头水眼回流至螺杆马达，钻渣进入螺杆马达定子转子间隙内导致定子内橡胶损坏，降低螺杆马达寿命，为解决这个问题，目前常采用的方法是在钻头与定向钻具之间增加单向阀，虽然该方法解决了冲洗介质携带岩粉回流的问题，但是由于冲洗介质推动弹簧导致冲洗介质动能损失，降低螺杆马达转速，牺牲了部分钻进效率。另外，由于钻进过程中由于地层不稳定导致孔壁地层内煤体进入孔内，难以将定向钻具及测量系统提出孔内，目前最常用的方法是回转钻具并采用冲洗介质进行冲洗卡钻位置，但是由于冲洗介质流向指向孔底，在中段卡钻后冲洗介质必须通过充满整个钻孔后才能对卡钻处进行压力解除卡钻，冲洗效果不佳。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头及其施工方法，用以解决冲洗介质携带钻渣回流导致螺杆马达损坏及卡钻后定向钻具难以提出孔底的问题。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，包括钻头、与钻头连接的下连接构件以及与下连接构件连接并能轴向移动的上连接构件；
所述下连接构件包括筒形本体和中心通道，筒形本体两端分别为连接端和限位端，从连接端至限位端的筒形本体内壁依次为第一内壁、第一环形凸起、第二内壁、第二环形凸起和第三内壁；第二内壁上设有多个周向布设的斜向通孔，在第三内壁上设有多个周向布设的通孔；所述连接端连接钻头；
所述上连接构件包括管状本体和中心流道，管状本体两端分别为封闭端和开口端，从封闭端至开口端的管状本体外壁依次为第一外壁、第一环形凸台、第二环形凸台和连接段，且第二环形凸台的外径大于第一环形凸台的外径；在第一外壁上设有多个周向布设的侧向流体通孔，所述第一环形凸台上设有多个周向分布的定位长槽，且定位长槽的长度方向为管状本体轴向；
所述管状本体的封闭端、第一外壁和第一环形凸台位于所述中心通道内，第一外壁与第一环形凸起和第二环形凸起均密封配合，所述第二环形凸起和第一环形凸台之间设有弹簧，所述通孔和定位长槽一一对应并在每个通孔内安装有球头螺纹销且球头螺纹销的球头位于定位长槽内；
当球头螺纹销卡在定位长槽内至上连接构件不能上移时，侧向流体通孔位于第二内壁环空并能与斜向通孔连通；当下压上连接构件时，弹簧被压缩，侧向流体通孔能伸至第一内壁所对环空以与钻头上的钻头水眼连通。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述斜向通孔向下连接构件的限位端倾斜，并在斜向通孔内设有喷嘴。
具体的，所述定位长槽呈半椭球形，定位长槽的长轴方向为上连接构件的轴向，球头螺纹销的螺纹端装在通孔内，球头位于定位长槽内，定位长槽的最大深度等于球头的最大安装深度，球头与定位长槽之间为间隙配合且二者为线接触。
具体的，所述第一内壁、第二内壁和第三内壁直径均相等且均大于第一环形凸起和第二环形凸起直径；所述第一外壁直径小于第一环形凸台直径。
具体的，所述第一外壁直径等于第一环形凸起直径及第二环形凸起直径，第一环形凸台直径等于第三内壁直径；所述第二环形凸台直径等于筒形本体外径。
具体的，所述钻头上设有4个刀翼和多个钻头水眼，每个刀翼上至少设有2个切削齿；所述钻头水眼连通钻头内腔，钻头内腔连通第一内壁所对中心通道。
具体的，多个侧向流体通孔的过流面积和不小于中心流道过流面积。
具体的，所述第一内壁端部设有内螺纹以与钻头螺纹连接。
具体的，所述连接段外壁设有螺纹以与动力钻具或钻杆连接。
一种具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头的施工方法，该施工方法通过所述的定向钻头实现，包括以下步骤：
步骤一，将所述定向钻头与动力钻具、钻杆依次连接，通过钻机下放入孔底，施加钻压进行定向钻进，此时上连接构件压缩弹簧，冲洗介质通过中心流道、侧向流体通孔与钻头内腔及钻头水眼连通，可进行冷却钻头携带岩粉；
步骤二，定向钻进完成一个回次后，将钻具提离孔底，此时在弹簧作用下，上连接构件上移至侧向流体通孔移至第一环形凸起和第二环形凸起之间使冲洗介质流向钻头的通道关闭，防止冲洗介质通过钻头水眼携带岩粉返流至定向钻具，损坏螺杆马达；同时侧向流体通孔与斜向通孔连通；
步骤三，提钻过程中，如遇卡钻，侧向流体通孔与斜向通孔连通后喷嘴能对造成卡钻的岩屑进行冲洗，同时回转钻具至卡钻解除后将钻具提出孔口。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明采用上连接构件与下连接构件的配合结构，通过两个构件自身的凸起和凸台设计及相对位移，形成了不同相对位移状态下不同的流道走向，改变了以往钻头流向单一的传统思路；通过巧妙的配合结构设计，成功起到了防回流效果，有效解决了冲洗介质回流到螺杆钻具的问题，同时规避了因增加单向阀导致钻头冲洗介质动能损失，降低孔底动力钻具转速降低的问题。
本发明斜向通孔内喷嘴的设计提升了卡钻时事故处理能力，在冲洗流道为反向冲洗状态时，冲洗液从喷嘴流出，提高了了冲洗液流速，解决了通过冲洗介质解决卡钻问题时冲洗介质正向流动，冲击力小的问题，保障了破碎地层尤其是碎软煤层定向钻进施工的顺利进行。
本发明结构简单，装卸方便，易于加工，施工方便。
附图说明
图1为本发明具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头自由状态的结构示意图。
图2为本发明具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头钻进状态的结构示意图
图3为本发明上连接构件结构示意图。
图4为本发明下连接构件结构示意图。
图5为本发明球头螺纹销安装示意图。
附图标记含义：
1.钻头，2.下连接构件，3.上连接构件，4.弹簧，5.球头螺纹销；
101.钻头水眼，102.刀翼，103.切削齿；
201.筒形本体，202.中心通道，203.第一内壁，204.第一环形凸起，205.第二内壁，206.第二环形凸起，207.第三内壁，208.斜向通孔，209.通孔；
301.管状本体，302.中心流道，303.第一外壁，304.第一环形凸台，305.第二环形凸台，306.连接段，307.侧向流体通孔，308.定位长槽。
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：
本实施例提供一种具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，如图1至图5所示，包括钻头1、与钻头1连接的下连接构件2以及与下连接构件2连接并能轴向移动的上连接构件3。
下连接构件2包括筒形本体201和中心通道202，筒形本体201两端分别为连接端和限位端，从连接端至限位端的筒形本体201内壁依次为第一内壁203、第一环形凸起204、第二内壁205、第二环形凸起206和第三内壁207；第二内壁205上设有多个周向布设的斜向通孔208，在第三内壁207上设有多个周向布设的通孔209；连接端连接钻头1。
上连接构件3包括管状本体301和中心流道302，管状本体301两端分别为封闭端和开口端，从封闭端至开口端的管状本体301外壁依次为第一外壁303、第一环形凸台304、第二环形凸台305和连接段306，且第二环形凸台305的外径大于第一环形凸台304的外径；在第一外壁303上设有多个周向布设的侧向流体通孔307，第一环形凸台304上设有多个周向分布的定位长槽308，且定位长槽308的长度方向为管状本体301轴向。
管状本体301的封闭端、第一外壁303和第一环形凸台304位于中心通道202内，第一外壁303与第一环形凸起204和第二环形凸起206均密封配合，第二环形凸起206和第一环形凸台304之间设有弹簧4，通孔209和定位长槽308一一对应并在每个通孔209内安装有球头螺纹销5且球头螺纹销5的球头位于定位长槽308内；
如图1所示，当球头螺纹销5卡在定位长槽308内至上连接构件3不能上移时，侧向流体通孔307位于第二内壁205环空并能与斜向通孔208连通，可通过斜向通孔内安装的喷嘴进行卸压，并持续冲洗钻孔，同时钻头冲洗通道关闭，防止冲洗介质携带岩粉回流；如图2所示，当下压上连接构件3时，弹簧4被压缩，侧向流体通孔307能伸至第一内壁203所对环空以与钻头1上的钻头水眼101连通保证钻头冲洗介质供应。
斜向通孔208向下连接构件2的限位端倾斜，并在斜向通孔208内设有喷嘴。斜向通孔内喷嘴的设计提升了卡钻时事故处理能力，在冲洗流道为反向冲洗状态时，冲洗液从喷嘴流出，提高了了冲洗液流速，解决了通过冲洗介质解决卡钻问题时冲洗介质正向流动，冲击力小的问题，保障了破碎地层尤其是碎软煤层定向钻进施工的顺利进行。
定位长槽308呈半椭球形，定位长槽308的长轴方向为上连接构件3的轴向，球头螺纹销5的螺纹端装在通孔209内，球头位于定位长槽308内，定位长槽308的最大深度等于球头的最大安装深度，球头与定位长槽308之间为间隙配合且二者为线接触；以使上连接构件和下连接构件之间相对位移更加顺畅；定位长槽和球头螺纹销的配合安装能使上连接构件相对下连接构件轴向移动，且通过球头螺纹销传递扭矩。在本实施例中，定位长槽、通孔和球头螺纹销均为六个，且六个定位长槽沿周向均布；在其他实施例中，可以根据实际需要调整定位长槽的个数，从而设置对应数量的通孔和球头螺纹销均能达到上述目的。
第一内壁203、第二内壁205和第三内壁207直径均相等且均大于第一环形凸起204和第二环形凸起206直径；第一外壁303直径小于第一环形凸台304直径。
第一外壁303直径等于第一环形凸起204直径及第二环形凸起206直径，第一环形凸台304直径等于第三内壁207直径；在其他实施例中，也可以在第一外壁和第一环形凸起之间以及第一外壁和第二环形凸起之间设有密封圈增加密封性能。第二环形凸台305直径等于筒形本体201外径。
钻头1上设有4个刀翼102和多个钻头水眼101，每个刀翼102上至少设有2个切削齿103；钻头水眼101连通钻头内腔，钻头内腔连通第一内壁203所对中心通道202。
多个侧向流体通孔307的过流面积和不小于中心流道302过流面积。
第一内壁203端部设有内螺纹以与钻头螺纹连接。
连接段306外壁设有螺纹以与动力钻具或钻杆连接。
实施例2：
本实施例提供一种具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头的施工方法，该施工方法通过实施例1的定向钻头实现，包括以下步骤：
步骤一，将定向钻头与动力钻具、钻杆依次连接，通过钻机下放入孔底，施加钻压进行定向钻进，此时上连接构件压缩弹簧，冲洗介质通过中心流道、侧向流体通孔与钻头内腔及钻头水眼连通，可进行冷却钻头携带岩粉；
步骤二，定向钻进完成一个回次后，将钻具提离孔底，此时在弹簧作用下，上连接构件上移至侧向流体通孔移至第一环形凸起和第二环形凸起之间使冲洗介质流向钻头的通道关闭，防止冲洗介质通过钻头水眼携带岩粉返流至定向钻具，损坏螺杆马达；同时侧向流体通孔与斜向通孔连通；
步骤三，提钻过程中，如遇卡钻，侧向流体通孔与斜向通孔连通后喷嘴能对造成卡钻的岩屑进行冲洗，同时回转钻具至卡钻解除后将钻具提出孔口。
Claims (10)
1.一种具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，其特征在于，包括钻头(1)、与钻头(1)连接的下连接构件(2)以及与下连接构件(2)连接并能轴向移动的上连接构件(3)；
所述下连接构件(2)包括筒形本体(201)和中心通道(202)，筒形本体(201)两端分别为连接端和限位端，从连接端至限位端的筒形本体(201)内壁依次为第一内壁(203)、第一环形凸起(204)、第二内壁(205)、第二环形凸起(206)和第三内壁(207)；第二内壁(205)上设有多个周向布设的斜向通孔(208)，在第三内壁(207)上设有多个周向布设的通孔(209)；所述连接端连接钻头(1)；
所述上连接构件(3)包括管状本体(301)和中心流道(302)，管状本体(301)两端分别为封闭端和开口端，从封闭端至开口端的管状本体(301)外壁依次为第一外壁(303)、第一环形凸台(304)、第二环形凸台(305)和连接段(306)，且第二环形凸台(305)的外径大于第一环形凸台(304)的外径；在第一外壁(303)上设有多个周向布设的侧向流体通孔(307)，所述第一环形凸台(304)上设有多个周向分布的定位长槽(308)，且定位长槽(308)的长度方向为管状本体(301)轴向；
所述管状本体(301)的封闭端、第一外壁(303)和第一环形凸台(304)位于所述中心通道(202)内，第一外壁(303)与第一环形凸起(204)和第二环形凸起(206)均密封配合，所述第二环形凸起(206)和第一环形凸台(304)之间设有弹簧(4)，所述通孔(209)和定位长槽(308)一一对应并在每个通孔(209)内安装有球头螺纹销(5)且球头螺纹销(5)的球头位于定位长槽(308)内；
当球头螺纹销(5)卡在定位长槽(308)内至上连接构件(3)不能上移时，侧向流体通孔(307)位于第二内壁(205)环空并能与斜向通孔(208)连通；当下压上连接构件(3)时，弹簧(4)被压缩，侧向流体通孔(307)能伸至第一内壁(203)所对环空以与钻头(1)上的钻头水眼(101)连通。
2.如权利要求1所述的具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，其特征在于，所述斜向通孔(208)向下连接构件(2)的限位端倾斜，并在斜向通孔(208)内设有喷嘴。
3.如权利要求1所述的具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，其特征在于，所述定位长槽(308)呈半椭球形，定位长槽(308)的长轴方向为上连接构件(3)的轴向，球头螺纹销(5)的螺纹端装在通孔(209)内，球头位于定位长槽(308)内，定位长槽(308)的最大深度等于球头的最大安装深度，球头与定位长槽(308)之间为间隙配合且二者为线接触。
4.如权利要求1所述的具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，其特征在于，所述第一内壁(203)、第二内壁(205)和第三内壁(207)直径均相等且均大于第一环形凸起(204)和第二环形凸起(206)直径；所述第一外壁(303)直径小于第一环形凸台(304)直径。
5.如权利要求4所述的具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，其特征在于，所述第一外壁(303)直径等于第一环形凸起(204)直径及第二环形凸起(206)直径，第一环形凸台(304)直径等于第三内壁(207)直径；所述第二环形凸台(305)直径等于筒形本体(201)外径。
6.如权利要求1所述的具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，其特征在于，所述钻头(1)上设有4个刀翼(102)和多个钻头水眼(101)，每个刀翼(102)上至少设有2个切削齿(103)；所述钻头水眼(101)连通钻头内腔，钻头内腔连通第一内壁(203)所对中心通道(202)。
7.如权利要求1所述的具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，其特征在于，多个侧向流体通孔(307)的过流面积和不小于中心流道(302)过流面积。
8.如权利要求1所述的具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，其特征在于，所述第一内壁(203)端部设有内螺纹以与钻头螺纹连接。
9.如权利要求1所述的具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头，其特征在于，所述连接段(306)外壁设有螺纹以与动力钻具或钻杆连接。
10.一种具有反向冲洗功能的防回流式定向钻头的施工方法，其特征在于，该施工方法通过权利要求2至9任一权利要求所述的定向钻头实现，包括以下步骤：
步骤一，将所述定向钻头与动力钻具、钻杆依次连接，通过钻机下放入孔底，施加钻压进行定向钻进，此时上连接构件压缩弹簧，冲洗介质通过中心流道、侧向流体通孔与钻头内腔及钻头水眼连通，可进行冷却钻头携带岩粉；
步骤二，定向钻进完成一个回次后，将钻具提离孔底，此时在弹簧作用下，上连接构件上移至侧向流体通孔移至第一环形凸起和第二环形凸起之间使冲洗介质流向钻头的通道关闭，防止冲洗介质通过钻头水眼携带岩粉返流至定向钻具，损坏螺杆马达；同时侧向流体通孔与斜向通孔连通；
步骤三，提钻过程中，如遇卡钻，侧向流体通孔与斜向通孔连通后喷嘴能对造成卡钻的岩屑进行冲洗，同时回转钻具至卡钻解除后将钻具提出孔口。
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