CN116220560A - 一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，涉及煤矿用设备技术领域，包括传动杆和扩孔钻头，扩孔钻头固定安装在传动杆上，扩孔钻头包括扩孔刀盘，扩孔刀盘上旋转安装有第一刀架和第二刀架并安装有齿轮，扩孔刀盘内旋转安装调节支架和调节转盘，调节支架和调节转盘上固定装有齿轮盘，扩孔刀盘上旋转安装有传动齿轮；本发明设有排泥杆，排泥杆上固定安装的排泥键在钻进的过程中解决了泥包钻头的问题；本发明设有连接杆和调节杆，通过连接杆实现了调节超前钻头和扩孔钻头之间的距离，便于突破难以钻进的岩层；本发明设有第二刀架，第二刀架上安装两种不同的刀具，在钻进到新的岩层时可以切换到合适的刀具。

Description

一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具

技术领域

本发明涉及煤矿用设备技术领域，特别涉及一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具。

背景技术

资源和能源是人类生存与发展的两个重要基础支柱，也是人类文明进步的动力。随着我国宏观经济结构转型和供给侧结构性改革的政策调控，中部和东部地区的煤炭资源开采由浅部地层逐渐向深部地层延伸，同时煤炭资源开发战略目标早已向西部矿区转移；目前，在深厚含水或不稳定地层中最可靠的特殊凿井方法只有钻井法和冻结法，且钻井法与冻结法相比具有：机械化、自动化程度高；地面作业，作业环境好，安全性高；井壁地面预制，成井井壁质量好；对地层适宜性强，工期缩短，造价低；钻井法机械化程度高、钻进自动控制、井下无人的优势，因此，在西部煤炭资源开发过程中，利用钻井法施工对推动西部矿区井筒建设的无人化、机械化和智能化的发展具有重要意义。尽管钻井法与冻结法相比优点突出，但其综合成井速度相比与冻结法较低，钻井速度低主要原因在于，破岩难、刀具磨损严重，反复提钻，以及在以往施工出现的泥包钻头严重等问题。

公告号为CN217001643U的中国实用新型专利公开了一种大孔径用竖井钻头，该实用新型包括中心体、刀盘体A和刀盘体B，在中心体的前后面上分别固定有刀盘体A，在中心体的左右面上分别固定有刀盘体B，两块刀盘体A、两块刀盘体B和中心体组合呈外圆面为圆形，两块刀盘体A、两块刀盘体B和中心体的上面均布有多个滚刀组件，在刀盘体A和刀盘体B的外边缘处均设有流渣槽；该实用新型中心体的平顶面上均布有多个导流板组件，能够使岩渣沿固定方向及轨迹以较快速度流出，设置流渣槽，能有效避免刀盘背面积渣。

该实用新型虽然解决了钻进时的排渣以及刀背堆积岩渣的问题，但该实用新型在对粘性较大的岩层进行钻进时，无法解决泥包钻头的问题，同时该实用新型只能对单一的岩层进行钻井工作，在遇到多种岩层交错的地形时需要经常更换钻头上的刀具，影响了钻井的效率。

基于此本发明提供了一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具。

发明内容

针对上述技术问题本发明提供了一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，包括传动杆和扩孔钻头，扩孔钻头固定安装在传动杆上，其特征在于，所述扩孔钻头包括扩孔刀盘，扩孔刀盘上设有圆弧滑槽，扩孔刀盘上旋转安装有第一刀架和第二刀架，第一刀架和第二刀架上固定安装有齿轮，扩孔刀盘内旋转安装有第一调节环、第二调节环、第三调节环、第四调节环、第五调节环和第六调节环，其中第一调节环、第二调节环和第五调节环结构相同并固定装有齿条，第三调节环和第六调节环结构相同并固定装有齿条，扩孔刀盘内旋转安装调节支架和调节转盘，调节转盘上装有齿条，调节支架和调节转盘上固定装有齿轮盘，扩孔刀盘上旋转安装有传动齿轮，调节支架和调节转盘上的齿轮盘与传动齿轮啮合，调节支架与第一调节环、第二调节环和第三调节环固定连接，调节转盘与第四调节环、第五调节环和第六调节环固定连接。

进一步地，所述第一刀架和第二刀架上的齿轮分别与第一调节环、第二调节环、第三调节环、第五调节环、第六调节环和调节转盘上的齿条啮合。

进一步地，所述第二刀架上旋转安装有第一扩孔刀具和第二扩孔刀具，第一刀架上旋转安装有第三扩孔刀具。

进一步地，所述扩孔刀盘内设有螺纹，扩孔刀盘上设有滑槽，扩孔刀盘内丝杆配装配有连接杆，连接杆上设有螺纹，连接杆上设有滑槽，扩孔刀盘的滑槽内滑动安装有调节杆，调节杆上设有限位键。

进一步地，所述连接杆上固定安装有超前钻头，超前钻头包括钻孔刀盘，钻孔刀盘上旋转安装有钻孔刀具，钻孔刀盘上旋转安装有排泥杆，钻孔刀盘上固定安装有排泥板，排泥杆上固定安装有排泥键。

进一步地，所述传动杆上固定安装有驱动系统，驱动系统包括固定框架，固定框架固定安装在传动杆上，固定框架上固定安装有第一电机和第二电机，第一电机和第二电机上装有齿轮，固定框架上固定安装有第三电机，第三电机上装有螺杆。

进一步地，所述调节杆上固定安装有齿条，第三电机上的螺杆与调节杆上的齿条蜗杆配合。

进一步地，所述调节支架上固定安装有空心齿轮，调节支架上的空心齿轮与第二电机上的齿轮啮合。

进一步地，所述传动杆内旋转安装有调节齿轮，调节齿轮与连接杆滑动配合，调节齿轮与第一电机上的齿轮啮合。

本发明与现有技术相比的有益效果是：（1）本发明通过超前钻头和扩孔钻头分别进行钻孔引导和扩孔，实现了“一钻成井”提高了钻井效率，同时不再需要工作人员下井，提高了工作的安全性；（2）本发明设有排泥杆，排泥杆上固定安装的排泥键在钻进的过程中解决了泥包钻头的问题，进一步提升了钻井效率；（3）本发明设有连接杆和调节杆，通过连接杆实现了调节超前钻头和扩孔钻头之间的距离，便于突破难以钻进的岩层，同时通过调节杆可以对连接杆和扩孔钻头之间的旋转进行锁定，防止连接杆在不需要调节时因外界因素转动；（4）本发明设有第二刀架，第二刀架上可以安装两种不同的刀具，在钻进到新的岩层时可以切换到合适的刀具，避免了更换刀具需要将设备抬升至地表的麻烦。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明半剖结构示意图。

图3为本发明局部剖视结构示意图。

图4为本发明固定框架与传动杆装配结构示意图。

图5为本发明调节环装配顶部结构示意图。

图6为本发明调节环装配底部结构示意图。

图7为本发明超前钻头结构示意图。

图8为图1中A1处放大结构示意图。

图9为图7中B1处放大结构示意图。

图10为图6中C1处放大结构示意图。

图11为图4中D1处放大结构示意图。

图12为图2中E1处放大结构示意图。

图13为本发明排泥杆结构示意图。

图14为本发明第二刀架结构示意图。

图15为本发明第一刀架结构示意图。

图16为本发明第一调节环结构示意图。

图17为本发明第四调节环结构示意图。

图18为本发明第三调节环结构示意图。

图19为本发明调节转盘结构示意图。

附图标记：1-传动杆；2-驱动系统；3-扩孔钻头；4-连接杆；5-超前钻头；6-调节齿轮；7-调节杆；201-固定框架；202-第一电机；203-第二电机；204-第三电机；301-扩孔刀盘；302-第一刀架；303-第一调节环；304-第二刀架；305-第一扩孔刀具；306-第二扩孔刀具；307-调节支架；308-传动齿轮；309-第二调节环；310-第三调节环；311-第四调节环；312-第五调节环；313-第六调节环；314-调节转盘；315-第三扩孔刀具；501-钻孔刀盘；502-钻孔刀具；503-排泥杆；504-排泥板；505-排泥键。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明所提供的技术方案。

如图1～图19所示，一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，包括传动杆1和扩孔钻头3，传动杆1上固定安装有驱动系统2，扩孔钻头3包括扩孔刀盘301，扩孔刀盘301内设有螺纹，扩孔刀盘301内丝杆装配有连接杆4，连接杆4上固定安装有超前钻头5，驱动系统2包括固定框架201，固定框架201固定安装在传动杆1上，固定框架201上固定安装有第一电机202和第二电机203，第一电机202和第二电机203上固定装有齿轮，传动杆1内旋转安装有调节齿轮6，调节齿轮6与第一电机202上的齿轮啮合，调节齿轮6与连接杆4滑动配合，通过第一电机202旋转带动调节齿轮6转动，调节齿轮6转动带动连接杆4在扩孔刀盘301内旋转，连接杆4在扩孔刀盘301内旋转时可以调节超前钻头5与扩孔钻头3之间的距离，通过超前钻头5对岩层进行初步的钻孔并进行方向引导，随后通过扩孔钻头3对超前钻头5钻出的井孔进行扩展及稳固井壁，实现了“一钻成井”提高了钻井效率，且不再需要工作人员进行下井操作，提高了工作的安全性，在超前钻头5和扩孔钻头3之间的距离被延长时，超前钻头5和扩孔钻头3上承受的压力将会集中到超前钻头5上，进而帮助超前钻头5突破难以钻进的岩层，在超前钻头5和扩孔钻头3之间的距离被缩短时，超前钻头5和扩孔钻头3上承受的压力将会集中到扩孔钻头3上，进而帮助扩孔钻头3突破难以钻进的岩层，用于解决设备在钻进的过程中，遇到较难钻进的岩层时通过调节超前钻头5和扩孔钻头3之间的距离，将压力集中到其中一个钻头，进而使钻头可以突破阻碍顺利进行后续的钻进工作。

如图1～图19所示，驱动系统2包括第三电机204，第三电机204固定安装在固定框架201上，第三电机204上固定装有螺纹杆，扩孔刀盘301内设有滑槽，扩孔刀盘301的滑槽内滑动安装有调节杆7，调节杆7上设有限位键，调节杆7上的限位键可与扩孔刀盘301内的螺纹进行衔接，连接杆4上设有滑槽，调节杆7上的限位键与连接杆4上的滑槽滑动配合，调节杆7上固定安装有齿条，调节杆7上的齿条与第三电机204上的螺纹杆蜗杆配合，启动第三电机204通过第三电机204上的螺纹杆带动调节杆7在扩孔刀盘301内滑动，可以在需要调节超前钻头5和扩孔钻头3之间的间距时，使连接杆4可以在扩孔刀盘301内旋转，在完成间距的调节时通过调节杆7上的限位键与连接杆4上的滑槽配合，固定连接杆4使其不能在扩孔刀盘301内进行转动，便于固定超前钻头5和扩孔钻头3之间的距离，并使在进行钻进时超前钻头5不会因为与岩面的摩擦在扩孔刀盘301内旋转导致无法钻进。

如图1～图19所示，扩孔刀盘301上设有多条圆弧滑槽，每条圆弧滑槽的直径不同，每条圆弧滑槽内旋转安装有两个第一刀架302，第一刀架302上旋转安装有第三扩孔刀具315，每条圆弧滑槽内分别旋转安装多个第二刀架304，第二刀架304上旋转安装有第一扩孔刀具305和第二扩孔刀具306，第一扩孔刀具305、第二扩孔刀具306和第三扩孔刀具315上固定装有齿轮，第一扩孔刀具305和第二扩孔刀具306用于对不同的岩层进行钻进，避免钻进时使用的钻头不适合当前的岩层导致钻进困难或对钻头的磨损严重。

如图1～图19所示，扩孔刀盘301内旋转安装有第一调节环303、第二调节环309、第三调节环310、第四调节环311、第五调节环312、第六调节环313和调节转盘314，第一调节环303、第二调节环309、第三调节环310、第五调节环312、第六调节环313和调节转盘314上设有齿条分别与第一刀架302和第二刀架304上的齿轮啮合，第一调节环303、第二调节环309和第五调节环312结构相同，第三调节环310和第六调节环313结构相同，第一调节环303、第二调节环309、第三调节环310、第四调节环311、第五调节环312和第六调节环313上设有挡泥板与扩孔刀盘301上的圆弧滑槽滑动配合，用于在钻进过程中防止碎石或岩泥进入到第一刀架302和第二刀架304旋转所需要的空间内，导致无法正常切换刀具。

如图1～图19所示，调节转盘314与第四调节环311、第五调节环312和第六调节环313固定连接，扩孔刀盘301上旋转安装有传动齿轮308，扩孔刀盘301上旋转安装有调节支架307，调节支架307与第一调节环303、第二调节环309和第三调节环310固定连接，调节支架307和调节转盘314上固定装有齿轮盘，调节支架307和调节转盘314上的齿轮盘与传动齿轮308啮合，调节支架307上固定安装有空心齿轮，调节支架307上的空心齿轮与第二电机203上的齿轮啮合，通过第二电机203旋转带动调节支架307转动，并通过传动齿轮308带动调节转盘314反向转动，调节支架307转动时带动第一调节环303、第二调节环309和第三调节环310在扩孔刀盘301内旋转，通过第一调节环303、第二调节环309和第三调节环310上的齿条带动第四调节环311、第五调节环312和第六调节环313上挡泥板所处圆弧滑槽内的第一刀架302和第二刀架304转动，同时调节转盘314带动第四调节环311、第五调节环312和第六调节环313反向旋转，带动第一调节环303、第二调节环309和第三调节环310上挡泥板所处圆弧滑槽内的第一刀架302和第二刀架304转动，实现切换钻进刀具的功能。

如图1～图19所示，超前钻头5包括钻孔刀盘501，钻孔刀盘501上旋转安装有钻孔刀具502，钻孔刀具502上设有用于磨碎岩石的球形键，钻孔刀盘501上旋转安装有排泥杆503，排泥杆503上固定安装有排泥键505，排泥键505与钻孔刀具502上的球形键齿轮配合，钻孔刀盘501上固定安装有排泥板504，在进行钻进时钻孔刀具502与岩面接触通过超前钻头5带动旋转，钻孔刀具502转动时通过与排泥杆503上的排泥键505齿轮配合，将球形键之间粘性较大的岩泥挤压至球形键轴向之间的缝隙中，通过排泥板504将球形键轴向缝隙的岩泥进行刮除，解决泥包钻头影响钻进效率的问题。

工作原理：工作时通过传动杆1连接动力源为设备提供旋转钻进的动力，通过超前钻头5对岩层进行初步的钻孔，为后续的扩孔提供了钻进的方向，以及对岩层的初步探测，通过超前钻头5上旋转安装的钻孔刀具502对岩层进行破碎钻进，钻孔刀具502上固定安装的球形键可以在钻进时降低磨损，延长钻孔刀具502的使用寿命，通过钻孔刀盘501上旋转安装的排泥杆503可以将钻孔刀具502上附着的岩泥挤压到球形键之间的缝隙中，并通过排泥板504将岩泥刮除，避免在钻进过程中过多的岩泥包裹钻孔刀具502从而降低钻进效率，在遇到较难钻进的岩层时，启动第一电机202，通过第一电机202上的齿轮带动调节齿轮6转动，调节齿轮6转动时带动连接杆4在扩孔钻头3内旋转，通过扩孔钻头3与连接杆4的丝杆配合，使连接杆4在扩孔钻头3内转动时，可以调节超前钻头5和扩孔钻头3之间的间距，通过调节相互之间的间距，可以将超前钻头5和扩孔钻头3上承受的压力集中在其中一个上，便于突破阻碍继续进行钻进，在遇到不同的岩层时启动第二电机203带动调节支架307和调节转盘314转动，通过调节支架307和调节转盘314带动第二刀架304转动，进而切换到更适合当前岩层的刀具，防止因为钻进刀具的不符导致钻进效率低或刀具磨损严重的问题，同时避免在钻进时将设备抬升至地表进行刀具的切换，提高了钻井效率。

Claims (9)

1.一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，包括传动杆（1）和扩孔钻头（3），扩孔钻头（3）固定安装在传动杆（1）上，其特征在于，所述扩孔钻头（3）包括扩孔刀盘（301），扩孔刀盘（301）上设有圆弧滑槽，扩孔刀盘（301）上旋转安装有第一刀架（302）和第二刀架（304），第一刀架（302）和第二刀架（304）上固定安装有齿轮，扩孔刀盘（301）内旋转安装有第一调节环（303）、第二调节环（309）、第三调节环（310）、第四调节环（311）、第五调节环（312）和第六调节环（313），其中第一调节环（303）、第二调节环（309）和第五调节环（312）结构相同并固定装有齿条，第三调节环（310）和第六调节环（313）结构相同并固定装有齿条，扩孔刀盘（301）内旋转安装调节支架（307）和调节转盘（314），调节转盘（314）上装有齿条，调节支架（307）和调节转盘（314）上固定装有齿轮盘，扩孔刀盘（301）上旋转安装有传动齿轮（308），调节支架（307）和调节转盘（314）上的齿轮盘与传动齿轮（308）啮合，调节支架（307）与第一调节环（303）、第二调节环（309）和第三调节环（310）固定连接，调节转盘（314）与第四调节环（311）、第五调节环（312）和第六调节环（313）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，其特征在于，所述第一刀架（302）和第二刀架（304）上的齿轮分别与第一调节环（303）、第二调节环（309）、第三调节环（310）、第五调节环（312）、第六调节环（313）和调节转盘（314）上的齿条啮合。

3.根据权利要求1所述的一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，其特征在于，所述第二刀架（304）上旋转安装有第一扩孔刀具（305）和第二扩孔刀具（306），第一刀架（302）上旋转安装有第三扩孔刀具（315）。

4.根据权利要求1所述的一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，其特征在于，所述扩孔刀盘（301）内设有螺纹，扩孔刀盘（301）上设有滑槽，扩孔刀盘（301）内丝杆配装配有连接杆（4），连接杆（4）上设有螺纹，连接杆（4）上设有滑槽，扩孔刀盘（301）的滑槽内滑动安装有调节杆（7），调节杆（7）上设有限位键。

5.根据权利要求4所述的一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，其特征在于，所述连接杆（4）上固定安装有超前钻头（5），超前钻头（5）包括钻孔刀盘（501），钻孔刀盘（501）上旋转安装有钻孔刀具（502），钻孔刀盘（501）上旋转安装有排泥杆（503），钻孔刀盘（501）上固定安装有排泥板（504），排泥杆（503）上固定安装有排泥键（505）。

6.根据权利要求1所述的一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，其特征在于，所述传动杆（1）上固定安装有驱动系统（2），驱动系统（2）包括固定框架（201），固定框架（201）固定安装在传动杆（1）上，固定框架（201）上固定安装有第一电机（202）和第二电机（203），第一电机（202）和第二电机（203）上装有齿轮，固定框架（201）上固定安装有第三电机（204），第三电机（204）上装有螺杆。

7.根据权利要求4所述的一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，其特征在于，所述调节杆（7）上固定安装有齿条，第三电机（204）上的螺杆与调节杆（7）上的齿条蜗杆配合。

8.根据权利要求1所述的一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，其特征在于，所述调节支架（307）上固定安装有空心齿轮，调节支架（307）上的空心齿轮与第二电机（203）上的齿轮啮合。

9.根据权利要求1所述的一种用于弱胶结地层的智能钻井刀具，其特征在于，所述传动杆（1）内旋转安装有调节齿轮（6），调节齿轮（6）与连接杆（4）滑动配合，调节齿轮（6）与第一电机（202）上的齿轮啮合。

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