[發(fā)明專利]一種壓電陶瓷式聲波鉆頭

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410072076.5
• 申請(qǐng)日: 2014-03-02
• 公開（公告）號(hào): CN103774993A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙大軍;翟國(guó)兵;高科;劉華南;尹崧宇;孫梓航
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): E21B7/24
• 分類號(hào): E21B7/24;E21B28/00;E21B10/00;B06B1/06
• 代理公司: 長(zhǎng)春市四環(huán)專利事務(wù)所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用共振現(xiàn)象快速破碎巖石并提高機(jī)械鉆速的鉆井技術(shù)，主要應(yīng)用于灌注樁鉆孔施工、水文水井及礦山豎井施工、石油鉆井等領(lǐng)域。具體地說是一種壓電陶瓷式聲波鉆頭及其鉆井方法。

背景技術(shù)

聲波鉆進(jìn)又稱高頻振動(dòng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，它利用與巖石共振的高頻沖擊，使巖石裂隙加速擴(kuò)展形成疲勞破碎的原理，將高頻振動(dòng)力、壓力和回轉(zhuǎn)力三者結(jié)合在一起，達(dá)到高速碎巖的目的。隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)在灌注樁鉆孔施工、水文水井及礦山豎井施工、石油鉆井等領(lǐng)域?qū)︺@進(jìn)效率的要求不斷提高。

聲波鉆進(jìn)是一種高頻（接近聲頻）振動(dòng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)，振動(dòng)頻率達(dá)1-2萬次/分種。目前該方法中，高頻振動(dòng)力是通過安放在鉆機(jī)動(dòng)力頭上部的高頻振動(dòng)發(fā)生器，通過動(dòng)力頭下部的鉆桿將振動(dòng)力傳給底部的鉆頭；再通過動(dòng)力頭提供的回轉(zhuǎn)力和加壓力，進(jìn)行振動(dòng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的一種方法。聲波鉆進(jìn)是一種使巖石產(chǎn)生疲勞破碎的過程，與其它沖擊鉆進(jìn)或振動(dòng)鉆進(jìn)方法相比，其碎巖效率更高、能量利用率更高，且具有泥漿用量少的特點(diǎn)，國(guó)外環(huán)境地質(zhì)勘察用的較多，國(guó)內(nèi)在工程地質(zhì)勘察、環(huán)境地質(zhì)勘察中也開始得到應(yīng)用。

目前聲波鉆進(jìn)技術(shù)主要存在以下問題：

工作頻率低：目前聲波鉆進(jìn)使用的振動(dòng)發(fā)生器主要有兩種：偏心輪式機(jī)械振動(dòng)發(fā)生器、液壓沖擊式振動(dòng)發(fā)生器。偏心輪式機(jī)械振動(dòng)發(fā)生器振動(dòng)頻率低，最高只能達(dá)3000次/分種；液壓振動(dòng)發(fā)生器最高也僅達(dá)12000次/分種。其振動(dòng)頻率尚未達(dá)到巖石的自振頻率，碎巖效果不理想。

機(jī)械式振動(dòng)器可靠性差：偏心輪由電機(jī)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，容易飛車，并且運(yùn)動(dòng)部位易磨損，使用壽命短。

液壓式振動(dòng)器加工工藝復(fù)雜、成本高：目前我國(guó)應(yīng)用的液壓振動(dòng)器只能靠進(jìn)口，成本高，維修困難，不適合國(guó)情。

深孔鉆進(jìn)效率低：目前聲波鉆進(jìn)中，振動(dòng)發(fā)生器均安放在鉆機(jī)的動(dòng)力頭上，振動(dòng)力只能通過鉆桿傳遞給鉆頭。深孔鉆桿長(zhǎng)時(shí)，振動(dòng)力在鉆桿中傳遞的損失大，鉆頭對(duì)巖石的振動(dòng)效果差，鉆進(jìn)效率低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就在于克服目前聲波鉆進(jìn)技術(shù)的不足，而提供一種壓電陶瓷式聲波鉆頭。本發(fā)明將壓電陶瓷伸縮振動(dòng)裝置安放在鉆頭內(nèi)，壓電陶瓷產(chǎn)生的高頻振動(dòng)力直接傳遞給鉆頭的切削齒，形成聲波鉆進(jìn)，大大提高鉆頭的振動(dòng)碎巖效果，并可實(shí)現(xiàn)深孔聲波鉆進(jìn)，大幅度提高深孔鉆進(jìn)效率。

本發(fā)明是由發(fā)電部分、振動(dòng)部分、上鉆頭體和下鉆頭體構(gòu)成，

所述的發(fā)電部分是由渦輪馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，渦輪馬達(dá)與發(fā)電機(jī)聯(lián)接，渦輪馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，發(fā)電機(jī)的輸出電源與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路連接，發(fā)電部分通過固定柱與上鉆頭體連接，發(fā)電機(jī)的導(dǎo)電線經(jīng)由固定柱的導(dǎo)線通道中穿出；上鉆頭體的具有外螺紋；

所述的振動(dòng)部分是由絕緣殼體、上端導(dǎo)電金屬圈、下端導(dǎo)電金屬圈、壓電陶瓷、絕緣墊片和彈簧構(gòu)成，壓電陶瓷的上下端面分別貼設(shè)上端導(dǎo)電金屬圈和下端導(dǎo)電金屬圈，下端導(dǎo)電金屬圈的下面依次設(shè)置絕緣墊片和彈簧，下端導(dǎo)電金屬圈和絕緣墊片可隨壓電陶瓷在絕緣殼體內(nèi)上下振動(dòng)；振動(dòng)部分內(nèi)置在上鉆頭體內(nèi)，并位于發(fā)電部分之下；壓電陶瓷、絕緣墊片和彈簧構(gòu)成壓電陶瓷伸縮振動(dòng)裝置；

所述的上鉆頭體與鉆桿通過螺紋連接，上鉆頭體內(nèi)設(shè)有導(dǎo)線槽和導(dǎo)線通道，導(dǎo)線自固定伸出，沿上鉆頭體內(nèi)表面導(dǎo)線槽，再進(jìn)入導(dǎo)線通道并分別直接連接壓電陶瓷的上端導(dǎo)電金屬圈和下端導(dǎo)電金屬圈，從而形成閉合回路；上鉆頭體與下鉆頭體通過螺紋連接構(gòu)成鉆頭體，將鉆頭的振動(dòng)部分密封；振動(dòng)部分的彈簧與下鉆頭體直接接觸并與絕緣墊片壓緊，進(jìn)而擠壓壓電陶瓷，給予壓電陶瓷初始?jí)簯?yīng)力；下鉆頭體下部具有鉆井液通道和鉆頭的切削具。

鉆頭的各部位連接后，內(nèi)腔相通，形成鉆井液通道，鉆井液通過渦輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電后，從鉆頭鉆底部水口流出，冷卻鉆頭、攜帶巖屑。

本發(fā)明的工作原理：

壓電陶瓷的伸縮材料在交變電流下能夠產(chǎn)生高頻伸縮，并且在室溫下應(yīng)變值很大，能量密度高；機(jī)電耦合系數(shù)大；響應(yīng)快，輸出力大，因此是可產(chǎn)生高頻振動(dòng)并傳遞高強(qiáng)度應(yīng)力的新型材料。本發(fā)明首次將其置入鉆頭中。

本鉆頭工作時(shí)，鉆井液經(jīng)鉆桿中心通道，流至鉆頭，驅(qū)動(dòng)渦輪馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的交變電流通過導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷產(chǎn)生高頻軸向振動(dòng)。由于壓電陶瓷下部設(shè)置有彈簧，故產(chǎn)生向下的高頻振動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)下鉆頭體對(duì)孔底巖石產(chǎn)生高頻振動(dòng)力。在鉆頭的回轉(zhuǎn)與給進(jìn)力聯(lián)合作用下，實(shí)現(xiàn)聲波鉆進(jìn)。