【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钻探装备机具领域，特别涉及一种适用软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头及方法。
技术介绍
1、软泥岩是一种具有塑性蠕变特性的泥岩，该种岩层具有强度低、环境敏感性和水化膨胀性强的特点，极易出现缩孔、坍塌和卡钻的情况，加上软泥岩的蠕变特性，使钻进过程中保持孔壁稳定性和维护难度加大。软泥岩地层中往往黏土含量高，水分分散能力强，随着钻井液的不断流入，钻井液的黏度和切力不断增加，同时软泥岩水化还容易使大量泥质固吸附于钻头表面，形成钻头泥包，从而造成泥包卡钻，对钻井液的流动性和钻孔净化工作带来影响，也使地质勘探和掘进工作变得困难和复杂。
2、软泥岩地层强度低，硬度小，较小的轴向压力即可完成岩石的切削，但当切入深度较大、钻速快时，虽然岩屑的颗粒大，但易分散成小粒，钻进过程中必须考虑排粉效率。该类地层还存在黏结性大，容易出现糊钻或遇水膨胀等问题。现有技术中的钻头在处理此种软泥岩地层时，存在无法实现双向旋转切削；且由于排粉不顺畅，很容易导致钻头卡住的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，一种适用软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头及方法，以解决现有技术中的钻头在处理软泥岩地层时无法实现双向旋转切削和排粉不畅导致卡钻的问题。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
3、一种软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，包括筒状的钻头体，所述的钻头体的头部作为与外部装置的连接端；钻头体尾部为排水端，尾部设有圆弧形倒角。
4、所述的排水
5、所述的切削翼片为冠状结构，所述的切削翼片头部的倾角小于尾部一侧的倾角；所述的切削翼片远离钻头体一端的端面上沿钻头体轴向依次设置有多个安装槽，每个安装槽内一一对应地安装有一个方柱状切削齿。
6、本专利技术还具有以下特征：
7、进一步地，所述的钻头体内部同轴设置有中心柱，所有所述的切削翼片下端均进入钻头体内部与中心柱固定连接。
8、所述的切削翼片头部的倾角为18°～20°；切削翼片尾部的倾角为0°～38°。
9、进一步地，所述的排水槽的数量为6个，相邻的两个切削翼片之间均设置有两个排水槽。
10、进一步地，所述的钻头体的连接端上同轴设置有开设内螺纹的螺纹槽。
11、所述的螺纹槽与切削翼片之间的最小间距不小于15mm，最大间距不大于25mm。
12、进一步地，所述的钻头体采用42crmoa优质中碳合金钢；切削齿选用牌号为yg8的硬质合金；所述的切削齿规格为4mm*10mm*2mm。
13、一种软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头设计方法，该方法用于设计上述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，包括以下步骤：
14、步骤a，根据实际使用需求设计钻头体规格；
15、步骤b，在钻头体上沿周向均匀设计三个翼片槽；在钻头体的连接端上设计与钻头体同轴连接的带有内螺纹的螺纹槽；
16、步骤c，确定每个切削齿的几何参数，根据每个切削齿的几何参数确定对应切削齿的法向角、后倾角与侧倾角；根据每个切削齿的法向角、后倾角与侧倾角建立切削齿排布的cad模型；
17、步骤d，设计切削翼片的规格，并根据切削齿排布的cad模型，在切削翼片上设计与每个切削齿一一对应的安装槽；
18、步骤e，在钻头体的排水端沿周向均匀设计多个贯通的排水槽；
19、步骤f，建立所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头的三维模型，根据三维模型完成制造与组装。
20、进一步地，步骤a中，
21、所述的排水槽满足以下条件：
22、设钻头体外径的直径为d，排水槽宽度h＝1/4d，排水槽长度l＝3/4h。
23、进一步地，步骤c包括以下分步骤：
24、步骤c0，随机选择一个切削齿作为当前切削齿。
25、步骤c1，确定当前切削齿初始工作平面的几何参数。
26、将所有切削齿对岩石的切割面作为初始工作平面，以该面作为正交变换原起始面。
27、设初始工作平面的法向角、侧倾角和后倾角都为零度，建立这三个方向角的旋转轴；分别为法向轴、侧倾轴和后倾轴。
28、以当前切削齿的一角与切削翼片的交点作为中心坐标o。
29、设当前切削齿的法向轴方向向量为侧向轴方向向量为后倾轴方向向量为工作平面的外法向量为
30、初始工作平面向量参数如下：
31、o(0，0，0)。
32、法向轴方向向量为(0，1，0)。
33、侧向轴方向向量为(1，0，0)。
34、后倾轴方向向量为(0，0，1)。
35、外法向量为(0，1，0)。
36、步骤c2，确定当前切削齿绕标准的x、y和z轴线旋转的正交变换矩阵；
37、切削齿绕x轴正向旋转的正交变换矩阵为：
38、
39、其中，θx为切削齿绕x轴旋转的角度。
40、切削齿绕y轴正交变换矩阵为：
41、
42、其中，θy为切削齿绕y轴旋转的角度。
43、切削齿绕z轴正交变换矩阵为：
44、
45、其中，θz为切削齿绕z轴旋转的角度。
46、步骤c3，确定当前切削齿绕实际轴线旋转的几何参数表达式；
47、
48、
49、
50、
51、
52、其中：
53、表示旋转矩阵。
54、t表示对空间中的点或向量进行旋转变换。
55、表示转动向量。
56、表示绕旋转轴旋转的角度。
57、(x,y,z)表示空间中的点或向量。
58、(x',y',z')表示旋转变换后点的坐标或向量。
59、表示该切削齿上某一点绕某一标准坐标轴旋转的坐标或向量。
60、表示该切削齿绕任意轴线旋转后的坐标或向量。
61、γ表示旋转单位向量。
62、和表示旋转角度公式。
63、步骤c4，获得当前切削齿的法向轴的几何参数表达式。
64、切削齿的法向轴方向向量经过n次正交变换后，用线性变换的形式表示为：
65、
66、n表示正交变换的次数。
67、表示切削齿法向轴方向初始向量。
68、表示切削齿法向轴经过n次变换后的向量。
69、tn表示对进行n次正交变换。
70、步骤c5，确定当前切削齿后倾轴和侧倾轴的几何参数表本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，其特征在于，包括筒状的钻头体(1)，所述的钻头体(1)的头部作为与外部装置的连接端；钻头体(1)尾部为排水端，尾部设有圆弧形倒角；
2.如权利要求1所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，其特征在于，所述的钻头体(1)内部同轴设置有中心柱(6)，所有所述的切削翼片(4)下端均进入钻头体(1)内部与中心柱(6)固定连接；
3.如权利要求2所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，其特征在于，所述的排水槽(2)的数量为6个，相邻的两个切削翼片(4)之间均设置有两个排水槽(2)。
4.如权利要求3所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，其特征在于，所述的钻头体(1)的连接端上同轴设置有开设内螺纹的螺纹槽(7)；
5.如权利要求4所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，其特征在于，所述的钻头体(1)采用42CrMoA优质中碳合金钢；切削齿(5)选用牌号为YG8的硬质合金；所述的切削齿(5)规格为4mm*10mm*2mm。
6.一种软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头设计方法，该方法用于设计权利要求5所述的
7.如权利要求6所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头设计方法，其特征在于，步骤a中，
8.如权利要求6所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头设计方法，其特征在于，步骤c包括以下分步骤：
9.如权利要求6所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头(1)设计方法，其特征在于，步骤d包括：
10.如权利要求6所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头设计方法，其特征在于，步骤f包括：
...【技术特征摘要】
1.一种软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，其特征在于，包括筒状的钻头体(1)，所述的钻头体(1)的头部作为与外部装置的连接端；钻头体(1)尾部为排水端，尾部设有圆弧形倒角；
2.如权利要求1所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，其特征在于，所述的钻头体(1)内部同轴设置有中心柱(6)，所有所述的切削翼片(4)下端均进入钻头体(1)内部与中心柱(6)固定连接；
3.如权利要求2所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，其特征在于，所述的排水槽(2)的数量为6个，相邻的两个切削翼片(4)之间均设置有两个排水槽(2)。
4.如权利要求3所述的软泥岩层钻进往复式旋转双向钻头，其特征在于，所述的钻头体(1)的连接端上同轴设置有开设内螺纹的螺纹槽(7)；
5.如权利要求4所述的软泥岩层钻进往复式...
【专利技术属性】
技术研发人员：骆晓炜，李盼盼，高勇，刘庆修，田东庄，田宏杰，马晓琳，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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