CN113137181A - 一种水力扩孔钻具及扩孔方法 - Google Patents

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张国雷
蒋志刚
熊俊杰
杨正宇
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Abstract

本发明提出了一种水力扩孔钻具及扩孔方法，钻具主体为圆柱空腔结构，在其中部设有扩孔槽，扩孔齿安装在钻具主体的扩孔槽内，堵头安装在钻具主体内部，当钻杆内水压逐渐增大后，作用在堵头末端的压力增大，在克服密封圈摩擦力以及卡簧压力作用下堵头向前运动，直至堵头前端与钻具主体空腔接触实现密封，此时卡簧处于压缩状态；由于钻具主体向前运动，其上面的传动齿条带动扩孔齿一端的半齿轮旋转，扩孔齿展开，实现扩孔；扩孔齿一端采用半齿轮目的是防止扩孔齿张开角度不大于度，这样既能保证扩孔直径最大，又便于扩孔齿的收回。在水压降低后，堵头的主体在卡簧回复力作用下向后运动，恢复到卡簧的限位位置，此时通过传动齿条传动，扩孔齿收回。

Description

一种水力扩孔钻具及扩孔方法
技术领域
本发明涉及矿井瓦斯防治领域，特别是指一种水力扩孔钻具及扩孔方法。
背景技术
中国构造煤具有富气、低渗、松软、破碎等突出特征，对于这些煤体的煤层扩孔钻进，经常出现钻孔发生变形，造成钻孔堵塞，致使瓦斯抽采受限，大大降低了瓦斯抽放的效率。为改善煤层渗透性，提高煤层气解吸速率和效率，水力钻孔技术自上世纪80年代被发现以后直到现在逐渐被应用到煤层开采中去。
为有效地解决低透气性煤层瓦斯抽采难题，已相继研究出了一系列强化增透技术，如深孔预裂爆破、水力冲孔、压裂、割缝技术等，但是这些水力化措施在作业时需要将钻孔钻杆拔出，换成相应设备，才能实现水力化作业，造成水力化措施效率低，用时长，工人劳动强度增大，井下生产效率等各方面的不良影响。
为了保证矿井的安全需要以及提高瓦斯抽采率，常常采用增大钻孔直径的方法，但是传统的扩孔装置需要人工更换刀具，效率低，工人在矿井下施工劳动强度过大。对于高压水射流切割煤壁扩孔的技术在特殊状况依然存在优化的空间，特别的在煤层硬度较大的时候，水力冲孔造穴设备就显得有些乏力。因此需要一种新型扩孔装备，来解决遇到的问题。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种水力扩孔钻具及扩孔方法，其结构简单，操作方便，在不需要改变扩孔刀长度的情况下，可以适应不同扩孔直径的需求，能够降低瓦斯抽采时间，提高瓦斯抽采效率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种水力扩孔钻具，包括：钻具主体、扩孔齿、堵头，钻具主体为圆柱空腔结构，在其中部设有扩孔槽，扩孔齿安装在钻具主体的扩孔槽内，堵头安装在钻具主体内部。
进一步，钻具主体的外径尺寸与配套钻杆一致，钻具主体的前端为钻头接头，采用圆锥外螺纹与常规钻头配合，其后端为钻杆接头，采用圆锥内螺纹与钻杆外螺纹端配合。
进一步，扩孔齿为锥形结构，呈对称分布，通过旋转销轴固定安装，扩孔齿可绕销轴中心旋转，扩孔齿锥面一侧安装有合金片，在钻具旋转过程中起到切割煤体的作用，扩孔齿的旋转固定端为半齿轮结构，与堵头中传动齿条相配合。
进一步，堵头包括弹簧、密封圈、传动齿条、卡簧、封孔螺钉，弹簧套在堵头小直径一端，密封圈安装在堵头的主体密封槽内，传动齿条对称分布在堵头中部的外侧壁上，封孔螺钉安装在堵头的后端面螺纹孔内，堵头依靠卡簧进行定位，卡簧安装在钻具主体的卡槽内。
进一步，堵头为圆柱空腔结构，前端有出水孔，后端有进水孔和可密封进水孔，堵头侧壁的中部设有扩孔齿出水孔；在堵头外侧对称分布传动齿条(33)，与扩孔齿一端的半齿轮配合运动；可密封进水孔对称圆周分布，根据扩孔水压以及整体机构需要，可通过安装密封螺钉数目来调节运动行程。
如权利要求1到5任一项所述的水力扩孔的扩孔方法，扩孔水压P与扩孔直径D的关系为：
堵头末端横截面积S为：
Figure BDA0003084409880000021
其中，D1为堵头末端直径，d1为末端中心孔直径，d2为密封进水孔直径，n为密封进水孔通水数；
作用在堵头上的作用力F为：
Figure BDA0003084409880000022
堵头前端弹簧运动行程X为：
Figure BDA0003084409880000031
其中，Ff为密封圈与钻具之间的摩擦力，k为弹簧的弹性系数；
对应的传动齿条行程L1为：
Figure BDA0003084409880000032
由于齿轮齿条相互啮合传动，在齿条运动过程中相对应的齿轮旋转角度θ为：
Figure BDA0003084409880000033
其中，r为齿轮分度圆半径，r＝mz/2，m为齿轮模数，z为齿轮全齿数；
在齿轮旋转过程中，扩孔齿逐渐展开，则扩孔直径D理论值为：
Figure BDA0003084409880000034
其中，D2为扩孔钻具外径，L为扩孔齿长度。
本发明的有益效果是：本发明将常规打钻、扩孔合为一体，常规钻孔采用过程中低压水，可对钻杆体进行冷却，保证孔内排粉；扩孔时采用高压水，扩孔齿打开，进行煤体切割。通过水压的转换就能实现钻孔与扩孔一体化，解决了传统设备更换钻头复杂、工人劳动强度大、效率低下等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
在附图中：1-钻具主体、2-扩孔齿、3-堵头、11-钻头接头、12-钻杆接头、21-旋转销轴、31-弹簧、32-密封圈、33-传动齿条、34-卡簧、35-封孔螺钉、311-前端出水孔、312-中间出水孔、313-可密封进水孔、314-主进水孔
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示一种水力扩孔钻具，包括：钻具主体1、扩孔齿2、堵头3，钻具主体1为圆柱空腔结构，在其中部设有扩孔槽，扩孔齿2安装在钻具主体1的扩孔槽内，堵头3安装在钻具主体1内部。
钻具主体1的外径尺寸与配套钻杆一致，钻具主体1的前端为钻头接头11，采用圆锥外螺纹与常规钻头配合，其后端为钻杆接头12，采用圆锥内螺纹与钻杆外螺纹端配合。
扩孔齿2为锥形结构，呈对称分布，通过旋转销轴21固定安装，扩孔齿2可绕销轴21中心旋转，扩孔齿2锥面一侧安装有合金片，在钻具旋转过程中起到切割煤体的作用，扩孔齿2的旋转固定端为半齿轮结构，与堵头3中传动齿条33相配合。
堵头3包括弹簧31、密封圈32、传动齿条33、卡簧34、封孔螺钉35，弹簧31套在堵头小直径一端，密封圈32安装在堵头3的主体密封槽内，传动齿条33对称分布在堵头3中部的外侧壁上，封孔螺钉35安装在堵头3的后端面螺纹孔内，堵头3依靠卡簧34进行定位，卡簧34安装在钻具主体1的卡槽内。
堵头3为圆柱空腔结构，前端有出水孔311，后端有进水孔314和可密封进水孔313，堵头3侧壁的中部设有扩孔齿出水孔312；可密封进水孔313对称圆周分布，根据扩孔水压以及整体机构需要，可通过安装密封螺钉35数目来调节运动行程。
该水力扩孔钻具的工作原理如下：当钻杆内水压逐渐增大后，作用在堵头3末端的压力增大，在克服密封圈32摩擦力以及卡簧34压力作用下堵头3向前运动，直至堵头3前端与钻具主体空腔接触实现密封，此时卡簧34处于压缩状态；由于钻具主体1向前运动，其上面的传动齿条33带动扩孔齿2一端的半齿轮旋转，扩孔齿2展开，实现扩孔；扩孔齿2一端采用半齿轮目的是防止扩孔齿张开角度不大于90度，这样既能保证扩孔直径最大，又便于扩孔齿2的收回。在水压降低后，堵头3的主体在卡簧34回复力作用下向后运动，恢复到卡簧34的限位位置，此时通过传动齿条33传动，扩孔齿2收回。
水力扩孔的扩孔方法如下：
首先根据扩孔需要计算出扩孔直径，其方法如下：
扩孔水压P与扩孔直径D的关系为：
堵头末端横截面积S为：
Figure BDA0003084409880000051
其中，D1为堵头末端直径，d1为末端中心孔直径，d2为密封进水孔直径，n为密封进水孔通水数；
作用在堵头3上的作用力F为：
Figure BDA0003084409880000052
堵头前端卡簧34运动行程X为：
Figure BDA0003084409880000053
其中，Ff为密封圈32与钻具之间的摩擦力，k为卡簧的弹性系数；
对应的传动齿条行程L1为：
Figure BDA0003084409880000054
由于齿轮和传动齿条相互啮合传动，在传动齿条33运动过程中相对应的齿轮旋转角度θ为：
Figure BDA0003084409880000055
其中，r为齿轮分度圆半径，r＝mz/2，m为齿轮模数，z为齿轮全齿数；
在齿轮旋转过程中，扩孔齿逐渐展开，则扩孔直径D理论值为：
Figure BDA0003084409880000056
其中，D2为扩孔钻具外径，L为扩孔齿长度。
在得出上述结果后，进行扩孔阶段：
(1)常规钻进阶段：钻具主体1随着钻杆以及钻头同步运动，此时低压水通过钻杆传到扩孔钻具，从堵头3末端的主进水孔314流经前端出水孔31，进而从钻具主体1前端进入钻头，实现钻头降温、润滑以及钻孔排渣，部分水也会从堵头3中部的扩孔齿出水孔312流出，对常规钻进无影响；
(2)扩孔阶段：在到达扩孔位置后，在钻机末端切换高压水，则堵头3在水压作用下向前运动，其前端压缩卡簧34后密封，传动齿条33随着堵头3运动后，与之啮合的扩孔齿2后端半齿轮随之转动，从而使扩孔齿2张开，随着钻具转动实现扩孔，此时，高压水通过堵头3扩孔齿出水孔312流经扩孔齿2的齿槽，对扩孔齿2进行润滑、降温以及钻孔排渣，在扩孔完成后，切换水压，堵,3在卡簧34作用下恢复初始状态，扩孔齿2也随之收回，扩孔结束。
(3)根据需要，在钻进或者退钻过程中，可重复步骤(2)，实现多次扩孔。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水力扩孔钻具，其特征在于，包括：钻具主体(1)、扩孔齿(2)、堵头(3)，钻具主体(1)为圆柱空腔结构，在其中部设有扩孔槽，扩孔齿(2)安装在钻具主体(1)的扩孔槽内，堵头(3)安装在钻具主体(1)内部。
2.根据权利要求1所述的水力扩孔钻具，其特征在于：钻具主体(1)的外径尺寸与配套钻杆一致，钻具主体(1)的前端为钻头接头(11)，采用圆锥外螺纹与常规钻头配合，其后端为钻杆接头(12)，采用圆锥内螺纹与钻杆外螺纹端配合。
3.根据权利要求1所述的水力扩孔钻具，其特征在于：扩孔齿(2)为锥形结构，呈对称分布，通过旋转销轴(21)固定安装，扩孔齿(2)可绕销轴(21)中心旋转，扩孔齿(2)锥面一侧安装有合金片，扩孔齿(2)的旋转固定端为半齿轮结构，与堵头(3)中传动齿条(33)相配合。
4.根据权利要求1所述的水力扩孔钻具，其特征在于：堵头(3)包括弹簧(31)、密封圈(32)、传动齿条(33)、卡簧(34)、封孔螺钉(35)，弹簧(31)套在堵头小直径一端，密封圈(32)安装在堵头(3)的主体密封槽内，传动齿条(33)对称分布在堵头(3)中部的外侧壁上，封孔螺钉(35)安装在堵头(3)的后端面螺纹孔内，堵头(3)依靠卡簧(34)进行定位，卡簧(34)安装在钻具主体(1)的卡槽内。
5.根据权利要求1所述的水力扩孔钻具，其特征在于：堵头(3)为圆柱空腔结构，前端有出水孔(311)，后端有进水孔(314)和可密封进水孔(313)，堵头(3)侧壁的中部设有扩孔齿出水孔(312)；可密封进水孔(313)对称圆周分布。
6.如权利要求1到5任一项所述的水力扩孔的扩孔方法，其特征在于：扩孔水压P与扩孔直径D的关系为：
堵头末端横截面积S为：
Figure FDA0003084409870000011
其中，D1为堵头末端直径，d1为末端中心孔直径，d2为密封进水孔直径，n为密封进水孔通水数；
作用在堵头上的作用力F为：
Figure FDA0003084409870000021
堵头前端弹簧运动行程X为：
Figure FDA0003084409870000022
其中，Ff为密封圈与钻具之间的摩擦力，k为弹簧的弹性系数；
对应的传动齿条行程L1为：
Figure FDA0003084409870000023
由于齿轮齿条相互啮合传动，在齿条运动过程中相对应的齿轮旋转角度θ为：
Figure FDA0003084409870000024
其中，r为齿轮分度圆半径，r＝mz/2，m为齿轮模数，z为齿轮全齿数；
在齿轮旋转过程中，扩孔齿逐渐展开，则扩孔直径D理论值为：
Figure FDA0003084409870000025
其中，D2为扩孔钻具外径，L为扩孔齿长度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113846971A (zh) * 2021-09-29 2021-12-28 河南能源化工集团研究总院有限公司 一种机械式水力打钻造穴一体化装置及作业方法
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113846971A (zh) * 2021-09-29 2021-12-28 河南能源化工集团研究总院有限公司 一种机械式水力打钻造穴一体化装置及作业方法
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