一种用于长大地质钻孔施工的内排式直角梯形钻头及方法

1.本发明涉及地质钻孔施工领域，具体涉及一种用于长大地质钻孔施工的内排式直角梯形钻头及方法。


背景技术：

2.随着社会经济的快速发展，对矿产资源的需求量在不断增加，部分浅部的矿产资源开采和应用已提前进入枯竭期。因此，加大深部矿产资源勘探，探寻地球深部新的矿产资源，具有重要的现实意义。地质钻探是矿产资源勘探的重要手段，特别是深部矿产资源勘探，急需研制深部矿产资源勘探所必须的长距离、大直径地质钻进装置。
3.通常地质钻探会遇到各类事故，其中塌孔现象尤为常见，约占各类钻探事故的50％，钻孔塌孔严重影响施工进度。塌孔事故处理难度较大，处理过程中容易出现埋钻、卡钻等情况，最终导致钻孔报废，钻具丢失。因此，地质钻探中防止钻孔塌孔尤为重要，特别是长距离、大直径地质钻孔更容易造成钻孔塌孔、卡钻。造成钻孔塌孔主要与地层中岩层硬度不同、地质构造存在、地层溶蚀以及断层破碎带的密切相关。地质钻探过程不易掌握压力，对软岩层钻进过快，而积聚的岩粉不能快速排出，造成堵塞或钻进泵压异常、憋泵现象，导致孔内回转阻力增大。当钻孔长距离接触煤层时也会造成塌孔，导致大量煤岩屑无法正常排出；当钻孔穿过地质构造变化带遇到硬岩或破碎的煤岩层时，钻进时就会出现钻孔掉渣，造成钻孔堵塞、埋钻现象。
4.此外，钻孔偏斜是地质钻探急需解决的另一个关键问题，特别是当钻孔长度和孔径较大时，更容易造成整个钻孔偏斜而偏离设计位置。造成钻孔偏斜的原因与地质条件、钻具结构、钻进技术措施及设备质量等诸多因素相关。当地质钻探由软地层钻进到硬地层时，由于钻进地层的倾斜和非均质性，使得钻头受力不平而发生弯曲导致钻头倾斜，造成钻孔偏斜。
5.高效排屑是地质钻孔快速钻进的重要保障。中国专利cn202021862119.7公开了一种煤矿地质钻矿取样装置，该装置仅适合用来取样，但对于消耗磨损较大的长大地质钻孔钻进则不适宜，不能够做到快速排屑，也不能够精准定位实现快速施工。中国专利cn201922003262.4公开了一种煤矿地质钻矿取样装置，虽然该装置设置有内孔排屑功能，但是排屑和钻进分开，仅能够排出部分尘屑，不能够在高速钻进施工过程快速排屑。
6.造成地质钻孔塌孔、埋钻、卡钻以及钻孔偏斜，除受水文地质条件、地层岩性影响外，还与地质钻孔的长度、孔径及排屑功能密切相关。当地质钻孔长度较大时，容易造成钻孔偏斜，钻进过程排屑困难、卡钻现象；当地质钻孔孔径较大时，由于钻进过程孔壁悬空面积较大，容易造成钻孔塌孔、卡钻现象。因此，急需研制一种能够在长大地质钻孔钻进过程中同步定芯、实时孔壁支撑、快速排屑的钻进装置，以解决上述技术难题和关键问题，避免长距离、大直径地质钻孔钻进过程中钻孔偏斜、塌孔、卡钻现象，保证长大地质钻孔快速施工。


技术实现要素：

7.针对上述技术背景涉及的不足，本发明的目的在于提供一种用于长大地质钻孔施工的内排式直角梯形钻头及方法。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种用于长大地质钻孔施工的内排式直角梯形钻头及方法，包括内排式长大钻孔施工装置、定芯导向排屑装置、固定旋转支承装置；所述内排式长大钻孔施工装置包括内凹式直角梯形钻头、内排式钻杆连接装置、内螺旋中空钻杆，所述定芯导向排屑装置包括定芯三角钻头、定芯钻头连接装置、外螺旋麻花钻杆、插入式快速接装置，所述固定旋转支承装置包括固定旋转轴承、固定旋转支架；所述内凹式直角梯形钻头包括直角梯形刀头、钻头筒体、钻头外连接螺纹；所述内排式钻杆连接装置包括钻头连接内螺纹、钻杆连接内螺纹；所述的内螺旋中空钻杆包括螺旋式内螺纹、钻杆连接外螺纹；所述定芯三角钻头包括定芯三角刀头、定芯三角刀座、定芯三角刀柱；所述插入式快速接装置包括插入式凹槽、插入式凸头、弹簧固定销栓；
9.所述定芯导向排屑装置位于内排式长大钻孔施工装置中心，通过固定旋转支承装置实现定芯导向排屑装置与内排式长大钻孔施工装置同轴同步钻进；
10.所述内排式长大钻孔施工装置的前部为内凹式直角梯形钻头，通过内排式钻杆连接装置与后部内螺旋中空钻杆连接；
11.所述内凹式直角梯形钻头通过直角梯形刀头进行钻孔破岩施工，所述钻头筒体为中空式设计，防止钻屑堵塞；
12.所述内螺旋中空钻杆内部设计有螺旋式内螺纹，便于钻屑沿内螺旋中空钻杆向外排出；
13.所述内排式钻杆连接装置连接前部设置有钻头连接内螺纹，后部设置有钻杆连接内螺纹，实现内凹式直角梯形钻头与内螺旋中空钻杆的快速连接；
14.所述定芯导向排屑装置的前部为定芯三角钻头，所述定芯三角钻头通过定芯三角刀头预先进行钻孔定芯施工，所述定芯三角刀头通过定芯三角刀座安装于定芯三角刀柱上；
15.所述定芯钻头连接装置上部和下部分别设置有定芯钻头连接内螺纹和定芯钻杆连接内螺纹，所述定芯三角钻头通过定芯钻头连接内螺纹与定芯钻头连接装置连接，并通过定芯钻杆连接内螺纹与外螺旋麻花钻杆连接，所述外螺旋麻花钻杆之间通过插入式快速接装置连接；
16.所述定芯导向排屑装置位于内排式长大钻孔施工装置中心，并通过所述固定旋转支承装置实现定芯导向排屑装置与内排式长大钻孔施工装置同轴同步钻进。
17.进一步的，所述一种用于长大地质钻孔施工的内排式直角梯形钻头的使用方法如下：
18.s1、所述定芯三角钻头通过定芯三角刀柱和定芯钻头连接内螺纹与定芯钻头连接装置相连接，所述定芯钻头连接装置通过定芯钻杆杆体上的定芯钻杆连接内螺纹和定芯钻杆连接外螺纹与外螺旋麻花钻杆相连接，组成定芯导向排屑装置；
19.s2、所述内凹式直角梯形钻头通过钻头外连接螺纹和钻头连接内螺纹与内排式钻杆连接装置相连接，所述内排式钻杆连接装置通过钻杆连接内螺纹和钻杆连接外螺纹与内螺旋中空钻杆相连接，组成内排式长大钻孔施工装置；
2b、钻杆连接内螺纹；1-3、内螺旋中空钻杆；1-3a、螺旋式内螺纹；1-3b、钻杆连接外螺纹；
39.2、定芯导向排屑装置；2-1、定芯三角钻头；2-1a、定芯三角刀头；2-1b、定芯三角刀座；2-1c、定芯三角刀柱；2-2、定芯钻头连接装置；2-2a、定芯钻头连接内螺纹；2-2b、定芯钻杆连接内螺纹；2-3、外螺旋麻花钻杆；2-3a、定芯钻杆连接外螺纹；2-3b、定芯钻杆麻花螺纹；2-3c、定芯钻杆杆体；2-4、插入式快速接装置；2-4a、插入式凹槽；2-4b、插入式凸头；2-4c、弹簧固定销栓；
40.3、固定旋转支承装置；3-1、固定旋转轴承；3-2、固定旋转支架。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
42.请参阅图1-11，本发明提供一种用于长大地质钻孔施工的内排式直角梯形钻头及方法，包括内排式长大钻孔施工装置1、定芯导向排屑装置2、固定旋转支承装置3；内排式长大钻孔施工装置1包括内凹式直角梯形钻头1-1、内排式钻杆连接装置1-2、内螺旋中空钻杆1-3，内凹式直角梯形钻头1-1上部安装有直角梯形刀头1-1a，下端连接有钻头筒体1-1b，钻头筒体1-1b下部开设有钻头外连接螺纹1-1c；内排式钻杆连接装置1-2内部上端开设有钻头连接内螺纹1-2a，下端开设有钻杆连接内螺纹1-2b；内螺旋中空钻杆1-3内部开设有螺旋式内螺纹1-3a，外部上端开设有钻杆连接外螺纹1-3b；定芯导向排屑装置2包括定芯三角钻头2-1，定芯钻头连接装置2-2，外螺旋麻花钻杆2-3，插入式快速连接装置2-4；定芯三角钻头2-1包括定芯三角刀头2-1a，定芯三角刀座2-1b，定芯三角刀柱2-1c；定芯钻头连接装置2-2内部上端开设有定芯钻头连接内螺纹2-2a，下端开设有定芯钻杆连接内螺纹2-2b；外螺旋麻花钻杆2-3在定芯钻杆杆体2-3c外部设置有定芯钻杆麻花螺纹2-3b，外部上端开设有定芯钻杆连接外螺纹2-3a；插入式快速连接装置2-4包括插入式凹槽2-4a，插入式凸头2-4b，弹簧固定销栓2-4c；
43.内凹式直角梯形钻头1-1的钻头筒体1-1b内部为中空，在钻头筒体1-1b上部安装有三个以120
°
角度圆周阵列分布的直角梯形刀头1-1a，钻头筒体1-1b的下部开设的钻头外连接螺纹1-1c可与内排式钻杆连接装置1-2内部上端开设的钻头连接内螺纹1-2a通过螺纹连接使得内凹式直角梯形钻头1-1与内排式钻杆连接装置1-2连接，内排式钻杆连接装置1-2下端开设的钻杆连接内螺纹1-2b可与内螺旋中空钻杆1-3外部上端开设的钻杆连接外螺纹1-3b通过螺纹连接使得内排式钻杆连接装置1-2与内螺旋中空钻杆1-3连接，从而形成了内排式长大钻孔施工装置1。
44.定芯三角钻头2-1包括定芯三角刀头2-1a，定芯三角刀座2-1b，定芯三角刀柱2-1c，定芯三角刀柱2-1c上开设有与定芯钻头连接装置2-2内部上端开设的定芯钻头连接内螺纹2-2a规格相同的螺纹，通过螺纹连接使得定芯三角钻头2-1与定芯钻头连接装置2-2连接，定芯钻头连接装置2-2内部下端开设的定芯钻杆连接内螺纹2-2b与外螺旋麻花钻杆2-3在定芯钻杆杆体2-3c外部上端开设的定芯钻杆连接外螺纹2-3a通过螺纹连接使得定芯钻头连接装置2-2与外螺旋麻花钻杆2-3连接起来，定芯钻杆杆体2-3c外部设置的定芯钻杆麻
花螺纹2-3b使得钻屑向后部排出，在外螺旋麻花钻杆2-3尾部开设的插入式快速连接装置2-4由插入式凹槽2-4a，插入式凸头2-4b，弹簧固定销栓2-4c组成，插入式凸头2-4b上部开设可容纳弹簧固定销栓2-4c的孔洞，插入式凹槽2-4a上亦开设有可容纳弹簧固定销栓2-4c头部的孔洞，当插入式凸头2-4b插入上一个外螺旋麻花钻杆2-3尾部开设的插入式快速连接装置2-4的插入式凹槽2-4a内时，弹簧固定销栓2-4c从孔洞内弹出，使得其头部可嵌入插入式凹槽2-4a上开设的可容纳弹簧固定销栓2-4c头部的孔洞，使得两两外螺旋麻花钻杆2-3之间可紧密连接，以上各部件共同组成了定芯导向排屑装置2。
45.固定旋转支承装置3由固定旋转轴承3-1及固定旋转支架3-2组成，其中固定旋转轴承3-1安装在固定旋转支架3-2上，固定旋转轴承3-1为滚珠轴承，其内圈直径与外螺旋麻花钻杆2-3的杆体直径相同，使得外螺旋麻花钻杆2-3可嵌套在固定旋转轴承3-1内，固定旋转支架3-2上的三个细长支撑杆安装在内排式长大钻孔施工装置1内壁上，使得定芯导向排屑装置2位于内排式长大钻孔施工装置1中心位置处，不影响钻屑的排出。
46.所述一种用于长大地质钻孔施工的内排式直角梯形钻头的使用方法如下：
47.s1、所述定芯三角钻头2-1通过定芯三角刀柱2-1c和定芯钻头连接内螺纹2-2a与定芯钻头连接装置2-2相连接，所述定芯钻头连接装置2-2通过定芯钻杆连接内螺纹2-2b和定芯钻杆连接外螺纹2-3a与外螺旋麻花钻杆2-3相连接，组成定芯导向排屑装置2；
48.s2、所述内凹式直角梯形钻头1-1通过钻头外连接螺纹1-1c和钻头连接内螺纹1-2a与内排式钻杆连接装置1-2相连接，所述内排式钻杆连接装置1-2通过钻杆连接内螺纹1-2b和钻杆连接外螺纹1-3b与内螺旋中空钻杆1-3相连接，组成内排式长大钻孔施工装置1；
49.s3、所述内排式长大钻孔施工装置1通过安装于固定旋转支架3-2中心的固定旋转轴承3-1与定芯导向排屑装置2连接，实现内排式长大钻孔施工装置1与定芯导向排屑装置2同轴钻进；
50.s4、所述定芯三角钻头2-1预先钻进地层，实现长大地质施工钻孔定芯和内部破岩，所述内凹式直角梯形钻头1-1随后钻进，实现长大地质施工钻孔破岩和扩孔，所述外螺旋麻花钻杆2-3通过其杆体上的定芯钻杆麻花螺纹2-3b实现定芯三角钻头2-1钻进中岩屑向钻孔后部导向排屑，同时，所述内螺旋中空钻杆1-3通过其杆体内的螺旋式内螺纹1-3a实现长大地质施工钻孔定芯、破岩、扩孔钻进中岩屑向钻孔后部排出；通过长大地质钻孔快速施工中钻孔定芯和钻屑内排，有效避免钻孔偏斜、塌孔及卡钻现象。
51.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
52.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。