專利名稱：液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆具，具體為一種液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭。
背景技術(shù)：
井下鉆孔抽采煤層氣是煤礦瓦斯治理和消除煤與瓦斯突出的主要措施之一，通過抽采降低煤層瓦斯含量，減少巷道掘井和回采工作面回采時(shí)的瓦斯涌出量，降低煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。煤礦井下增加抽放煤層氣的方法主要是通過增加鉆孔密度，縮小鉆孔間距，如采用密集鉆孔；或改變煤層鉆孔布置方式，如由平行鉆孔改為交叉鉆孔；或者增加抽放鉆孔直徑；或增加鉆孔抽放負(fù)壓的方法來提高煤層鉆孔瓦斯抽放量，其缺點(diǎn)是增加了鉆孔的施工量和鉆孔進(jìn)尺量，費(fèi)用增加。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，由于煤層滲透性差，裂隙不發(fā)育，在井下直接進(jìn)行鉆孔抽采，由于鉆孔孔徑較小，影響范圍有限，瓦斯自然釋放的速度和產(chǎn)量效果都比較差，抽采效果有時(shí)并不明顯。所以本領(lǐng)域技術(shù)人員又開發(fā)出了在煤層中造穴的技術(shù)，通過造穴擴(kuò)大煤層裸露面積，增大煤層裂隙，從而使煤層氣溢出量增加。為了使鉆頭在退鉆的過程中也能實(shí)現(xiàn)連續(xù)造穴的功能，急需開發(fā)一種新型的鉆具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決在煤層中鉆進(jìn)過程后退鉆過程中連續(xù)造穴的技術(shù)問題，提供了一種液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭，包括上接頭、殼體、心管、心軸、鉆頭、活塞系統(tǒng)、鉆井液流向控制系統(tǒng)、隨鉆擴(kuò)孔牙輪臂總成。所述的殼體包括 依次連接的上殼體、中殼體、下殼體，上接頭連接上殼體，上殼體和中殼體中布置心管，中殼體和下殼體中穿設(shè)心軸，心軸下端連接鉆頭，在心軸外側(cè)套有大彈簧，大彈簧卡于下殼體和心軸之間，活塞系統(tǒng)包括活塞，活塞腔及活塞腔連接孔，鉆井液流向控制系統(tǒng)設(shè)置在心管與心軸之間，鉆井液流向控制系統(tǒng)包括連接管，連接管一端為壓帽，另一端為入水口，外壁安裝有環(huán)形的小彈簧，連接管側(cè)壁為過液長孔，連接管上端壓帽位于心管底端，連接管下端和心軸連通，上殼體和中殼體中形成的腔體內(nèi)設(shè)有環(huán)形的活塞，活塞上表面積大于下表面積；所述的隨鉆擴(kuò)孔牙輪臂總成包括在活塞側(cè)面連接的齒形桿，在中殼體外側(cè)設(shè)有齒輪，所述的齒輪和齒形桿嚙合，在齒輪上連接有牙輪臂，在中殼體上設(shè)有斜向噴嘴。本發(fā)明的工作原理如下在上述工作過程中鉆壓傳遞鉆進(jìn)領(lǐng)眼時(shí)，由連接頭與上部鉆具連接，鉆壓經(jīng)上外殼、中外殼、下外殼、心軸傳至鉆頭；鉆進(jìn)結(jié)束退鉆擴(kuò)大穴時(shí)，鉆壓經(jīng)上外殼、中外殼傳至牙輪臂。在上述工作過程中扭矩傳遞鉆進(jìn)領(lǐng)眼時(shí)，由連接頭與上部鉆具連接，鉆壓經(jīng)上外殼、中外殼、通過凸塊傳至心軸，再由心軸傳至鉆頭；鉆進(jìn)擴(kuò)大眼時(shí)，經(jīng)上外殼、中外殼，中外殼由帶動(dòng)牙輪臂上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼。擴(kuò)穴完畢，準(zhǔn)備退鉆時(shí)，鉆井液泄壓，活塞腔中的液體由活塞腔經(jīng)連接孔流出，活塞在彈簧的作用下推動(dòng)活塞上移，活塞帶動(dòng)齒形桿上移，齒形桿通過與牙輪臂總成后部的齒輪帶動(dòng)牙輪臂向內(nèi)收縮復(fù)位。同時(shí)在退鉆的過程中，鉆孔后部的未擴(kuò)孔的領(lǐng)眼孔也可通過擠壓支撐桿和牙輪臂實(shí)現(xiàn)收縮復(fù)位。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理巧妙，可以實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過程中和正常鉆頭功能相同，但是在退鉆過程中，通過活塞系統(tǒng)、鉆井液流向轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、隨鉆擴(kuò)孔牙輪臂總成的作用，可以使牙輪臂張開，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)穴造穴的過程。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖1的A-A剖面圖
圖3為圖1的B-B剖面圖
圖中1_上接頭、2-上殼體、3-心管,4-中殼體、5-下殼體,6-心軸凸塊、7-大彈簧，8-心軸、9-鉆頭、10-活塞腔、11-活塞、12-T形密封圈、13-空腔、14-連接口、15-壓帽、16-墊圈、17-小彈簧、18-連接管、18-1側(cè)壁的過液長孔、19-入水口、20-0形密封圈、21-活塞腔連接孔、22-齒形桿、23-彈簧、24-半圓形空腔、25-噴嘴連接孔、26-活塞腔連接孔、27-軸承、28-斜向噴嘴、29-定位塊、30-支撐桿、31-軸承、32-齒輪、33-牙輪臂、34-滑動(dòng)槽、35-滾軸。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖1、2、3詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理，如圖1所示意，一種液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭，包括上接頭1、殼體、心管3、心軸8、鉆頭9、活塞系統(tǒng)、鉆井液流向控制系統(tǒng)、隨鉆擴(kuò)孔牙輪臂總成。所述的殼體包括依次連接的上殼體2、中殼體4、下殼體5，上接頭I連接上殼體2，上殼體2和中殼體4中布置心管3，中殼體4和下殼體5中穿設(shè)心軸8，心軸8下端連接鉆頭9，在心軸8外側(cè)套有大彈簧7，大彈簧7卡于下殼體5和心軸8之間，活塞系統(tǒng)包括活塞11，活塞腔10及活塞腔連接孔21、26，鉆井液流向控制系統(tǒng)設(shè)置在心管3與心軸8之間，鉆井液流向控制系統(tǒng)包括連接管18，連接管18—端為壓帽15，另一端為入水口 19，外壁安裝有環(huán)形的小彈簧17，連接管18側(cè)壁為過液長孔18-1，連接管18上端壓帽15位于心管3底端，連接管18下端和心軸8連通，上殼體2和中殼體4中形成的腔體內(nèi)設(shè)有環(huán)形的活塞11，活塞11上表面積大于下表面積；所述的隨鉆擴(kuò)孔牙輪臂總成包括在活塞側(cè)面連接的齒形桿22，在中殼體4外側(cè)設(shè)有齒輪32，所述的齒輪32和齒形桿22嚙合，在齒輪32上連接有牙輪臂33，在中殼體4上設(shè)有斜向噴嘴28。在中殼體4和心軸8之間設(shè)有心軸凸塊6，通過心軸凸塊6使中殼體4和心軸8之間不發(fā)生相互轉(zhuǎn)動(dòng)，以傳動(dòng)扭矩。其工作過程是，當(dāng)鉆頭正常向前鉆進(jìn)過程中，鉆頭9受到鉆進(jìn)巖體的頂壓力，推動(dòng)心軸8擠壓大彈簧7和小彈簧17向后回縮,心軸8與心管3之間的連接管18向心管3的內(nèi)腔移動(dòng)，心管3與中外殼4之間的連接口 14被心軸內(nèi)壁封閉，連接管18伸入到心管3內(nèi)，心管3和心軸8內(nèi)腔導(dǎo)通，鉆井液由心管3進(jìn)入心軸8的內(nèi)腔，由鉆頭9前面的噴嘴流出，增加液壓，鉆頭向前鉆進(jìn)，鉆進(jìn)領(lǐng)眼，此時(shí)牙輪臂始終處于閉合狀態(tài)。
當(dāng)鉆進(jìn)到一定深度后，按照計(jì)劃進(jìn)行退鉆擴(kuò)孔操作，當(dāng)退鉆到一定位置向前鉆進(jìn)擴(kuò)大眼時(shí)，鉆頭9正前方已形成領(lǐng)眼，鉆頭9不在受鉆進(jìn)巖體的頂壓，大彈簧7和小彈簧17共同推動(dòng)心軸8向前移動(dòng)，心管3與心軸8之間的連接管18進(jìn)入心軸8內(nèi)腔，心軸上的壓帽15在小彈簧7的作用下，連接管8由于壓帽15作用而將通道閉合，心管3與中外殼4分離，心管3側(cè)壁上的連接口 14被打開；然后增加液壓，鉆井液進(jìn)入心管3與中外殼4之間空腔13，一部分鉆井液經(jīng)過活塞腔連接孔26和21進(jìn)入活塞腔10中，由于活塞11的上下截面積不等，活塞在液壓推動(dòng)下向鉆頭方向移動(dòng)，活塞11帶動(dòng)齒形桿22移動(dòng)，齒形桿22帶動(dòng)齒輪32轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪32帶動(dòng)牙輪臂33向外擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔，當(dāng)牙輪臂張開一定角度后，然后在鉆桿中殼體4向前推進(jìn)過程中，鉆井壁同時(shí)對牙輪臂33提供一個(gè)向外的張力，牙輪臂33張開角度持續(xù)擴(kuò)大，直至最大擴(kuò)張直徑。另一部分鉆井液由噴嘴連接孔25經(jīng)中殼體4外壁的斜向噴嘴28和牙輪臂中的預(yù)埋噴嘴噴出，實(shí)現(xiàn)對牙輪臂33擴(kuò)眼過程的冷卻和沖洗鉆孔。在上述工作過程中鉆壓傳遞鉆進(jìn)領(lǐng)眼時(shí)，由連接頭I與上部鉆具連接，鉆壓經(jīng)上外殼2、中外殼4、下外殼5、心軸8傳至鉆頭9 ;鉆進(jìn)結(jié)束退鉆擴(kuò)大穴時(shí)，鉆壓經(jīng)上外殼2、中外殼4傳至牙輪臂33。在上述工作過程中扭矩傳遞鉆進(jìn)領(lǐng)眼時(shí)，由連接頭I與上部鉆具連接，鉆壓經(jīng)上外殼2、中外殼4、通過心軸凸塊6傳至心軸8，再由心軸8傳至鉆頭9 ;鉆進(jìn)擴(kuò)大眼時(shí)，經(jīng)上外殼2、中外殼4，中外殼4由帶動(dòng)牙輪臂33上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼。牙輪臂33上設(shè)有滑動(dòng)槽34，在中外殼4上設(shè)有軸承27，軸承27連接支撐桿30，支撐桿30末端位于滑動(dòng)槽34內(nèi)。當(dāng)牙輪臂33張開達(dá)到最大角度時(shí)，在定位塊29和支撐桿30的共同作用下，鎖定牙輪臂，同時(shí)支撐桿30可以增加牙輪臂的剛度。擴(kuò)穴完畢，準(zhǔn)備退鉆時(shí)，鉆井液泄壓，活塞腔中的液體由活塞腔10經(jīng)連接孔21、26流出，活塞在彈簧23的作用下推動(dòng)活塞11上移，活塞11帶動(dòng)齒形桿22上移，齒形桿22通過與牙輪臂總成后部的齒輪32帶動(dòng)牙輪臂33向內(nèi)收縮復(fù)位。同時(shí)在退鉆的過程中，鉆孔后部的未擴(kuò)孔的領(lǐng)眼孔也可通過擠壓支撐桿30和牙輪臂33實(shí)現(xiàn)收縮復(fù)位。
權(quán)利要求
1.一種液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭，其特征在于包括上接頭(I)、殼體、心管(3)、 心軸(8)、鉆頭(9)、活塞系統(tǒng)、鉆井液流向控制系統(tǒng)、隨鉆擴(kuò)孔牙輪臂總成，所述的殼體包括依次連接的上殼體(2 )、中殼體(4)、下殼體(5 )，上接頭(I)連接上殼體(2)，上殼體(2)和中殼體(4)中布置心管(3)，中殼體(4)和下殼體(5)中穿設(shè)心軸(8)， 心軸(8 )下端連接鉆頭(9 )，在心軸(8 )外側(cè)套有大彈簧(7 )，大彈簧(7 )卡于下殼體(5 )和心軸(8)之間，活塞系統(tǒng)包括活塞(11)，活塞腔(10)及活塞腔連接孔(21、26)，鉆井液流向控制系統(tǒng)設(shè)置在心管(3)與心軸(8)之間，鉆井液流向控制系統(tǒng)包括連接管(18)，連接管 (18) 一端為壓帽(15)，另一端為入水口(19)，外壁安裝有環(huán)形的小彈簧(17)，連接管(18) 側(cè)壁為過液長孔(18-1)，連接管(18)上端壓帽(15)位于心管(3)底端，連接管(18)下端和心軸(8 )連通，上殼體(2 )和中殼體(4 )中形成的腔體內(nèi)設(shè)有環(huán)形的活塞(11)，活塞(11)上表面積大于下表面積；所述的隨鉆擴(kuò)孔牙輪臂總成包括在活塞側(cè)面連接的齒形桿(22)，在中殼體(4)外側(cè)設(shè)有齒輪(32 )，所述的齒輪(32 )和齒形桿(22 )嚙合，在齒輪(32 )上連接有牙輪臂(33 )，在中殼體(4 )上設(shè)有斜向噴嘴(28 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭，其特征在于在中殼體(4)和心軸(8 )之間設(shè)有心軸凸塊(6 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭，其特征在于牙輪臂(33)上設(shè)有滑動(dòng)槽(34)，在中外殼(4)上設(shè)有軸承(27)，軸承(27)連接支撐桿(30)，支撐桿(30) 末端位于滑動(dòng)槽(34)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鉆具，具體為一種液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭。解決在煤層中鉆進(jìn)過程后退鉆過程中連續(xù)造穴的技術(shù)問題，一種液壓機(jī)械式隨鉆變徑擴(kuò)孔鉆頭，包括上接頭、殼體、心管、心軸、鉆頭、活塞系統(tǒng)、鉆井液流向轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、隨鉆擴(kuò)孔牙輪臂總成。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過程中和正常鉆頭功能相同，但是在退鉆過程中，通過活塞系統(tǒng)、鉆井液流向轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、隨鉆擴(kuò)孔牙輪臂總成的作用，可以使牙輪臂張開，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)穴造穴的過程。
文檔編號E21B10/28GK103046871SQ20121058395
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月30日
發(fā)明者李建軍, 王保玉, 白培康, 李國富, 毛虎平, 胡包生, 田永東, 韓文梅, 魯博, 王小兵, 李晉 申請人:中北大學(xué), 山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司