一种能够免拆卸钻杆的快换钻头的制作方法

1.本发明涉及钻探领域，尤其是涉及一种能够免拆卸钻杆的快换钻头。


背景技术：

2.无论工程钻探，还是石油勘探，都要用到钻杆和钻头。在对岩石进行钻孔后，还需要使用快换钻头对岩石进行扩孔。由于钻洞很深，快换钻头的齿牙会磨损、甚至会崩齿，因此需要对快换钻头或快换钻头上的齿牙进行更换。
3.目前存在的问题是，由于钻杆不可能整体拉出和送入，因此在更换快换钻头前，需要通过钻机将钻杆从钻洞内逐节拆卸后取出。只有将所有的钻杆拆卸取出后，才能将快换钻头从钻洞内取出。更换快换钻头后，还要进行反向操作才能将更换后的快换钻头重新送入钻洞的头端。钻洞越深，更换快换钻头的过程就越漫长。显然，目前更换快换钻头的方式严重地拖延了钻探施工的进度，还大幅增加了无效的施工量。


技术实现要素：

4.为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种能够免拆卸钻杆的快换钻头，其目的在于：在不拆卸钻杆的前提下，实现快换钻头的快速更换。
5.为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种能够免拆卸钻杆的快换钻头，螺接在钻杆的头端，包括：钻套，其头部设有内翻边，其尾部设有用于螺接钻杆的螺纹，其内设有内花键；在内翻边的内端面上固定有磁铁；滑座，具有同轴设置的内花键、外花键；其外花键能够与钻套的内花键滑动配合连接；滑套，其头部沿周向设有多个轴向开槽，其中间部位设有外翻边，其尾部设有外花键；该外花键与滑座的内花键滑动配合连接；扩孔刀片，通过转轴铰接在轴向开槽内；连杆，铰接在扩孔刀片与滑座之间；连杆与扩孔刀片、滑座和滑套构成能够使扩孔刀片绕转轴转动的曲柄滑块机构；压簧，设置在滑座与滑套之间，用于推动曲柄滑块机构，使扩孔刀片向内收合；推拉件，具有活塞体和拉绳，活塞体能够从钻杆内孔的尾端移动到钻套内；在送入快换钻头时，在高压流质的作用下，活塞体的一端推动曲柄滑块机构向前移动，使滑套的外翻边抵压在钻套的内翻边上；此时，滑座向前滑移，并与磁铁产生磁吸，磁吸力大于压簧的弹力，扩孔刀片向外张开；在取出快换钻头时，活塞体的另一端与曲柄滑块机构卡接，并在拉绳的拉动下，使扩孔刀片向内收合。
6.在本技术方案中，推拉件能够在高压水或高压空气的驱动下，将曲柄滑块机构推送到钻套内，使扩孔刀片向外张开，并抵压在钻套的前端面上。钻套、滑座和滑套通过内外花键连接，能够将钻杆的扭矩传递到扩孔刀片上。由于扩孔刀片在钻进时产生的轴向抗力
被钻套的前端面抵消，而且扩孔刀片的芯部基本不受钻进抗力，因此扩孔刀片不会在钻进的过程中向内收合。这样能够保证快换钻头的正常钻进。
7.由于曲柄滑块机构在推拉件的作用下能够实现扩孔刀片的开合，因此在钻探过程中能够随时取下磨损的快换钻头，然后将新快换钻头重新安装在钻套内，实现快换钻头的快速更换。由于不需要逐节拆卸和安装钻杆，因此能够大幅提高钻探的施工进度。
8.进一步地改进技术方案，滑座为具有端板的套体，内花键、外花键设在套体上；在端板上固定有芯轴，芯轴与内花键、外花键同轴设置；芯轴的头部位于滑套内，且与连杆铰接；芯轴的尾部位于端板的外侧，在芯轴的尾部设有环槽和锥面。
9.在本技术方案中，端板封闭了套体，能够防止岩土进入钻套内，防止岩土对更换快换钻头所造成的影响。设置芯轴，降低了滑座的加工难度。
10.进一步地改进技术方案，活塞体的两端分别设有能够与芯轴尾部滑动配合的推送套体和外拉套体；推送套体用于推动曲柄滑块机构向前移动；外拉套体的径向设有弹性卡销，在取出快换钻头时，弹性卡销在芯轴尾部锥面的引导下卡在芯轴尾部的环槽内，使活塞体与曲柄滑块机构卡接。
11.在本技术方案中，推送套体与芯轴尾部滑动配合，在推动曲柄滑块机构向前移动时，推送套体能够使滑座与钻杆或钻套保持同轴，有利于快换钻头的安装。弹性卡销与芯轴尾部环槽的卡接结构，有利于实现活塞体与曲柄滑块机构的可靠卡接。
12.进一步地改进技术方案，活塞体的两端还分别设有若干滚轮，滚轮能够在钻杆的内孔壁上滚动。
13.在本技术方案中，滚轮有利于降低活塞体的厚度，减少活塞体与钻杆内孔之间的摩擦力，提高活塞体在钻杆内孔内移动的稳定性。
14.进一步地改进技术方案，所述滑套的尾端设有探针，探针沿轴向延伸，且贯穿端板；所述推送套体设有用于容纳塑形体的腔体；当扩孔刀片向外张开时，探针的末端插进塑形体内。
15.在本技术方案中，在拉出推拉件后，通过观察塑形体是否有探针插过的沉孔、以及沉孔的深度，可以判断扩孔刀片是否成功向外张开。
16.进一步地改进技术方案，芯轴沿轴向设有贯通的通气孔，通气孔用于向滑套的空腔内充入高压空气。
17.在本技术方案中，高压空气有利于快换钻头的钻进，并能够清除滑套内的岩土，降低岩土对曲柄滑块机构的运动所造成阻碍。
18.进一步地改进技术方案，滑套的头部设有引导头。
19.在本技术方案中，引导头位于初钻的底洞内，这样对扩孔刀片的扩孔起到了引导作用，防止扩孔偏斜。
20.进一步地改进技术方案，钻套的内花键和滑座的外花键，在其插入端的花键齿端面上设有倒角。
21.在本技术方案中，在安装新快换钻头时，倒角有利于滑座的外花键能够顺利地插入钻套的内花键中，使钻套的内花键与滑座的外花键实现滑动连接。
22.进一步地改进技术方案，钻套的内花键和滑座的外花键，在其插入端的各花键齿的端面上固定有磁铁块，位于钻套上的磁铁块与位于滑座上的磁铁块，其磁极同极相对设
置；位于滑座上的磁铁块与位于钻套上的磁铁，其磁极异极相对设置。
23.在本技术方案中，位于钻套上的磁铁块与位于滑座上的磁铁块由于同磁极相斥，而使外花键与内花键的齿牙相互错开，有利于滑座的外花键能够顺利地插入钻套的内花键中，使钻套的内花键与滑座的外花键实现滑动连接。钻套与滑座连接后，滑座上的磁铁块与位于钻套上的磁铁由于异磁极相吸，增大了滑座与钻套之间的磁吸力。此外，位于钻套上的磁铁块对滑座的端板也产生了磁吸力，进一步增大了钻套对滑座的磁吸力。
24.进一步地改进技术方案，滑套的头部设有可拆卸的中心钻片。
25.在本技术方案中，钻头的中心钻片用于钻底孔，扩孔刀片用对底孔的扩孔。这样，本快换钻头可一次完成钻底孔和扩孔作业。
26.由于采用上述技术方案，相比背景技术，本发明具有如下有益效果：由于本发明的曲柄滑块机构在推拉件的作用下能够实现扩孔刀片的自动开合，因此在钻探过程中能够随时取下磨损的快换钻头，然后将新快换钻头重新安装在钻套内，实现快换钻头的快速更换。由于本发明不需要逐节拆卸和安装钻杆，因此避免了无效的施工量，大幅提高了钻探的施工进度。
附图说明
27.图1为本发明在实施例1中的剖面结构示意图。
28.图2为本发明在实施例1中的爆炸视图。
29.图3为钻套与滑座的连接结构示意图。
30.图4为扩孔刀片在打开时的示意图。
31.图5为扩孔刀片在收合时的示意图。
32.图6为推拉件的结构示意图。
33.图7为放入快换钻头时的结构示意图。
34.图8为取出快换钻头时的结构示意图。
35.图9为本发明在实施例2中的剖面结构示意图。
36.图中：1、钻杆；2、钻套；21、内翻边；22、内花键；23、磁铁片a；24、磁铁片b；3、滑座；31、端板；32、外花键；33、磁铁片c；4、滑套；41、引导头；42、轴向开槽；43、转轴；44、探针；45、中心钻片；5、芯轴；51、环槽；52、锥面；53、螺母；6、扩孔刀片；7、连杆；8、压簧；9、推拉件；91、活塞体；92、推送套体；93、外拉套体；94、卡销；95、弹簧；96、轮架；97、滚轮；98、拉绳孔；99、塑形体。
具体实施方式
37.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以
是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.实施例1：一种能够免拆卸钻杆的快换钻头，螺接在钻杆的头端。如图1-2所示，本快换钻头用于对已钻底孔的扩孔。本快换钻头包括钻套2、滑座3、滑套4、扩孔刀片6、连杆7、压簧8和推拉件9，下面具体说明其结构和功能。
39.参照图1和图3，钻套2的头部设有内翻边21，钻套2的尾部设有外螺纹，钻套2通过外螺纹螺接在钻杆1的头端。钻套2的内设有内花键22，在内翻边21的内端面上，沿周向镶嵌有多个磁铁片a23。磁铁片a23背向内翻边21的一面，其磁极为n极。内花键22各齿的齿端面设有倒角，在各齿的齿端面上均粘接有磁铁片b24，磁铁片b24背向内翻边21的一面，其磁极为s极。
40.滑座3为具有端板31的套体，端板31封闭了套体，能够防止岩土进入钻套2内，防止岩土对更换快换钻头所造成的影响。在套体上设有内花键和外花键32，滑座3的外花键32能够与钻套2的内花键22滑动配合连接。为了使滑座3的外花键32顺利地滑进钻套2的内花键22内，外花键32各齿的齿端面上也设有倒角，而且在各齿的齿端面上也都粘接有磁铁片c33，磁铁片c33朝向钻套2内花键22的一面，其磁极也同为s极。这样，在倒角和同磁极相斥的共同作用下，使外花键32与内花键22的齿牙相互错开，有利于滑座3的外花键32能够顺利地滑入钻套2的内花键22中，使钻套2的内花键22与滑座3的外花键32实现滑动连接。
41.在端板31上固定有芯轴5，芯轴5与内花键、外花键32同轴设置。芯轴5的头部位于滑套4内，且与连杆7铰接。芯轴5的中间部位贯穿端板31，并通过螺母53固定在端板31上。芯轴5的尾部位于端板31的外侧，在芯轴5的尾部设有环槽51和锥面52。芯轴5的内部沿轴向设有贯通的通气孔，通气孔用于向滑套4的空腔内充入高压空气。在本实施例中，滑座3通过芯轴5与连杆7铰接，这样的设计降低了滑座3的加工难度。
42.参照图1、图4和图5，滑套4的头部设有引导头41和三个轴向开槽42。在扩孔时，引导头41位于初钻的底洞内，对扩孔刀片6的扩孔起到了引导作用，防止扩孔偏斜。三个轴向开槽42沿滑套4的周向均匀分布，在轴向开槽42内通过转轴43铰接有三角形的扩孔刀片6，扩孔刀片6上焊接有多片硬质合金片。滑套4的中间部位设有外翻边。滑套4的尾部设有外花键，该外花键与滑座3的内花键滑动配合连接。
43.连杆7铰接在扩孔刀片6与滑座3之间，连杆7与扩孔刀片6、滑座3和滑套4构成能够使扩孔刀片6绕转轴43转动的曲柄滑块机构。如果将滑套4视为固定的滑轨、将滑座3视为滑块，那么，扩孔刀片6可以看作是曲柄。移动滑座3能够使作为曲柄的扩孔刀片6绕转轴43发生转动。
44.压簧8设置在滑座3与滑套4之间，用于推动曲柄滑块机构，使扩孔刀片6向内收合。这样，在向钻杆1的头端送入快换钻头时，压簧8使扩孔刀片6处于收合状态。
45.如图6所示，推拉件9具有活塞体91和拉绳，活塞体91能够从钻杆1内孔的尾端移动到钻套2内。具体的，活塞体91的两端分别设有能够与芯轴5尾部滑动配合的推送套体92和外拉套体93。其中，推送套体92用于推动曲柄滑块机构向前移动。推送套体92与芯轴5尾部滑动配合，在推动曲柄滑块机构向前移动时，推送套体92能够使滑座3与钻杆1或钻套2保持
同轴，有利于快换钻头与钻套2的安装。
46.外拉套体93的径向设有弹性卡销94，弹性卡销94由卡销94、弹簧95和顶丝构成，卡销94在弹簧95的作用下向内伸出。在取出快换钻头时，卡销94在芯轴5尾部锥面52的引导下，使弹簧95压缩，进而使卡销94卡在芯轴5尾部的环槽51内，使推拉件9与曲柄滑块机构卡接。当活塞体91和曲柄滑块机构在拉绳牵引下拽出钻杆1之外时，可通过拆卸顶丝而使推拉件9脱离与曲柄滑块机构的卡接。弹性卡销94与芯轴5尾部环槽51的卡接结构，有利于实现推拉件9与曲柄滑块机构的自动卡接。
47.活塞体91的两端还分别设有三个轮架96，轮架96具有滚轮97，滚轮97能够在钻杆1的内孔壁上滚动。滚轮97有利于降低活塞体91的厚度，减少活塞体91与钻杆1内孔之间的摩擦力，提高活塞体91在钻杆1内孔内移动的稳定性。在与芯轴5尾部进行连接时，滚轮97结构有利于提高推送套体92外拉套体93与芯轴5尾部连接的同轴度。在轮架96上设有拉绳孔98，拉绳孔98用来固定拉绳（图中未示出）。
48.如图7所示，当需要向钻杆1的头端送入更换扩孔刀片6后的快换钻头时，在钻杆1的尾端（露出岩石外的部分）放入本快换钻头，然后向钻杆1内通入高压水。在高压水的作用下，推拉件9的推送套体92通过芯轴5推动曲柄滑块机构向前移动，使曲柄滑块机构进入钻套2内，并使滑套4的外翻边抵压在钻套2的内翻边21上。此时，滑套4不再前移，而滑座3在推拉件9的推动下继续向前滑移，使滑座3的外花键32能够顺利地滑入钻套2的内花键22中。与此同时，扩孔刀片6向外张开。这时，钻套2上的磁铁片a23与滑座3、以及滑座3上的磁铁片c33，因接近而产生磁吸力，而且位于钻套2上的磁铁片b24也因接近滑座3的端板31而产生了磁吸力，由于钻套2对滑座3产生的磁吸力大于压簧8自身的弹力，即使高压水泄压，推拉件9不再对滑座3施加推力，该磁吸力也能保证扩孔刀片6处于张开状态，并抵压在钻套2的前端面上。一般情况下，扩孔刀片6会成功地向外打开。但是也有意外情况使扩孔刀片6不能成功打开，这时操作者并无法判断。为此，在滑套的尾端设有探针44，探针44沿轴向延伸，且贯穿端板31。推送套体92的外部设有用于容纳塑形体99的壳体，壳体的开口朝前。塑形体99可以是橡皮泥、工业油泥或其它可变形固体。当扩孔刀片6向外张开时，推拉件9和滑座3相对于滑套4向前移动，探针44的末端插进塑形体99内。当推拉件9从钻杆1中拉出时，通过观察塑形体99是否有探针44插过的沉孔、以及沉孔的深度，可以判断扩孔刀片6是否成功向外张开。
49.此后，通过拉绳将推拉件9拉出钻杆1，开动钻机，开始扩孔作业。由于钻套2、滑座3和滑套4通过内外花键32连接，因此能够将钻杆1的扭矩传递到扩孔刀片6上。由于扩孔刀片6在钻进时产生的轴向抗力被钻套2的前端面抵消，而且钻进抗力集中在扩孔刀片6的外侧，位于扩孔刀片6内侧的部位基本不承受钻进抗力，因此在钻进的过程中，扩孔刀片6不会向内收合，只能保持完全打开的状态。显然，这样的状态能够保证快换钻头的正常钻进。值得注意的是，在此过程中，磁铁片a23与磁铁片c33，磁铁片b24与端板31始终没有接触。当扩孔刀片6抵压在钻套2的前端面时，磁铁片a23与磁铁片c33之间，磁铁片b24与端板31之间只是保留有较小的间隙，该间隙可避免钻进时所产生的轴向抗力作用在磁铁片之间。在钻进过程中，一般会向钻杆1内通入高压空气，高压空气通过通气孔进入滑套4的空腔内，高压空气有利于快换钻头的钻进，并能够清除滑套4内的岩土，降低岩土对曲柄滑块机构的运动所造成阻碍。
50.如图8所示，当需要从钻杆1的头端取出需要更换的快换钻头时，通过钻机将钻杆向外拉出少许距离，为扩孔刀片6的收合留出空间。此时最好向钻杆内通入高压空气，清除滑套4头端的岩土，降低岩土对曲柄滑块机构的运动所造成阻碍。然后反转推拉件9，并将推拉件9放入钻杆1的尾端。在高压水或高压空气的作用下，推拉件9重新进入钻套2内，推拉件9的外拉套体93与芯轴5尾端上的环槽51卡接。关闭高压水或高压空气后，通过拉绳克服磁吸力并使滑座3向后滑移，此时扩孔刀片6向内收合。然后通过拉绳将曲柄滑块机构和推拉件9拉出钻杆1之外，对磨损的扩孔刀片6进行更换。
51.由上述可知，由于曲柄滑块机构在推拉件9的作用下能够实现扩孔刀片6的自动开合，因此在钻探过程中能够随时取下磨损的快换钻头，然后将新快换钻头重新安装在钻套2内，实现快换钻头的快速更换。由于不需要逐节拆卸和安装钻杆1，因此能够大幅提高钻探的施工进度。
52.实施例2：一种能够免拆卸钻杆的快换钻头，螺接在钻杆1的头端。与实施例1不同的是，如图9所示，本快换钻头用于钻底孔，并对底孔进行扩孔。具体的，中心钻片45通过螺钉固定在滑套4的头部，中心钻片45用于钻底孔，并对扩孔刀片6进行引导。扩孔刀片6用对底孔的扩孔。这样，本快换钻头可一次完成钻底孔和扩孔作业。刀片磨损后，只需更换扩孔刀片6和中心钻片45即可。
53.未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。