一种适用于气举反循环钻进的救援车载钻机动力头的制作方法

本发明属于钻探设备技术领域，具体涉及一种适用于气举反循环钻进的救援车载钻机动力头。

背景技术：

井工矿存在发生坍塌、瓦斯爆炸和透水等矿难的风险。一旦发生矿难，在最短时间内将被困人员救援至地面是挽救矿工生命的最有效手段。从地面进行大直径钻孔，将井下被困人员从钻孔救出的方法，因其高效、快速的优势，逐步成为矿山灾害救援十分有效的方法，并已多次成功应用。

车载钻机是地面救援钻孔施工的主要装备。目前国产车载钻机的研制尚处于起步阶段，主要针对地面煤层气抽采孔施工而设计，其钻孔直径较小，一般小于311mm，主要采用正循环钻进方式。然而地面救援钻孔要求孔径不小于600mm，才能顺利将被困人员从钻孔中救至地面。

在钻进工艺方面，气举反循环钻进由于其循环液上返速度高、携带岩屑能力强的特点，具有钻进效率高、钻头寿命长、成井质量好，在复杂地层中钻进安全可靠，孔内事故少，节省辅助时间、减轻劳动强度，较适合大直径救援钻孔施工。同时在易漏失地层钻进时，由于反循环钻井环空压耗小，作用于地层的压力小，可减少或消除钻井液的漏失。其中，风管式气举反循环钻进外管为常规钻杆，只需要调节插入到钻杆内的风管的长度即可，同样规格外管较双壁钻杆上返截面更大，排渣效果更好，较适用于救援钻孔施工。

但现有的车载钻机动力头没有适合气举反循环供气、排渣的双通道气水龙头；动力头的主轴易被反循环高速上返的岩屑易磨损，磨损后难以更换；反循环钻进钻屑的上返阻力大，钻进效率低，浪费救援的宝贵时间。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种适用于气举反循环钻进的救援车载钻机动力头，解决了返渣通道无台阶回转器的丝扣保护的问题，提高了动力头整体的可靠性。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种适用于气举反循环钻进的救援车载钻机动力头，包括从下到上依次安装的回转器、大通径冲管总成以及双通道气水龙头；所述回转器上设有托板总成用以与钻机连接；

所述回转器包括中心贯通的主轴、同轴套在主轴外并能与主轴同步转动的大齿轮、与大齿轮啮合的小齿轮、能驱动小齿轮转动的马达；在主轴上端口安装有与主轴同轴的且能与主轴同步转动的上接头，在上接头上端开口边缘一周固定有连接座；在主轴下部套有与主轴同轴的筒形外壳，在主轴与外壳之间安装有上轴承和下轴承，外壳下端与主轴外壁之间安装有主轴下端盖；

所述大通径冲管总成包括冲管罩，冲管罩上下开口且在侧壁设有安装口；还包括设在冲管罩内的：位于主轴上端并与主轴同轴贯通的冲管、套在冲管上部外壁上的上套、套在冲管下部外壁上的筒形密封件、套在筒形密封件外壁上的下套；所述筒形密封件的下端边缘紧贴所述连接座的上端面，下套的下端与所述连接座固定连接以使下套与连接座、上接头和主轴同步转动并实现主轴与冲管的动密封；所述主轴、上接头和冲管的内径相同；

所述双通道气水龙头包括竖管、设在竖管上端的母接头、设在母接头上的公接头、套在母接头和竖管上部外壁上的压母以及连通在竖管侧壁上的鹅颈管；所述竖管位于冲管上端并与冲管同轴贯通，竖管下端与所述上套下端螺接，竖管外壁设有能与冲管罩上端固定连接的连接板。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述上接头下部外壁与主轴上部内壁均设有螺纹以使上接头与主轴螺接，在上接头和主轴连接处的外壁套设有上衬管，上衬管外壁从上到下依次套有防尘圈和上骨架油封，在防尘圈和上骨架油封外套有主轴上端盖，在主轴上端盖上部与上接头外套设有橡胶伞，在主轴上端盖下方设有环形固定座；

所述大齿轮外套设有大齿轮箱，大齿轮箱的上表面和下表面与主轴垂直，大齿轮箱的侧壁与主轴平行；大齿轮箱上表面中心设有上安装孔，下表面中心设有下安装孔，上安装孔和下安装孔相对且均用以使主轴穿过；所述环形固定座围绕上安装孔设置，并通过螺栓能将主轴上端盖、环形固定座和大齿轮箱上表面进行固定；所述下安装孔紧贴并套在所述外壳上部外壁上，外壳与大齿轮箱的下表面之间通过沿外壳周向布设的多个加劲板固定连接。

具体的，所述上轴承上方的主轴外壁设有上轴承上部环形限位台，上轴承下方的外壳内壁设有上轴承下部环形限位台；所述下轴承上方的外壳内壁设有下轴承上部环形限位台，下轴承下方设有套在主轴上的推力挡圈，在推力挡圈下方设有套在主轴上的圆螺母；在圆螺母下方设有套在主轴上的下衬管，在下衬管外套有下骨架油封，在下骨架油封外套设所述主轴下端盖。

所述推力挡圈通过凹槽与主轴的凸台进行径向固定，推力挡圈上有与圆螺母上的通孔对应的螺纹孔，所述圆螺母与主轴通过螺纹连接。

具体的，所述马达有四个，四个马达围绕上安装孔均布在大齿轮箱上表面，每个马达连接有一个所述小齿轮。

具体的，所述冲管罩下端固定连接在大齿轮箱上。

具体的，所述托板总成包括固定在大齿轮箱两侧的两个平行相对的翼板以及与两个翼板连接的托板。

具体的，所述翼板与大齿轮箱侧壁平行且翼板上设有腰型孔，采用螺栓穿过所述腰型孔将翼板固定在大齿轮箱侧壁上，在翼板与螺栓之间设有垫圈，在翼板与大齿轮箱侧壁之间设有垫板。

具体的，所述托板包括两个平行相对的侧板以及连接在两个侧板之间的安装板，两个侧板分别与两个翼板平行并连接，所述安装板上设有用以连接钻机的钻机连接件，回转器、大通径冲管总成以及双通道气水龙头位于安装板的一侧，钻机连接件位于安装板的另一侧。

具体的，所述主轴内壁熔覆有抗磨陶瓷涂层。

具体的，所述马达内含制动器。

具体的，所述筒形密封件下端与连接座之间设有密封圈。

具体的，所述公接头和母接头之间设有用以密封的小o型圈，所述母接头与竖管上端面之间设有用以密封的大o型圈。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明效减小了主轴、鹅颈管在气举反循环作业中的磨损，解决了返渣通道无台阶回转器的丝扣保护的问题，提高了动力头整体的可靠性。

(2)本发明设计了主轴、上接头和冲管内径相同的动力头返渣通道，解决了常规反循环钻进由动力头返渣通道内台阶造成的流体紊乱引起返渣不畅与过度磨损的问题。同时，当动力头返渣通道内径一致时，则无法使用浮动接头，在拧卸钻杆时容易损坏丝扣，由此，本发明设计了回转器与托板总成进行浮动连接，拧卸丝扣时，回转器相对托板总成浮动，有效保护了钻杆丝扣，提高了动力头排渣能力。

(3)本发明主轴内壁熔覆有抗磨陶瓷涂层，提高耐磨和耐蚀性，防止气举反循环产生的高速返渣磨损主轴内壁。避免了在救援现场出现主轴内壁磨损严重需要更换主轴的情况，为救援节省了宝贵时间。

(4)同时，在反循环钻探施工过程中，时常出现高速上返的流体介质，携带研磨性很强的岩粉高速撞击鹅颈弯管使其磨损严重而被磨穿的现象，双通道气水龙头在返渣堆积区形成返渣堆积作为缓冲垫，有效减少了鹅颈管的磨损，为救援节省了宝贵时间。

(5)下轴承采用推力挡圈和圆螺母的固定方式可靠地对主轴的轴向运动进行了限定，避免了常规的用单一螺纹或挡圈紧固下轴承，螺纹松动后主轴产生轴向窜动，顶坏回转器内部零件的问题。

附图说明

附图1是本发明的整体结构示意图；

附图2是本发明的整体结构正视图；

附图3是本发明的整体结构正面剖视图；

附图4是本发明的整体结构侧视图；

附图5是本发明的回转器与翼板连接爆炸图示意图；

附图6是本发明的回转器正面剖视图；

附图7是本发明的大通径冲管总成正面剖视图；

附图8是本发明的双通道气水龙头正面剖视图。

图中各标号表示为：10-回转器，20-大通径冲管总成，30-双通道气水龙头，40-托板总成；

101-主轴，102-大齿轮，103-马达，104-上接头，105-连接座，106-外壳，107-上轴承，108-下轴承，109-主轴下端盖，110-上衬管，111-防尘圈，112-上骨架油封，113-主轴上端盖，114-橡胶伞，115-环形固定座，116-大齿轮箱，117-加劲板，118-推力挡圈，119-圆螺母，120-下衬管，121-下骨架油封；

201-冲管罩，202-冲管，203-上套，204-筒形密封件，205-下套；

301-竖管，302-母接头，303-公接头，304-压母，305-鹅颈管，306-连接板；

401-翼板，402-托板，403-侧板，404-安装板，405-钻机连接件。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至图8所示，本实施例提供一种适用于气举反循环钻进的救援车载钻机动力头，包括从下到上依次安装的回转器10、大通径冲管总成20以及双通道气水龙头30；所述回转器10上设有托板总成40用以与钻机连接。

如图5和图6所示，回转器10包括中心贯通的主轴101、同轴套在主轴101外并能与主轴101同步转动的大齿轮102、与大齿轮102啮合的小齿轮、能驱动小齿轮转动的马达103；在主轴101上端口安装有与主轴101同轴的且能与主轴101同步转动的上接头104，在上接头104上端开口边缘一周固定有连接座105；在主轴101下部套有与主轴101同轴的筒形外壳106，在主轴101与外壳106之间安装有上轴承107和下轴承108，外壳106下端与主轴101外壁之间安装有主轴下端盖109。在本实施例中，主轴101与大齿轮102之间采用花键连接，主轴下端盖109与外壳106下端之间通过螺栓连接；主轴内壁熔覆有抗磨陶瓷涂层，提高主轴内壁的耐磨和耐蚀性，防止气举反循环产生的高速返渣磨损主轴内壁，主轴内壁一旦磨损后在现场更换困难，浪费救援的宝贵时间。

如图7所示，大通径冲管总成20包括冲管罩201，冲管罩201上下开口且在侧壁设有安装口；还包括设在冲管罩201内的：位于主轴101上端并与主轴101同轴贯通的冲管202、套在冲管202上部外壁上的上套203、套在冲管202下部外壁上的筒形密封件204、套在筒形密封件204外壁上的下套205；筒形密封件204的下端边缘紧贴连接座105的上端面，下套205的下端与连接座105固定连接以使下套205与连接座105、上接头104和主轴101同步转动并实现主轴101与冲管202的动密封。在本实施例中，上套203为圆筒形结构，且在上套203的下端内壁设有环形限位台，冲管202的上端外壁设有环形限位台，上套203的环形限位台位于冲管202的环形限位台下方，从而实现上套203与冲管202的连接；下套205为圆筒形结构，在下套205的上端内壁设有环形限位台，在下套205下端外壁设有环形台，下套205上端的环形限位台位于筒形密封件204的上端，下套205下端环形台用以与连接座105固定连接。主轴101、上接头104和冲管202的内径相同；避免了返渣通道内台阶造成的流体紊乱，从而引起返渣不畅与过度磨损。

如图8所示，双通道气水龙头30包括竖管301、设在竖管301上端的母接头302、设在母接头302上的公接头303、套在母接头302和竖管301上部外壁上的压母304以及连通在竖管301侧壁上的鹅颈管305；竖管301位于冲管202上端并与冲管202同轴贯通，竖管301下端与上套203下端螺接，竖管301外壁设有能与冲管罩201上端固定连接的连接板306。在本实施例中，压母304与竖管301之间螺纹连接；其中本实施例中的鹅颈管305即为弯管形状，鹅颈管305连接排渣管，竖管301从与鹅颈管305连接处到连接母接头的部位为返渣堆积区，在钻进过程中，返渣堆积区先积满岩渣，之后的高速返渣至返渣堆积区降速后，在持续流体压力下进入鹅颈管305，避免了传统的单通式鹅颈管在使用过程中，高速返渣直接冲击鹅颈管，对鹅颈管内壁造成磨损，降低使用寿命。

在本实施例中，更具体的，上接头104下部外壁与主轴101上部内壁均设有螺纹以使上接头104与主轴101螺接，在上接头104和主轴101连接处的外壁套设有上衬管110，上衬管110与上接头104外壁螺纹连接，上衬管110外壁从上到下依次套有防尘圈111和上骨架油封112，在防尘圈111和上骨架油封112外套有主轴上端盖113，在主轴上端盖113上部与上接头104外套设有橡胶伞114，更具体的，橡胶伞114位于连接座105下方以及上衬管110和主轴上端盖113的上方并紧套在上接头104外壁；在主轴上端盖113下方设有环形固定座115。

大齿轮102外套设有大齿轮箱116，大齿轮箱116的上表面和下表面与主轴101垂直，大齿轮箱116的侧壁与主轴101平行；大齿轮箱116上表面中心设有上安装孔，下表面中心设有下安装孔，上安装孔和下安装孔相对且均用以使主轴101穿过；环形固定座115围绕上安装孔设置，并通过螺栓能将主轴上端盖113、环形固定座115和大齿轮箱116上表面进行固定；所述下安装孔紧贴并套在外壳106上部外壁上，外壳106与大齿轮箱116的下表面之间通过沿外壳106周向布设的多个加劲板117固定连接。在本实施例中，下安装孔与外壳106之间焊接。

上轴承107上方的主轴101外壁设有上轴承上部环形限位台，上轴承107下方的外壳106内壁设有上轴承下部环形限位台；下轴承108上方的外壳106内壁设有下轴承上部环形限位台，下轴承108下方设有套在主轴101上的推力挡圈118，在推力挡圈118下方设有套在主轴101上的圆螺母119；在圆螺母119下方设有套在主轴101上的下衬管120，在本实施例中，下衬管120与主轴101之间螺纹连接，在下衬管120外套有下骨架油封121，在下骨架油封121外套设主轴下端盖109。

推力挡圈118为两个半环形挡圈对接成的环形结构，推力挡圈118通过凹槽与主轴101的凸台进行径向固定，推力挡圈上有与圆螺母上的沉头通孔对应的螺纹孔，圆螺母与主轴通过螺纹连接；安装时，先插入两个推力挡圈，然后旋入圆螺母，当圆螺母将推力挡圈压至与下轴承接触时，轻微正转或逆转圆螺母，使圆螺母的沉头通孔与推力挡圈的螺纹孔对正后装入螺钉紧固；使用这种方式可靠地对主轴的轴向运动进行了限定，避免了常规的用单一螺纹或挡圈紧固，螺纹松动后主轴产生轴向窜动，顶坏回转器内部零件的问题。

马达103有四个，四个马达103围绕上安装孔均布在大齿轮箱116上表面，每个马达103连接有一个小齿轮。本实施例中的马达103为液压马达，液压马达内含制动器，定向钻进时，液压马达制动，限制主轴转动，孔底马达带动钻头旋转，通过调整孔底马达实现轨迹控制。

冲管罩201下端固定连接在大齿轮箱116上，本实施例中，冲管罩201通过螺栓固定在大齿轮箱116的上表面。

托板总成40包括固定在大齿轮箱116两侧的两个平行相对的翼板401以及与两个翼板401连接的托板402。

翼板401与大齿轮箱116侧壁平行且翼板上设有腰型孔，采用螺栓穿过腰型孔将翼板401固定在大齿轮箱116侧壁上，在翼板401与螺栓之间设有垫圈，在翼板401与大齿轮箱116侧壁之间设有垫板。更具体的，本实施例的翼板401上设有用以使螺栓穿过的腰型孔，腰型孔的长轴线与主轴平行，从而使螺栓能在腰型孔内沿主轴轴向方向浮动，连接和拆卸钻杆时，主轴101旋转带动母扣连接钻杆公扣，回转器10在丝扣轴向力作用下带动衬板和垫相对翼板401滑动，即回转器10相对托板总成40前进和后退，实现回转器10在连接钻杆时浮动，保护钻杆丝扣不受损伤。常规的回转器通过浮动接头来达到拆解钻杆时保护丝扣的目的，浮动接头的内轴与主轴之间的浮动不可避免的使排渣通道产生内台阶，影响排渣效果，造成主轴内壁磨损。本实施例通过回转器10与托板总成40之间的浮动，保护丝扣，使排渣通道内径保持一致，提高排渣能力，减少磨损。

托板402包括两个平行相对的侧板403以及连接在两个侧板403之间的安装板404，两个侧板403分别与两个翼板401平行并连接，安装板404上设有用以连接钻机的钻机连接件405，回转器10、大通径冲管总成20以及双通道气水龙头30位于安装板404的一侧，钻机连接件405位于安装板404的另一侧。

主轴101内壁熔覆有抗磨陶瓷涂层，提高主轴内壁的耐磨和耐蚀性，防止气举反循环产生的高速返渣磨损主轴内壁。

马达103内含制动器，定向钻进时，液压马达制动，限制主轴转动，孔底马达带动钻头旋转，通过调整孔底马达实现轨迹控制。

筒形密封件204下端与连接座105之间设有密封圈。

公接头303和母接头302之间设有用以密封的小o型圈，母接头302与竖管301上端面之间设有用以密封的大o型圈。

在本实施例中，主轴101、上接头104和冲管202具有相同的内径，避免返渣通道内台阶造成流体紊乱引起返渣不畅与过度磨损。

本发明的使用方法：

动力头在开孔段安装常规正循环钻进用的冲管总成、水龙头和上接头，进行正循环钻进；达到预定深度后，拆除原冲管总成、水龙头和上接头，安装本发明双通道气水龙头、大通径冲管总成和上接头，移除公接头，然后将空气管插入母接头，直至预定位置后，采用空气管外壁的接头与母接头连接固定，之后开始反循环钻进。