侧向伸缩式跟管钻具制造技术

侧向伸缩式跟管钻具，主要包括钻头本体、扩孔钻头及中心钻头，本发明专利技术扩孔钻头位于钻头本体与中心钻头之间，扩孔钻头的两侧面与钻头本体上开设的矩形槽配合滑动，扩孔钻头的圆柱销置于开设在中心钻头上的曲线控制槽内。当驱动跟管钻具正反转控制扩孔钻头伸出或缩回时，由于中心钻头底部存在着摩擦阻力，钻头本体与中心钻头发生相对转动，通过相互约束关系，产生了一个扩孔钻头伸出或缩回可移动的自由度。曲线控制槽的过渡曲线段和缩径曲线段，具有增力效应，能在孔底摩擦力不足或扩孔钻头卡滞的情况下，保证扩孔钻头的伸出或缩回，提高了跟管钻具的工作可靠性。

【技术实现步骤摘要】
侧向伸缩式跟管钻具
本专利技术涉及侧向伸缩式跟管钻具，应用于岩土钻凿、水井施工等领域。
技术介绍
潜孔锤在钻进不稳定地层时，通常采用跟管钻进工艺进行钻进，配套的跟管钻具最常用的就是单偏心跟管钻具，跟管钻进时扩孔部分的偏心钻头外径大于套管外径，钻孔完毕，反转钻具，扩孔部分的偏心钻头回缩，外径小于套管内径，提钻可从套管内孔中将钻具抽出。单偏心跟管钻具在实际的使用中存在着一些问题。首先偏心钻头由于结构的非对称性，导致钻具包括钻头承受着非对称的力和力矩以及支撑反力等，这对钻具和钻头的使用有一定的影响，对钻孔的质量也会产生一定的影响，从而影响钻进跟管的能力；其次由于偏心钻头只存在单侧冲击和剪切的作用，这样就会一方面存在着钻进效率问题，一方面存在着早期磨损的问题，进而带来了维护成本高等一系列的问题。因而有必要解决单偏心跟管钻具存在的这些问题。申请号为“CN201320665088.X”的专利文献公开了一种旋扩式同心潜孔跟管钻具，解决了偏心跟管钻具存在一些问题，但其结构较为复杂，零件较多，扩孔片靠自重缩回，存在着工作可靠性的问题。类似的申请号为“CN201210410945.1”的专利文献公开了一种同心滑块跟管钻具及中心钻头、导正器，其扩孔钻头均匀分布在中心钻头底部的周边，也克服了偏心跟管钻头主要缺陷，但同时也存在一定的可靠性的问题，由于滑块缺乏强制的驱动，驱动力小，滑块存在不收缩或部分收缩的可能性，这将导致跟管钻头有时不能顺利从套管中抽出；申请号为“CN201220057944.9”的专利文献公开了一种偏心跟管钻具，是利用双偏心或三偏心布置的跟管钻具，也克服了单偏心跟管钻具的主要缺陷，与单偏心跟管钻具工作方式类似，也是利用钻具的正反转来控制跟管钻头的伸出和缩回的，但这种钻具由于钻头不存在主辅的关系，也就是说钻进扩孔的工作和正常钻进的工作是由共同的钻头冲击作用完成的，但由于扩孔大径的合金柱齿易于磨损，存在着早期破坏的问题，会影响跟管整个钻头正常使用寿命，因而这种双偏心或多偏心式构成的同心跟管钻具维护成本高，同时这种钻头在收缩时，由于结构的因素，会在偏心钻头底部间有开合的缝隙，一旦有颗粒性的岩屑进入就会影响其有效的缩回，同样存在着工作可靠性的问题。申请号为“CN201320131953.2”的专利文献公开的一种甩块扩孔跟管钻具，也是采用双偏心或三偏心布置的跟管钻具，与上述专利CN201220057944.9不同的是，该专利将甩块扩片的位置由钻头底面提升至一定高度，有益于钻进时分级破碎岩石，提高钻进的效率，钻头形成了主辅关系，但这种形式的跟管钻具不利于冲击功的传递，而且用于扩孔的甩块扩片体积大，结构复杂，维护成本较高，其通过离心力来驱动甩块扩片的伸出和缩回，驱动力小，存在着很大的不确定性，所以也存在着工作可靠性的问题。同时目前的跟管钻具还存在以下两个共同的问题：1、由于跟管钻头，缺乏保径的结构，扩孔状态是靠驱动扭矩或者钻具的钻压保持的，但在扩孔钻进时，遇到地质条件极其复杂，特别是冲击力较大的工况下，扩孔钻头存在着回缩的概率，扩孔外径存在着一定的波动，影响了钻孔质量，势必增加了跟管的阻力，必然影响到了跟管深度，跟管效率，同时也易对管靴、套管等产生不良作用。2、虽然近年来陆续研发出跟管钻具的新结构，但这些结构还没有一个像单偏心跟管钻具那样将其扩孔伸出和缩回的传动副，完全封闭起来，以避免岩屑等对其动作的干扰和影响，因而这些结构均存在着工作可靠性和适应性的问题，在实际的应用中也就必然存在着这样或那样的问题，难以长期立足于施工现场。
技术实现思路
针对当前跟管钻具存在的技术问题，本专利技术提出的侧向伸缩式跟管钻具，采用主辅钻头，主钻头即中心钻头，辅钻头为可伸缩的扩孔钻头，扩孔钻头布置在中心钻头的上方，并均匀布置在中心钻头的周边，尽可能的在钻头上多设置排屑通道，以提高排屑能力，利用钻具的正反转实现扩孔钻头的伸出或缩回。本专利技术采用如下的技术方案：侧向伸缩式跟管钻具，其特征在于，包括：钻头本体、悬挂横销、扩孔钻头及中心钻头，所述中心钻头分为钻头头部及用于连接钻头本体的定位中心管，钻头头部呈圆柱形，定位中心管的直径小于钻头头部的直径，定位中心管和钻头头部同轴布置，且定位中心管的底端与钻头头部的上端连接形成一体式结构，定位中心管的中部设置有沿轴向贯穿并延伸至钻头头部的中心通风通道，定位中心管靠近顶端处设置有凸起，钻头头部的朝向定位中心管一侧的端面上设置有沿钻头头部圆周方向均匀布置的曲线控制槽，钻头头部的外侧壁上设置有若干个第二排屑通道，钻头头部的底部镶嵌有第二合金柱齿；所述钻头本体外侧壁上部设置有用于与冲击器连接的花键，钻头本体的中心设置有中心通道，中心通道为变径通道，中心通道下部的直径大于其上部的直径，在中心通道变径处的内侧壁上设置有环槽，环槽底台面的下方设置有销孔，销孔内设置有悬挂横销，悬挂横销由设置在悬挂横销一端的弹性销固定；中心通道下部的内侧壁上设置有沿轴向布置的键槽，键槽的底端与环槽连通，在中心钻头与钻头本体装配时，键槽用于供凸起在其内部滑动；钻头本体的外侧壁上设置若干个第一排屑通道，钻头本体的底部设置有若干矩形槽，矩形槽朝向钻头本体外部的一侧为敞口式结构；所述扩孔钻头位于钻头本体和中心钻头之间，扩孔钻头具有与钻头本体的矩形槽配合的两个侧面，扩孔钻头嵌在矩形槽内，并可沿矩形槽的长度方向滑动，扩孔钻头安装有圆柱销，且圆柱销设置在中心钻头的曲线控制槽内，在扩孔钻头上朝向矩形槽敞口的一侧及该侧的下方镶嵌有用于扩孔的第一合金柱齿；其中曲线控制槽的形状与中心钻头和钻头本体间相对转动的角度具有对应关系，曲线控制槽分为起始端、保径曲线控制段、过渡曲线段、缩径曲线段及终止端，起始端和终止端均为半圆形包络面，扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的起始端时，中心钻头与钻头本体间的相对转动角度为零，此时扩孔钻头处于缩回状态；扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的终止端时，中心钻头与钻头本体间的相对转动角度为最大，此时扩孔钻头处于最大伸出状态；扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的保径曲线控制段时，与扩孔钻头接触的曲线控制槽的两侧曲面的切向方向与扩孔钻头的运动方向呈垂直关系，该保径曲线控制段对应钻头本体与中心钻头间的相对转动角度为5°～15°；在扩孔钻头的圆柱销位于过渡曲线段及缩径曲线段时，圆柱销接触点的曲线控制槽的两侧曲面的切向方向与钻头本体回转方向的角度小于30°。其中，所述中心通道的上端连接有尼龙套。其中，矩形槽和曲线控制槽的位置互换，即钻头本体的底部设置有沿钻头本体圆周方向均匀布置的曲线控制槽；钻头头部朝向定位中心管一侧的端面上设置有沿钻头头部圆周方向均匀布置的矩形槽。通过上述设计方案，本专利技术可以带来如下有益效果：1、克服了单偏心钻具的缺陷，受力平衡，提高了跟管扩孔钻头的寿命，有易于提高跟管能力。2、采用主辅钻头形式，冲击时分级破碎，扩孔钻头破碎钻进时岩层存在着自由面，会大幅度提高扩孔钻头的破碎效率，减少磨损，提高跟管的钻进效率。3、结构简单，拆卸方便，扩孔钻头体积小、重量轻，使用维护的成本低，既适合于中小口径的跟管钻具，也适合大孔径跟管钻具。4、扩孔钻头的伸出和缩回驱动力来自于钻具回转时，钻头底部的摩擦力，设计的增力效应的结构有利于强制性克服扩孔钻头伸缩动作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.侧向伸缩式跟管钻具，其特征在于，包括：钻头本体、悬挂横销、扩孔钻头及中心钻头，所述中心钻头分为钻头头部及用于连接钻头本体的定位中心管，钻头头部呈圆柱形，定位中心管的直径小于钻头头部的直径，定位中心管和钻头头部同轴布置，且定位中心管的底端与钻头头部的上端连接形成一体式结构，定位中心管的中部设置有沿轴向贯穿并延伸至钻头头部的中心通风通道，定位中心管靠近顶端处设置有凸起，钻头头部的朝向定位中心管一侧的端面上设置有沿钻头头部圆周方向均匀布置的曲线控制槽，钻头头部的外侧壁上设置有若干个第二排屑通道，钻头头部的底部镶嵌有第二合金柱齿；所述钻头本体外侧壁上部设置有用于与冲击器连接的花键，钻头本体的中心设置有中心通道，中心通道为变径通道，中心通道下部的直径大于其上部的直径，在中心通道变径处的内侧壁上设置有环槽，环槽底台面的下方设置有销孔，销孔内设置有悬挂横销，悬挂横销由设置在悬挂横销一端的弹性销固定；中心通道下部的内侧壁上设置有沿轴向布置的键槽，键槽的底端与环槽连通，在中心钻头与钻头本体装配时，键槽用于供凸起在其内部滑动；钻头本体的外侧壁上设置若干个第一排屑通道，钻头本体的底部设置有若干矩形槽，矩形槽朝向钻头本体外部的一侧为敞口式结构；所述扩孔钻头位于钻头本体和中心钻头之间，扩孔钻头具有与钻头本体的矩形槽配合的两个侧面，扩孔钻头嵌在矩形槽内，并可沿矩形槽的长度方向滑动，扩孔钻头安装有圆柱销，且圆柱销设置在中心钻头的曲线控制槽内，在扩孔钻头上朝向矩形槽敞口的一侧及该侧的下方镶嵌有用于扩孔的第一合金柱齿；其中曲线控制槽的形状与中心钻头和钻头本体间相对转动的角度具有对应关系，曲线控制槽分为起始端、保径曲线控制段、过渡曲线段、缩径曲线段及终止端，起始端和终止端均为半圆形包络面，扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的起始端时，中心钻头与钻头本体间的相对转动角度为零，此时扩孔钻头处于缩回状态；扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的终止端时，中心钻头与钻头本体间的相对转动角度为最大，此时扩孔钻头处于最大伸出状态；扩孔钻头的圆柱销位于曲线控制槽的保径曲线控制段时，与扩孔钻头接触的曲线控制槽的两侧曲面的切向方向与扩孔钻头的运动方向呈垂直关系，该保径曲线控制段对应钻头本体与中心钻头间的相对转动角度为5°～15°；在扩孔钻头的圆柱销位于过渡曲线段及缩径曲线段时，圆柱销接触点的曲线控制槽的两侧曲面的切向方向与钻头本体回转方向的角度小于30°。...

【技术特征摘要】
1.侧向伸缩式跟管钻具，其特征在于，包括：钻头本体、悬挂横销、扩孔钻头及中心钻头，所述中心钻头分为钻头头部及用于连接钻头本体的定位中心管，钻头头部呈圆柱形，定位中心管的直径小于钻头头部的直径，定位中心管和钻头头部同轴布置，且定位中心管的底端与钻头头部的上端连接形成一体式结构，定位中心管的中部设置有沿轴向贯穿并延伸至钻头头部的中心通风通道，定位中心管靠近顶端处设置有凸起，钻头头部的朝向定位中心管一侧的端面上设置有沿钻头头部圆周方向均匀布置的曲线控制槽，钻头头部的外侧壁上设置有若干个第二排屑通道，钻头头部的底部镶嵌有第二合金柱齿；所述钻头本体外侧壁上部设置有用于与冲击器连接的花键，钻头本体的中心设置有中心通道，中心通道为变径通道，中心通道下部的直径大于其上部的直径，在中心通道变径处的内侧壁上设置有环槽，环槽底台面的下方设置有销孔，销孔内设置有悬挂横销，悬挂横销由设置在悬挂横销一端的弹性销固定；中心通道下部的内侧壁上设置有沿轴向布置的键槽，键槽的底端与环槽连通，在中心钻头与钻头本体装配时，键槽用于供凸起在其内部滑动；钻头本体的外侧壁上设置若干个第一排屑通道，钻头本体的底部设置有若干矩形槽，矩形槽朝向钻头本体外部的一侧为敞口式结构；所述扩孔钻头位于钻头本体和中心钻头之间，扩孔钻头具有与钻头本体的矩形槽配合的两个侧面，扩孔钻头嵌在矩形槽内，并可沿矩形槽的长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨红东，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22