專利名稱：一種鉆孔裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及地質(zhì)鉆探的裝置，具體涉及一種能夠控制鉆孔過程中產(chǎn)生的碎屑 流動的鉆孔裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，在地質(zhì)鉆探作業(yè)中，例如在地面或巖石上鉆孔時(shí)，鉆頭周圍會產(chǎn)生大量 的粉塵、顆?；蛩樾?，這些粉塵、碎屑需要及時(shí)除去，因?yàn)樗鼈儠枞@頭的凹槽或通道，沖 撞甚至損壞鉆孔裝置，影響鉆孔作業(yè)的順利進(jìn)行，而且還會造成非機(jī)械方面的危害，如電、 噪聲、振動及粉塵污染等?，F(xiàn)有技術(shù)通常利用加壓氣流將鉆孔過程產(chǎn)生的這些粉塵或碎屑等帶出地面或巖 石表面，其原理是當(dāng)正壓力施加到鉆頭或者鉆頭周圍，當(dāng)空氣流流到較低壓力區(qū)時(shí)，將攜帶 粉塵或碎屑離開鉆頭周圍。許多美國專利公開了各種利用加壓氣流除去粉塵和碎屑的方法 和裝置。例如，US 3，946，818公開了一種用于巖石鉆孔的粉塵控制裝置，該裝置利用向下 的壓縮空氣流通過鉆孔裝置內(nèi)部安裝的通氣管進(jìn)入并在鉆頭周圍流動，將鉆孔過程中產(chǎn)生 的碎屑帶上地面并用防塵罩收集；美國專利US 4，981，182公開了一種利用空氣壓密封保 護(hù)的旋轉(zhuǎn)密封牙輪鉆頭，其中描述了壓縮空氣可用于協(xié)助鉆孔過程，作為一種保護(hù)手段移 動碎屑遠(yuǎn)離密封處；美國專利US 4，183，417公開了一種通過排氣從切割處密封排除的牙 輪鉆頭，其中利用壓縮空氣從滾刀處帶走碎屑；美國專利US 2，279，186公開了一種結(jié)合的 除塵器和鉆孔清潔器，其中利用壓縮空氣的負(fù)流體壓力吸入和收集鉆頭周圍的碎屑。然而， 上述現(xiàn)有技術(shù)都沒有對壓縮氣流的合理流動進(jìn)行研究，存在碎屑不能及時(shí)排除以及損壞鉆 孔壁的缺陷。此外，美國專利申請US2006/0027399公開了一種鉆頭裝置(如圖1所示)，該裝 置包括同軸地配合使用的中心鉆頭20，環(huán)形鉆頭40，套管10和套管鞋30，其中環(huán)形鉆頭的 前端用于鉆出孔的周邊部分，該孔的直徑足夠大以容納套管，中心鉆頭的前端用于鉆出孔 的中心部分，其后端被旋轉(zhuǎn)和沖擊地驅(qū)動以鉆孔。中心鉆頭和環(huán)形鉆頭相互嚙合，以便在旋 轉(zhuǎn)和沖擊地驅(qū)動中心鉆頭時(shí)也能旋轉(zhuǎn)和沖擊地驅(qū)動環(huán)形鉆頭；從孔中撤出中心鉆頭時(shí)也能 撤出環(huán)形鉆頭；中心鉆頭和環(huán)形鉆頭能夠相互分離，并將中心鉆頭從環(huán)形鉆頭和套管中撤 回。然而該申請沒有涉及利用空氣的合理流動來推動/吸入鉆孔過程中產(chǎn)生的碎屑的技術(shù) 特征?？梢?，雖然利用壓縮氣體除去和收集鉆孔過程產(chǎn)生的碎屑已經(jīng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員 熟知的方法，然而現(xiàn)有技術(shù)中利用壓縮氣體吸取和收集鉆頭周圍的碎屑時(shí)都存在同樣的問 題。如圖2所示，由于所有的高壓氣體從中心通道22進(jìn)入鉆頭裝置后經(jīng)由通道24吹向鉆 頭刃面(即鉆頭前部與巖石或井底等的接觸面)進(jìn)入鉆孔的底部，然后通過鉆頭表面通道 26到達(dá)側(cè)面通道28，這種結(jié)構(gòu)在鉆頭周圍向外的所有方向上收集碎屑，意味著相當(dāng)大一部 分碎屑將擊中鉆孔側(cè)壁，容易引起周圍結(jié)構(gòu)的損壞，例如損壞鉆孔的壁等，嚴(yán)重影響施工作 業(yè)質(zhì)量。[0006]因此，有必要開發(fā)一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的鉆孔裝置，使得高壓氣體在鉆孔裝置或孔 洞內(nèi)合理流動，不但及時(shí)有效地排除鉆頭周圍產(chǎn)生的碎屑，而且不會對周圍結(jié)果造成損壞。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改進(jìn)的能夠控制鉆孔過程 中產(chǎn)生的碎屑流動以將其迅速排出的鉆孔裝置。本發(fā)明通過在鉆頭裝置內(nèi)設(shè)置斜向上方的 通道來控制鉆孔過程中產(chǎn)生的碎屑的流動，可以更有效地除去鉆孔作業(yè)中產(chǎn)生的碎屑，大 大降低對該裝置本身和鉆孔壁的損壞。本發(fā)明的鉆孔裝置，包括一套管裝置，設(shè)置在鉆頭裝置外圍，用于固定鉆孔的大小；包括一套管鞋，設(shè)置在 所述套管裝置前端，并固定地連接到套管裝置；一鉆頭裝置，包括一柱形鉆體，所述鉆體包括具有長柄的后部和具有鉆頭的前部； 所述套管裝置與鉆頭裝置通過所述套管鞋接觸并定位，所述鉆頭裝置包括一中心通道，貫穿所述鉆體后部和部分鉆體前部，用于將壓縮氣體通入鉆體前部 內(nèi)部的一腔室；至少一第一分支通道，設(shè)置于鉆體前部的內(nèi)部，與所述腔室相通并貫穿鉆體前部 形成與外界相通的出口，所述第一分支通道的中心線與中心通道的中心線呈一銳角夾角， 使得第一分支通道呈現(xiàn)為斜向上方的形式；以及至少一第二分支通道，設(shè)置于鉆體前部的內(nèi)部，與所述腔室相通并貫穿鉆體前部 形成與外界相通的出口，所述第二分支通道的中心線與中心通道的中心線呈一鈍角夾角， 使得第二分支通道呈現(xiàn)為斜向下的形式；所述第一分支通道的直徑大于第二分支通道的直徑。在一種實(shí)施方式中，所述第一分支通道的直徑為所述中心通道直徑的80%或 95% ；所述第二分支通道的直徑為所述中心通道直徑的20%或5%。在一種實(shí)施方式中，所述鉆孔裝置可以在所述鉆頭的端部表面與側(cè)面設(shè)置凹槽， 該凹槽在鉆頭的端部表面形成端面通道，并在鉆頭的環(huán)形側(cè)面形成側(cè)面通道；所述第一分 支通道的出口與所述側(cè)面通道相通，所述第二分支通道的出口與端面通道相通。由于通道直徑的差異導(dǎo)致氣體的流量不同，斜向上的第一分支通道的直徑接近中 心通道的直徑，并且明顯大于向下的第二分支通道的直徑，當(dāng)壓縮氣體從中心通道進(jìn)入腔 室后，絕大部分氣體通過斜向上的第一分支通道從鉆體的側(cè)面通道流出形成第一循環(huán)，小 部分氣體通過向下的第二分支通道經(jīng)由鉆頭的端部流向鉆體的側(cè)面通道而形成第二循環(huán)。當(dāng)大部分壓縮氣體從腔室流入斜向上的第一分支通道時(shí)，第一分支通道中的空氣 氣壓低于鉆頭端部附近的空氣氣壓，并且流速較快，這種高速低壓的氣流可以引導(dǎo)鉆頭端 部的部分氣體向上流動，流往斜向上的第一分支通道，然后經(jīng)由鉆體上形成的端面通道和 側(cè)面通道向上流動。在這個(gè)過程中，鉆頭端部附近的粉塵和碎屑在附近氣流的帶動下也離 開鉆頭附近向上流動，流往斜向上的第一分支通道，經(jīng)第一循環(huán)路徑被鉆孔裝置側(cè)面通道 的氣流沖出孔洞。此外，鉆頭端部的另外一部分氣體向橫向流動引導(dǎo)粉塵和碎屑經(jīng)第二循 環(huán)路徑離開鉆頭周圍并被鉆孔裝置側(cè)面通道的氣流沖出孔洞。這樣，通過氣體的第一循環(huán) 通道和第二循環(huán)通道的配合，在高壓氣流的帶動下，鉆孔過程中產(chǎn)生的粉塵和碎屑可以快速有效地離開鉆頭端部，并從鉆孔中排出。可以理解的是，本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，從腔室經(jīng)由斜向下的分支通道沖向鉆 頭端部(或鉆孔表面)的氣流較少，從而防止高壓氣流沖向鉆孔的表面，粉塵和碎屑主要經(jīng) 由第一循環(huán)路徑被清除，其中帶動碎屑向下或橫向移動的力度減少，對周圍結(jié)構(gòu)(例如鉆 孔壁)的損害大大降低，同時(shí)保持高效和強(qiáng)大的鉆孔系統(tǒng)的運(yùn)作。在一種實(shí)施方式中，所述斜向上的分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的 80%，相應(yīng)地，所述向下的分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的20%，也就是說，通過 中心通道進(jìn)入腔室的壓縮氣體中，80%的氣體流往斜向上的分支通道，20%氣體流往向下 的分支通道。優(yōu)選地，所述斜向上的分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的90%，相應(yīng) 地，所述向下的分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的10%。更優(yōu)選地，所述斜向上的分 支通道的直徑為所述中心通道的直徑的95%，相應(yīng)地，所述向下的分支通道的直徑為所述 中心通道的直徑的5%。在另一種形式中，本發(fā)明的鉆孔裝置包括一套管裝置，設(shè)置在鉆頭裝置外圍，用于固定鉆孔的大??；包括一套管鞋，設(shè)置在 所述套管裝置前端，并固定地連接到套管裝置；一鉆頭裝置，包括一柱形鉆體，所述鉆體包括具有長柄的后部以及具有鉆頭的前 部，所述鉆頭裝置包括至少兩個(gè)擴(kuò)孔器，設(shè)置于繞所述鉆頭均勻布置的相配合的凹窩內(nèi)；所 述套管裝置與鉆頭裝置通過一套管鞋接觸并定位，所述鉆頭裝置包括一中心通道，貫穿所述鉆體后部和部分鉆體前部，用于將壓縮氣體通入鉆體前部 內(nèi)部的一腔室；至少一第一分支通道，設(shè)置于鉆體前部的內(nèi)部，與所述腔室相通并貫穿鉆體前部 形成與外界相通的出口，所述第一分支通道的中心線與中心通道的中心線呈一銳角夾角， 使得第一分支通道呈現(xiàn)為斜向上方的形式；以及至少一第二分支通道，設(shè)置于鉆體前部的內(nèi)部，與所述腔室相通并貫穿鉆體前部 形成與外界相通的出口，所述第二分支通道的中心線與中心通道的中心線呈一鈍角夾角， 使得第二分支通道呈現(xiàn)以斜向下的形式；所述第一分支通道的直徑大于第二分支通道的直徑。其中所述擴(kuò)孔器通過銷軸可旋轉(zhuǎn)地安裝于鉆頭上，并通過設(shè)置定位銷限制所述擴(kuò) 孔器的縱向運(yùn)動，而所述擴(kuò)孔器可以繞其銷軸形成的樞軸從一非工作位置(在該位置時(shí)擴(kuò) 孔器處于所述鉆頭外徑的限制范圍內(nèi))轉(zhuǎn)到一工作位置(在該位置時(shí)擴(kuò)孔器超出鉆頭外徑 同樣的角度)，以便鉆出直徑較大的孔，引導(dǎo)套管裝置伸向所鉆的孔中；或者從一工作位置 轉(zhuǎn)到一非工作位置，以便在鉆孔后使擴(kuò)孔器收回到鉆頭外徑的限制范圍內(nèi)，并將鉆頭裝置 從套管裝置中退出。其中所述鉆頭的凹槽內(nèi)各設(shè)置有一盲孔，用于接收各擴(kuò)孔器的銷軸，并且所述鉆 頭側(cè)面有與盲孔對應(yīng)的橫向孔，用于接收定位銷，所述定位銷上設(shè)置有簧環(huán)，使所述擴(kuò)孔器 定位于對應(yīng)的凹槽。在一種實(shí)施方式中，本發(fā)明的鉆孔裝置可在所述鉆頭的端部表面與側(cè)面設(shè)置凹 槽，該凹槽在在鉆頭的端部表面形成端面通道，并在鉆頭的環(huán)形側(cè)面形成側(cè)面通道；所述第 一分支通道的出口與所述側(cè)面通道相通，所述第二分支通道的出口與端面通道相通。[0031]在另一種實(shí)施方式中，本發(fā)明的鉆孔裝置可在所述鉆頭的側(cè)面設(shè)置凹槽，該凹槽 在鉆頭的環(huán)形側(cè)面形成側(cè)面通道；所述第一分支通道的出口與所述側(cè)面通道相通，所述第 二分支通道的出口位于繞所述鉆頭均勻布置的凹窩的側(cè)壁上。與本發(fā)明前面描述的鉆孔裝置類似，所述斜向上的分支通道的直徑為所述中心通 道的直徑的80%，相應(yīng)地，所述斜向下的分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的20%， 優(yōu)選地，所述斜向上的分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的90%，所述斜向下的分支 通道的直徑為所述中心通道的直徑的10%。更優(yōu)選地，所述斜向上的分支通道的直徑為所 述中心通道的直徑的95%，相應(yīng)地，所述斜向下的分支通道的直徑為所述中心通道的直徑 的5%。其中，所述擴(kuò)孔器為至少兩個(gè)或更多，例如，三個(gè)或四個(gè)等，每個(gè)都是可轉(zhuǎn)動地安 裝，并可從一非工作位置(在該位置時(shí)，這些擴(kuò)孔器處于所述鉆頭外徑的限制范圍內(nèi))轉(zhuǎn)到 一工作位置(在該位置時(shí)，這些擴(kuò)孔器超出所述鉆頭外徑同樣的角度)。本發(fā)明的鉆孔裝置的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于1、真空沖刷設(shè)計(jì)保證大部分壓縮空氣不會進(jìn)入鉆孔的底部，并且不會引起鉆孔周 圍結(jié)構(gòu)的損壞；2、與傳統(tǒng)的鉆頭系統(tǒng)相比，本發(fā)明的鉆頭系統(tǒng)只需要較少的氣體即可實(shí)現(xiàn)鉆孔的 清理，幾乎所有空氣都用于沖刷鉆孔，而不是一定比例的空氣進(jìn)入周圍；3、平面設(shè)計(jì)使本發(fā)明的鉆頭比市場上其他的系統(tǒng)鉆孔更快；4、附件更少，更易于制造、使用和維護(hù)保養(yǎng)，成本降低，產(chǎn)品極具競爭力；5、可以使用不同尺寸的擴(kuò)孔器，適應(yīng)不同套管的需要。

圖1顯示現(xiàn)有技術(shù)中鉆孔裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2顯示現(xiàn)有技術(shù)中鉆孔裝置的縱向剖面圖；圖3顯示本發(fā)明的鉆孔裝置的一種形式的立體圖；圖4顯示圖3的鉆孔裝置的前端平面視圖；圖5顯示圖3的鉆孔裝置的縱向剖面圖；圖6顯示本發(fā)明的鉆孔裝置的另一種形式的立體分解圖，其中設(shè)置有兩個(gè)擴(kuò)孔 器；圖7顯示圖6的鉆孔裝置的立體圖，其中擴(kuò)孔器安裝于凹槽內(nèi)；圖8顯示圖6的鉆孔裝置的后端視圖；圖9顯示圖6的鉆孔裝置未安裝擴(kuò)孔器時(shí)的前端視圖；圖10顯示圖9中所述鉆孔裝置沿E-E面的縱向剖面圖；圖11顯示圖10中所述鉆孔裝置沿C-C面的橫截面圖；圖12顯示本發(fā)明的鉆孔裝置的另一種形式的立體分解圖，其中設(shè)置有三個(gè)擴(kuò)孔 器；圖13顯示圖12的鉆孔裝置的立體圖，其中擴(kuò)孔器安裝于凹槽內(nèi)；圖14顯示圖12的鉆孔裝置的后端視圖；圖15顯示圖12的鉆孔裝置未安裝擴(kuò)孔器時(shí)的前端視圖。
具體實(shí)施方式
通過以下具體實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，有助于本領(lǐng)域技術(shù)人 員清楚地理解發(fā)明內(nèi)容，但不是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，其中相同的零部件用相同的數(shù)
字表不。圖3-圖5描述本發(fā)明的一種形式的鉆孔裝置，用數(shù)字300表示。參見圖3，顯示了 本發(fā)明的鉆孔裝置的透視圖。鉆孔裝置包括一套管裝置150(參見圖5)和一鉆頭裝置100， 其中套管裝置配合地套在鉆頭裝置的外部，用于固定鉆孔的大小。當(dāng)鉆孔完畢后，鉆頭裝置 可以從套管中退出；鉆頭裝置100包括一柱形鉆體，柱形鉆體包括有一長柄體110的后部 104，和有一鉆頭120的前部102，鉆頭120的端部表面130設(shè)置有一系列硬合金齒132，例 如碳化鎢合金齒。參見圖4和圖5，分別為圖3的鉆頭裝置100的鉆頭120的端部平面視圖和縱向剖 面圖。鉆孔裝置300包括套管裝置150和鉆頭裝置100。套管裝置150與鉆頭裝置100通 過套管鞋151相互接觸并定位。套管鞋151為一環(huán)形套管，設(shè)置在套管裝置的前端，并固定 地連接到套管裝置。套管鞋151與鉆頭裝置前端120接觸，套管鞋的內(nèi)直徑與鉆頭前端外 直徑相匹配，容許鉆頭裝置在工作時(shí)能作向下撞擊(以鉆頭向地下鉆孔方向)并轉(zhuǎn)動進(jìn)行 鉆孔。鉆頭裝置前端120在向下撞擊時(shí)亦同時(shí)帶引套管裝置向下。鉆頭裝置100包括貫穿 鉆體后部104和部分鉆體前部102的中心通道200，中心通道200在鉆體前部的內(nèi)部形成一 腔室210，通過中心通道200進(jìn)入的壓縮氣體經(jīng)由該通道通向腔室210。第一分支通道220 和第二分支通道230設(shè)置于鉆體前部的內(nèi)部，與腔室210相通并貫穿鉆體前部，第一分支通 道220和第二分支通道230均為對稱設(shè)置的通道，在該實(shí)施例中分別為兩條對稱的第一分 支通道和兩條對稱的第二分支通道。第一分支通道220的中心線與中心通道200的中心線 在y方向上呈一夾角α，在此夾角α為銳角，使得第一分支通道220呈現(xiàn)為斜向上方的形 式，其出口 221位于鉆體前部的環(huán)形側(cè)面上(參見圖3)，第二分支通道230的中心線與中心 通道200的中心線在y方向上呈一夾角β，在此夾角β為一鈍角，使得第二分支通道230 呈現(xiàn)以斜向下的形式，其出口 231位于鉆頭的前端部表面或側(cè)面130。第一分支通道220的 直徑大于第二分支通道230的直徑。在一種實(shí)施方式中，在鉆頭的端部表面與側(cè)面設(shè)置凹 槽，該凹槽在鉆頭的端部表面形成端面通道240，并在鉆頭的環(huán)形側(cè)面形成側(cè)面通道250。 第一分支通道220的出口 221與側(cè)面通道250相通，第二分支通道230的出口 231與端面 通道240相通。在鉆孔作業(yè)中，通過中心通道200進(jìn)入腔室中的大部分壓縮氣體經(jīng)由兩條 斜向上的第一分支通道220流向側(cè)面通道250，并從該側(cè)面通道向上流出，形成第一循環(huán)； 小部分氣體經(jīng)由兩條向下的第二分支通道230通過出口 231流向端面通道240，再通過側(cè)面 通道向上流出，形成第二循環(huán)。在本發(fā)明的鉆孔裝置中，中心通道200為主通道，直徑最大， 而第一分支通道220的直徑接近中心通道的直徑，并且明顯大于第二分支通道230的直徑， 由此壓縮氣體主要經(jīng)由第一循環(huán)路徑流出鉆體或所鉆的孔洞，而只有少部分氣體經(jīng)由第二 循環(huán)路徑流出鉆體或所鉆的孔洞，這樣導(dǎo)致第一循環(huán)路徑流出的氣體相對于鉆頭附近的氣 體氣壓低，產(chǎn)生高速低壓的環(huán)境。由于通道的直徑限制和影響通過的氣體流量，因此本發(fā)明利用術(shù)語通道的“直 徑”表示通過所述通道的“氣體流量”。通常情況下，所述第一分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的約70%以上，相應(yīng)地，所述第二分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的約 30 %，也就是說，通過中心通道進(jìn)入腔室的壓縮氣體中，約70 %的氣體流往第一分支通道， 約30%氣體流往第二分支通道。優(yōu)選地，所述第一分支通道的直徑為所述中心通道的直徑 的約80%，所述第二分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的約20%。最優(yōu)選地，所述第 一分支通道的直徑為所述中心通道的直徑的約95%，所述第二分支通道的直徑為所述中心 通道的直徑的約5%。在上述過程中，當(dāng)壓縮氣體通過第一循環(huán)路徑流向鉆頭裝置的側(cè)面通道250時(shí)， 所述第一分支通道220中的空氣氣壓低于鉆頭端部附近的空氣氣壓，并且流速較快，這種 高速低壓的氣流可以引導(dǎo)鉆頭端部的部分氣體向上流動，流向第一分支通道220，并且經(jīng)由 側(cè)面通道250向上流動，此時(shí)鉆頭端部附近的粉塵和碎屑在該氣流的帶動下離開鉆頭附近 流向第一分支通道，經(jīng)第一循環(huán)路徑被帶離鉆頭周圍并帶出孔洞，鉆頭端部的另外一部分 氣體向橫向流動引導(dǎo)粉塵和碎屑經(jīng)第二循環(huán)路徑離開鉆頭周圍并被帶出孔洞。這樣，本發(fā)明的鉆頭裝置通過氣體的第一循環(huán)通道和第二循環(huán)通道的配合，在高 壓氣流的帶動下，鉆孔過程中產(chǎn)生的粉塵和碎屑可以快速有效地從鉆孔中排出。而且，與 傳統(tǒng)的覆蓋層鉆孔系統(tǒng)不同，本發(fā)明的鉆孔裝置具有完全不同的沖刷系統(tǒng)，它防止高壓氣 體向下沖到鉆孔的端部表面，減小碎屑向下或橫向移動的力度，并由此減小對周圍鉆孔壁 的損壞。相反，該鉆孔裝置利用向上的氣流，沖刷孔洞，通過氣流提升的作用，快速清空鉆孔 過程產(chǎn)生的粉塵、沙石或碎屑等，從而使鉆孔系統(tǒng)保持高效和強(qiáng)大的運(yùn)作。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，本發(fā)明的鉆孔裝置的第一分支通道220和第二分支通 道230均不限于兩條，它們還可以分別是三條、四條或者更多。在圖3-圖5的實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，本發(fā)明進(jìn)一步提供鉆孔裝置的另一種形式，如 圖6-圖11所示。參見圖6和圖7，鉆孔裝置包括一套管裝置(未顯示)和一鉆頭裝置100。 與前面所述的形式類似，套管裝置150與鉆頭裝置100通過套管鞋相互接觸并定位。套管 鞋為一環(huán)形套管，設(shè)置在套管裝置的前端，并固定地連接到套管裝置。套管鞋與鉆頭裝置前 端接觸，套管鞋的內(nèi)直徑與鉆頭前端外直徑相匹配，容許鉆頭裝置在工作狀態(tài)時(shí)能作鉆孔 表面撞擊并轉(zhuǎn)動進(jìn)行鉆孔。鉆頭裝置前端120在撞擊進(jìn)入鉆孔時(shí)亦同時(shí)帶引套管裝置進(jìn)入 鉆孔。鉆頭裝置100包括一柱形鉆體110，帶有一長柄110的后部104，以及包括鉆頭120 的前部102。所述鉆頭120設(shè)置有兩個(gè)帶有銷軸162的扇形擴(kuò)孔器160，鉆頭120和扇形擴(kuò) 孔器160的端部表面設(shè)置有多個(gè)硬合金齒132。擴(kuò)孔器160設(shè)置于圍繞所述鉆頭120均勻 分布的兩個(gè)凹窩170內(nèi)，具體地，凹窩170內(nèi)各自具有一個(gè)盲孔172，用于接收擴(kuò)孔器160的 銷軸162。鉆頭的側(cè)面在鄰近凹窩的位置各自具有一個(gè)橫向孔174。當(dāng)擴(kuò)孔器160配合地插 入對應(yīng)的盲孔后，將定位銷164插入所述橫向孔174，則擴(kuò)孔器160被定位于所述凹窩170 內(nèi)。定位銷上可裝有簧環(huán)166用于緊固定位銷，以及防止其松動脫落。此時(shí)，擴(kuò)孔器160相 對鉆頭130的縱向運(yùn)動受到限制，同時(shí)又能繞擴(kuò)孔器的銷軸162形成的樞軸連接自由轉(zhuǎn)動， 例如轉(zhuǎn)動一定角度(例如90度)從非工作位置轉(zhuǎn)到工作位置。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解， 所述鉆頭裝置通常與套管裝置150配合用于鉆井作業(yè)。鉆孔作業(yè)開始前，擴(kuò)孔器處于非工 作位置(也稱作關(guān)閉位置)時(shí)，它們位于所述鉆頭外徑的限制范圍內(nèi)，使鉆孔裝置可收納于 套管和套管鞋內(nèi)，并且鉆孔裝置前端的擴(kuò)孔器也可向前伸出套管鞋外。當(dāng)鉆孔開始進(jìn)行時(shí)，伸出套管鞋的各個(gè)擴(kuò)孔器將朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動，例如順時(shí)針轉(zhuǎn)動，打開處于工作位置(也稱 作開放位置)，它們超出所述鉆頭外徑同樣的角度，并在地面或巖石上鉆出一個(gè)足夠大直徑 的孔，以允許套管裝置向下伸入孔中。當(dāng)鉆井作業(yè)完成時(shí)，該系統(tǒng)朝相反的方向旋轉(zhuǎn)，例如 逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，使得擴(kuò)孔器重新回到關(guān)閉位置，從而可以將鉆孔裝置從套管裝置中退出。 必要時(shí)，還可繼續(xù)用鑲齒鉆頭鉆孔。圖8和圖9分別顯示圖6的鉆孔裝置的后端視圖和未裝配擴(kuò)孔器時(shí)的前端視圖。 圖10為沿圖9所述鉆孔裝置的E-E面的縱向剖面圖。圖11為圖9的鉆孔裝置的C-C剖面 圖，其中顯示了鉆孔裝置100的氣流通道示意圖，包括中心通道200，腔室210，兩條斜向上 的第一分支通道220和兩條斜向下的第二分支通道230。所述第一分支通道的直徑大于第 二分支通道的直徑。在一種實(shí)施方式中，本發(fā)明的鉆孔裝置可在所述鉆頭的端部表面與側(cè)面設(shè)置凹 槽，該凹槽在在鉆頭的端部表面形成端面通道，并在鉆頭的環(huán)形側(cè)面形成側(cè)面通道；所述第 一分支通道的出口與所述側(cè)面通道相通，所述第二分支通道的出口與端面通道相通。在另一種實(shí)施方式中，本發(fā)明的鉆孔裝置可在所述鉆頭的側(cè)面設(shè)置凹槽，該凹槽 在鉆頭的環(huán)形側(cè)面形成側(cè)面通道；所述第一分支通道的出口與所述側(cè)面通道相通，所述第 二分支通道的出口位于繞所述鉆頭均勻布置的凹窩的側(cè)壁上，此時(shí)鉆頭端部和鉆孔之間的 空隙，或鉆頭與擴(kuò)孔器之間的空隙等也可視為端面通道。如圖7所示，第一分支通道220的出口 221位于鉆體前部的環(huán)形側(cè)面上，并與側(cè)面 通道250相通；第二分支通道230的出口 231位于繞鉆頭均勻布置的凹窩的側(cè)壁上。壓縮氣體從中心通道200進(jìn)入腔室210，然后絕大部分氣體，例如約95%體積的氣 體，流入分支通道220然后從側(cè)面通道250向上流出，即第一循環(huán)路徑；很小部分氣體，例如 約5%體積的氣體，流入分支通道230，經(jīng)由出口 231流到鉆頭端部附近，然后繞過鉆頭的端 面通道(例如，鉆頭端面的凹槽，或鉆頭端部和鉆孔之間的空隙，或鉆頭與擴(kuò)孔器之間的空 隙等)，再從側(cè)面通道250向上流出，即第二循環(huán)路徑。如前所述，在壓縮氣體流動過程中， 由于斜向上的第一分支通道的氣壓低于第二分支通道230的氣壓，鉆頭端部附近的部分氣 體沿第二分支通道230向上流動，并帶動鉆孔過程產(chǎn)生的碎屑流向第一分支通道220，進(jìn) 而從側(cè)面通道250向上沖出，極少部分氣體帶動碎屑橫向流過鉆頭的端面通道從側(cè)面通道 250向上沖出?？偟脕碚f，一旦這些碎屑流入側(cè)面通道，它們就在氣流的沖刷作用下從套管中被 清除出去，并且只有很少的氣體，優(yōu)選地為不到5%的氣體流向鉆頭前端，因此鉆孔作業(yè)過 程中產(chǎn)生的碎屑幾乎不會對鉆孔周圍的結(jié)構(gòu)(如鉆孔壁)產(chǎn)生任何不良影響。圖12-圖15描述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)置有三個(gè)擴(kuò)孔器的鉆孔裝置，與前面描述的形式 類似，擴(kuò)孔器設(shè)置于繞所述鉆頭均勻布置的相配合的凹窩內(nèi)，通過銷軸可旋轉(zhuǎn)地安裝于鉆 頭上，并且可以繞其銷軸形成的樞軸從一非工作位置(擴(kuò)孔器處于所述鉆頭外徑的限制范 圍內(nèi))轉(zhuǎn)到一工作位置(擴(kuò)孔器超出鉆頭外徑同樣的角度)，或者從一工作位置轉(zhuǎn)到一非工 作位置。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，本發(fā)明的該實(shí)施方式中的鉆孔裝置種，所述第一分支 通道和第二分支通道均不限于兩條或三條，它們還可以四條或者更多。相應(yīng)地，所述擴(kuò)孔器 不限于兩個(gè)或三個(gè)，也可以是四個(gè)或更多。相應(yīng)地，還可以繞所述鉆頭裝置均勻地設(shè)置與擴(kuò)孔器相配合的數(shù)目一致的凹窩。 盡管本發(fā)明對鉆孔裝置的幾種實(shí)施方式做了描述，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解 的是，只要不背離本發(fā)明的精神和范圍，可對本發(fā)明作出各種修飾和變化，例如所述擴(kuò)孔器 可以鉆出直徑較大的孔，以便帶動套管伸向孔內(nèi)，根據(jù)該原理，本發(fā)明也可以將鉆孔器可轉(zhuǎn) 動地安裝在所述的鉆體中間部位，而不是在鉆頭的前端。只要是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理，任 何結(jié)構(gòu)的鉆孔裝置，只要其利用向上的通道引導(dǎo)壓縮氣流沖刷和清除鉆孔碎屑減小對鉆孔 周圍結(jié)構(gòu)的損害，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種鉆孔裝置，包括一套管裝置，設(shè)置在鉆頭裝置外圍，用于固定鉆孔的大??；包括一套管鞋，設(shè)置在所述套管裝置前端，并固定地連接到套管裝置；一鉆頭裝置，包括一柱形鉆體，所述鉆體包括具有長柄的后部和具有鉆頭的前部，所述套管裝置與鉆頭裝置通過一套管鞋接觸并定位，其特征在于，所述鉆頭裝置包括一中心通道，貫穿所述鉆體后部和部分鉆體前部，用于將壓縮氣體通入鉆體前部內(nèi)部的一腔室；至少一第一分支通道，設(shè)置于鉆體前部的內(nèi)部，與所述腔室相通并貫穿鉆體前部形成與外界相通的出口，所述第一分支通道的中心線與中心通道的中心線呈一銳角夾角，使得第一分支通道呈現(xiàn)為斜向上方的形式；以及至少一第二分支通道，設(shè)置于鉆體前部的內(nèi)部，與所述腔室相通并貫穿鉆體前部形成與外界相通的出口，所述第二分支通道的中心線與中心通道的中心線呈一鈍角夾角，使得第二分支通道呈現(xiàn)為斜向下的形式；所述第一分支通道的直徑大于第二分支通道的直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆孔裝置，其特征在于所述第一分支通道的直徑為所述中心 通道直徑的80%，所述第二分支通道的直徑為所述中心通道直徑的20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆孔裝置，其特征在于所述第一分支通道的直徑為所述中心 通道直徑的95%，所述第二分支通道的直徑為所述中心通道直徑的5%。
4.權(quán)利要求1所述的鉆孔裝置，其特征在于在所述鉆頭的端部表面與側(cè)面設(shè)置凹槽， 該凹槽在鉆頭的端部表面形成端面通道，并在鉆頭的環(huán)形側(cè)面形成側(cè)面通道；所述第一分 支通道的出口與所述側(cè)面通道相通，所述第二分支通道的出口與端面通道相通。
5.一種鉆孔裝置，包括一套管裝置，設(shè)置在鉆頭裝置外圍，用于固定鉆孔的大小；包括一套管鞋，設(shè)置在所述 套管裝置前端，并固定地連接到套管裝置；一鉆頭裝置，包括一柱形鉆體，所述鉆體包括具有長柄的后部以及具有鉆頭的前部，所 述鉆頭裝置包括至少兩個(gè)擴(kuò)孔器，設(shè)置于繞所述鉆頭均勻布置的相配合的凹窩內(nèi)；所述套 管裝置與鉆頭裝置通過一套管鞋接觸并定位，其特征在于，所述鉆頭裝置包括一中心通道，貫穿所述鉆體后部和部分鉆體前部，用于將壓縮氣體通入鉆體前部內(nèi)部 的一腔室；至少一第一分支通道，設(shè)置于鉆體前部的內(nèi)部，與所述腔室相通并貫穿鉆體前部形成 與外界相通的出口，所述第一分支通道的中心線與中心通道的中心線呈一銳角夾角，使得 第一分支通道呈現(xiàn)為斜向上方的形式；以及至少一第二分支通道，設(shè)置于鉆體前部的內(nèi)部，與所述腔室相通并貫穿鉆體前部形成 與外界相通的出口，所述第二分支通道的中心線與中心通道的中心線呈一鈍角夾角，使得 第二分支通道呈現(xiàn)以斜向下的形式；所述第一分支通道的直徑大于第二分支通道的直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆孔裝置，其特征在于所述第一分支通道的直徑為所述中心 通道直徑的80%，所述第二分支通道的直徑為所述中心通道直徑的20%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆孔裝置，其特征在于所述第一分支通道的直徑為所述中心通道直徑的95%，所述第二分支通道的直徑為所述中心通道直徑的5%。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆孔裝置，其特征在于所述擴(kuò)孔器通過銷軸可旋轉(zhuǎn)地安裝于 鉆頭上，并通過設(shè)置定位銷限制所述擴(kuò)孔器的縱向運(yùn)動；所述擴(kuò)孔器可以繞其銷軸形成的 樞軸從一非工作位置，在該位置時(shí)擴(kuò)孔器處于所述鉆頭外徑的限制范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)到一工作位 置，在該位置時(shí)擴(kuò)孔器超出鉆頭外徑同樣的角度，或者從一工作位置轉(zhuǎn)到一非工作位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鉆孔裝置，其特征在于所述鉆頭的凹窩內(nèi)各設(shè)置有一盲孔， 用于接收各擴(kuò)孔器的銷軸，并且所述鉆頭側(cè)面有與盲孔對應(yīng)的橫向孔，用于接收定位銷，所 述定位銷上設(shè)置有簧環(huán)，使所述擴(kuò)孔器定位于對應(yīng)的凹槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆孔裝置，其特征在于在所述鉆頭的端部表面與側(cè)面設(shè)置 凹槽，該凹槽在鉆頭的端部表面形成端面通道，并在鉆頭的環(huán)形側(cè)面形成側(cè)面通道；所述 第一分支通道的出口與所述側(cè)面通道相通，所述第二分支通道的出口與端面通道相通。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種改進(jìn)的能夠控制鉆孔(例如地面向下鉆孔)過程中產(chǎn)生的碎屑流動的鉆孔裝置，鉆孔裝置包括套管裝置和鉆頭裝置，通過在鉆頭裝置內(nèi)部設(shè)置獨(dú)特的氣體通道，包括直徑較大的斜向上的分支通道和直徑較小的斜向下的分支通道，引導(dǎo)氣流從斜向上的分支通道流出，防止高壓氣體沖到鉆孔的端部表面減小碎屑對鉆孔壁的損壞并使其快速離開鉆頭周圍，使鉆孔系統(tǒng)保持高效和強(qiáng)大的運(yùn)作。
文檔編號E21B12/00GK201714302SQ20102000394
公開日2011年1月19日 申請日期2010年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者唐少杰 申請人:力駿機(jī)械有限公司