一种用于钻头与钻杆的连接结构的制作方法

本发明涉及基础工程钻掘、石油工程钻探等施工设备技术领域，具体涉及一种用于钻头与钻杆的连接结构。

背景技术：

随着现代化进程的不断加快，大量超高层建筑、大跨径桥梁等大型工程不断涌现，而支撑着这些庞然大物的桩基则是其最重要的立足根本。桩基的施作离不开钻机这类钻井设备，钻机是应用于陆地上大型建筑的大口径超深度桩基础、硬质岩层等复杂地层、港口码头桩基础施工、堤岸防护桩施工及江、河、湖、海中的桥梁桩基础施工。钻机作业时，利用钻头在指定区域钻进成柱状圆孔的施工过程，即称为钻井；其中，钻探石油和天然气以及地下水的钻孔直径相对较大，而钻孔直径和深度大小，取决于地质矿产埋藏深度和钻孔的用途。钻头是钻井设备的主要组成部分，其主要作用是破碎岩石、形成井孔。旋转钻头是石油行业普遍使用的钻头，在机械动力的带动下钻头产生向心运动，并通过切削、研磨使岩石产生裂痕并破碎，达到向下钻进的目的。实际使用时应根据不同的工作环境、地质条件科学合理地选择适宜规格、形状的钻头。

钻杆是一种尾部带有缧纹的钢管，用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置，钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压力、扭曲、弯曲和振动。钻杆分为方钻杆、钻杆和加重钻杆三类，连接次序为方钻杆(1根)+钻杆(n根，由井深决定)+加重钻杆(n根，由钻具组合设计决定)。钻机作业时，钻头与之螺纹配合的钻杆连接，通过不断增减钻杆的数量实现钻头的升降；但当高速旋转的钻头遇到岩性不均的地层时会造成蹩跳现象，由此产生巨大的附加振动荷载和剪切应力，极易造成钻头的柄部与钻杆之间的螺纹失效或螺丝松动，导致钻头从钻杆脱离、掉落。掉落的钻头不仅价格昂贵，且极易诱发塞孔等工程事故，必须运用专业打捞设备加以打捞清理，因此大大延误钻孔施工工期，增加巨大的人力、物力、财力耗费。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种用于钻头与钻杆的连接结构，确保钻头与钻杆之间的连接牢固，有效降低钻机作业过程中钻头掉落的几率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于钻头与钻杆的连接结构，包括钻杆以及钻头，在所述钻头的柄部端面中部设有盲孔，盲孔底部开有与钻杆螺纹配合的螺纹孔，且盲孔与螺纹孔同轴，在盲孔的内圆周壁上开有环形槽，在柄部的端面上还设有两个与环形槽连通的弧形槽，在钻杆的外壁上套设有外套筒，且在外套筒的下端面两侧分别设有一个活动块，沿钻杆的轴线在其外圆周壁上对称设置有两个固定块，两个活动块与两个固定块均呈劣弧状，且活动块所对应的弧长小于固定块所对应的弧长，在外套筒上端的内圆周壁上设有内螺纹，在钻杆的外圆周壁上设有与内螺纹配合的外螺纹，钻杆下端贯穿盲孔后与螺纹孔配合，且外螺纹的旋向与螺纹孔的旋向相反；使用时，旋转外套筒直至活动块与固定块呈叠置状态，沿钻杆的轴线向下移动外套筒，直至活动块与固定块沿弧形槽进入至环形槽内，再次旋转外套筒，使得钻杆外壁上的外螺纹与内螺纹配合，直至活动块与固定块由叠置状态转变为同处一个圆周的状态。

现有技术中，在钻井施工时遇到岩性不均的地层会使高速旋转的钻头受阻，严重时钻头会发生不定向的蹩跳，由此产生附加的振动荷载和剪切应力，而钻头与钻杆间一般通过螺丝紧固或螺纹配合连接，巨大的附加荷载会使钻头与钻杆间的螺丝松动或螺纹配合失效，即会出现卡钻甚至是掉钻的情况发生，且钻井用的钻头造价颇高，而开展钻头打捞工序，特别是在钻井深度较大时，打捞难度极大，不仅耗费大量的人力物力，还会延长钻进工期；对此，申请人设计出一种专用的钻头与钻杆的连接结构，在确保钻头与钻杆连接牢固的前提下，当钻头遇到岩性不均地层而发生蹩跳时，通过旋转外套筒使得两个固定块与两个活动块同处于一个圆周上，在环形槽内形成第二道防掉落结构，进而降低钻头掉落的几率。

在初始状态下，外套筒套设在钻杆外圆周壁上，且内螺纹与外螺纹未发生配合；具体使用时，旋转外套筒，使得两个活动块分别位于两个固定块的上端，即活动块与固定块处于叠置状态，钻杆下端沿盲孔进入至钻头的柄部内，且活动块与固定块沿弧形槽随钻杆下端一并下移，直至活动块与固定块全部进入至环形槽内，在钻杆下端与螺纹孔完全配合后，再次转动外套筒，使得活动块与固定块由叠置状态转变为同处一个圆周的状态，即两个活动块与两个固定块分别位于弧形槽所在圆周的不同点位上，此时，固定块所处弧长与弧形槽所处的弧长并非在同一个竖直平面上，且钻杆与外套筒通过螺纹配合后形成一个整体，在当钻头发生蹩跳时，钻头与钻杆在圆周方向上发生相对移动，钻头与钻杆之间的螺纹失效进而导致钻头与钻杆之间的连接失效，此时，位于同一个圆周轨迹上的两个活动块与两个固定块随钻杆持续发生圆周运动，而在柄部上端面仅存在两个弧形槽作为开口，两个活动块与两个固定块中的任意一个均无法通过开口向上移出，即能够确保钻杆与柄部之间始终处于有效的连接状态，进而有效避免钻头脱离钻杆的事故发生，操作人员只需将多个钻杆提升，然后反向操作钻头与钻杆的安装流程，即能对钻头进行快速更换，有效规避了后续的打捞工序，以确保钻井工序按时完成。需要指出的是，在钻头遇到岩性不均的地层时，钻头极可能发生反向旋转，而钻杆与外套筒通过螺纹配合后形成一个整体，钻杆持续保持圆周运动，在钻头反向旋转后，螺纹孔与钻杆下端的螺纹配合失效，钻头向下移动一定距离，使得两个活动块或是固定块会直接与弧形槽的上壁发生接触，而两者之间产生的摩擦会带动活动块随钻头发生同向的转动，而由于外螺纹的旋向与螺纹孔的旋向相反，即钻头的反向转动只能带动外套筒沿其轴线向下移动，不会对外套筒与钻杆之间的连接稳定性产生丝毫干扰，最终确保两个活动块与固定块保持在同处一个圆周的状态，以提高第二道防掉落结构的稳定性。

作为优选，两个活动块与两个固定块均呈劣弧状，且活动块所对应的弧长小于固定块所对应的弧长，设置的弧形槽供活动块以及固定块通过，即弧形槽所对应的圆弧长度大于固定块所对应的弧长，同时将弧形槽设置成呈劣弧状，使得弧形槽所在圆周上除去两个弧形槽所在的圆弧，剩余的圆周部分占二分之一单元圆以上，确保活动块以及固定块进入环形槽后，在环形槽内形成限制活动块或固定块在竖直方向上移动的空间足够大，以避免在钻头蹩跳时第二道防掉落致使结构失效。需要说明的是，第一道防掉落结构即为钻杆下端与螺纹孔之间的螺纹配合。

在每一个所述活动块两端的下部均设有台阶状的楔形块ⅰ，在每一个所述固定块两端的上部均设有台阶状的楔形块ⅱ，当活动块与固定块由叠置状态转变为同处一个圆周的状态时，位于活动块与固定块相向端面上的楔形块ⅰ和楔形块ⅱ配合。进一步地，安装时，当活动块与固定块均沿弧形槽进入至环形槽内后，钻杆下端与螺纹孔完全配合，此时旋转外套筒，使得活动块与固定块由叠置状态转变为同处一个圆周的状态，此时该圆周上的活动块与固定块即构成第二道防掉落结构；而在本技术方案中，在每一个活动块两端的下部均设有台阶状的楔形块ⅰ，在每一个固定块两端的上部均设有台阶状的楔形块ⅱ，而在旋转外套筒时，活动块与固定块逐渐由叠置状态转变为同处一个圆周的状态的过程中，活动块逐渐向固定块靠拢，直至台阶状的楔形块ⅰ与台阶状的楔形块ⅱ相互契合，保证相邻的活动块与固定块之间拼接成一个整体的弧形块，此时，弧形块所对应的弧长大于弧形槽所对应的弧长，避免弧形块从弧形槽中移出，且拼接构成的弧形槽能够增加钻杆与柄部之间的连接强度，可避免在钻头蹩跳时，弧形块与环形槽上壁之间发生硬性碰撞而受损。

在所述外套筒的外圆周壁上开有多个连接螺孔，且连接螺孔处于盲孔上方，螺孔内设有定位销，且在所述钻杆的外圆周壁上设有与连接螺孔对应的定位螺孔，当钻杆下端端部与螺纹孔配合后，旋转定位销，使得定位销与定位螺孔配合。进一步地，在外套筒的外圆周壁上设有定位销，即当钻杆与钻头之间连接完成后，转动裸露在柄部外的定位销，确保外套筒与钻杆形成一个整体，防止外套筒与钻杆之间在周向上发生相对运动。

所述固定块所对应的弧长小于所述弧形槽所对应的弧长，且所述活动块所对应的弧长小于八分之一单元圆的周长。作为优选，固定块所对应的弧长小于所述弧形槽所对应的弧长，且活动块所对应的弧长小于八分之一单元圆的周长，在保证活动块与固定块顺利通过弧形槽而进入到环形槽内的前提下，保证单个活动块能够在两个固定块之间的间隙移动，进而实现两个活动块与两个固定块同处一个圆周上。

在所述钻杆的轴线方向上，所述环形槽的槽宽为n，所述活动块的厚度为m，所述固定块的厚度为l，且满足l+m＜n＜1.5(l+m)。作为优选，以钻杆轴线为基准，将环形槽的槽宽设置在(l+m)～1.5(l+m)范围内，确保在钻杆与钻头安装时，活动块与固定块由初始状态向最终状态转变时具备足够的空间，且当n大于1.5(l+m)时，钻头发生蹩跳，钻杆下端与螺纹孔之间发生相对运动，钻头下移，而在钻杆下端与螺纹孔完全脱离后，活动块或固定块无法与环形槽上壁接触，使得钻头在无连接支撑的情况下继续下移，此时对钻头进行限位的部件厚度仅仅为环形槽上臂至柄部上端面之间的厚度，然而该部件自身固有的强度有限，极易出现损伤，一旦该部位出现损伤，将直接增加钻杆举升过程中钻头掉落的几率。

在所述外套筒上端的外圆周壁上设有封隔圆台，当钻杆下端端部与螺纹孔配合后，封隔圆台的下端面与所述柄部的上端面贴合。进一步地，在外套筒上端的外圆周壁上设有封隔圆台，使得当钻杆与钻头的连接工序结束后，封隔圆台下端面与所述柄部上端面贴合，能够将柄部上端面与外部封隔，并且还可在两者的接触面之间增加密封环或密封圈，以提高接触面的密封等级。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明在确保钻头与钻杆连接稳定性的前提下，当钻头遇到岩性不均的地层而发生蹩跳时，通过旋转外套筒使得两个固定块与两个活动块同处于一个圆周上，在环形槽内形成第二道防掉落结构，有效降低钻头掉落的几率；

2、本发明在钻头遇到岩性不均的地层时，钻头极可能发生反向旋转，而钻杆与外套筒通过螺纹配合后形成一个整体，钻杆持续保持圆周运动，在钻头反向旋转后，螺纹孔与钻杆下端的螺纹配合失效，钻头向下移动一定距离，使得两个活动块或固定块会直接与弧形槽的上壁发生接触，而两者之间产生的摩擦会带动活动块随钻头发生同向的转动，而由于外螺纹的旋向与螺纹孔的旋向相反，即钻头的反向转动只能带动外套筒沿其轴线向下移动，而无法对外套筒与钻杆之间的连接稳定性产生丝毫干扰，最终确保两个活动块与固定块保持在同处一个圆周的状态，以提升第二道防掉落结构的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为柄部的剖视图；

图3为钻杆的结构示意图；

图4为钻杆与外套筒的仰视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-钻杆，2-外套筒，3-柄部，4-弧形槽，5-环形槽，6-活动块，7-钻头，8-螺纹孔，9-外螺纹，10-固定块，11-楔形块ⅰ，12-楔形块ⅱ，13-内螺纹，14-定位销、15-封隔圆台。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1～4所示，本实施例包括钻杆1以及钻头7，在所述钻头7的柄部3端面中部设有盲孔，盲孔底部开有与钻杆1螺纹配合的螺纹孔8，且盲孔与螺纹孔8同轴，在盲孔的内圆周壁上开有环形槽5，在柄部3的端面上还设有两个与环形槽5连通的弧形槽4，在钻杆1的外壁上套设有外套筒2，且在外套筒2的下端面两侧分别设有一个活动块6，沿钻杆1的轴线在其外圆周壁上对称设置有两个固定块10，两个活动块6与两个固定块10均呈劣弧状，且活动块6所对应的弧长小于固定块10所对应的弧长，在外套筒2上端的内圆周壁上设有内螺纹13，在钻杆1的外圆周壁上设有与内螺纹13配合的外螺纹9，钻杆1下端贯穿盲孔后与内螺纹孔8配合，且外螺纹9的旋向与内螺纹孔8的旋向相反；使用时，旋转外套筒2直至活动块6与固定块10呈叠置状态，沿钻杆1的轴线向下移动外套筒2，直至活动块6与固定块10沿弧形槽4进入至环形槽5内，再次旋转外套筒，使得钻杆1外壁上的外螺纹9与内螺纹13配合，直至活动块6与固定块10由叠置状态转变为同处一个圆周的状态。

在初始状态下，外套筒2套设在钻杆1外圆周壁上，且内螺纹13与外螺纹9未发生配合；具体使用时，旋转外套筒2，使得两个活动块6分别位于两个固定块10的上端，即活动块6与固定块10处于叠置状态，钻杆1下端沿盲孔进入至钻头7的柄部3内，且活动块6与固定块10沿弧形槽4随钻杆1下端一并下移，直至活动块6与固定块10全部进入至环形槽5内，在钻杆1下端与内螺纹孔8完全配合后，再次转动外套筒2，使得活动块6与固定块10由叠置状态转变为同处一个圆周的状态，即两个活动块6与两个固定块10分别位于弧形槽4所在圆周的不同点位上，此时，固定块10所处弧长与弧形槽4所处的弧长并非在同一个竖直平面上，且钻杆1与外套筒2通过螺纹配合后形成一个整体，在当钻头7发生蹩跳时，钻头7与钻杆1在圆周方向上发生相对移动，钻头7与钻杆1之间的螺纹失效进而导致钻头7与钻杆1之间的连接失效，此时，位于同一个圆周轨迹上的两个活动块6与两个固定块10随钻杆1持续发生圆周运动，而在柄部3上端面仅存在两个弧形槽4作为开口，两个活动块6与两个固定块10中的任意一个均无法通过开口向上移出，即能够确保钻杆1与柄部3之间始终处于有效的连接状态，进而有效避免钻头7脱离钻杆1的事故发生，操作人员只需将多个钻杆1提升，然后反向操作钻头7与钻杆1的安装流程，即能对钻头7进行快速更换，有效规避可后续的打捞工序，以确保钻井工序按时完成。

需要指出的是，在钻头7遇到岩性不均的地层时，钻头7极可能发生反向旋转，而钻杆1与外套筒2通过螺纹配合后形成一个整体，钻杆1持续保持圆周运动，在钻头7反向旋转后，内螺纹孔8与钻杆1下端的螺纹配合失效，钻头7向下移动一定距离，使得两个活动块6或是固定块10会直接与弧形槽4的上壁发生接触，而两者之间产生的摩擦会带动活动块6随钻头7发生同向的转动，而由于外螺纹9的旋向与内螺纹孔8的旋向相反，即钻头7的反向转动只能带动外套筒2沿其轴线向下移动，而不会对外套筒2与钻杆1之间的连接稳定性产生丝毫的干扰，最终确保两个活动块6与固定块10保持在同处一个圆周的状态，以提高第二道防掉落结构的稳定性。

作为优选，两个活动块6与两个固定块10均呈劣弧状，且活动块6所对应的弧长小于固定块10所对应的弧长，设置的弧形槽4供活动块6以及固定块10通过，即弧形槽4所对应的圆弧长度大于固定块10所对应的弧长，同时将弧形槽4设置成呈劣弧状，使得弧形槽4所在圆周上除去两个弧形槽4所在的圆弧，剩余的圆周部分占二分之一单元圆以上，确保活动块6以及固定块10进入环形槽5后，在环形槽5内形成限制活动块6或固定块10在竖直方向上移动的空间足够大，以避免在钻头7蹩跳时第二道防掉落致使结构失效。还需要说明的是，第一道防掉落结构即为钻杆1下端与内螺纹孔8之间的螺纹配合。

实施例2

如图1、3、4所示，本实施例在实施例1的基础之上，在每一个所述活动块6两端的下部均设有台阶状的楔形块ⅰ11，在每一个所述固定块10两端的上部均设有台阶状的楔形块ⅱ12，当活动块6与固定块10由叠置状态转变为同处一个圆周的状态时，位于活动块6与固定块相向的端面上的楔形块ⅰ11和楔形块ⅱ12配合。

本实施例中，当活动块6与固定块10均沿弧形槽4进入至环形槽5内后，钻杆1下端与内螺纹孔8完全配合，此时旋转外套筒2，使得活动块6与固定块10由叠置状态转变为同处一个圆周的状态，此时该圆周上的活动块6与固定块10即构成第二道防掉落结构；而在本技术方案中，在每一个活动块6两端的下部均设有台阶状的楔形块ⅰ11，在每一个固定块10两端的上部均设有台阶状的楔形块ⅱ12，而在旋转外套筒2时，活动块6与固定块10逐渐由叠置状态转变为同处一个圆周的状态的过程中，活动块6逐渐向固定块10靠拢，直至台阶状的楔形块ⅰ11与台阶状的楔形块ⅱ12相互契合，保证相邻的活动块6与固定块10之间拼接成一个整体的弧形块，此时，弧形块所对应的弧长大于弧形槽4所对应的弧长，避免弧形块从弧形槽4中移出，且拼接构成的弧形槽4能够增加钻杆1与柄部3之间的连接强度，可避免在钻头7蹩跳时，弧形块与环形槽5上壁之间发生硬性碰撞而受损。

本实施例还在所述外套筒2的外圆周壁上开有多个连接螺孔，且连接螺孔处于盲孔上方，螺孔内设有定位销14，且在所述钻杆1的外圆周壁上设有与连接螺孔对应的定位螺孔，当钻杆1下端端部与内螺纹孔8配合后，旋转定位销14，使得定位销14与定位螺孔配合。在外套筒2的外圆周壁上设有定位销14，即当钻杆1与钻头7之间连接完成后，转动裸露在柄部3外的定位销14，确保外套筒2与钻杆1形成一个整体，防止外套筒2与钻杆1之间在周向上发生相对运动。

实施例3

如图1～4所示，本实施例在所述外套筒2上端的外圆周壁上设有封隔圆台15，当钻杆1下端端部与内螺纹孔8配合后，封隔圆台15的下端面与所述柄部3的上端面贴合。在外套筒2上端的外圆周壁上设有封隔圆台15，使得当钻杆1与钻头7的连接工序结束后，封隔圆台15下端面与所述柄部3上端面贴合，能够将柄部3上端面与外部封隔，并且还可在两者的接触面之间增加密封环或密封圈，以提高接触面的密封等级。

作为优选，固定块10所对应的弧长小于所述弧形槽4所对应的弧长，且活动块6所对应的弧长小于八分之一单元圆的周长，在保证活动块6与固定块10顺利通过弧形槽4而进入到环形槽5内的前提下，保证单个活动块6能够在两个固定块10之间的间隙移动，进而实现两个活动块6与两个固定块10同处一个圆周上。

作为优选，以钻杆1轴线为基准，将环形槽5的槽宽设置在(l+m)～1.5(l+m)范围内，确保在钻杆1与钻头7安装时，活动块6与固定块10由初始状态向最终状态转变时具备足够的空间，且当n大于1.5(l+m)时，钻头7发生蹩跳，钻杆1下端与内螺纹孔8之间发生相对运动，钻头7下移，而在钻杆1下端与内螺纹孔8完全脱离后，活动块6或固定无法与环形槽5上壁接触，使得钻头7在无连接支撑的情况下继续下移，此时对钻头7进行限位的部件厚度仅仅为环形槽5上臂至柄部3上端面之间的厚度，然而该部件自身固有的强度有限，极易出现损伤，且一旦该部位出现损伤后，将会直接增加导致钻杆1举升过程中钻头7掉落的几率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。