专利名称：液压机械式随钻变径扩孔钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻具，具体为一种液压机械式随钻变径扩孔钻头。
背景技术：
井下钻孔抽采煤层气是煤矿瓦斯治理和消除煤与瓦斯突出的主要措施之一，通过抽采降低煤层瓦斯含量，减少巷道掘井和回采工作面回采时的瓦斯涌出量，降低煤与瓦斯突出的危险性。煤矿井下增加抽放煤层气的方法主要是通过增加钻孔密度，缩小钻孔间距，如采用密集钻孔；或改变煤层钻孔布置方式，如由平行钻孔改为交叉钻孔；或者增加抽放钻孔直径；或增加钻孔抽放负压的方法来提高煤层钻孔瓦斯抽放量，其缺点是增加了钻孔的施工量和钻孔进尺量，费用增加。在实践中发现，由于煤层渗透性差，裂隙不发育，在井下直接进行钻孔抽采，由于钻孔孔径较小，影响范围有限，瓦斯自然释放的速度和产量效果都比较差，抽采效果有时并不明显。所以本领域技术人员又开发出了在煤层中造穴的技术，通过造穴扩大煤层裸露面积，增大煤层裂隙，从而使煤层气溢出量增加。为了使钻头在退钻的过程中也能实现连续造穴的功能，急需开发一种新型的钻具。
发明内容
本发明为了解决在煤层中钻进过程后退钻过程中连续造穴的技术问题，提供了一种液压机械式随钻变径扩孔钻头。本发明的技术方案是，一种液压机械式随钻变径扩孔钻头，包括上接头、壳体、心管、心轴、钻头、活塞系统、钻井液流向控制系统、随钻扩孔牙轮臂总成。所述的壳体包括 依次连接的上壳体、中壳体、下壳体，上接头连接上壳体，上壳体和中壳体中布置心管，中壳体和下壳体中穿设心轴，心轴下端连接钻头，在心轴外侧套有大弹簧，大弹簧卡于下壳体和心轴之间，活塞系统包括活塞，活塞腔及活塞腔连接孔，钻井液流向控制系统设置在心管与心轴之间，钻井液流向控制系统包括连接管，连接管一端为压帽，另一端为入水口，外壁安装有环形的小弹簧，连接管侧壁为过液长孔，连接管上端压帽位于心管底端，连接管下端和心轴连通，上壳体和中壳体中形成的腔体内设有环形的活塞，活塞上表面积大于下表面积；所述的随钻扩孔牙轮臂总成包括在活塞侧面连接的齿形杆，在中壳体外侧设有齿轮，所述的齿轮和齿形杆啮合，在齿轮上连接有牙轮臂，在中壳体上设有斜向喷嘴。本发明的工作原理如下在上述工作过程中钻压传递钻进领眼时，由连接头与上部钻具连接，钻压经上外壳、中外壳、下外壳、心轴传至钻头；钻进结束退钻扩大穴时，钻压经上外壳、中外壳传至牙轮臂。在上述工作过程中扭矩传递钻进领眼时，由连接头与上部钻具连接，钻压经上外壳、中外壳、通过凸块传至心轴，再由心轴传至钻头；钻进扩大眼时，经上外壳、中外壳，中外壳由带动牙轮臂上实现扩眼。扩穴完毕，准备退钻时，钻井液泄压，活塞腔中的液体由活塞腔经连接孔流出，活塞在弹簧的作用下推动活塞上移，活塞带动齿形杆上移，齿形杆通过与牙轮臂总成后部的齿轮带动牙轮臂向内收缩复位。同时在退钻的过程中，钻孔后部的未扩孔的领眼孔也可通过挤压支撑杆和牙轮臂实现收缩复位。本发明设计合理巧妙，可以实现在钻进过程中和正常钻头功能相同，但是在退钻过程中，通过活塞系统、钻井液流向转换系统、随钻扩孔牙轮臂总成的作用，可以使牙轮臂张开，实现扩穴造穴的过程。
图1为本发明的结构示意 图2为图1的A-A剖面图
图3为图1的B-B剖面图
图中1_上接头、2-上壳体、3-心管,4-中壳体、5-下壳体,6-心轴凸块、7-大弹簧，8-心轴、9-钻头、10-活塞腔、11-活塞、12-T形密封圈、13-空腔、14-连接口、15-压帽、16-垫圈、17-小弹簧、18-连接管、18-1侧壁的过液长孔、19-入水口、20-0形密封圈、21-活塞腔连接孔、22-齿形杆、23-弹簧、24-半圆形空腔、25-喷嘴连接孔、26-活塞腔连接孔、27-轴承、28-斜向喷嘴、29-定位块、30-支撑杆、31-轴承、32-齿轮、33-牙轮臂、34-滑动槽、35-滚轴。
具体实施例方式以下结合附图1、2、3详细说明本发明的结构及工作原理，如图1所示意，一种液压机械式随钻变径扩孔钻头，包括上接头1、壳体、心管3、心轴8、钻头9、活塞系统、钻井液流向控制系统、随钻扩孔牙轮臂总成。所述的壳体包括依次连接的上壳体2、中壳体4、下壳体5，上接头I连接上壳体2，上壳体2和中壳体4中布置心管3，中壳体4和下壳体5中穿设心轴8，心轴8下端连接钻头9，在心轴8外侧套有大弹簧7，大弹簧7卡于下壳体5和心轴8之间，活塞系统包括活塞11，活塞腔10及活塞腔连接孔21、26，钻井液流向控制系统设置在心管3与心轴8之间，钻井液流向控制系统包括连接管18，连接管18—端为压帽15，另一端为入水口 19，外壁安装有环形的小弹簧17，连接管18侧壁为过液长孔18-1，连接管18上端压帽15位于心管3底端，连接管18下端和心轴8连通，上壳体2和中壳体4中形成的腔体内设有环形的活塞11，活塞11上表面积大于下表面积；所述的随钻扩孔牙轮臂总成包括在活塞侧面连接的齿形杆22，在中壳体4外侧设有齿轮32，所述的齿轮32和齿形杆22啮合，在齿轮32上连接有牙轮臂33，在中壳体4上设有斜向喷嘴28。在中壳体4和心轴8之间设有心轴凸块6，通过心轴凸块6使中壳体4和心轴8之间不发生相互转动，以传动扭矩。其工作过程是，当钻头正常向前钻进过程中，钻头9受到钻进岩体的顶压力，推动心轴8挤压大弹簧7和小弹簧17向后回缩,心轴8与心管3之间的连接管18向心管3的内腔移动，心管3与中外壳4之间的连接口 14被心轴内壁封闭，连接管18伸入到心管3内，心管3和心轴8内腔导通，钻井液由心管3进入心轴8的内腔，由钻头9前面的喷嘴流出，增加液压，钻头向前钻进，钻进领眼，此时牙轮臂始终处于闭合状态。
当钻进到一定深度后，按照计划进行退钻扩孔操作，当退钻到一定位置向前钻进扩大眼时，钻头9正前方已形成领眼，钻头9不在受钻进岩体的顶压，大弹簧7和小弹簧17共同推动心轴8向前移动，心管3与心轴8之间的连接管18进入心轴8内腔，心轴上的压帽15在小弹簧7的作用下，连接管8由于压帽15作用而将通道闭合，心管3与中外壳4分离，心管3侧壁上的连接口 14被打开；然后增加液压，钻井液进入心管3与中外壳4之间空腔13，一部分钻井液经过活塞腔连接孔26和21进入活塞腔10中，由于活塞11的上下截面积不等，活塞在液压推动下向钻头方向移动，活塞11带动齿形杆22移动，齿形杆22带动齿轮32转动，齿轮32带动牙轮臂33向外扩张，实现扩孔，当牙轮臂张开一定角度后，然后在钻杆中壳体4向前推进过程中，钻井壁同时对牙轮臂33提供一个向外的张力，牙轮臂33张开角度持续扩大，直至最大扩张直径。另一部分钻井液由喷嘴连接孔25经中壳体4外壁的斜向喷嘴28和牙轮臂中的预埋喷嘴喷出，实现对牙轮臂33扩眼过程的冷却和冲洗钻孔。在上述工作过程中钻压传递钻进领眼时，由连接头I与上部钻具连接，钻压经上外壳2、中外壳4、下外壳5、心轴8传至钻头9 ;钻进结束退钻扩大穴时，钻压经上外壳2、中外壳4传至牙轮臂33。在上述工作过程中扭矩传递钻进领眼时，由连接头I与上部钻具连接，钻压经上外壳2、中外壳4、通过心轴凸块6传至心轴8，再由心轴8传至钻头9 ;钻进扩大眼时，经上外壳2、中外壳4，中外壳4由带动牙轮臂33上实现扩眼。牙轮臂33上设有滑动槽34，在中外壳4上设有轴承27，轴承27连接支撑杆30，支撑杆30末端位于滑动槽34内。当牙轮臂33张开达到最大角度时，在定位块29和支撑杆30的共同作用下，锁定牙轮臂，同时支撑杆30可以增加牙轮臂的刚度。扩穴完毕，准备退钻时，钻井液泄压，活塞腔中的液体由活塞腔10经连接孔21、26流出，活塞在弹簧23的作用下推动活塞11上移，活塞11带动齿形杆22上移，齿形杆22通过与牙轮臂总成后部的齿轮32带动牙轮臂33向内收缩复位。同时在退钻的过程中，钻孔后部的未扩孔的领眼孔也可通过挤压支撑杆30和牙轮臂33实现收缩复位。
权利要求
1.一种液压机械式随钻变径扩孔钻头，其特征在于包括上接头(I)、壳体、心管(3)、 心轴(8)、钻头(9)、活塞系统、钻井液流向控制系统、随钻扩孔牙轮臂总成，所述的壳体包括依次连接的上壳体(2 )、中壳体(4)、下壳体(5 )，上接头(I)连接上壳体(2)，上壳体(2)和中壳体(4)中布置心管(3)，中壳体(4)和下壳体(5)中穿设心轴(8)， 心轴(8 )下端连接钻头(9 )，在心轴(8 )外侧套有大弹簧(7 )，大弹簧(7 )卡于下壳体(5 )和心轴(8)之间，活塞系统包括活塞(11)，活塞腔(10)及活塞腔连接孔(21、26)，钻井液流向控制系统设置在心管(3)与心轴(8)之间，钻井液流向控制系统包括连接管(18)，连接管 (18) 一端为压帽(15)，另一端为入水口(19)，外壁安装有环形的小弹簧(17)，连接管(18) 侧壁为过液长孔(18-1)，连接管(18)上端压帽(15)位于心管(3)底端，连接管(18)下端和心轴(8 )连通，上壳体(2 )和中壳体(4 )中形成的腔体内设有环形的活塞(11)，活塞(11)上表面积大于下表面积；所述的随钻扩孔牙轮臂总成包括在活塞侧面连接的齿形杆(22)，在中壳体(4)外侧设有齿轮(32 )，所述的齿轮(32 )和齿形杆(22 )啮合，在齿轮(32 )上连接有牙轮臂(33 )，在中壳体(4 )上设有斜向喷嘴(28 )。
2.根据权利要求1所述的液压机械式随钻变径扩孔钻头，其特征在于在中壳体(4)和心轴(8 )之间设有心轴凸块(6 )。
3.根据权利要求1所述的液压机械式随钻变径扩孔钻头，其特征在于牙轮臂(33)上设有滑动槽(34)，在中外壳(4)上设有轴承(27)，轴承(27)连接支撑杆(30)，支撑杆(30) 末端位于滑动槽(34)内。
全文摘要
本发明涉及一种钻具，具体为一种液压机械式随钻变径扩孔钻头。解决在煤层中钻进过程后退钻过程中连续造穴的技术问题，一种液压机械式随钻变径扩孔钻头，包括上接头、壳体、心管、心轴、钻头、活塞系统、钻井液流向转换系统、随钻扩孔牙轮臂总成。本发明设计合理，可以实现在钻进过程中和正常钻头功能相同，但是在退钻过程中，通过活塞系统、钻井液流向转换系统、随钻扩孔牙轮臂总成的作用，可以使牙轮臂张开，实现扩穴造穴的过程。
文档编号E21B10/28GK103046871SQ20121058395
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月30日 优先权日2012年12月30日
发明者李建军, 王保玉, 白培康, 李国富, 毛虎平, 胡包生, 田永东, 韩文梅, 鲁博, 王小兵, 李晋 申请人:中北大学, 山西蓝焰煤层气集团有限责任公司