专利名称：潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于复杂地层中钻探的岩土钻凿机具，特别是潜孔锤反循环跟管 钻进。
背景技术：
潜孔锤跟管钻进技术是针对破碎、漏失、卵砾石、漏失坍塌等复杂地层钻进成孔的 高效钻探方法。其利用潜孔锤高效碎岩、利用同步跟入套管保护孔壁，实现钻进、护壁和排 渣三个工序同时进行。现有的跟管钻具主要分为偏心跟管钻具和同心跟管钻具两大类。实 践证明现有的潜孔锤偏心跟管钻具具有一定的缺陷，例如钻孔所需扭矩大，钻孔同心度 差，偏心钟摆大，易发生卡钻，跟管阻力大而导致套管容易破坏。目前，常见的潜孔锤同心跟管钻具主要采用正循环排渣。代表产品如芬兰的 Symmetrix跟管钻具利用内钻头带动外钻头回转钻进，套管不回转。美国英格索兰的跟管 钻具的钻头采用双偏心或三偏心的活瓣，顺时针回转时，钻头活瓣张开，达到钻孔直径超过 套管外径的目的。美国NUMA跟管钻具最具特色的是，跟管钻具由钻头体、钻头翼瓣和挡销 组成，钻头变径原理是利用钻头翼瓣在轴向方向上下移动来改变钻头直径。以上钻具系 统均采用正循环排渣方式，当孔径较大或地层复杂时时，正循环排渣困难，从而导致钻进 效率降低、钻具寿命缩短和钻探成本提高；当钻遇复杂地层，需要获取岩矿样时，难以获取 矿产勘探所需岩样；钻具结构复杂、成本高，提钻时活瓣易被岩屑卡死，给提钻带来不便。 CN1651711A公开了一种潜孔锤反循环跟管钻头，利用两个活瓣结构来改变钻孔直径，实现 反循环同心跟管钻进，但钻头结构复杂，加工成本高。因而，有必要设计一种对孔径和地层 适应能力强的潜孔锤反循环同心跟管钻具，且要求结构简单，稳定可靠。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于不同口径的反潜孔 锤反循环同心跟管钻进钻具。本发明的目的是通过以下技术方案实现的潜孔锤反循环同心跟管钻具，是由中空式潜孔锤1通过半圆卡2和花键套5与导 向钻头3连接，在导向钻头3在轴向方向上设有外花键16，并与环状套管钻头12的内花键 17相配合，导向钻头3上设有传扭凹槽14，导向钻头3的下段设有底喷孔9，花键套5的下 端设有引射喷嘴6，中心排渣通道4的底端设有扩压槽7，导向钻头3的底端设有防堵凸台 8，环状套管钻头12通过管靴11悬挂在套管10的下端，钻头合金13镶嵌在环状套管钻头 12的底端面，环状套管钻头12的上端设有传扭凸台15，导向钻头3的下段设有第一传力台 阶18和第二传力台阶19构成。本发明的目的还可以通过以下技术方案实现导向钻头3设计为反循环结构，部分压缩空气通过导向钻头底喷孔9喷射后产生 负压，在压力差的作用下压缩空气向内流动，部分气体直接通过花键套5上的引射喷嘴6向
3中心通道内斜向上喷射，二者共同作用形成反循环，同时分别冷却导向钻头3和环状套管 钻头12上的合金13。跟管钻具的扭矩传递机构是由导向钻头3外侧的传扭凹槽14和环状套管钻头12 内侧的传扭凸台15构成，所述导向钻头3的传扭凹槽14与环状套管钻头12传扭凸台15 相咬合，当顺时针旋转时可传递扭矩，而逆时针旋转时使两者脱开。导向钻头3在轴向上开设外花键16，并与环状套管钻头12的内花键17相配合，既 能实现整套钻具随套管总成提升，也能在跟管钻进结束后，不更换钻具继续实施反循环钻 进。管靴11为两个半圆环组成，并通过螺纹与套管10连接。潜孔锤的冲击力通过第一传力台阶18和第二传力台阶19传递给环状套管钻头 12，实现冲击碎岩，跟管钻进结束后，将钻具逆时针回转60°度，使导向钻头3与环状套管 钻头12咬合位置脱离，通过导向钻头3上的外花键16既能使钻具提离孔底，也能向下继续 钻进。有益效果本发明与现有的同类产品相比，能够在潜孔锤提供的冲击载荷作用下， 利用导向钻头3进行超前破碎岩石，并将冲击载荷转递给环状套管钻头12的同时带动回 转，实现同心碎岩、跟管护壁、反循环排渣三个工序同时进行。采用反循环排渣有效地避免 孔壁冲刷和冲洗液漏失，双气路结构可同时冷却内、外钻头的球齿合金，提高钻头使用寿 命。回转机构不容易被岩屑卡死，保证了工作的稳定性，实施反循环排渣能有效地清洁孔 底，可保证在不同孔径下，有效地清洁孔底岩屑，避免重复破碎以提高钻进效率。提钻时不 易被岩屑卡死。跟管钻进结束后，不需更换钻具，利用内部钻具仍能继续实施反循环钻进。 该套钻具结构简单，加工成本低，使用寿命长，钻进效率高。
图1是潜孔锤反循环同心跟管钻具的结构2是图1的A-A剖视3是图1的B-B剖视4是导向钻头3与环状套管钻头12的配合关系图。图5是导向钻头3的外形结构图。图6是反循环同心跟管钻具装配关系图。1中空式潜孔锤，2半圆卡，3导向钻头，4中心排渣通道，5花键套，6引射喷嘴，7扩 压槽，8防堵凸台，9底喷孔，10套管，11管靴，12环状套管钻头，13钻头合金，14传扭凹槽， 15传扭凸台，16外花键，17内花键，18第一传力台阶，19第二传力台阶，20螺纹。
具体实施例方式下面结合附图和实施例做进一步的详细说明潜孔锤反循环同心跟管钻具，是由中空式潜孔锤1通过半圆卡2和花键套5与导 向钻头3连接，在导向钻头3在轴向方向上设有外花键16，并与环状套管钻头12的内花键 17相配合，导向钻头3上设有传扭凹槽14，导向钻头3的下段设有底喷孔9，花键套5的下 端设有引射喷嘴6，中心排渣通道4的底端设有扩压槽7，导向钻头3的底端设有防堵凸台8，环状套管钻头12通过管靴11悬挂在套管10的下端，钻头合金13镶嵌在环状套管钻头 12的底端面，环状套管钻头12的上端设有传扭凸台15，导向钻头3的下段设有第一传力台 阶18和第二传力台阶19构成。导向钻头3设计为反循环结构，部分压缩空气通过导向钻 头底喷孔9喷射后产生负压，在压力差的作用下压缩空气向内流动，部分气体直接通过花 键套5上的引射喷嘴6向中心通道内斜向上喷射，二者共同作用形成反循环，同时分别冷却 导向钻头3和环状套管钻头12上的合金13。形成反循环后的压缩空气再经花键套5上的 引射喷嘴6向下喷射，分别冷却导向钻头和环状套管钻头12上的合金13。跟管钻具的扭 矩传递机构是由导向钻头3外侧的传扭凹槽14和环状套管钻头12内侧的传扭凸台15构 成，导向钻头3的传扭凹槽14与环状套管钻头12传扭凸台15相咬合，当顺时针旋转时传 递扭矩，而逆时针旋转时使两者脱开。导向钻头3在轴向上开设外花键16，并与环状套管 钻头12的内花键17相配合，既能实现整套钻具随套管总成提升，也能在跟管钻进结束后， 不更换钻具继续实施反循环钻进。管靴11为两个半圆环组成，并通过螺纹与套管10连接。 潜孔锤的冲击力通过第一传力台阶18和第二传力台阶19传递给环状套管钻头12，实现冲 击碎岩，跟管钻进结束后，将钻具逆时针回转60°度，使导向钻头3与环状套管钻头12咬合 位置脱离，通过导向钻头3上的外花键16既能使钻具提离孔底，也能向下继续钻进。潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具，是由反循环钻具和套管总成构成，反循环钻具 由中空式潜孔锤1和导向钻头3组成，套管总成由套管10、管靴11和环状套管钻头12组 成。中空式潜孔锤1上端通过钻杆连接至钻机，下端则通过半圆卡2和花键套5与导向钻 头3连接，环状套管钻头12通过管靴11悬挂于套管10下端并可绕套管的轴心线转动。导 向钻头3由环状套管钻头12的管口向外伸出，环状套管钻头12的底端高于导向钻头3，使 导向钻头3断面凸出于环状套管钻头12并实现超前钻进，在两者之间设有传扭凹槽14，导 向钻头3带动环状套管钻头12回转碎岩，通过第一传力台阶和第二传力台阶将潜孔锤的冲 击载荷传递给环状套管钻头12，实现冲击回转跟管钻进，而套管不回转。导向钻头3是形成 反循环的关键部件，导向钻头3采用反循环结构，压缩空气通过导向钻头底喷孔9和花键套 上的引射喷嘴6，共同作用向内钻头内部流动形成反循环，气体携带岩屑沿反循环通道4上 返，经中空式潜孔锤1和双壁钻杆排至地表，同时分别冷却导向钻头和环状套管钻头12上 的合金13。导向钻头3在岩屑入口有防堵凸台8可将大块岩屑打碎，防止岩块卡堵在反循 环通道。环状套管钻头12与导向钻头3之间的距离50 100mm。跟管钻具采用反循环方式排渣，排气系统由两部分组成一路气流通过导向钻头 3的底喷孔9向下喷射，并在钻头底部的三处楔形扩压槽7内产生负压区，抽吸引射钻具外 环间隙和孔底空气携带岩屑沿中心通道4上返；另一部分气体通过花键套5上的引射喷嘴 6向下喷射，气流沿钻头3外部形成绕流，由于钻具中心通道为低压区，在压力差作用下，携 带岩粉进入中心通道4，产生高速气体射流膨胀吸热，能有效地冷却环状套管钻头的球齿合 金13。两部分气体共同作用形成反循环。也可在花键套5上的相应位置铣成槽型结构以代 替引射喷嘴。在导向钻头3的轴向上开设外花键16与环状套管钻头12的内花键17相配合，可 以实现整套钻具在套管总成内自由升降。跟管钻进过程中顺时针旋转带动套管钻头12同 时轴向回转。而环状套管钻头12通过管靴11悬挂在套管10下端，套管不回转。现有的跟管钻具在跟管钻进结束后大多需提钻更换钻具，本发明在跟管钻进结束后，可以不提钻、不更换钻具，原有的内部反循环钻具利用花键通过环状套管钻头12继续 实施反循环钻进。当钻具顺时针旋转时，导向钻头3上的传扭凹槽14与环状套管钻头12传扭凸台 15相咬合传递扭矩；当逆时针旋转60°时，导向钻头3上的传扭凹槽14与环状套管钻头12 传扭凸台15自动脱开。套管总成的悬挂机构使环状套管钻头12活动悬挂在套管下端并围绕套管的轴心 线方向回转。悬挂机构是由管靴11、环状套管钻头12外侧的环槽及螺纹20构成。管靴11 为两个半圆环组成，与环状套管钻头12配合安装后，利用管靴11上的螺纹20直接连接到 套管10上。为保证管靴11的强度，在两个半圆环结合部位进行焊接。悬挂机构还可以设 计为插销、卡环等结构。
权利要求
一种潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具，其特征在于，是由中空式潜孔锤(1)通过半圆卡(2)和花键套(5)与导向钻头(3)连接，在导向钻头(3)的轴向方向上设有外花键(16)，并与环状套管钻头(12)的内花键(17)相配合，导向钻头(3)上设有传扭凹槽(14)，导向钻头(3)的下段设有底喷孔(9)，花键套(5)的下端设有引射喷嘴(6)，中心排渣通道(4)的底端设有扩压槽(7)，导向钻头(3)的底端设有防堵凸台(8)，环状套管钻头(12)通过管靴(11)悬挂在套管(10)的下端，钻头合金(13)镶嵌在环状套管钻头(12)的底端面，环状套管钻头(12)的上端设有传扭凸台(15)，导向钻头(3)的下段设有第一传力台阶(18)和第二传力台阶(19)构成。
2.按权利要求1所述的潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具，其特征在于导向钻头(3) 设计为反循环结构，部分压缩空气通过导向钻头底喷孔(9)喷射后产生负压，在压力差的 作用下压缩空气向内流动，部分气体直接通过花键套(5)上的引射喷嘴(6)向中心通道内 斜向上喷射，二者共同作用形成反循环，同时分别冷却导向钻头(3)和环状套管钻头(12) 上的合金(13)。
3.按权利要求1所述的潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具，其特征在于跟管钻具的扭 矩传递机构由导向钻头(3)外侧的传扭凹槽(14)和环状套管钻头(12)内侧的传扭凸台 (15)构成，导向钻头(3)的传扭凹槽(14)与环状套管钻头(12)传扭凸台(15)相咬合，当 顺时针旋转时可传递扭矩，而逆时针旋转时使两者脱开。
4.按权利要求1所述的潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具，其特征在于导向钻头(3) 在轴向上开设外花键(16)，并与环状套管钻头(12)的内花键(17)相配合，既能实现整套钻 具随套管总成提升，也能在跟管钻进结束后，不更换钻具继续实施反循环钻进。
5.按权利要求1所述的潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具，其特征在于管靴(11)是由 两个半圆环组成，并通过螺纹与套管(10)连接。
6.按权利要求1所述的潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具，其特征在于潜孔锤的冲击 力通过第一传力台阶(18)和第二传力台阶(19)传递给环状套管钻头(12)，实现冲击碎岩， 跟管钻进结束后，将钻具逆时针回转60°度，使导向钻头(3)与环状套管钻头(12)咬合位 置脱离，通过导向钻头(3)上的外花键(16)既能使钻具提离孔底，也能向下继续钻进。
全文摘要
本发明涉及一种潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具。是由中空式潜孔锤通过半圆卡和花键套与导向钻头连接，在导向钻头在轴向方向上设有外花键并与环状套管钻头的内花键相配合，导向钻头3设计为反循环结构，环状跟管钻头通过管靴悬挂在套管的下端。与现有技术相比，导向钻头超前破碎岩石，并将冲击载荷转递给环状跟管钻头的同时带动回转，实现同心碎岩、跟管护壁、反循环排渣三个工序同时进行。双气路结构可同时冷却内、外钻头的球齿合金，提高钻头使用寿命。反循环排渣有效地清洁孔底岩屑，避免重复破碎，提钻时不易被岩屑卡死。跟管钻进结束后，不需更换钻具，仍能继续实施反循环钻进。该套钻具结构简单，加工成本低，使用寿命长，钻进效率高。
文档编号E21B4/06GK101956525SQ201010275030
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者井石滚, 何亚清, 刘军, 博坤, 孔海涛, 庄志明, 王春毅, 王茂森, 谢九敬, 高建敏 申请人:吉林大学;洛阳栾川钼业集团股份有限公司