CN113389494B - 一种可变径式保直钻具组合及成孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可变径式保直钻具组合及成孔方法，包括可变径扶正器、下部钻杆和变径扩孔钻头，变径扩孔钻头包括钻头体以及沿钻头体周向均布的多个刀翼组件且刀翼组件设在钻头体外壁的凹槽I内；可变径扶正器包括管体以及沿管体周向均布的多个扶正组件且扶正组件设在管体外壁的凹槽II内。成孔过程中，钻具的径向支撑力由钻机给进力提供，钻机起拔过程中钻具组合外径缩小便于通过缩径、塌孔段，有效解决起钻困难和卡、埋钻风险。

Description

一种可变径式保直钻具组合及成孔方法

技术领域

本发明属于煤矿坑道钻探技术领域，具体涉及一种可变径式保直钻具组合及成孔方法。

背景技术

煤矿坑道钻探施工中，针对煤层瓦斯抽放孔和探放水孔等目标层位精准施钻可大幅提高钻孔效率，在普通钻孔施工过程中使用扶正器和平底钻头是提高钻孔直线度的有效措施。然而在缩径、易塌孔不规则和软煤钻孔等施工应用中，常规钻具在通过缩径、塌孔段后由于孔径变化易导致提钻困难，钻具在提钻过程中存在卡钻和埋钻的风险。

近年来，针对保直钻具以及成孔方法研究提出了一些可变径扶正器，专利号CN10578443提供了一种可变径扶正器，该结构的扶正器在扶正条径向安装了弹性装置，使得扶正器的外径可以沿弹簧变化；专利号CN 2809192 Y提供了一种八臂滚轮扶正器，该扶正器设计有左右支撑臂和滚轮，左右支撑臂两端设有可移动连杆，两端设有轴向弹簧和弹簧座，由滚轮与孔壁接触来控制张开与闭合。

这类专利，在缩径、塌孔或大肚子等不规则井眼中起到较好的扶正效果，但扶正器径向支撑力由弹性装置提供，刚性不足使得扶正器扫孔、俢磨、扶正效果均不佳，保直钻进效果存在局限性。因此，发明一种新型可变径保直钻具及成孔方法具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种可变径式保直钻具组合及成孔方法，保直钻具组合包括可变径扶正器、钻杆和变径扩孔钻头，成孔过程中，钻具的径向支撑力由钻机给进力提供，钻机起拔过程中钻具组合系统外径缩小便于通过缩径、塌孔段，有效解决起钻困难和卡、埋钻风险。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种可变径式保直钻具组合，包括依次相连的变径扩孔钻头、下部钻杆、可变径扶正器及钻杆；

所述变径扩孔钻头包括钻头体以及沿钻头体周向均布的多个刀翼组件且刀翼组件设在钻头体外壁的凹槽I内；钻头体包括相互插接的钻头刚体和钻头冠部，在钻头刚体端部设有凹槽IA，钻头冠部端部设有凹槽IB，凹槽IA和凹槽IB连通为轴向的凹槽I；刀翼组件包括铰接在凹槽IA内的连杆I和铰接在凹槽IB内的扩孔刀翼且连杆I与扩孔刀翼铰接；钻头刚体和钻头冠部轴向插接能使连杆I和扩孔刀翼被推至张开，轴向分离钻头刚体和钻头冠部能将连杆I和扩孔刀翼拉至凹槽I内；

所述可变径扶正器包括管体以及沿管体周向均布的多个扶正组件且扶正组件设在管体外壁的凹槽II内；管体包括相互插接的上管体和下管体，在上管体端部设有凹槽IIA，下管体端部设有凹槽IIB，凹槽IIA和凹槽IIB连通为轴向的凹槽II；扶正组件包括铰接在凹槽IIA内的连杆II、铰接在凹槽IIB内的连杆III以及铰接在连杆II和连杆III之间的扶正条；上管体和下管体轴向插接能将扶正条推至伸出，轴向分离上管体和下管体能将扶正条拉至凹槽II内。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述钻头刚体一端与下部钻杆同轴连接，钻头刚体另一端设有轴向的六方轴；钻头冠部的一端设有钻头刀翼，钻头冠部另一端设有轴向的六方槽；六方轴配合安装在六方槽内以传递扭矩。

具体的，所述刀翼组件有三组，三组刀翼组件对应安装在三个凹槽I内。

具体的，所述上管体和下管体中心为中心通道；上管体一端与钻杆同轴相连，上管体另一端设有六方凹槽；下管体一端与下部钻杆相连，下管体另一端设有六方传扭轴；六方传扭轴配合安装在六方凹槽内且上管体和下管体能相互轴向移动。

具体的，所述六方凹槽的槽底和六方传扭轴的端部之间设有轴向弹簧以将上管体和下管体轴向分离至扶正组件收至凹槽II内。

具体的，所述扶正条所对的上管体侧壁和下管体侧壁上均设有一个能径向移动的活塞；活塞一端顶着扶正条，活塞另一端连通中心通道。

具体的，所述扶正条上焊接有两排聚晶。

具体的，所述扶正组件有三组，三组扶正组件对应安装在三个凹槽II内。

具体的，所述扩孔刀翼张开的最大直径与扶正条伸出的最大直径相同。

一种可变径式保直钻具组合的成孔方法，该方法通过所述的钻具组合实现；包括以下步骤：

步骤1，水平钻孔开孔后，下部钻杆连接变径扩孔钻头，扩孔刀翼在钻机给进压力作用下张开，进行扩孔钻进；

步骤2，开孔约2米后在钻机夹持器与前端钻杆连接第1个可变径扶正器，可变径扶正器在轴向弹簧的作用下保持收回状态，可顺利通过夹持器，在可变径扶正器后端再接上钻杆；

步骤3，在钻孔前10米间距内安装3～4个可变径扶正器，钻机给进压力作用下可变径扶正器的扶正条伸出以在进行扩孔钻进时达到扶正保直效果；

步骤4，钻孔施工完成后，缓慢起拔并回转钻具，由于钻孔孔壁阻力使得可变径扶正器和变径扩孔钻头外径尺寸均缩小，可顺利通过卡瓦夹持器回收钻具。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明提出的可变径式保直钻具组合及其成孔方法，可以根据孔内实际孔径状况，最大限度的适应缩径或塌孔等不规则孔段的孔径变化。成孔过程中，通过连杆结构使得钻机给进力转换为钻具变径的动力，有效保证钻孔的扶正保直效果。提钻时，通过钻具变径，在塌孔、缩径钻孔内能顺利提出孔底钻具。本发明结构简单易操作，性能可靠。

附图说明

图1为本发明的保直钻具组合的示意图；

图2为本发明的保直钻具组合的示意图；

图3为本发明的变径扩孔钻头半剖视图；

图4为本发明的可变径扶正器剖视图；

图5为本发明的扶正器下管体结构示意图；

图6为本发明的扶正器上管体结构示意图。

附图标记含义：

1.变径扩孔钻头，2.下部钻杆，3.可变径扶正器，4.钻杆；

101.钻头刚体，102.钻头冠部，103.凹槽IA，104.凹槽IB，105.连杆I，106.扩孔刀翼，107.钻头刀翼，301.上管体，302.下管体，303.凹槽IIA，304.凹槽IIB，305.连杆II，306.连杆III，307.扶正条，308.六方凹槽，309.六方传扭轴，310.轴向弹簧，311.活塞。

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：

本实施例提供一种可变径式保直钻具组合，如图1和图2所示，包括依次相连的变径扩孔钻头1、下部钻杆2、可变径扶正器3及钻杆4。

如图3变径扩孔钻头1包括钻头体以及沿钻头体周向均布的多个刀翼组件且刀翼组件设在钻头体外壁的凹槽I内；钻头体包括相互插接的钻头刚体101和钻头冠部102，在钻头刚体101端部设有凹槽IA103，钻头冠部102端部设有凹槽IB104，凹槽IA103和凹槽IB104连通为轴向的凹槽I；刀翼组件包括铰接在凹槽IA103内的连杆I105和铰接在凹槽IB104内的扩孔刀翼106且连杆I105与扩孔刀翼106铰接；钻头刚体101和钻头冠部102轴向插接能使连杆I105和扩孔刀翼106被推至张开，轴向分离钻头刚体101和钻头冠部102能将连杆I105和扩孔刀翼106拉至凹槽I内；其中图1为变径扩孔钻头1的扩孔刀翼106张开伸出状态，图2为变径扩孔钻头1的扩孔刀翼106闭合收回状态。

如图4至图6所示，可变径扶正器3包括管体以及沿管体周向均布的多个扶正组件且扶正组件设在管体外壁的凹槽II内；管体包括相互插接的上管体301和下管体302，在上管体301端部设有凹槽IIA303，下管体302端部设有凹槽IIB304，凹槽IIA303和凹槽IIB304连通为轴向的凹槽II；扶正组件包括铰接在凹槽IIA303内的连杆II305、铰接在凹槽IIB304内的连杆III306以及铰接在连杆II305和连杆III306之间的扶正条307；上管体301和下管体302轴向插接能将扶正条307推至伸出，轴向分离上管体301和下管体302能将扶正条307拉至凹槽II内。其中图1为可变径扶正器3的扶正条307张开伸出状态；图2为可变径扶正器3的扶正条307闭合收回状态。

钻头刚体101一端与下部钻杆2同轴连接，钻头刚体101另一端设有轴向的六方轴；钻头冠部102的一端设有钻头刀翼107，钻头冠部102另一端设有轴向的六方槽；六方轴配合安装在六方槽内以传递扭矩。

本实施例中刀翼组件有三组，三组刀翼组件对应安装在三个凹槽I内；其他实施例中可以根据实际工作需要设置不同数据的刀翼组件都能达到本方案的效果。

上管体301和下管体302中心为中心通道；上管体301一端与钻杆4同轴相连，上管体301另一端设有六方凹槽308；下管体302一端与下部钻杆2相连，下管体302另一端设有六方传扭轴309；六方传扭轴309配合安装在六方凹槽308内且上管体301和下管体302能相互轴向移动；六方结构保证上管体和下管体之间传递扭矩。

六方凹槽308的槽底和六方传扭轴309的端部之间设有轴向弹簧310以将上管体301和下管体302轴向分离至扶正组件收至凹槽II内。

扶正条307所对的上管体301侧壁和下管体302侧壁上均设有一个能径向移动的活塞311；活塞311一端顶着扶正条307，活塞311另一端连通中心通道；本实施例中的活塞为柱式活塞，通过控制中心通道的冲洗液流量可将活塞调整为顶出或缩回两种状态。

扶正条307上焊接有两排聚晶；本实施例中，该聚晶为φ8聚晶。更具体的，扶正组件分为三段式结构，第一段即连杆II与上管体通过销轴连接，第二段即扶正条铣有切削齿窝，用于镶焊聚晶硬质相切削齿，与钻孔孔壁接触，第三段即连杆III与下管体通过销轴连接，三者形成连杆结构。

本实施例中，扶正组件有三组，三组扶正组件对应安装在三个凹槽II内；在其他实施例中，可以根据实际需要设置其他数量的扶正组件都到本方案的效果。

扩孔刀翼106张开的最大直径与扶正条307伸出的最大直径相同。

可变径扶正器、变径扩孔钻头在提钻状态下外径与钻杆一致，在钻进过程中可变径扶正器和变径扩孔钻头外径张开保直，变径扩孔钻头和可变径扶正器与孔壁直接接触。

在其他实施例中，可变径保直钻具中，前端为1只变径扩孔钻头，中段为可变径扶正器与钻杆交替连接，共使用3-4个可变径扶正器实现保直。

实施例2：

本实施例提供一种可变径式保直钻具组合的成孔方法，该方法通过实施例1的钻具组合实现；包括以下步骤：

步骤1，水平钻孔开孔后，下部钻杆连接变径扩孔钻头，打开冲洗液泵，扩孔刀翼在钻机给进压力作用下张开，进行扩孔钻进；

步骤2，开孔约2米后在钻机夹持器与前端钻杆连接第1个可变径扶正器，可变径扶正器在轴向弹簧的作用下保持收回状态，可顺利通过夹持器，在可变径扶正器后端再接上钻杆；一般的变径扩孔钻头与可变径扶正器中间间隔1-2m。

步骤3，在钻孔前10米间距内安装3～4个可变径扶正器，钻机给进压力作用下可变径扶正器的扶正条伸出以在进行扩孔钻进时达到扶正保直效果；通过控制中心通道的冲洗液流量也可将活塞调整为顶出或缩回两种状态。

步骤4，钻孔施工完成后，缓慢起拔并回转钻具，由于钻孔孔壁阻力使得可变径扶正器和变径扩孔钻头外径尺寸均缩小，可顺利通过卡瓦夹持器回收钻具。

Claims (7)

1.一种可变径式保直钻具组合，其特征在于，包括依次相连的变径扩孔钻头（1）、下部钻杆（2）、可变径扶正器（3）及钻杆（4）；

所述变径扩孔钻头（1）包括钻头体以及沿钻头体周向均布的多个刀翼组件且刀翼组件设在钻头体外壁的凹槽I内；钻头体包括相互插接的钻头刚体（101）和钻头冠部（102），在钻头刚体（101）端部设有凹槽IA（103），钻头冠部（102）端部设有凹槽IB（104），凹槽IA（103）和凹槽IB（104）连通为轴向的凹槽I；刀翼组件包括铰接在凹槽IA（103）内的连杆I（105）和铰接在凹槽IB（104）内的扩孔刀翼（106）且连杆I（105）与扩孔刀翼（106）铰接；钻头刚体（101）和钻头冠部（102）轴向插接能使连杆I（105）和扩孔刀翼（106）被推至张开，轴向分离钻头刚体（101）和钻头冠部（102）能将连杆I（105）和扩孔刀翼（106）拉至凹槽I内；

所述可变径扶正器（3）包括管体以及沿管体周向均布的多个扶正组件且扶正组件设在管体外壁的凹槽II内；管体包括相互插接的上管体（301）和下管体（302），在上管体（301）端部设有凹槽IIA（303），下管体（302）端部设有凹槽IIB（304），凹槽IIA（303）和凹槽IIB（304）连通为轴向的凹槽II；扶正组件包括铰接在凹槽IIA（303）内的连杆II（305）、铰接在凹槽IIB（304）内的连杆III（306）以及铰接在连杆II（305）和连杆III（306）之间的扶正条（307）；上管体（301）和下管体（302）轴向插接能将扶正条（307）推至伸出，轴向分离上管体（301）和下管体（302）能将扶正条（307）拉至凹槽II内；

所述钻头刚体（101）一端与下部钻杆（2）同轴连接，钻头刚体（101）另一端设有轴向的六方轴；钻头冠部（102）的一端设有钻头刀翼（107），钻头冠部（102）另一端设有轴向的六方槽；六方轴配合安装在六方槽内以传递扭矩；

所述上管体（301）和下管体（302）中心为中心通道；上管体（301）一端与钻杆（4）同轴相连，上管体（301）另一端设有六方凹槽（308）；下管体（302）一端与下部钻杆（2）相连，下管体（302）另一端设有六方传扭轴（309）；六方传扭轴（309）配合安装在六方凹槽（308）内且上管体（301）和下管体（302）能相互轴向移动；

所述六方凹槽（308）的槽底和六方传扭轴（309）的端部之间设有轴向弹簧（310）以将上管体（301）和下管体（302）轴向分离至扶正组件收至凹槽II内。

2.如权利要求1所述的可变径式保直钻具组合，其特征在于，所述刀翼组件有三组，三组刀翼组件对应安装在三个凹槽I内。

3.如权利要求1所述的可变径式保直钻具组合，其特征在于，所述扶正条（307）所对的上管体（301）侧壁和下管体（302）侧壁上均设有一个能径向移动的活塞（311）；活塞（311）一端顶着扶正条（307），活塞（311）另一端连通中心通道。

4.如权利要求1所述的可变径式保直钻具组合，其特征在于，所述扶正条（307）上焊接有两排聚晶。

5.如权利要求1所述的可变径式保直钻具组合，其特征在于，所述扶正组件有三组，三组扶正组件对应安装在三个凹槽II内。

6.如权利要求1所述的可变径式保直钻具组合，其特征在于，所述扩孔刀翼（106）张开的最大直径与扶正条（307）伸出的最大直径相同。

7.一种可变径式保直钻具组合的成孔方法，其特征在于，该方法通过权利要求1至6任一权利要求所述的钻具组合实现；包括以下步骤：

步骤1，水平钻孔开孔后，下部钻杆连接变径扩孔钻头，扩孔刀翼在钻机给进压力作用下张开，进行扩孔钻进；

步骤2，开孔2米后在钻机夹持器与前端钻杆连接第1个可变径扶正器，可变径扶正器在轴向弹簧的作用下保持收回状态，可顺利通过夹持器，在可变径扶正器后端再接上钻杆；

步骤3，在钻孔前10米间距内安装3～4个可变径扶正器，钻机给进压力作用下可变径扶正器的扶正条伸出以在进行扩孔钻进时达到扶正保直效果；

步骤4，钻孔施工完成后，缓慢起拔并回转钻具，由于钻孔孔壁阻力使得可变径扶正器和变径扩孔钻头外径尺寸均缩小，可顺利通过卡瓦夹持器回收钻具。