一种潜孔锤自回转钻具

1.本发明涉及一种回转钻具，特别涉及一种潜孔锤自回转钻具。


背景技术：

2.目前，气动潜孔锤钻进技术由于其机械钻速快、孔底排渣干净、钻进效率高等优点，广泛应用于水文水井钻进、岩土工程施工、地质岩心钻探、油气和矿产资源勘探开发等领域，能够有效提高钻进速度和施工效率。然而，由于潜孔锤工作需要钻杆带动其回转，难以直接配合定向工具使用，在定向井、水平井和大位移井施工中应用较为不便，严重制约了气动潜孔锤在该领域的推广应用。
3.潜孔锤自回转钻具是利用内部活塞动能实现钻头或潜孔锤钻具独立回转，可大大改善钻柱的受力情况、延长钻具使用寿命、降低能量损失并提高钻进速度，有效促进潜孔锤钻进技术在定向井、水平井和大位移井等领域的推广应用。现有潜孔锤自回转钻具均在常规气动潜孔锤结构的基础上改进而来，即利用单活塞的冲程或回程的冲击动能带动钻头回转切削岩石，并对岩石进行冲击破碎。钻遇硬岩时，若活塞动能无法满足碎岩扭矩需求，钻头停转使活塞运动受阻，可能导致潜孔锤钻具失效，严重时常常造成卡钻等井下复杂事故。此外，利用单活塞往复运动驱动钻头回转，致使活塞的冲击动能转化为回转能量，硬岩地层有可能出现因冲击能量不足而无法有效进尺的问题，且钻具使用寿命低，可靠性差。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是为了解决目前潜孔锤自回转钻具存在的可靠性差、能量利用率低、活塞运动不畅甚至易卡死等问题，而提供的一种潜孔锤自回转钻具。
5.本发明提供的潜孔锤自回转钻具包括有壳体、外缸、外活塞、内活塞、内缸、心管和钻头，其中壳体套设在外缸的周圈，壳体的内壁与外缸的外壁之间形成有第一气道，外缸套设在外活塞的周圈，外缸下部的内侧壁与外活塞上部的外壁之间形成有第二气道，外活塞套设在内活塞的周圈，外活塞的内壁与内活塞的外壁之间形成有第三气道，内活塞套设在内缸的周圈，内活塞上部的内壁与内缸下部的外壁之间形成有第四气道，内缸套设在心管的周圈，内缸的内壁与心管的外壁之间形成有第五气道，外缸上部的侧壁上开设有第一通气口，第一通气口与第一输气通道相连通，外缸中间部位的侧壁上第二气道的顶部开设有第二通气口，第二通气口与第二气道相连通，第一通气口和第二通气口通过第一气道相连通，第二气道底部的外活塞侧壁上开设有第一气室，第一输气通道、第一通气口、第一气道、第二通气口、第二气道和第一气室形成为高压气体的第一通道，进入第一气室的高压气体能够推动外活塞向上运动；内缸上部的侧壁上开设有第三通气口，第三通气口与第二输气通道相连通，内缸中间部位的侧壁上第四气道的顶部开设有第四通气口，第四通气口与第四气道相连通，第三通气口和第四通气口通过第五气道相连通，第四气道底部的内活塞侧壁上开设有第二气室，第二输气通道、第三通气口、第五气道、第四通气口、第四气道和第二气室形成为高压气体的第二通道，进入第二气室的高压气体能够推动内活塞向上运动，外
活塞顶部的外缸内腔中开设有第三气室，内活塞顶部的外缸内腔中开设有第四气室，第三气室和第四气室之间通过隔板进行隔断，第三气室和第四气室的排气口均与第三气道相连通；内活塞的底部与钻头的顶部相抵靠，内活塞上下活动能够冲击钻头向下进行运动，外活塞的底部通过驱动机构与钻头相连接，外活塞向上运动时通过驱动机构带动钻头进行旋转钻进。
6.壳体由上壳体和下壳体组成，壳体的顶部装配有连接头，连接头的内腔中设置有逆止阀，逆止阀下部的心管上套设有弹簧，弹簧能够驱使逆止阀进行复位，壳体的内腔中间部位套设有外衬套，外衬套外壁设有花键槽，与壳体内壁中部的花键槽配合，限制外衬套回转，外衬套内壁设有花键槽，与外活塞外壁中部的花键配合，限制外活塞回转，对应外衬套的心管上套设有内衬套，壳体的下部与钻头的连接处分别装配有半圆卡和限位套。
7.心管的顶部装配有配气盘，配气盘上开设有内圈进气孔和外圈进气孔，其中外圈进气孔与第一输气通道相连通，内圈进气孔与第二输气通道相连通，第三气室和第四气室之间的隔板顶部固连在配气盘的底部，心管的下端连接有心管接头，心管接头的下端插设在钻头的内腔中，心管的内腔与钻头的内腔相连通组成为排气通道。
8.外活塞的底部与钻头相连接的驱动机构包括有旋转套，其中旋转套的上部套设在外活塞的下部，旋转套上部的内侧壁上和外活塞下部的外侧壁上均开设有相对应的螺旋槽，旋转套和外活塞上相对应的螺旋槽之间通过内嵌的滚珠相连接，外活塞上下往复运动时通过滚珠和螺旋槽驱使旋转套进行旋转，外活塞外侧壁上开设的螺旋槽深度依次变深，从而使旋转套和外活塞之间通过滚珠能够进行锁紧和分离，旋转套底部的内侧壁上开设有花键槽，旋转套的底部通过花键槽与钻头的顶部相连接，旋转套转动过程中能够带动钻头同步转动，旋转套的顶部还套设有耐磨环。
9.本发明的工作原理：
10.本发明提供的潜孔锤自回转钻具在使用时高压空气经管路系统进入连接头的内腔后推开逆止阀到达心管顶端的配气盘后气体分成两路，一路经外圈进气孔、第一输气通道、第一通气口、第一气道、第二通气口和第二气道进入第一气室；另一路经内圈进气孔、第二输气通道、第三通气口、第五气道、第四通气口和第四气道进入第二气室。
11.对于前者，外活塞上环面封闭第三气室的进气通道，第三气室通过第三气道以及钻头与孔底的大气连通，第一气室压力增高，推动外活塞上行，外活塞下部开设的螺旋槽与旋转套上部所设的螺旋槽共同挤压滚珠，从而使滚珠处于锁紧状态，外活塞继续上行，其螺旋槽和滚珠带动旋转套转动，进而带动钻头同步进行转动。当外活塞上行至外活塞上环面超过外缸与其配合处，高压气体进入第三气室为其供气，此时，外活塞上端与隔板配合，封闭第三气室，第三气室内部压力升高，外活塞中环面与外缸配合，封闭第一气室的进气通道，此时外活塞下环面超过外衬套，第一气室与孔底大气连通。外活塞做减速运动上行至上死点。由于高压空气不断进入第三气室，作用于外活塞上端面，在压差力和重力的共同作用下，外活塞向下运动，外活塞上开设的螺旋槽与滚珠脱开，使滚珠处于自由滚动状态并使旋转套和钻头不同步进行转动。外活塞向下冲击钻头，进而碎岩。冲击结束后，再次向第一气室输送高压气体，外活塞上行，滚珠使外活塞和旋转套锁紧从而带动旋转套和钻头同步转动，周而复始，实现冲击回转钻进。
12.对于后者，高压气体进入第二气室后，此时第四气室通过第三气道以及钻头的孔
底与大气连通，内活塞上行。内活塞的配气过程与上述外活塞的配气过程原理相同，不再赘述。内活塞往复运动，冲击钻头。
13.上述过程为反循环钻进。当采用改进后的接头、逆止阀、弹簧、心管、心管接头和钻头后就能够进行正循环的钻进，正循环钻进的其余结构与空气反循环潜孔锤双活塞自回转钻具结构相同。空气正循环潜孔锤双活塞自回转钻具工作原理与上述反循环钻具工作原理相似，仅做了略微改变：配气过程中第一气室、第二气室、第三气室和第四气室排出的气体经心管接头下部环向布置的排气孔进入心管接头内部通道后，经钻头排出。
14.本发明的有益效果：
15.本发明提供的潜孔锤自回转钻具采用双活塞结构，外活塞上升时带动钻头回转，下行时冲击钻头，内活塞仅用于冲击钻头，两者独立工作，互不干扰。钻遇硬岩或其它复杂地层时，若碎岩扭矩超过潜孔锤回转机构提供的扭矩，即使外活塞卡死而导致回转机构失效，内活塞仍可继续工作，进行冲击碎岩，实现冲击碎岩并实现解卡，使外活塞恢复工作，因此性能安全可靠。此外，由于仅通过滚珠、螺旋槽和花键传递扭矩，且滚珠等易损件易于更换，整体结构简单紧凑，强度可靠。
附图说明
16.图1为本发明所述的潜孔锤自回转钻具整体结构剖视图。
17.图2为本发明所述的壳体结构示意图。
18.图3为本发明所述的外缸和内缸结构示意图。
19.图4为本发明所述的外活塞和内活塞结构示意图。
20.图5为本发明所述的旋转套结构示意图。
21.图6为本发明所述的心管结构示意图。
22.图7为本发明所述的外活塞和内活塞位于上死点时工作原理示意图。
23.图8为本发明所述的外活塞和内活塞位于下死点时工作原理示意图。
24.上图中的标注如下：
25.1、壳体2、外缸3、外活塞4、内活塞5、内缸
26.6、心管7、钻头8、第一气道9、第二气道10、第三气道
27.11、第四气道12、第五气道13、第一通气口14、第一输气通道
28.15、第二通气口16、第一气室17、第三通气口18、第二输气通道
29.19、第四通气口20、第二气室21、第三气室22、第四气室
30.23、隔板24、连接头25、逆止阀26、弹簧27、外衬套
31.28、内衬套29、半圆卡30、限位套31、配气盘32、内圈进气孔
32.33、外圈进气孔34、心管接头35、旋转套36、螺旋槽37、滚珠
33.38、花键槽39、耐磨环。
具体实施方式
34.请参阅图1至图8所示：
35.本发明提供的潜孔锤自回转钻具包括有壳体1、外缸2、外活塞3、内活塞4、内缸5、心管6和钻头7，其中壳体1套设在外缸2的周圈，壳体1的内壁与外缸2的外壁之间形成有第
一气道8，外缸2套设在外活塞3的周圈，外缸2下部的内侧壁与外活塞3上部的外壁之间形成有第二气道9，外活塞3套设在内活塞4的周圈，外活塞3的内壁与内活塞4的外壁之间形成有第三气道10，内活塞4套设在内缸5的周圈，内活塞4上部的内壁与内缸5下部的外壁之间形成有第四气道11，内缸5套设在心管6的周圈，内缸5的内壁与心管6的外壁之间形成有第五气道12，外缸2上部的侧壁上开设有第一通气口13，第一通气口13与第一输气通道14相连通，外缸2中间部位的侧壁上第二气道9的顶部开设有第二通气口15，第二通气口15与第二气道9相连通，第一通气口13和第二通气口15通过第一气道8相连通，第二气道9底部的外活塞3侧壁上开设有第一气室16，第一输气通道14、第一通气口13、第一气道8、第二通气口15、第二气道9和第一气室16形成为高压气体的第一通道，进入第一气室16的高压气体能够推动外活塞3向上运动；内缸5上部的侧壁上开设有第三通气口17，第三通气口17与第二输气通道18相连通，内缸5中间部位的侧壁上第四气道11的顶部开设有第四通气口19，第四通气口19与第四气道11相连通，第三通气口17和第四通气口19通过第五气道12相连通，第四气道11底部的内活塞4侧壁上开设有第二气室20，第二输气通道18、第三通气口17、第五气道12、第四通气口19、第四气道11和第二气室20形成为高压气体的第二通道，进入第二气室20的高压气体能够推动内活塞4向上运动，外活塞3顶部的外缸2内腔中开设有第三气室21，内活塞4顶部的外缸2内腔中开设有第四气室22，第三气室21和第四气室22之间通过隔板23进行隔断，第三气室21和第四气室22的排气口均与第三气道10相连通；内活塞4的底部与钻头7的顶部相抵靠，内活塞4上下活动能够冲击钻头7向下进行运动，外活塞3的底部通过驱动机构与钻头7相连接，外活塞3向上运动时通过驱动机构带动钻头7进行旋转钻进。
36.壳体1由上壳体和下壳体组成，壳体1的顶部装配有连接头24，连接头24的内腔中设置有逆止阀25，逆止阀25下部的心管6上套设有弹簧26，弹簧26能够驱使逆止阀25进行复位，壳体1的内腔中间部位套设有外衬套27，外衬套27外壁设有花键槽，与壳体1内壁中部的花键槽配合，限制外衬套27回转，外衬套27内壁设有花键槽，与外活塞3外壁中部的花键配合，限制外活塞3回转，对应外衬套27的心管6上套设有内衬套28，壳体1的下部与钻头7的连接处分别装配有半圆卡29和限位套30。
37.心管6的顶部装配有配气盘31，配气盘31上开设有内圈进气孔32和外圈进气孔33，其中外圈进气孔33与第一输气通道14相连通，内圈进气孔32与第二输气通道18相连通，第三气室21和第四气室22之间的隔板23顶部固连在配气盘31的底部，心管6的下端连接有心管接头34，心管接头34的下端插设在钻头7的内腔中，心管6的内腔与钻头7的内腔相连通组成为排气通道。
38.外活塞3的底部与钻头7相连接的驱动机构包括有旋转套35，其中旋转套35的上部套设在外活塞3的下部，旋转套35上部的内侧壁上和外活塞3下部的外侧壁上均开设有相对应的螺旋槽36，旋转套35和外活塞3上相对应的螺旋槽36之间通过内嵌的滚珠37相连接，外活塞3上下往复运动时通过滚珠37和螺旋槽36驱使旋转套35进行旋转，外活塞3外侧壁上开设的螺旋槽36深度依次变深，从而使旋转套35和外活塞3之间通过滚珠37能够进行锁紧和分离，旋转套35底部的内侧壁上开设有花键槽38，旋转套35的底部通过花键槽38与钻头7的顶部相连接，旋转套35转动过程中能够带动钻头7同步转动，旋转套35的顶部还套设有耐磨环39。
39.本发明的工作原理：
40.本发明提供的潜孔锤自回转钻具在使用时高压空气经管路系统进入连接头24的内腔后推开逆止阀25到达心管6顶端的配气盘31后气体分成两路，一路经外圈进气孔33、第一输气通道14、第一通气口13、第一气道8、第二通气口15和第二气道9进入第一气室16；另一路经内圈进气孔32、第二输气通道18、第三通气口17、第五气道12、第四通气口19和第四气道11进入第二气室20。
41.对于前者，外活塞3上环面封闭第三气室21的进气通道，第三气室21通过第三气道10以及钻头7与孔底的大气连通，第一气室16压力增高，推动外活塞3上行，外活塞3下部开设的螺旋槽36与旋转套35上部所设的螺旋槽36共同挤压滚珠37，从而使滚珠37处于锁紧状态，外活塞3继续上行，其螺旋槽36和滚珠37带动旋转套35转动，进而带动钻头7同步进行转动。当外活塞3上行至外活塞3上环面超过外缸2与其配合处，高压气体进入第三气室21为其供气，此时，外活塞3上端与隔板23配合，封闭第三气室21，第三气室21内部压力升高，外活塞3中环面与外缸2配合，封闭第一气室16的进气通道，此时外活塞3下环面超过外衬套27，第一气室16与孔底大气连通。外活塞3做减速运动上行至上死点。由于高压空气不断进入第三气室21，作用于外活塞3上端面，在压差力和重力的共同作用下，外活塞3向下运动，外活塞3上开设的螺旋槽36与滚珠37脱开，使滚珠37处于自由滚动状态并使旋转套35和钻头7不同步进行转动。外活塞3向下冲击钻头，进而碎岩。冲击结束后，再次向第一气室16输送高压气体，外活塞3上行，滚珠37使外活塞3和旋转套35锁紧从而带动旋转套35和钻头7同步转动，周而复始，实现冲击回转钻进。
42.对于后者，高压气体进入第二气室20后，此时第四气室22通过第三气道10以及钻头7的孔底与大气连通，内活塞4上行。内活塞4的配气过程与上述外活塞3的配气过程原理相同，不再赘述。内活塞4往复运动，冲击钻头7。
43.上述过程为反循环钻进。当采用改进后的连接头24、逆止阀25、弹簧26、心管6、心管接头34和钻头7后就能够进行正循环的钻进，正循环钻进的其余结构与空气反循环潜孔锤双活塞自回转钻具结构相同。空气正循环潜孔锤双活塞自回转钻具工作原理与上述反循环钻具工作原理相似，仅做了略微改变：配气过程中第一气室16、第二气室20、第三气室21和第四气室22排出的气体经心管接头34下部环向布置的排气孔进入心管接头34内部通道后，经钻头7排出。