一种水平定向钻用引射器式反循环扩孔器及系统的制作方法

本发明涉及水平定向钻技术领域，尤其涉及一种水平定向钻用引射器式反循环扩孔器。

背景技术：

近年来，在西气东输二线、川气东送等国家重点管道建设工程中，大口径管道施工逐渐增多，水平定向钻技术被日益广泛地用于大口径管道敷设工程。当前大口径水平定向钻扩孔施工一般采用正循环扩孔，即扩孔器在破碎岩石时，由地表通过钻杆泵入的高压泥浆经扩孔器水眼进入钻孔，清洗、冷却及润滑扩孔器后将切削下来的钻屑冲离破碎面并携带钻屑沿钻孔与钻杆之间的环空返回地表泥浆池内。水平定向钻正循环扩孔时，随着铺设管道直径增加，钻孔直径增大，环空泥浆流速显著降低。在低环空泥浆流速下，扩孔岩屑易于沉积在钻孔底部形成岩屑床，急剧降低岩屑运移效率。岩屑堆积可能造成钻杆因扭矩过大而断裂、管道因回拖力过大而被破坏等事故，严重影响工期，增加施工成本。

相较于传统的泥浆正循环方式，反循环技术改变泥浆循环方向，携带岩屑的泥浆从环空进入钻杆后返回地表，可大幅度提高岩屑运移效率，减少环空岩屑在钻孔底部的堆积。反循环技术已成功应用于石油钻井、水文水井钻探、岩心钻探及桩基工程等领域，并产生了良好的经济效益，但尚未应用于水平定向钻领域。因此，研究设计一种水平定向钻反循环扩孔器，对推动反循环技术在水平定向钻领域的应用、提高水平定向钻扩孔施工效率显得至关重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种水平定向钻用引射器式反循环扩孔器及系统。

本发明的实施例提供一种水平定向钻用引射器式反循环扩孔器，包括本体、环设于所述本体的若干牙轮钻头、设于所述本体前端的扩径段和设于所述本体后端的扩散管，所述扩径段的前端设有扩孔器头部，所述扩孔器头部用于通过一钻杆向前与泥浆泵连接，所述扩散管用于通过另一钻杆向后与出土端泥浆池连接，所述扩径段的侧壁上环设有与外界连通且与所述牙轮钻头一一对准的若干清洗喷孔，所述扩径段的后端设有喷嘴，所述扩径段与所述本体之间设有与外界连通的若干吸渣孔，所述本体内设有与所述扩散管连通的混合管，所述吸渣孔和所述喷嘴与所述混合管连通。

进一步地，所述本体前端向后凹设有吸入室，所述吸入室与所述混合管连通，所述喷嘴向后伸入所述吸入室内，所述吸渣孔通过与所述吸入室连通而与所述混合管连通。

进一步地，所述扩径段和所述本体之间设有一圈缓冲部，所有所述吸渣孔与所述缓冲部连接，且所述缓冲部位于所述吸渣孔的斜前端；所述缓冲部包括自所述扩径段表面向内凹进的凹陷部，所述凹陷部的底部为弧形。

进一步地，所述吸入室包括前后设置且相互连接的圆柱段和锥台段，所述喷嘴穿过所述圆柱段伸入所述锥台段，所述锥台段的末端连接所述混合管，所述吸渣孔连通所述圆柱段。

进一步地，所述喷嘴为由前至后口径逐渐收缩的锥台结构，所述清洗喷孔各处的孔径相同，所述清洗喷孔相对所述扩径段的轴线向后倾斜，所述吸渣孔相对所述扩径段的轴线向前倾斜，相互对应的所述清洗喷孔和所述吸渣孔构成“八”字形；所述吸渣孔各处的孔径相同，所述混合管各处的孔径亦相同，且所述吸渣孔的孔径小于所述混合管的管径；所述扩散管为由前至后口径逐渐增大的锥台结构。

进一步地，所述本体包括圆周均匀的均匀部和圆周渐变的渐变部，所述均匀部与所述渐变部前后设置且相互连接，所述渐变部的外径由前至后逐渐变小，所述均匀部的前端边沿向后倾斜，所述牙轮钻头均匀的分布于所述边沿，所述牙轮钻头为圆锥结构，每一所述牙轮钻头的底面与所述边沿相互平行，且所述牙轮钻头的底面的最外侧与所述均匀部的圆周平齐，所述渐变部的末端连接所述扩散管。

进一步地，所述扩径段具有加厚侧壁，所述清洗喷孔贯穿所述加厚侧壁连通外界与所述扩径段内部，所述扩孔器头部的内径与所述扩径段的内径相同，所述扩径段的外径大于所述扩孔器头部的外径，同时小于所述均匀部的外径，所述扩径段与所述扩孔器头部一体成型，所述均匀部、所述渐变部和所述扩散管一体成型。

进一步地，所述扩孔器头部、所述扩径段、所述喷嘴、所述混合管和所述扩散管共轴线。

本发明的实施例提供一种水平定向钻用引射器式反循环扩孔系统，包括权上述的水平定向钻用引射器式反循环扩孔器，还包括钻孔、泥浆泵和与所述泥浆泵通过高压胶管连接的水平定向钻机，所述泥浆泵用于抽取工作泥浆，所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器位于所述钻孔内，所述钻孔靠近所述水平定向钻机的一端设有用于提供环空泥浆的入土端泥浆池，远离所述水平定向钻机的一端设有用于回收所述工作泥浆的出土端泥浆池，所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器的前端通过一钻杆连接所述水平定向钻机，其后端通过另一钻杆连接所述出土端泥浆池。

进一步地，所述扩径段直径小于即将被扩孔的所述钻孔的直径。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明所述的水平定向钻用引射器式反循环扩孔器及系统使所述牙轮钻头切削产生的岩屑通过与所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器的后端所连接的所述钻杆返回地表的所述土端泥浆池，由于所述钻杆直径远小于钻孔直径，携带岩屑的泥浆在钻杆内可以轻松获得高流速，使得大颗粒岩屑容易排出，减少环空岩屑在钻孔底部的堆积，大幅提高岩屑运移效率，解决了大直径水平定向钻环空泥浆流速低，岩屑沉积的难题。

(2)本发明所述的水平定向钻用引射器式反循环扩孔器及系统使得扩孔产生的岩屑通过所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器的后端所连接的所述钻杆排出，由于钻杆直径较小，携带岩屑的泥浆在钻杆内流速较高，降低了其对泥浆悬浮性能的要求，故对泥浆性能要求较低。

(3)本发明所述的水平定向钻用引射器式反循环扩孔器及系统的所述扩径段直径较大但小于即将被扩孔的所述钻孔的直径，可有效降低清洗喷孔射流在环空中的能量损失，增强钻头清洗效果，同时可降低切削岩屑向环空迁移的可能，在一定程度上将切削产生的岩屑封闭在所述扩径段与所述本体之间间，促使岩屑被所述吸渣孔抽吸而进入环扩孔器内，提高环空岩屑运移效率。

附图说明

图1是本发明水平定向钻用引射器式反循环扩孔器的示意图；

图2是本发明水平定向钻用引射器式反循环扩孔系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种水平定向钻用引射器式反循环扩孔器6，用于对钻孔进行扩孔作业，主要包括本体20、环设于所述本体20的若干牙轮钻头12、设于所述本体20前端的扩径段11和设于所述本体20后端的扩散管18。所述牙轮钻头12在扩孔的过程中用于切削岩土，在切削岩土的过程中会产生岩屑。所述扩径段11的前端设有扩孔器头部9，所述扩孔器头部9用于通过一钻杆5向前与泥浆泵1连接，所述扩散管18用于通过另一钻杆7向后与出土端泥浆池8连接。

请参考图1，所述扩孔器头部9的内径与所述扩径段11的内径相同，所述扩径段11具有加厚侧壁19，从而使所述扩径段11的外径大于所述扩孔器头部9的外径，所述加厚侧壁19的外表面与所述扩孔器头部9的外表面弧形连接。

若干清洗喷孔10贯穿所述加厚侧壁19连通外界与所述扩径段11内部，所述清洗喷孔10各处的孔径相同，所述清洗喷孔10相对所述扩径段11的轴线向后倾斜。所述扩径11段的后端设有喷嘴，所述喷嘴包括前后设置且相互连接的喷嘴收缩段14和嘴部15，所述喷嘴收缩段14为由前至后口径逐渐收缩的锥台结构，所述嘴部15位于所述喷嘴收缩段14的末端，为圆环结构。

所述本体20的纵切面大致为箭尾形，包括圆周均匀的均匀部21和圆周渐变的渐变部22，所述均匀部21与所述渐变部22前后设置且相互连接。所述渐变部22为外径由前至后逐渐变小的圆锥台结构，所述渐变部22的末端连接所述扩散管18。所述均匀部21的外径处处相同，所述均匀部21的前端的中间区域向后凹陷形成凹陷空间，所述均匀部21的前端的边沿23向后倾斜，所述边沿23表面平整且环绕在所述凹陷空间的四周，所述牙轮钻头12均匀的分布于所述边沿23，所述牙轮钻头12为圆锥结构，每一所述牙轮钻头12的底面与所述边沿23相互平行，且所述牙轮钻头12的底面的最外侧与所述均匀部21的圆周平齐，所述本体20内设有混合管17，所述混合管17贯穿所述均匀部21和所述渐变部22，且与所述扩散管18连通，同时与所述喷嘴连通。后半部分所述扩径段11位于所述凹陷空间内，所述扩径段11的后端与所述凹陷空间的前壁之间设有与外界连通的若干吸渣孔13，所述凹陷空间的中心区域为吸入室16，所述吸入室16包括前后设置且相互连接的圆柱段和锥台段，所述嘴部15穿过所述圆柱段伸入所述锥台段，所述锥台段的末端连接且连通所述混合管17，所述吸渣孔13通过与所述圆柱段连通而与所述混合管17连通。

所述扩径段11和所述本体20之间设有一圈缓冲部，所有所述吸渣孔13与所述缓冲部连接，且所述缓冲部位于所述吸渣孔13的斜前端。所述缓冲部包括自所述扩径段11表面向内凹进的凹陷部，所述凹陷部的底部为弧形。所述缓冲部的容积大于或者等于每一所述吸渣孔13的容积，用于将外界的环空泥浆、由所述清洗喷孔10喷出的工作泥浆和由所述牙轮钻头12切削下来的岩屑导入所述吸渣孔13，并且具有一定的缓冲作用。所述嘴部15用于将高压的工作泥浆高速射流入所述吸入室16从而在所述吸入室16形内低压，从而在压差的作用下所述吸入室16具有卷吸作用，能够将所述吸渣孔13内的泥浆和岩屑吸入并传至所述混合管17内，工作泥浆、环空泥浆和岩屑在所述混合管17内充分混合后形成岩屑-泥浆混合介质，所述扩散管18为内径由前至后逐渐变小的锥台结构，从而能够将所述岩屑-泥浆混合介质部分动能转变为压能而将所述岩屑-泥浆混合介质压出。

若干所述清洗喷孔10与若干所述牙轮钻头12一一对准，所述牙轮钻头12位于对应的所述清洗喷孔10的外侧，所述吸渣孔13相对所述扩径段11的轴线向前倾斜，相互对应的所述清洗喷孔10和所述吸渣孔13构成“八”字形，所述扩径段11内的工作泥浆一部分从所述清洗喷孔10对准对应的所述牙轮钻头12喷出，用于冲洗和冷却所述牙轮钻头12，其余部分工作泥浆从所述嘴部15高速射流入所述吸入室16，用于使所述吸入室16产生低压。所述吸渣孔13各处的孔径相同，所述混合管17各处的孔径亦相同，且所述吸渣孔13的孔径小于所述混合管17的管径，以避免岩屑在所述混合管17内架桥堵塞，从而为携带岩屑的环空泥浆进入扩孔器内提供流动通道。

所述扩径段11与所述扩孔器头部9一体成型，所述均匀部21、所述渐变部22和所述扩散管18一体成型。所述扩孔器头部9、所述扩径段11、所述喷嘴、所述混合管17和所述扩散管18共轴线。

请参考图2，本发明的实施例提供了一种水平定向钻用引射器式反循环扩孔系统，包括上述的水平定向钻用引射器式反循环扩孔器6，还包括钻孔、泥浆泵1和与所述泥浆泵1通过高压胶管2连接的水平定向钻机3，所述泥浆泵1用于抽取工作泥浆，所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器6位于所述钻孔内，所述钻孔靠近所述水平定向钻机3的一端设有用于提供环空泥浆的入土端泥浆池4，远离所述水平定向钻机3的一端设有用于回收所述工作泥浆的出土端泥浆池8，所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器6的前端通过一钻杆5连接所述水平定向钻机3，其后端通过另一钻杆7连接所述出土端泥浆池8。

所述扩径段11直径小于即将被扩孔的所述钻孔的直径，其主要目的在于减小工作泥浆从所述清洗喷孔10喷射后在环空内的能量损失，从而增强对所述牙轮钻头12冲洗、冷却效果。

在所述钻孔入土端配置所述泥浆泵1，所述泥浆泵1将高压工作泥浆泵入循环回路，高压工作泥浆经由所述高压胶管2和所述水平定向钻机3，并通过与所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器6前端所连接的钻杆5泵入所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器6内。部分高压工作泥浆通过所述清洗喷孔10后高速流向所述牙轮钻头12，清洗、冷却所述牙轮钻头12后这部分工作泥浆携带部分岩屑通过所述吸渣孔13进入所述吸入室16。部分高压工作泥浆经所述喷嘴收缩段14在所述嘴部15处高速喷射后在所述吸入室16内形成低压。在内外压差作用下，所述入土端泥浆池4内的泥浆通过环空在经由所述扩径段11后，携带岩屑通过所述吸渣孔13进入所述吸入室16。进入所述混合管17内的岩屑和泥浆在混合管17内充分混合后形成岩屑-泥浆混合介质，所述岩屑-泥浆混合介质并在所述扩散管18内将部分动能转变为压能后进入与所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器6后端所连接的钻杆7，从而返回至所述出土端泥浆池8，实现扩孔反循环。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明所述的水平定向钻用引射器式反循环扩孔器及系统使所述牙轮钻头12切削产生的岩屑通过与所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器6的后端所连接的所述钻杆7返回地表的所述土端泥浆池8，由于所述钻杆7的直径远小于钻孔直径，携带岩屑的泥浆在钻杆7内可以轻松获得高流速，使得大颗粒岩屑容易排出，减少环空岩屑在钻孔底部的堆积，大幅提高岩屑运移效率，解决了大直径水平定向钻环空泥浆流速低，岩屑沉积的难题。

(2)本发明所述的水平定向钻用引射器式反循环扩孔器及系统使得扩孔产生的岩屑通过所述水平定向钻用引射器式反循环扩孔器6的后端所连接的所述钻杆7排出，由于钻杆7直径较小，携带岩屑的泥浆在钻杆7内流速较高，降低了其对泥浆悬浮性能的要求，故对泥浆性能要求较低。

(3)本发明所述的水平定向钻用引射器式反循环扩孔器及系统的所述扩径段11直径较大但小于即将被扩孔的所述钻孔的直径，可有效降低清洗喷孔射流在环空中的能量损失，增强钻头12清洗效果，同时可降低切削岩屑向环空迁移的可能，在一定程度上将切削产生的岩屑封闭在所述扩径段11与所述本体20之间间，促使岩屑被所述吸渣孔13抽吸而进入扩孔器6内，提高环空岩屑运移效率。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。