CN104763348A - 一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具及其钻扩孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其包括孕镶金刚石钻头、过渡接头、多级扩孔器、冲击器；多级扩孔器的一端与过渡接头的一端之间由螺纹密封连接，其另一端与冲击器的一端之间由螺纹密封连接；孕镶金刚石钻头设置在过渡接头远离多级扩孔器的一端；多级扩孔器包括钻头本体、切削环；钻头本体内部设有贯通整个钻头本体的中心通道；切削环设为多级，多级切削环设置在钻头本体的中部，且多级切削环的切削直径沿扩孔钻进的方向递减；每级切削环由沿钻头本体的周向均匀布设的多个切削单元组成。本发明的有益效果是：利用本发明在岩土体中能够同时实施钻孔与扩孔两项施工作业程序，大大缩短了传统施工作业的时间，还可有效降低施工成本。

Description

一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具及其钻扩孔方法

技术领域

本发明涉及一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具及其钻扩孔方法。

背景技术

注浆(Injection Grout),又称为灌浆(Grouting)，是矿山、水利水电、交通、建筑等工程领域岩土体加固防渗及地质灾害治理等常用的技术手段。它是将具有充填胶结性能的材料按照一定的比例配置成浆液，并运用注浆设备由注浆管将其注入地层(岩土体)中，浆液以渗透、充填、劈裂、挤密等方式在岩土体中扩散，随着浆液的凝结、硬化，在地层的空隙中形成结构较完整、防水抗渗性能高且化学稳定性好的“结石体”或“胶凝体”，同时还可将原本松散的土粒或裂隙等胶结为一个整体，以达到加固受注地层或防渗堵漏的目的。对于注浆、锚杆/锚索、钻孔灌注桩等的施工，以及天然气水合物、油页岩、页岩气、石油/天然气、地下水等的勘探或开采而言，通常采取的工艺流程的第一步都是按要求钻成一定规格的钻孔，从而为后续向岩土体中注入浆液、插入锚杆/锚索、下放钢筋笼浇筑成桩，或是下入相适宜的勘探或开采装备等做准备。

在钻进成孔的过程中，传统采用的钻具及钻孔方法多为采用一个钻头进行的钻孔作业，这只能钻成一个孔径与钻头规格一致的单一钻孔。有时可能会因一些不可预见的因素(例如孔壁不稳定导致的钻孔缩径、坍塌等)，或是由于甲方临时更改钻孔设计要求，为了满足甲方提出的钻孔设计要求，需要对先前已钻成的小径钻孔进行扩孔以增大其孔径，以便下放更大孔径的注浆管具或其它设备等，此时按照常规的做法，就只能更换一个大口径的钻头自地表向下重新扫孔或采用扩孔器进行扩孔以使钻孔达到所要求的孔径；前者，更换一个大口径的钻头自地表向下重新扫孔的方法不能充分发挥新钻头的效能，因为此时更换的新钻头在扫孔的过程中仅是钻头圆周外圈与岩土体接触的部分进行钻进时切削破碎岩土体，而未与岩土体接触的钻头圆周内圈部分从头至尾始终没有发挥作用，直至使用该新钻头完成扫孔工作后钻头圆周外圈部分已报废时，该钻头的圆周内圈部分仍然未曾使用过，这无疑会造成新钻头的浪费；后者，采用扩孔器对先前已钻成的小径钻孔进行扩孔时，虽然可以增大先前已钻成小径钻孔的孔径，但扩孔器能够完成扩孔的深度一般最大仅为先前已钻成小径钻孔的孔深，在完成扩孔作业后，若想进一步加深先前已钻成的小径钻孔，则需提钻将扩孔器重新更换成尺寸适宜的钻头后再将钻具下放至孔底接着向下钻进，这一过程无疑是费时费力的，不仅增加了提钻与更换钻头的辅助时间，同时也降低了钻扩孔施工的作业效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具及其钻扩孔方法，解决现有技术的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其包括孕镶金刚石钻头、过渡接头、多级扩孔器、冲击器；所述多级扩孔器的一端与所述过渡接头的一端之间通过螺纹密封连接，所述多级扩孔器的另一端与所述冲击器的一端之间通过螺纹密封连接；所述孕镶金刚石钻头设置在所述过渡接头远离所述多级扩孔器的一端；所述多级扩孔器包括钻头本体、切削环；所述钻头本体内部设有贯通整个所述钻头本体的中心通道；所述切削环设为多级，多级所述切削环设置在所述钻头本体的中部，且多级所述切削环的切削直径沿扩孔钻进的方向递减；每级所述切削环由沿所述钻头本体的周向均匀布设的多个切削单元组成。

本发明的有益效果是：利用本发明在岩土体中能够同时实施钻孔与扩孔两项施工作业程序。可以同时实现扭力冲击器联合多级扩孔器与孕镶金刚石钻头的高效回转切削碎岩方式下的钻扩孔施工作业，或液动冲击器联合多级扩孔器与孕镶金刚石钻头的冲击回转碎岩方式下的钻扩孔施工作业；此外，还能同时利用从若干个仿生喷嘴与超前喷嘴出口高速(大于40m/s)喷出的高压(大于10MPa)射流分别辅助多级扩孔器与孕镶金刚石钻头进行超前(预)冲蚀破碎孔壁周遭及孔底的岩土体。

进一步：每级所述切削环中相邻的所述切削单元之间设有用于将所述钻头本体内部以正循环方式不断循环着的有压浆液排出的倾斜状的贯通孔；至少有一个所述贯通孔的出口端嵌固有仿生喷嘴。

进一步：还包括超前喷嘴；所述过渡接头内部设有与所述钻头本体的中心通道相连通的中心浆液通道；所述超前喷嘴的一端与位于所述中心浆液通道中部内壁面上的螺纹密封连接，所述超前喷嘴的另一端伸入所述孕镶金刚石钻头的中心通孔中。

进一步：所述中心浆液通道的中部设有用于所述超前喷嘴与所述过渡接头中部内壁面上的螺纹装配时限制所述超前喷嘴拧扣位置的限位台阶。

进一步：所述超前喷嘴的超前喷嘴出口的孔径比所述仿生喷嘴的仿生喷嘴出口的孔径小5至20mm。

进一步：所述切削单元包括切削具、钢体和孕镶金刚石条；所述钢体固定在所述钻头本体外侧的圆周面上；所述切削具嵌固于所述钢体上；所述孕镶金刚石条设置在所述钢体的外侧。

进一步：多级所述切削环为靠近所述冲击器的二级切削环和靠近所述过渡接头的一级切削环；所述一级切削环与所述二级切削环之间相距20至70cm。

进一步：所述仿生喷嘴与所述贯通孔一体成型，或所述仿生喷嘴通过螺纹、焊接或过盈配合的固定方式嵌固于所述贯通孔的出口端处。

进一步：所述贯通孔的轴线与所述钻头本体的轴线之间的夹角为30°至60°。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具的钻扩孔方法，使用上述嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具时，需要向所述嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具内提供以正循环方式不断循环着的有压浆液；所述浆液采用低固相或无固相泥浆。

附图说明

图1-1为连接扭力冲击器时钻扩一体式钻具整体的三维模型示意图；

图1-2为连接液动冲击器时钻扩一体式钻具整体的三维模型示意图；

图2-1为连接扭力冲击器时钻扩一体式钻具各部件分离开来的三维模型示意图；

图2-2为连接液动冲击器时钻扩一体式钻具各部件分离开来的三维模型示意图；

图3-1为多级扩孔器主体部分的三维模型轴测示意图；

图3-2为多级扩孔器主体部分的三维模型正视图；

图3-3为多级扩孔器主体部分的三维模型剖视图；

图4-1为仿生喷嘴的三维模型轴测示意图；

图4-2为仿生喷嘴的三维模型剖视图；

图5为仿生喷嘴嵌固在多级扩孔器主体部分上后组成完整的多级扩孔器三维模型轴测示意图；

图6-1为过渡接头与超前喷嘴装配在一起后的三维模型轴测示意图；

图6-2为过渡接头与超前喷嘴装配在一起后的三维模型剖视图；

图6-3为过渡接头的三维模型剖视图；

图6-4为超前喷嘴的三维模型剖视图；

图7-1为过渡接头、超前喷嘴与孕镶金刚石钻头装配在一起时的三维模型轴测示意图；

图7-2为过渡接头、超前喷嘴与孕镶金刚石钻头装配在一起时的三维模型剖视图；

图8为孕镶金刚石钻头的三维模型轴测示意图。

附图中，各标号所代表的部件如下：

1、孕镶金刚石钻头；11、第一连接螺纹；2、超前喷嘴；21、超前喷嘴入口；22、超前喷嘴出口；23、第二连接螺纹；3、过渡接头；31、第五连接螺纹；32、第三连接螺纹；33、第四连接螺纹；34、限位台阶；4、一级切削环；41、第六连接螺纹；42、一级切削单元；421、一级切削具；422、一级钢体；423、一级孕镶金刚石条；43、一级贯通孔；5、二级切削环；51、二级切削单元；511、二级切削具；512、二级钢体；513、二级孕镶金刚石条；52、二级贯通孔；53、第七连接螺纹；6、扭力冲击器；7、液动冲击器；8、仿生喷嘴；81、仿生喷嘴入口；82、仿生喷嘴出口；83、仿生环槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-1、图1-2、图2-1、图2-2所示，本发明所涉及的一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，按照从下到上的顺序，依次由孕镶金刚石钻头1、超前喷嘴2、过渡接头3、多级扩孔器以及冲击器组成，它们之间通过螺纹密封连接，使用本发明实施注浆孔、锚杆/锚索孔、钻孔灌注桩孔，以及天然气水合物、油页岩、页岩气、石油/天然气、地下水等的勘探孔或开采孔的钻扩孔作业时浆液的循环方式为正循环。冲击器可以选择扭力冲击器6或液动冲击器7，所连接的扭力冲击器6或液动冲击器7为规格合适的任意类型。本发明是采用孕镶金刚石钻头1进行钻进的，但并不局限于此，亦可使用具有中心通孔的其它种类或型式的钻头，如硬质合金钻头等。

若连接扭力冲击器6实施注浆孔、锚杆/锚索孔、钻孔灌注桩孔，以及天然气水合物、油页岩、页岩气、石油/天然气、地下水等的勘探孔或开采孔时的钻扩孔作业，则扭力冲击器6可为整套钻具持续提供与钻具回转方向相一致的附加冲击扭力作用，其上端通过螺纹与钻杆柱相连，下端通过螺纹与多级扩孔器相连，这样就可在实施注浆孔、锚杆/锚索孔、钻孔灌注桩孔，以及天然气水合物、油页岩、页岩气、石油/天然气、地下水等的勘探孔或开采孔时的钻扩孔作业的过程中，使多级扩孔器和孕镶金刚石钻头1在由放置于地表的钻机提供动力带动整套钻具回转并提供适当的钻压进行钻扩孔作业时，持续为它们提供一个额外的附加冲击扭力作用，不仅可有效增强多级扩孔器对已有小径钻孔孔壁周遭岩土体的回转切削碎岩能力，还可增强孕镶金刚石钻头1继续向下钻进时对孔底岩土体的回转切削碎岩能力，同时在一定程度上还能够降低钻机等设备的动力消耗。

若连接液动冲击器7实施注浆孔、锚杆/锚索孔、钻孔灌注桩孔，以及天然气水合物、油页岩、页岩气、石油/天然气、地下水等的勘探孔或开采孔时的钻扩孔作业，则液动冲击器7可为整套钻具持续提供轴向的往复冲击载荷作用，其上端通过螺纹与钻杆柱相连，下端通过螺纹与多级扩孔器相连，这样一来就可在实施注浆孔、锚杆/锚索孔、钻孔灌注桩孔，以及天然气水合物、油页岩、页岩气、石油/天然气、地下水等的勘探孔或开采孔时的钻扩孔作业的过程中实现冲击回转碎岩方式的钻扩孔作业，可使对岩石的钻扩孔作业效率得到大幅提升，同时在一定程度上还可起到钻具解卡的作用。

如图6-1、图6-2、图6-3、图6-4、图7-1、图7-2、图8所示，孕镶金刚石钻头1为普通常用的孕镶金刚石钻头，也可为中心贯通的硬质合金钻头等其它种类或型式的钻头。过渡接头3主要由第三连接螺纹32、第四连接螺纹33、第五连接螺纹31和限位台阶34构成，孕镶金刚石钻头1通过第一连接螺纹11与第三连接螺纹32相连。超前喷嘴2主要由超前喷嘴入口21、超前喷嘴出口22和第二连接螺纹23构成。第二连接螺纹23与第四连接螺纹33相连，限位台阶34位于第四连接螺纹33的末端，起到超前喷嘴2与过渡接头3装配时限制超前喷嘴2拧扣位置的作用，从而使得二者间通过螺纹装配可靠。当超前喷嘴2与过渡接头3之间，过渡接头3与孕镶金刚石钻头1之间，都通过螺纹密封连接好之后，此时的超前喷嘴出口22的端面距离孕镶金刚石钻头1的底唇面8至20cm(此距离即为使用本发明进行钻扩孔作业时从超前喷嘴出口22的端面到孔底的距离)。

如图3-1、图3-2、图3-3所示为一种多级扩孔器，本发明中的多级扩孔器，仅采用了两级的结构，可以根据实际需要设计为两级以上的结构。多级扩孔器可实现以下目的：

1、前端小径的一级切削环4可率先扩孔钻进出一个直径相对较小的钻孔，该孔可起到先导孔的作用，同时还具有导正钻具的作用。

2、由于扩孔钻进最终要钻成某一大直径的钻孔，在采用本发明所设计的多级扩孔器进行扩孔钻进时，可理解为将扩孔钻进最终所要达到的大直径的钻孔分解为若干次(扩孔钻进的次数与多级扩孔器的级数相同)单独地进行扩孔钻进时的集成，该方法可有效降低一次扩孔钻进时钻进设备的能耗，同时还能够提升扩孔钻进时的效率。

3、采用多级扩孔器，可有效增加扩孔器扩孔钻进时对已有小径钻孔的孔壁周遭岩土体进行切削破碎的自由面，从而使扩孔器的扩孔钻进效率得到显著提升。

如图3-1、图3-2、图3-3所示为一种多级扩孔器，其包括中心贯通的钻头本体(钻头本体内部设有贯通整个钻头本体的中心通道)，所述钻头本体的上端设有第七连接螺纹53，所述钻头本体的下端设有第六连接螺纹41。所述钻头本体的中部沿周向设有两级切削环，一级切削环4，二级切削环5。两级所述切削环的切削直径沿扩孔钻进的方向递减，即：靠近过渡接头1的一级切削环4的切削直径小于远离过渡接头的二级切削环5的切削直径。每级所述切削环设有多个切削单元(一级切削单元42，二级切削单元51)，每级所述切削环中的多个所述切削单元沿周向均匀分布在所述钻头本体外侧，且每级所述切削环中的多个所述切削单元围绕所述钻头本体形成一个圆环。

需要说明的是：本发明所涉及的多级扩孔器中的一级切削环4和二级切削环5既可同时加工在同一个钻头本体结构上，也可分别加工为两个单独的钻头本体后，再将二者通过螺纹或其它方式连接在一起。一级切削环4和二级切削环5之间相隔一定的距离，可考虑定为20至70cm。以一级切削环4和二级切削环5同时加工在同一个钻头本体上为例对本发明进行阐述。

如图5所示，一级切削环4和二级切削环5都是切削破碎岩土体的主要结构，它们的中心均为贯通状的结构。其中，一级切削环4包括多个一级切削单元42、多个一级贯通孔43和多个一级仿生喷嘴8；多个一级贯通孔43沿周向分别设置于相邻的两个一级切削单元42之间；每个所述一级贯通孔43的出口端均嵌固有一个一级仿生喷嘴8。二级切削环5包括多个二级切削单元51、多个二级贯通孔52和多个二级仿生喷嘴8，多个二级贯通孔52沿周向分别设置于相邻的两个二级切削单元51之间；每个所述二级贯通孔52的出口端均嵌固有一个二级仿生喷嘴8。

需要说明的是：嵌固于一级贯通孔43出口端处的一级仿生喷嘴8和嵌固于二级贯通孔52出口端处的二级仿生喷嘴8的结构型式是一致的，但其尺寸应与对应贯通孔的孔径相适宜。

如图4-1、图4-2所示，所述仿生喷嘴(一级、二级仿生喷嘴8)的中部设有内腔，所述内腔的内壁面上设有若干个仿生环槽83，优选：所述内腔的内壁面上按照一定的间距均匀设有若干个仿生环槽83；所述仿生喷嘴8的一端设有与所述内腔相连通的仿生喷嘴入口81，所述仿生喷嘴8的另一端设有与所述内腔相连通的仿生喷嘴出口82，且所述仿生喷嘴入口81的孔径大于所述仿生喷嘴出口82的孔径。

如图5所示，一级切削环4的下部通过第六连接螺纹41与过渡接头3相连；中部为环状的扩孔器主体部分，主要由若干个一级切削单元42和一级贯通孔43沿周向均布构成，其中的一级切削单元42是切削破碎已有小径钻孔(由孕镶金刚石钻头1钻进而成)孔壁周遭岩土体的主要结构，一级切削单元42由一级切削具421、一级钢体422和一级孕镶金刚石条423构成。一级切削具421嵌固于一级钢体422中构成切削单元的主体，本发明采用的一级切削具421的排布方式取决于扩孔钻进时钻具回转的方向，即一级切削具421的正面(切削面)朝向应与钻具回转的方向一致。一级孕镶金刚石条423嵌固在一级钢体422的外侧用于扩孔钻进时对扩孔钻进后形成的大直径钻孔的保径。一级贯通孔43沿周向均匀地布设在相邻的两个一级切削单元42之间，一级贯通孔43呈30°至60°的贯通状斜孔，一级贯通孔43的数目与一级切削单元42的数目一致，也可以根据需要将一级贯通孔43的数目设为小于一级切削单元42的数目。一级仿生喷嘴8通过螺纹、焊接或过盈配合的方式嵌固于一级贯通孔43的出口端处，一级仿生喷嘴8的数目与一级贯通孔43的数目相一致。可考虑一级切削具421采用PDC材料制成,但不局限于此,也可采用CBN、斯拉乌季契、TSP、PCD等其它适宜切削破碎岩土体的材料制成。

二级切削环5的下端面距离一级切削环4的上端面20至70cm，其中部的主体部分为环状的结构，它的直径大于一级切削环4，具体的直径差值需依据最终欲扩孔钻进成的钻孔的孔径而定，可考虑将二级切削环5的直径(外径)设置为一级切削环4的直径(外径)的两倍。二级切削环5的中部主体部分主要由若干个二级切削单元51和二级贯通孔52沿周向均布构成，其中的二级切削单元51是切削破碎已有小径钻孔(由孕镶金刚石钻头1钻进，并经一级切削环4扩孔钻进后而成)孔壁周遭岩土体的主要结构，它由二级切削具511、二级钢体512和二级孕镶金刚石条513构成，二级切削具511嵌固于二级钢体512中构成切削单元的主体，本发明采用的二级切削具511的排布方式取决于扩孔钻进时钻具回转的方向，即二级切削具511的正面(切削面)朝向应与钻具回转的方向一致。二级孕镶金刚石条513嵌固在二级钢体512的外侧用于扩孔钻进时对扩孔钻进后形成的大直径钻孔的保径。二级贯通孔52沿周向均匀地布设在相邻的两个二级切削单元51之间，二级贯通孔52呈30°至60°的贯通状斜孔，二级贯通孔52的数目与二级切削单元51的数目一致，也可以根据需要将二级贯通孔52的数目设为小于二级切削单元51的数目。二级仿生喷嘴8通过螺纹、焊接或过盈配合的方式嵌固于二级贯通孔52的出口端处，二级仿生喷嘴8的数目与二级贯通孔52的数目相一致。可考虑二级切削具511采用PDC材料制成,但不局限于此,也可采用CBN、斯拉乌季契、TSP、PCD等其它适宜切削破碎岩土体的材料制成。

二级切削环5的上部通过第七连接螺纹53与扭力冲击器6或液动冲击器7相连。在钻机提供适宜的回转扭矩和扩孔钻进钻压时，一级切削环4和二级切削环5在钻杆柱的带动下高速回转并切削破碎已有小径钻孔孔壁周遭的岩土体实现扩孔钻进，同时以正循环方式不断循环着的有压浆液(最好采用低固相或无固相泥浆。其中，低固相泥浆：是指粘土含量(以重量计)＜10％，或者指粘土含量(以体积计)＜4％的泥浆；无固相泥浆：是指不加粘土，仅由有机高分子聚合物与水混合配制而成的分散体系。)从嵌固于一级切削环4和二级切削环5上的若干个仿生喷嘴8的仿生喷嘴入口81流入其内腔，并由仿生喷嘴出口82高速喷出形成高压射流可对将要破碎的孔壁周遭岩土体进行超前(预)冲蚀破碎，以实现辅助一级切削环4和二级切削环5的扩孔钻进，可有效提升对岩土体扩孔钻进时的作业效率。

本发明的工作原理：

当放置于地表的钻机提供适宜的回转扭矩和钻压时，孕镶金刚石钻头1、一级切削环4和二级切削环5在钻杆柱的带动下高速回转，并分别对位于孔底和孔壁周遭的岩土体进行回转切削破碎，以分别达到钻进成孔(基于孕镶金刚石钻头1对孔底岩土体的钻进成孔)和对已有小径钻孔的扩孔钻进(基于一级切削环4和二级切削环5对孔壁周遭岩土体的扩孔)，在钻扩孔作业的同时有压浆液(最好采用低固相或无固相泥浆。其中，低固相泥浆：是指粘土含量(以重量计)＜10％，或者指粘土含量(以体积计)＜4％的泥浆；无固相泥浆：是指不加粘土，仅由有机高分子聚合物与水混合配制而成的分散体系。)在由放置于地表的泥浆泵往复抽吸作用下以正循环的方式(有压浆液自地表沿钻杆柱中心通道流向孔底，再从钻杆柱与孔壁间的环状间隙上返至地表)不断循环着，有压浆液从泥浆泵泵出后由钻杆柱上部向下流动直至到达超前喷嘴2的超前喷嘴入口21处，由于限位台阶34处的横截面积(过流断面)比钻杆柱中心通道的横截面积(过流断面)要小得多，同时超前喷嘴出口22的孔径也要比仿生喷嘴出口82的孔径小5至20mm(仿生喷嘴入口81的孔径及加工于多级扩孔器上倾斜状的一级贯通孔43、二级贯通孔52的孔径更大)，故有压浆液流动到此处时会受到一定的节流阻滞与加速作用，当有压浆液继续流动至超前喷嘴出口22后高速喷出形成能量相对集中的高压射流，该射流可对处于孔底的岩土体实现超前(预)冲蚀破碎的作用，可有效辅助孕镶金刚石钻头1对处于孔底的岩土体进行破碎，从而有效提升钻进成孔的作业效率，与此同时由高压射流形成的孔底漫流还可有效提升孔底岩屑的排除与冷却孕镶金刚石钻头1的效果。若不断循环着的有压浆液的流量足够大时，当其流经限位台阶34与超前喷嘴出口22时，由于中心通道横截面积(过流断面)的收缩将引起流体(有压浆液)的“节流堵塞效应”，一部分有压浆液从超前喷嘴出口22高速喷出形成高压射流，另一部分来不及喷出的浆液则会在钻具中心通道内不断聚集累积，当有压浆液的液面分别达到一级贯通孔43和二级贯通孔52时，则有压浆液将会分别流入一级贯通孔43和二级贯通孔52中，并从若干个仿生喷嘴8的仿生喷嘴出口82高速喷出形成高压射流，该射流可对已有小径钻孔孔壁周遭岩土体进行超前(预)冲蚀破碎，，从而达到分别辅助一级切削环4和二级切削环5对已有小径钻孔孔壁周遭岩土体的扩孔钻进，同时由高压射流形成的漫流还可有效提升岩屑的排除与冷却一级切削具421和二级切削具511的效果。

本发明的有益效果：

利用本发明在岩土体中能够同时实施钻孔与扩孔两项施工作业程序。可以同时实现扭力冲击器联合多级扩孔器与孕镶金刚石钻头的高效回转切削碎岩方式下的钻扩孔施工作业，或液动冲击器联合多级扩孔器与孕镶金刚石钻头的冲击回转碎岩方式下的钻扩孔施工作业；此外，还能同时利用从若干个仿生喷嘴与超前喷嘴出口高速喷出的高压射流分别辅助多级扩孔器与孕镶金刚石钻头对已有小径钻孔孔壁周遭及处于孔底的岩土体进行超前(预)冲蚀破碎。

综上所述，利用本发明可同时实现扭力冲击器(为整套钻具提供持续的冲击扭力作用)/液动冲击器(为整套钻具提供轴向的往复冲击载荷作用)+多级扩孔器(实现对已钻成小径钻孔的多级扩孔作业)+若干个仿生喷嘴(当有压浆液以正循环的方式不断循环流经仿生喷嘴后可形成高压射流，该射流可对欲破碎的已有小径钻孔孔壁周遭的岩土体进行超前(预)冲蚀破碎，从而辅助多级扩孔器进行扩孔钻进，可有效提升扩孔钻进的作业效率)+超前喷嘴(当有压浆液以正循环的方式不断循环流经超前喷嘴后可形成高压射流，该射流可对欲破碎的孔底岩土体进行超前(预)冲蚀破碎，从而辅助孕镶金刚石钻头钻进成孔，有效提升钻进成孔的作业效率)+孕镶金刚石钻头(在由放置于地表的钻机带动整套钻具高速回转同时施加适当的钻压作用下对处于孔底的岩土体进行回转切削破碎，进而实现钻进成孔)相耦合的多工艺钻扩孔方法，势必可有效降低在岩土体中施工注浆孔、锚杆/锚索孔、钻孔灌注桩孔，以及天然气水合物、油页岩、页岩气、石油/天然气、地下水等的勘探孔或开采孔时钻扩孔作业的辅助时间、人员劳动强度与钻进设备的能耗，同时还可简化钻扩孔施工的工艺流程，从而有效提升钻扩孔施工的作业效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其特征在于：包括孕镶金刚石钻头、过渡接头、多级扩孔器、冲击器；所述多级扩孔器的一端与所述过渡接头的一端之间通过螺纹密封连接，所述多级扩孔器的另一端与所述冲击器的一端之间通过螺纹密封连接；所述孕镶金刚石钻头设置在所述过渡接头远离所述多级扩孔器的一端；所述多级扩孔器包括钻头本体、切削环；所述钻头本体内部设有贯通整个所述钻头本体的中心通道；所述切削环设为多级，多级所述切削环设置在所述钻头本体的中部，且多级所述切削环的切削直径沿扩孔钻进的方向递减；每级所述切削环由沿所述钻头本体的周向均匀布设的多个切削单元组成。

2.根据权利要求1所述一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其特征在于：每级所述切削环中相邻的所述切削单元之间设有用于将所述钻头本体内部以正循环方式不断循环着的有压浆液排出的倾斜状的贯通孔；至少有一个所述贯通孔的出口端嵌固有仿生喷嘴。

3.根据权利要求2所述一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其特征在于：还包括超前喷嘴；所述过渡接头内部设有与所述钻头本体的中心通道相连通的中心浆液通道；所述超前喷嘴的一端与位于所述中心浆液通道中部内壁面上的螺纹密封连接，所述超前喷嘴的另一端伸入所述孕镶金刚石钻头的中心通孔中。

4.根据权利要求3所述一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其特征在于：所述中心浆液通道的中部设有用于所述超前喷嘴与所述过渡接头中部内壁面上的螺纹装配时限制所述超前喷嘴拧扣位置的限位台阶。

5.根据权利要求3所述一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其特征在于：所述超前喷嘴的超前喷嘴出口的孔径比所述仿生喷嘴的仿生喷嘴出口的孔径小5至20mm。

6.根据权利要求1所述一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其特征在于：所述切削单元包括切削具、钢体和孕镶金刚石条；所述钢体固定在所述钻头本体外侧的圆周面上；所述切削具嵌固于所述钢体上；所述孕镶金刚石条设置在所述钢体的外侧。

7.根据权利要求2至6任一项所述一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其特征在于：多级所述切削环为靠近所述冲击器的二级切削环和靠近所述过渡接头的一级切削环；所述一级切削环与所述二级切削环之间相距20至70cm。

8.根据权利要求7所述一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其特征在于：所述仿生喷嘴与所述贯通孔一体成型，或所述仿生喷嘴通过螺纹、焊接或过盈配合的固定方式嵌固于所述贯通孔的出口端处。

9.根据权利要求7所述一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其特征在于：所述贯通孔的轴线与所述钻头本体的轴线之间的夹角为30°至60°。

10.一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具的钻扩孔方法，其特征在于：使用权利要求1至9任一项所述嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具时，需要向所述嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具内提供以正循环方式不断循环着的有压浆液；所述浆液采用低固相或无固相泥浆。