CN114352207B - 一种液压传动型可变径的pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液压传动型可变径的PDC钻头，包括钻头主体，所述钻头主体的下部形成有若干个沿钻头主体外圆周均匀分布的刀翼、定向喷嘴，每个所述刀翼上布置有若干组牙轮组，每组牙轮组包括若干个牙轮，若干组所述牙轮组沿刀翼的宽度方向间隔排布，其中一组牙轮布置在所述刀翼切削方向的棱边上，所述钻头主体的中心设置有与定向喷嘴连通的中心水管，所述钻头主体的垂向上间隔布置有若干组可变径截割头，能够更加顺利、方便的进行进钻和起钻作业，有效解决了因钻孔缩径导致的钻头卡钻问题以及打钻喷嘴的问题，从而降低钻孔施工发生事故的风险。
Description
技术领域
本说明书涉及钻头探测技术领域，尤其涉及一种液压传动型可变径的PDC钻头。
背景技术
随着煤矿井下钻进技术的快速发展，PDC钻头已广泛应用于瓦斯抽采、注浆加固、探放水等钻探领域。煤矿井下钻遇的地层既包含煤层，又包含有复杂多变的岩层。当钻进结构松散、破碎、易坍塌岩层或煤层时，成孔后易出现钻孔直径变小，即缩径的现象，在提钻时，PDC钻头容易卡在钻孔缩径处，从而发生卡钻事故。目前，针对卡钻事故的处理，多采用强力起拔的方法，但该方法极易导致钻杆断裂，进而发生掉钻事故，并严重影响施工周期，最终造成大量的经济损失。因此，有必要研究一种具有防卡钻功能的PDC钻头，以保证在发生钻孔缩径的情况下，钻头依然能顺利提出孔外，从而解决因钻孔缩径导致的卡钻事故。
除此，在钻进过程中，也时常会发生打钻喷嘴的现象，这是由高压瓦斯、应力集中和软煤三个因素作用的结果。当钻头进入煤层，软煤煤体破裂产生解吸，快速度的解吸使流入钻孔中的瓦斯增加几倍到几十倍。钻孔的前方大量的瓦斯涌出，使钻孔前后出现明显的瓦斯激流，承压的瓦斯激流对破碎的煤颗粒起着粉化、运送的作用，加上钻孔直径较小，瓦斯和粉化了的煤体难以向孔外排出，进一步增加了钻孔内外的瓦斯压力梯度，致使这种涌出变成爆发性的孔口外流，形成喷嘴。目前，主要采用防喷装置来收集喷出的瓦斯、煤粉及钻孔排出的煤渣，再根据三者密度不同，进行浮选实现自动分离，最终达到防喷除尘的作用。但在瓦斯含量较大、喷嘴严重的地点打钻时，存在无法使用防喷装置或使用防喷装置后不能有效防止瓦斯超限的情景。因此，有必要研究一种具有可变径功能的PDC钻头，以保证在发生打钻喷嘴的情况下，钻头依然能顺利提出孔外，从而解决因钻孔缩径导致的卡钻事故。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种液压传动型可变径的PDC钻头及其使用方法，能够解决上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种液压传动型可变径的PDC钻头，包括钻头主体，所述钻头主体的下部形成有若干个沿钻头主体外圆周均匀分布的刀翼、与刀翼对应的若干组定向喷嘴，每个所述刀翼上布置有若干组牙轮组，每组牙轮组包括若干个沿刀翼的轴线方向等间距排布设置的牙轮，若干组所述牙轮组沿刀翼的宽度方向间隔排布，其中一组牙轮布置在所述刀翼切削方向的棱边上，所述钻头主体的中心设置有与定向喷嘴连通的中心水管，所述钻头主体的垂向上间隔布置有若干组可变径截割头，每组可变径截割头包括若干个沿钻头主体外圆周均匀布置的可变径截割头，所述钻头主体上设置有用于控制所有可变径截割头上截割齿同步伸出、缩回的进油管、出油管。
优选地，所述可调节截割头包括与钻头主体固定的缸筒，所述缸筒的两端设置有密封缸盖，所述缸筒内设置有活塞、与活塞固定的活塞杆，所述活塞杆的一端伸出到密封缸盖外部形成有截割齿，所述活塞将缸筒分为左腔体、右腔体，所述密封缸盖上设置有连通左腔体的进油口、连通右腔体的出油口，所述进油口与进油管连通，所述出油口与出油管连通。
优选地，所述密封缸盖与缸筒之间设置有密封圈一，所述活塞与缸筒之间设置有密封圈二。
优选地，所述活塞与密封缸盖之间设置有防尘圈。
优选地，同一组的各可变径截割头上的截割齿在工作时同步伸出或缩回且伸出或缩回的长度相同，若干组可变径截割头在钻头主体上从上到下等间距设置且可变径截割头的截割齿最大伸出长度从上到下朝向刀翼端依次递减。
优选地，每组可变径截割头包括按钻头主体外圆周均匀布置的四个截割头。
优选地，所述四个截割头的进油口通过弧形管道一与进油管连通，所述四个截割头的出油口通过弧形管道二与出油口连通。
优选地，所述刀翼上设置有若干保径齿。
本发明的有益效果在于：
1、本发明在钻头主体沿径向设置了若干组可调节截割头，利用液压传动，能够实现钻头从小变大的扩径，钻头变径后，由多组截割头及牙轮联合作用破岩，能使截割齿的性能大大提高，延长钻头的寿命，提高该钻头的破岩效率。
2、本发明能够在起钻时使钻头的直径缩小，在进行钻探工作时使钻头的直径能增大；能够更加顺利、方便的进行进钻和起钻作业，有效解决因钻孔缩径导致的钻头卡钻问题以及打钻喷嘴的问题，从而降低钻孔施工发生事故的风险。
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为可变径PDC钻头主剖视图；
图2为A组截割头径向分布示意图；
图3为液压截割头工作原理示意图；
图4为液压截割头垂向分布及示意图；
图中，1、钻头主体；2、刀翼；3、牙轮；4、定向喷嘴；5、进油管一；6、进油管二；7、回油管一；8、回油管二；9、液压截割头A1；10、液压截割头A2；11、液压截割头A3；12、液压截割头A4；13、密封缸盖；14、密封圈一； 15、进油口；16、活塞；17、密封圈二；18、缸筒；19、活塞杆；20、出油口；21、防尘圈；22、截割齿；23、中心水管；24、弧形管道一；25、弧形管道二；26、保径齿。
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做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，本实施例提供的一种液压驱动的可变径的PDC钻头，包括钻头主体1、刀翼2，液压截割头A19、液压截割头A210、液压截割头A311、液压截割头A412、中心水管23、液压油管、喷嘴及钻头牙轮。可调节截割头和牙轮具有破岩功能。刀翼2沿钻头主体1外圆周均匀布置，每个刀翼2下端均设置有若干保径齿26，且每个刀翼2上布设有多组牙轮3，多组牙轮3沿刀翼2的宽度方向等间距排布，且每组牙轮3中的牙轮3沿刀翼2的轴线方向均匀间隔排布，其中一组牙轮3位于刀翼2切削方向的棱边上，使钻头的切削效率更高。
本实例的液压油管、喷嘴、钻头牙轮、刀翼2、保径齿26采用本领域技术人员所熟知的现有结构，在此不再作详细描述。
所述钻头主体1上还设有多组定向喷嘴4，每组定向喷嘴4的进口端均与钻头主体1上的中心水管23连通，从而无需单独设计多个定向喷嘴4的进入通道；所述定向喷嘴4的组数与刀翼2的数量相等，使每个刀翼2对应一组定向喷嘴4，且每组定向喷嘴4与对应刀翼2上的牙轮3对应，使通过定向喷嘴4定向喷出的泥浆可直接精准喷射到牙轮3切屑岩石的齿尖部位上，使牙轮3在对岩石进行切削的同时可瞬时降温冷却，能使牙轮3的性能大大提高，延长钻头的寿命，提高单只钻头的进尺，提高钻头的破岩效率。
如图3所示，所述沿钻头主体1垂向还设有若干组可变径截割头，按活塞杆19的最大伸缩量从大到小，自上而下编号为A、B、C…当钻头变径时，破岩工作承担对象由刀翼2承担转移到截割头C组，再经B组转移到A组，最后破岩工作由牙轮3和截割齿22共同完成。每组可变径截割头沿沿钻头主体1圆周方向均匀设置4个液压截割头，如图2所示，A组液压截割头按逆时针方向编号分别为A1、A2、A3和A4；液压截割头A1和液压截割头A2，由进油管一5和回油管一7协同管控液压动力，液压截割头A1和液压截割头A2的进油口由弧形管道一24与进油管一5相连，液压截割头A1和液压截割头A2的出油口由弧形管道二25与回油管一7相连；液压截割头A3和液压截割头由进油管二6和回油管二8协同管控液压动力，油路管道布置与液压截割头A1和液压截割头A2的油路管道沿沿钻头主体1中心线对称布置。
如图4所示，所述可调节截割头包括密封缸盖13、密封圈一14和密封圈二17、进油口15、活塞16、缸筒18、活塞杆19、出油口20、防尘圈21、截割齿22，所述缸筒18的两端设置有密封缸盖13，所述缸筒18内设置有活塞16、与活塞16固定的活塞杆19，所述活塞杆19的一端伸出到密封缸盖13外部形成有截割齿22，所述活塞16将缸筒18分为左腔体、右腔体，所述密封缸盖13上设置有连通左腔体的进油口15、连通右腔体的出油口20，所述进油口15与进油管连通，所述出油口20与出油管连通。所述密封缸盖13与缸筒18之间设置有密封圈一14，所述活塞16与缸筒18之间设置有密封圈二17。所述活塞16与密封缸盖13之间设置有防尘圈21；其工作原理为：当压力液体经进油口15进入缸筒，推动活塞16向右运动，活塞杆19向外伸出，带动截割齿22向外伸出进行工作，此时油缸右腔的低压油液经出油口20进入回油管道流回泵站；反之，当压力液体经回油管道进入缸筒时，推动活塞16向左运动，活塞杆19缩回，带动截割齿22收回，此时油缸左腔的低压油液经进油口、弧形连接管回油管道流回泵站。
本实例的泵站为本领域技术人员说熟知的现有的液压油泵站，用于为可调节截割头提供液压油，在此不再作具体描述。
本实施例在钻头主体沿径向设置了若干组可调节截割头，利用液压传动，能够实现钻头从小变大的扩径，钻头变径后，由多组截割头及牙轮联合作用破岩，能使截割齿的性能大大提高，延长钻头的寿命，提高该钻头的破岩效率。
本实施例能够在起钻时使钻头的直径缩小，在进行钻探工作时使钻头的直径能增大；能够更加顺利、方便的进行进钻和起钻作业，有效解决因钻孔缩径导致的钻头卡钻问题以及打钻喷嘴的问题，从而降低钻孔施工发生事故的风险。
显然，本领域的技术人员可以明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种液压传动型可变径的PDC钻头，其特征在于，包括钻头主体（1），所述钻头主体（1）的下部形成有若干个沿钻头主体（1）外圆周均匀分布的刀翼（2）、与刀翼（2）对应的若干组定向喷嘴（4），每个所述刀翼（2）上布置有若干组牙轮组，每组牙轮组包括若干个沿刀翼（2）的轴线方向等间距排布设置的牙轮（3），若干组所述牙轮组沿刀翼（2）的宽度方向间隔排布，其中一组牙轮布置在所述刀翼（2）切削方向的棱边上，所述钻头主体（1）的中心设置有与定向喷嘴（4）连通的中心水管（23），所述钻头主体（1）的垂向上间隔布置有若干组可变径截割头，每组可变径截割头包括若干个沿钻头主体（1）外圆周均匀布置的可变径截割头，所述钻头主体（1）上设置有用于控制所有可变径截割头上截割齿（22）同步伸出、缩回的进油管、出油管。
2.如权利要求1所述的一种液压传动型可变径的PDC钻头，其特征在于，所述可变径截割头包括与钻头主体（1）固定的缸筒（18），所述缸筒（18）的两端设置有密封缸盖（13），所述缸筒（18）内设置有活塞（16）、与活塞（16）固定的活塞杆（19），所述活塞杆（19）的一端伸出到密封缸盖（13）外部形成有截割齿（22），所述活塞（16）将缸筒（18）分为左腔体、右腔体，所述密封缸盖（13）上设置有连通左腔体的进油口（15）、连通右腔体的出油口（20），所述进油口（15）与进油管连通，所述出油口（20）与出油管连通。
3.如权利要求2所述的一种液压传动型可变径的PDC钻头，其特征在于，所述密封缸盖（13）与缸筒（18）之间设置有密封圈一（14），所述活塞（16）与缸筒（18）之间设置有密封圈二（17）。
4.如权利要求2所述的一种液压传动型可变径的PDC钻头，其特征在于，所述活塞（16）与密封缸盖（13）之间设置有防尘圈（21）。
5.如权利要求1所述的一种液压传动型可变径的PDC钻头，其特征在于，同一组的各可变径截割头上的截割齿（22）在工作时同步伸出或缩回且伸出或缩回的长度相同，若干组可变径截割头在钻头主体（1）上从上到下等间距设置且可变径截割头的截割齿（22）最大伸出长度从上到下朝向刀翼（2）端依次递减。
6.如权利要求1所述的一种液压传动型可变径的PDC钻头，其特征在于，每组可变径截割头包括按钻头主体（1）外圆周均匀布置的四个截割头。
7.如权利要求6所述的一种液压传动型可变径的PDC钻头，其特征在于，所述四个截割头的进油口通过弧形管道一与进油管连通，所述四个截割头的出油口通过弧形管道二与出油口连通。
8.如权利要求1所述的一种液压传动型可变径的PDC钻头，其特征在于，所述刀翼（2）上设置有若干保径齿（26）。
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