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CN114370231A - 一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头 - Google Patents

一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头 Download PDF

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CN114370231A CN202210015893.1A CN202210015893A CN114370231A CN 114370231 A CN114370231 A CN 114370231A CN 202210015893 A CN202210015893 A CN 202210015893A CN 114370231 A CN114370231 A CN 114370231A
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贾鹏翔
黄国福
王晨
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Abstract

本发明涉及一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，包括三牙轮钻头、钻头中心轴以及轴承外支撑壳；还包括变角度控向弯管、中心驱动挠性轴、信号发射棒机构以及后连接管体；所述变角度控向弯管与轴承外支撑壳可拆卸式连接，所述变角度控向弯管的材质为30CrMnSiA钢；所述中心驱动挠性轴位于变角度控向弯管内部并且与钻头中心轴可拆卸式连接；所述信号发射棒机构位于变角度控向弯管外壁的凹槽内；所述后连接管体与变角度控向弯管可拆卸式连接。本发明可通过内外双轴驱动配合可变弯角的变角度控向弯管来实现导向，可实现多角度变弯，适应不同的实际需求，并且弯曲的夹角仅为合金钢材质的变角度控向弯管自身实现，故不易变形或者断裂。

Description

一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头
技术领域
本发明涉及非开挖钻进领域，具体涉及一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头。
背景技术
目前，水平定向钻机主要应用于非开挖领域，实现各种管道的不开挖地面就可以铺设地下管道，如电讯管线，水管，下水管，燃气管，石油管道等。既不用开挖路面就可以铺设管道。在施工的过程中会碰到地下是岩石地层的情况，因为之前的单钻杆钻机在岩石中的施工，必须在用一套孔底泥浆马达钻具才能施工，在工艺上很复杂。施工中的用水量很大，出来的泥浆废水处理的成本非常高。并且在地下钻进的过程中，如何进行导向控制也是一大难题。
为了解决上述问题，申请号为：202021541412.3，名称为：《变向式双臂导向钻结构》的中国实用新型专利公开了以下方案：“一种变向式双臂导向钻结构，包括相互连接的钻头连接部和钻杆连接部，钻头连接部与钻杆连接部的外壳之间具有固定夹角，钻头连接部与钻杆连接部的内部通过变向结构连接，所述变向结构包括固定在钻头连接部中的卡爪一，以及与卡爪一间隙配合的、固定在钻杆连接部内部的卡爪二，所述卡爪一整体成圆柱状，其头部沿轴向延伸有在圆周方向间隔均布的多个凸出端一，每个凸出端一的截面成扇形结构，所述卡爪二整体成圆柱状，其头部沿轴向延伸有在圆周方向间隔均布的多个凸出端二，相邻两个凸出端二之间形成与凸出端一配合的扇形凹槽，相邻两个凸出端一之间形成与凸出端二配合的矩形凹槽，卡爪一与卡爪二之间相互卡接并相对转动。所述钻头连接部与钻杆连接部的外壳之间具有固定夹角，其中外壳一外壁与外壳二外壁之间成2°夹角”。
上述专利方案中，依靠固定的2°夹角实现变向的导向钻进，但是2°夹角是外壳一与外壳二的螺纹连接以及卡爪一和卡爪二的卡接产生的，角度固定不可改变，因此无法根据实际情况进行调节；由于地下尤其是岩石中空间极为受限，并且岩石的硬度较高，因此在实际钻进过程中，依靠“外壳一与外壳二的螺纹连接以及卡爪一和卡爪二的卡接保持的2°夹角”极易因为连接处在压力作用下发生变形或者断裂而失效。
申请号为：201721554832.3，名称为：《一种岩石钻进导向装置》的中国实用新型专利公开了以下方案：“一种岩石钻进导向装置，包括钻头外体、钻头内体以及牙轮钻头，所述钻头外体包括弯接头、腔体以及轴承室，所述弯接头的后端部与腔体的一端固定，腔体的另一端与轴承室固定，所述轴承室内安装有与钻头内体固定的轴承，所述腔体的侧面上设有一个容纳空腔，所述容纳空腔内安装有一根探棒，所述探棒通过无线发送装置与位于地面上的控制装置连接，所述弯接头轴线与腔体的轴线之间具有2°的夹角，腔体与轴承室同轴；所述钻头内体包括转轴，所述转轴的一端依次穿过弯接头、腔体、轴承室后与牙轮钻头的转动座固定，另一端通过一个六方套连接钻机的内钻杆，所述六方套位于转轴靠近弯接头的一端。”
上述专利方案中，依靠固定的2°夹角实现变向的导向钻进，但是2°夹角是弯接头11与腔体12的螺纹连接产生的，角度固定不可改变，因此无法根据实际情况进行调节；由于地下尤其是岩石中空间极为受限，并且岩石的硬度较高，因此在实际钻进过程中，依靠“弯接头11与腔体12的螺纹连接保持的2°夹角”极易因为连接处在压力作用下发生变形或者断裂而失效。
发明内容
本发明的目的是：
设计一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，可通过内外双轴驱动配合可变弯角的变角度控向弯管来实现导向，变角度控向弯管的弯曲角度可在施工前根据实际情况来设定，并通过加热和整形改变变角度控向弯管的弯曲角度，实现多角度变弯，适应不同的实际需求，并且弯曲的夹角仅为合金钢材质的变角度控向弯管自身实现，并非依靠螺纹连接或者卡接来保持，故不易变形或者断裂。
为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，包括三牙轮钻头、钻头中心轴以及轴承外支撑壳，所述钻头中心轴位于轴承外支撑壳内，所述三牙轮钻头与钻头中心轴可拆卸式连接；所述钻头中心轴通过前轴承组和后轴承组与轴承外支撑壳活动连接；还包括变角度控向弯管、中心驱动挠性轴、信号发射棒机构以及后连接管体；所述变角度控向弯管与轴承外支撑壳可拆卸式连接，所述变角度控向弯管的材质为30CrMnSiA钢；所述中心驱动挠性轴位于变角度控向弯管内部并且与钻头中心轴可拆卸式连接；所述信号发射棒机构位于变角度控向弯管外壁的凹槽内；所述后连接管体与变角度控向弯管可拆卸式连接。
进一步的，所述中心驱动挠性轴采用挠性材质，所述中心驱动挠性轴包括螺纹部、凸盘部以及驱动轴部，所述螺纹部、凸盘部以及驱动轴部依次同轴连接，所述凸盘部位于变角度控向弯管的沉头槽内，所述变角度控向弯管的中心孔的孔径大于驱动轴部的外径。
进一步的，所述信号发射棒机构包括安装盒和信号发射棒；所述信号发射棒呈棒状并且两端分别通过前顶套和后顶套与安装盒可拆卸式连接；所述信号发射棒的两端均通过直线阵列布置的O型圈与前顶套和后顶套可拆卸式连接。
进一步的，所述后顶套内设置有中心顶座，所述中心顶座外围套设有顶紧弹簧，所述顶紧弹簧与信号发射棒的末端连接。
进一步的，所述变角度控向弯管为一体成型式结构，并且变角度控向弯管的两端均通过螺纹与轴承外支撑壳和后连接管体可拆卸式连接。
进一步的，所述前轴承组与后轴承组之间设置有隔环；所述前轴承组远离隔环的一端设置有前密封，所述后轴承组远离隔环的一端设置有后密封，所述后密封与凸盘部的端面相接触。
进一步的，所述变角度控向弯管的外壁面设置有弯弧保护块，所述弯弧保护块具体位于变角度控向弯管的外侧拐点，所述弯弧保护块具体为耐磨焊条。
本发明的有益效果为：一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，可通过内外双轴驱动配合可变弯角的变角度控向弯管来实现导向，变角度控向弯管的弯曲角度可在施工前根据实际情况来设定，由于30CrMnSiA钢的热强性指标较低，故可通过加热和整形来改变变角度控向弯管的弯曲角度，实现0-3°范围内的多角度变弯，适应不同的实际需求；并且弯曲的夹角仅为合金钢材质的变角度控向弯管自身实现，并非是两个部件依靠螺纹连接或者卡接来保持，故不易在地下尤其是岩石中因压力而产生变形或者断裂，从而降低失效的可能性，可确保钻进工作的顺利进行。
附图说明
图1为本发明一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头的整体结构剖视图。
图2为本发明一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头的前部结构剖视图。
图3为本发明一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头的后部结构剖视图。
图4为本发明一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头的信号发射棒机构的两视剖面图。
图中：1、三牙轮钻头；2、钻头中心轴；3、轴承外支撑壳；4、变角度控向弯管；5、中心驱动挠性轴；6、信号发射棒机构；61、安装盒；62、前顶套；63、信号发射棒；64、后顶套；65、顶紧弹簧；66、O型圈；7、后连接管体；8、前密封；9、前轴承组；10、隔环；11、后轴承组；12、后密封；13、弯弧保护块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1至图4，一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，包括三牙轮钻头1、钻头中心轴2以及轴承外支撑壳3，所述钻头中心轴2位于轴承外支撑壳3内，所述三牙轮钻头1与钻头中心轴2可拆卸式连接，三牙轮钻头1用于在岩石中钻孔；所述钻头中心轴2通过前轴承组9和后轴承组11与轴承外支撑壳3活动连接，轴承外支撑壳3上有黄油嘴，可以打黄油，润滑前轴承组9和后轴承组11；还包括变角度控向弯管4、中心驱动挠性轴5、信号发射棒机构6以及后连接管体7；所述变角度控向弯管4与轴承外支撑壳3可拆卸式连接，所述变角度控向弯管4的材质为30CrMnSiA钢，其热强性指标较低，可高温调整弯曲角度，冷却后保证结构强度；所述中心驱动挠性轴5位于变角度控向弯管4内部并且与钻头中心轴2可拆卸式连接，中心驱动挠性轴5用于驱动三牙轮钻头1转转，实现钻进；所述信号发射棒机构6位于变角度控向弯管4外壁的凹槽内，信号发射棒机构6用于向外发出多种参数的电信号；所述后连接管体7与变角度控向弯管4可拆卸式连接，后连接管体7与钻机连接。
所述中心驱动挠性轴5采用挠性材质，可在具有一定角度的变角度控向弯管4的中心孔内适应弯曲，所述中心驱动挠性轴5包括螺纹部、凸盘部以及驱动轴部，所述螺纹部、凸盘部以及驱动轴部依次同轴连接，所述凸盘部位于变角度控向弯管4的沉头槽内，凸盘部用于径向限位，螺纹部用于连接三牙轮钻头1，所述变角度控向弯管4的中心孔的孔径大于驱动轴部的外径，驱动轴部可在变角度控向弯管4的中心孔内高速旋转。
所述信号发射棒机构6包括安装盒61和信号发射棒63；所述信号发射棒63呈棒状并且两端分别通过前顶套62和后顶套64与安装盒61可拆卸式连接，安装盒61其连接、固定作用；所述信号发射棒63的两端均通过直线阵列布置的O型圈66与前顶套62和后顶套64可拆卸式连接，前顶套62和后顶套64用于固定信号发射棒63的前后轮两端，O型圈66可以起到防震动的作用，保护信号发射棒63在钻进的过程中震动破坏；信号发射棒63内装有地磁信号发射器，可以发射各种所需的参数：如深度值、倾斜角度、旋转角度、地下温度等信号参数。
所述后顶套64内设置有中心顶座，所述中心顶座外围套设有顶紧弹簧65，所述顶紧弹簧65与信号发射棒63的末端连接，顶紧弹簧65用于对信号发射棒63施加持续的弹力，从而对其进行固定，同时方便拆装。
所述变角度控向弯管4为一体成型式结构，并非依靠机械结构的连接实现弯曲，从而可确保结构强度，并且变角度控向弯管4的两端均通过螺纹与轴承外支撑壳3和后连接管体7可拆卸式连接。
所述前轴承组9与后轴承组11之间设置有隔环10，隔环10用于起分隔和定位作用；所述前轴承组9远离隔环10的一端设置有前密封8，所述后轴承组11远离隔环10的一端设置有后密封12，所述后密封12与凸盘部的端面相接触，前密封8和后密封12均用于起密封作用，避免泥水伸入钻头内部。
所述变角度控向弯管4的外壁面设置有弯弧保护块13，所述弯弧保护块13具体位于变角度控向弯管4的外侧拐点，在岩石的钻进过程中，变角度控向弯管4的外侧拐点处所遭受的压力和摩擦力最大，因此此处为最容易变形失效的位置，弯弧保护块13用于对此位置形成防护，大幅降低变角度控向弯管4的变形失效几率，所述弯弧保护块13具体为耐磨焊条，具备较强的硬度和耐磨性，且不易脱落。
本发明的工作原理为：在进行钻进工作之前，根据地下岩层的分布、障碍物的分布以及需求的走向，来确定钻进的轨迹，并根据轨迹的具体长度、角度、弧度等参数，来确定变角度控向弯管4所要达到的角度；
确定角度后，将变角度控向弯管4加热至特定温度；由于变角度控向弯管4的材质为30CrMnSiA钢，常温强度Rm为1100MPa，在550℃时，Rm只有550MPa，另外，在高温下，随着加载时间的延长，金属的强度还要进一步下降，因此，在将变角度控向弯管4加热至特定温度后，通过墩形或者压锻工艺，实现角度折弯，即实现变角度控向弯管4两端的轴线夹角为上述确定的夹角，加工定型后，自然空冷，实现降温与结构固定；温度下降后，变角度控向弯管4的强度恢复常温状态下的强度；
随后进行弯弧保护块13的加工成型，具体为在变角度控向弯管4的拐点处的外侧焊接出来弯弧保护块13，使弯弧保护块13覆盖在拐点处的外侧；
然后进行装配，将信号发射棒机构6安装在变角度控向弯管4的外壁上，将中心驱动挠性轴5的驱动轴部贯穿变角度控向弯管4的中心孔，最后将变角度控向弯管4的两端分别与轴承外支撑壳3以及后连接管体7螺纹连接，完成装配；
在钻进时，首先，所有的导向工作都是依靠信号发射棒63。
电磁的信号发射棒63装入安装盒61，安装盒61上开有横向的漏磁槽，槽里面用塑料填存，塑料物质是可以透过电磁信号的；信号发射棒63发射的信号通过漏磁槽射出电磁波信号，在地面上的接收器就可以接收到其信号，如深度值、倾斜角度、旋转角度、地下温度等信号参数；依此信号来实现轨迹线的钻进施工。
其次：根据电脑里设计出所要施工要求的轨迹线，也就是在地表下面施工钻孔的轨迹线，从地表一点入钻，到另一点出钻，在地下面钻出一个曲线轨迹孔；其中包含有直线段和曲线段；具体实现曲线段和直线段的工艺如下：
曲线导向实施方法：钻机上的双层钻杆由两个独立的回转驱动装置驱动，可以独立的驱动中心驱动挠性轴5和变角度控向弯管4做回转运动。
一：当变角度控向弯管4不动，其本身是弯曲的，前后中心线带有特定的角度，所以中孔是成曲线孔，这时候，三牙轮钻头1做前进钻孔的时候，就会延着变角度控向弯管4的内孔曲线的方向进行向前钻孔，这时候钻出的孔就是曲线，并且是延着变角度控向弯管4固定的曲线延伸钻进；
当需要钻进不同角度方位的曲线的时候，就把变角度控向弯管4固定到想要的角度，然后中心驱动挠性轴5驱动钻进，就会钻出想要的不同方向的曲线。
也就是说，角度控向弯管4的曲线是引导钻进方向和钻进曲线角度的引导管。
二：当角度控向弯管4转动，同时中心驱动挠性轴5也转动时，内外成一体同时转动，这时候，整体钻头带动前面的三牙轮钻头1钻进，钻出的孔就是直线向前的，在需要直线钻进的时候，就是内外同时驱动钻进模式。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上述实施例用于对本发明作进一步的说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应理解为在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，包括三牙轮钻头(1)、钻头中心轴(2)以及轴承外支撑壳(3)，所述钻头中心轴(2)位于轴承外支撑壳(3)内，所述三牙轮钻头(1)与钻头中心轴(2)可拆卸式连接；其特征在于：所述钻头中心轴(2)通过前轴承组(9)和后轴承组(11)与轴承外支撑壳(3)活动连接；还包括变角度控向弯管(4)、中心驱动挠性轴(5)、信号发射棒机构(6)以及后连接管体(7)；所述变角度控向弯管(4)与轴承外支撑壳(3)可拆卸式连接，所述变角度控向弯管(4)的材质为30CrMnSiA钢；所述中心驱动挠性轴(5)位于变角度控向弯管(4)内部并且与钻头中心轴(2)可拆卸式连接；所述信号发射棒机构(6)位于变角度控向弯管(4)外壁的凹槽内；所述后连接管体(7)与变角度控向弯管(4)可拆卸式连接。
2.根据权利要求1所述的一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，其特征在于：所述中心驱动挠性轴(5)采用挠性材质，所述中心驱动挠性轴(5)包括螺纹部、凸盘部以及驱动轴部，所述螺纹部、凸盘部以及驱动轴部依次同轴连接，所述凸盘部位于变角度控向弯管(4)的沉头槽内，所述变角度控向弯管(4)的中心孔的孔径大于驱动轴部的外径。
3.根据权利要求2所述的一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，其特征在于：所述信号发射棒机构(6)包括安装盒(61)和信号发射棒(63)；所述信号发射棒(63)呈棒状并且两端分别通过前顶套(62)和后顶套(64)与安装盒(61)可拆卸式连接；所述信号发射棒(63)的两端均通过直线阵列布置的O型圈(66)与前顶套(62)和后顶套(64)可拆卸式连接。
4.根据权利要求3所述的一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，其特征在于：所述后顶套(64)内设置有中心顶座，所述中心顶座外围套设有顶紧弹簧(65)，所述顶紧弹簧(65)与信号发射棒(63)的末端连接。
5.根据权利要求4所述的一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，其特征在于：所述变角度控向弯管(4)为一体成型式结构，并且变角度控向弯管(4)的两端均通过螺纹与轴承外支撑壳(3)和后连接管体(7)可拆卸式连接。
6.根据权利要求5所述的一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，其特征在于：所述前轴承组(9)与后轴承组(11)之间设置有隔环(10)；所述前轴承组(9)远离隔环(10)的一端设置有前密封(8)，所述后轴承组(11)远离隔环(10)的一端设置有后密封(12)，所述后密封(12)与凸盘部的端面相接触。
7.根据权利要求6所述的一种双轴驱动无线信号可变弯角式导向钻头，其特征在于：所述变角度控向弯管(4)的外壁面设置有弯弧保护块(13)，所述弯弧保护块(13)具体位于变角度控向弯管(4)的外侧拐点，所述弯弧保护块(13)具体为耐磨焊条。
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