[發明專利]一種孔內驅動式水平定向鉆反循環擴孔鉆頭

無效

• 申請號: 201010515227.1
• 申請日: 2010-10-20
• 公開（公告）號: CN102003145A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 馬保松;韋立勇;曾聰;蘭海濤;舒彪
• 申請（專利權）人: 中國地質大學(武漢)
• 主分類號: E21B10/26
• 分類號: E21B10/26;E21B7/04;E21B4/04;E21B10/60;F16L1/028
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所 42214
• 代理人: 劉榮

所屬技術領域

本發明涉及一種孔內驅動式水平定向鉆反循環擴孔鉆頭，該鉆頭用于采用水平定向鉆進工藝進行油氣或市政管道鋪設施工，屬于非開挖工程技術領域。

背景技術

目前，在采用水平定向鉆進技術鋪設管道施工中，隨著管道長度和鉆孔直徑越來越大，工程難度也越來越大。特別是對于大型水平定向鉆穿越工程，所需要的施工設備也特別龐大，鉆機的扭矩往往要達到10萬牛米以上，鉆機的回拖力要達到300噸以上，現在最大的鉆機回拖力已達到800噸。另外，隨著孔徑的增大，鉆桿在水平鉆孔內的位置和狀態很難控制，加上鉆桿回轉對孔壁的摩擦和鉆桿自身的磨損，鉆桿折斷等孔內事故發生的幾率很高。所以，大型水平定向鉆工程對水平定向鉆鉆機和機具設計制造都提出了很高的要求。現有的由地表鉆機通過鉆桿回轉驅動擴孔鉆頭切削巖石的技術還存在如下缺點：

1)鉆桿回轉時與孔壁摩擦，不但對鉆桿有磨損，縮短鉆桿的使用壽命，且鉆桿在彎曲的鉆孔中回轉，處于極惡劣的工況條件下，容易發生鉆桿折斷和疲勞破壞。

2)鉆桿轉動對孔壁穩定性影響較大，也易使鉆孔形狀發生改變。

3)地表動力在由鉆機通過鉆桿傳遞到擴孔鉆頭的過程損失較大。

4)在孔內沉渣較多，泥漿中沙土含量較大時，易造成鉆具磨損嚴重、擴孔扭矩過大，出現卡鉆和鉆具折斷等工程事故。

發明內容

為了克服現有技術中存在的缺陷，本發明提供了一種孔內驅動式水平定向鉆反循環擴孔鉆頭，可以克服上述地表驅動的一系列弊端。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種孔內驅動式水平定向鉆反循環擴孔鉆頭，該鉆頭至少包括鉆頭體和動力驅動裝置，鉆頭體的鉆頭錐體和筆狀錐頭的內部均為中空的腔體，動力驅動裝置中的傳動軸中部設有轉盤，裝有牙輪的牙輪座安裝于轉盤上，鉆頭錐體的尾端通過軸承安裝于傳動軸的后端部，筆狀錐頭的尾端通過軸承安裝于傳動軸的前端部，動力驅動裝置中的電機經傳動軸帶動轉盤和牙輪作旋轉運動；電機位于鉆頭錐體的腔體內，鉆桿接頭插裝于筆狀錐頭的腔體中，或者電機位于筆狀錐頭的腔體內，鉆桿接頭插裝于鉆頭錐體的腔體中；鉆桿接頭的內部為中空腔體，鉆桿接頭的腔體通過筆狀錐頭的腔體或鉆頭錐體的腔體，以及若干吸渣口與外部連通，吸渣口位于牙輪側下方。

由上述技術方案可知本發明將水平定向鉆進技術中驅動擴孔鉆頭回轉的動力由傳統的地表鉆機驅動式轉變為孔底擴孔鉆頭自驅動方式，以克服上述地表驅動的各種弊端。且該孔底動力擴孔鉆頭用反循環方式排出巖渣，還可以克服傳統正循環大直徑水平定向鉆進方法存在的排渣極其困難的一系列技術難題，可大幅度降低工程成本。

因此，本發明與現有技術相比具有如下有益效果：

1)采用反循環擴孔鉆進，可高效地清除鉆孔中的鉆渣或卵礫石，不留死角。因此可有效地降低鉆孔的擴徑系數，從而降低擴孔級數和洗孔次數。

2)動力裝置直接安裝在孔內的鉆頭上，鉆進過程中鉆桿不須轉動，克服鉆桿回轉的全部缺點；

3)可大大降低鉆桿的磨損，延長鉆桿的使用壽命；

4)可避免因鉆桿回轉振動對鉆孔孔壁的破壞，減少孔內事故的發生；

5)鉆桿與孔壁之間沒有摩擦，有利于降低功率消耗，提高能量利用率；

6)孔下動力驅動擴孔鉆頭回轉，改善了鉆桿的受力狀況，降低了對鉆桿材質的要求；

7)可大大降低水平定向鉆機在設計和使用中對鉆機扭矩這一關鍵參數的要求。

附圖說明

圖1是本發明實施例1的整體結構示意圖。

圖2是本發明實施例2的整體結構示意圖。

圖中1、電線；2、電機；3、軸承；4、止推軸承a；5、V型止水墊圈；6、傳動軸；7、轉盤；8、吸渣口；9、鉆桿接頭；10、鉆頭錐體；11、止推軸承b；12、牙輪座；13、牙輪；14、保護輻條；15、接線板；16、筆狀錐頭。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

如圖1、圖2所示，本發明提供的孔內驅動式水平定向鉆反循環擴孔鉆頭的主要部件為鉆頭體和動力驅動裝置，鉆頭體的鉆頭錐體10和筆狀錐頭16的內部均為中空的腔體，筆狀錐頭16外設有保護輻條14，動力驅動裝置中的傳動軸6中部設有轉盤7，裝有牙輪13的牙輪座12安裝于轉盤7上，鉆頭錐體10的尾端通過止推軸承b11安裝于傳動軸6的后端部，筆狀錐頭16的尾端通過止推軸承a4安裝于傳動軸6的前端部，動力驅動裝置中的電機2經傳動軸6帶動轉盤7和牙輪13作旋轉運動；實施例1(見圖1)中電機2位于中空的筆狀錐頭16內，鉆桿接頭9插裝于中空的鉆頭錐體10中，鉆桿接頭9內的中空腔體通過鉆頭錐體10的腔體和若干吸渣口8與外部連通，筆狀錐頭16的端部設有接線板15，筆狀錐頭16的尾端與軸承之間設有止水墊圈5；實施例2(見圖2)中電機2位于中空的鉆頭錐體10內，安裝電機2的底板經軸承3與運動件分隔，鉆桿接頭9插裝于中空的筆狀錐頭16中，鉆頭錐體10的端部設有接線板15，電機2通過電線1和接線板15與外部電源連接，鉆桿接頭9內的中空腔體通過筆狀錐頭16的腔體和若干吸渣口8與外部連通；若干吸渣口8位于牙輪13側下方，且沿鉆頭體徑向分層排布。使用該鉆頭鉆進時，外部電源通過接線板15和電線1與電機2相連供給電能，驅動其回轉，帶動傳動軸6轉動，傳動軸6帶動與其相連的轉盤7轉動，固定在轉盤7上的牙輪13隨著轉盤7轉動，從電機至牙輪的傳動可通過現有技術(如齒輪傳動)實現。牙輪鉆頭通過公轉和自傳不斷磨切、碾壓破碎切削面上的巖石，磨切下來的鉆渣或卵礫石與泥漿混合后直接被吸入吸渣口8，擴孔鉆頭通過鉆桿接頭與鉆桿連通，鉆桿內中空的腔體與擴孔鉆頭內中空的腔體通過吸渣口與鉆孔環狀空間連通，兩腔體、吸渣口和鉆孔環狀空間共同形成泥漿通道，以滿足鉆進中泥漿能按照泥漿池→鉆孔環狀空間→擴孔鉆頭→鉆桿→砂石泵→泥漿池的流動方向循環流動的要求，鉆進中混有鉆渣的泥漿地表砂石泵的抽吸作用下通過泥漿通道被排至地表。含有鉆渣的泥漿在鉆渣被分離裝置分離后可重新補給進入泥漿循環系統，形成泥漿按照泥漿池→鉆孔環狀空間→擴孔鉆頭→鉆桿→砂石泵→泥漿池的流動方向循環流動。地面鉆機提供的牽引力通過鉆桿傳至鉆頭，提供使鉆頭切入巖層的壓力并牽引鉆頭不斷向回擴的方向前進，實現擴孔鉆進。