带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀

摘要

本发明公开带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，包括刀轴、刀壳、破岩镶齿、水路系统和轴承；所述刀壳通过轴承与刀轴固定连接；所述破岩镶齿安装在刀壳的外侧壁上；所述水路系统安装在所述刀轴和刀壳的内部。本发明的带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀设计的A刀刀壳结构形式和B刀刀壳结构形式，A刀刀壳结构形式和B刀刀壳结构形式的喷嘴凹槽和所述破岩镶齿交错设置，相互配合，在A刀(或B刀)破岩镶齿滚压破岩后，再由B刀(或A刀)的喷嘴进行水力破岩，起到扩张初始裂纹的作用，帮助岩块掉落，防止破岩镶齿对岩石碎块的重复破碎；喷出的水还能够准确的冷却破岩镶齿，破岩镶齿使用寿命可以提高35％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及钻井勘探技术领域。具体地说是带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀。

背景技术

目前在极硬岩反井导孔施工过程中，由于岩层硬度大，破岩效率低，施工进度慢，且在钻进过程中，镶齿滚刀的磨损程度高，使用寿命低。中国专利号CN107165651A公开了一种破岩滚刀，在滚刀座上设有水射流破岩装置，可以高压水射流提高滚刀挤压岩体所产生裂纹的扩展速度和长度，提高破岩速度和体积，但是该水射流不是直接喷射到硬岩上，而是喷射到滚刀刀圈上，依靠滚刀刀圈的贯入硬岩作用段，由于滚刀高速旋转，水射流被离心力甩出，因此实际用于扩展岩体裂缝的水射流作用有限；虽然也对水射流破岩装置的喷射方向和滚刀刀圈的夹角进行了进一步限定，但是由于水射流破岩装置是喷头是通过固定架固定在滚刀座上的，我们知道在破岩钻进过程中，会有大量的粉尘、碎石粒产生，就不可避免的撞击到固定架上，从而改变水射流喷射方向，影响破岩钻进效果。中国专利号CN103334764B同样在刀盘上设有高压水射流设备，但是高压水射流设备尽在刀盘的扩挖滚刀组件处，且是刀盘的边缘设置，而刀盘内部的滚刀处均没有设置，因此该设备在扩岩过程中可以起到一定的扩展裂缝的作用，但是在破岩过程中，水射流扩展裂缝的作用就没有了，所以提高岩石掘进的工作效率是有限的。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，包括刀轴、刀壳、破岩镶齿、水路系统和轴承；所述刀壳通过轴承与刀轴固定连接；所述破岩镶齿安装在刀壳的外侧壁上；所述水路系统安装在所述刀轴和刀壳的内部。

上述带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，所述刀壳包括相邻设置的A刀刀壳结构形式和B刀刀壳结构形式。

上述带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，在A刀刀壳结构形式和B刀刀壳结构形式中：所述破岩镶齿镶嵌在所述刀壳的外侧壁内，并伸出外侧壁表面；在所述刀壳外侧壁开设有喷嘴凹槽,所述喷嘴凹槽位于相邻的两圈所述破岩镶齿之间；在所述喷嘴凹槽底部上安装有喷嘴；B刀刀壳结构形式中的所述喷嘴与A刀刀壳结构形式中的所述破岩镶齿位于环绕所述刀轴的同一圆周上，A刀刀壳结构形式中的所述喷嘴与B刀刀壳结构形式中的所述破岩镶齿位于环绕所述刀轴的同一圆周上。

上述带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，所述水路系统包括进水水路、刀轴水路、刀壳水路和喷嘴水路；所述进水水路)在所述刀轴的内部，并与刀轴的轴平行；所述刀壳水路在所述刀壳内部，并与所述进水水路平行；所述进水水路一端为进水口，所述进水口位于所述刀轴的轴向端面上，所述进水水路另一端与所述刀轴水路的一端流体导通；所述刀轴水路的另一端与所述刀壳水路的流体导通；所述刀壳水路位于所述刀壳内部的一端为盲孔，所述刀壳水路的另一端延伸至所述刀壳的轴向端面并通过端头塞密封；所述喷嘴水路的一端与所述刀壳水路流体导通，所述喷嘴水路的另一端与所述喷嘴流体导通；所述进水口、所述进水水路、所述刀轴水路、所述刀壳水路、所述喷嘴水路和所述喷嘴依次流体导通。

上述带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，所述刀轴水路与所述进水水路和所述刀壳水路垂直，并从所述刀轴内进入所述刀壳内。

上述带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，在所述轴承的一端设有密封圈。

上述带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，在所述刀轴的两端设置有刀座连接孔，用于与刀座连接。

上述带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，所述喷嘴的出水水压大于30MPa且小于或等于200MPa。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

B刀刀壳结构形式中的所述喷嘴与A刀刀壳结构形式中的所述破岩镶齿位于环绕所述刀轴的同一圆周上，A刀刀壳结构形式中的所述喷嘴与B刀刀壳结构形式中的所述破岩镶齿位于环绕所述刀轴的同一圆周上，A刀和B刀相互配合，在A刀(或B刀)破岩镶齿滚压破岩使得岩面产生裂痕后，再由B刀(或A刀)的喷嘴产生的水压力进行水力破岩，起到扩张初始裂纹的作用，裂痕在水压力的作用下扩展并造成岩块脱落，起到帮助岩块掉落的作用，防止破岩镶齿对岩石碎块的重复破碎；喷嘴的位置更加精准，且喷嘴距离岩面距离近，水压力损失比较小；喷出的水还能够准确的冷却破岩镶齿，破岩镶齿使用寿命可以提高35％以上，大大提高了破岩镶齿的使用寿命。

因滚刀内部水路需要在刀轴和刀壳上开孔，现有滚刀轴承设计方案会降低刀轴和刀壳的结构强度，本申请中设计了刀轴和刀壳通过滑动轴承结构形式安装在一起，增大了刀轴直径和刀壳的厚度，降低了轴承部分的体积和厚度。刀壳上的喷嘴水路设计为穿过两圈破岩镶齿中间，防止镶齿破岩过程中的应力集中。

刀轴水路与刀壳水路相互垂直，且指向岩面的设计，可以使刀壳水路在正对岩石面时可以保证刀壳水路的最大流量，刀轴与刀壳水路采用非完全密封结构，可以在喷嘴不指向岩石面时有一定水压和流量，防止灰尘进入喷嘴污染刀轴内部。

由于滚刀内部压力较大，在轴承两端设置密封圈，可以防止灰尘等异物经刀轴与刀壳之间的缝隙进入滚刀内部，提高轴承的寿命。

简化了以往滚刀的结构形式，各个零部件具有较高的通用性，并且方便拆卸和替换。加粗了刀轴直径，使滚刀能够承载更大的钻压，提高了滚刀镶齿的破岩能力。

附图说明

图1本发明带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀的结构示意图。

图中附图标记表示为：1-刀轴；2-刀壳；3-破岩镶齿；4-喷嘴凹槽；5-进水水路；6-刀轴水路；7-刀壳水路；8-喷嘴水路；9-喷嘴；10-进水口；11-端头塞；12-轴承；13-刀座连接孔；14-密封圈。

具体实施方式

如图1所示的带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀，包括刀轴1、刀壳2、破岩镶齿3、水路系统和轴承12；所述刀壳2通过轴承12与刀轴1固定连接；所述破岩镶齿3安装在刀壳2的外侧壁上；所述水路系统安装在所述刀轴1和刀壳2的内部。

所述刀壳2包括相邻设置的A刀刀壳结构形式和B刀刀壳结构形式。

在A刀刀壳结构形式和B刀刀壳结构形式中：所述破岩镶齿3的一端镶嵌在所述刀壳2的外侧壁内，并伸出外侧壁表面；在所述刀壳2外侧壁开设有喷嘴凹槽4,所述喷嘴凹槽4位于相邻的两圈所述破岩镶齿3之间；在所述喷嘴凹槽4底部上安装有喷嘴9；B刀刀壳结构形式中的所述喷嘴9与A刀刀壳结构形式中的所述破岩镶齿3位于环绕所述刀轴1的同一圆周上，A刀刀壳结构形式中的所述喷嘴9与B刀刀壳结构形式中的所述破岩镶齿3位于环绕所述刀轴1的同一圆周上。

为提高破岩效率，A刀和B刀相互配合，在A刀(或B刀)破岩镶齿滚压破岩使得岩面产生裂痕后，再由B刀(或A刀)的喷嘴产生的水压力进行水力破岩，起到扩张初始裂纹的作用，裂痕在水压力的作用下扩展并造成岩块脱落，起到帮助岩块掉落的作用，防止破岩镶齿对岩石碎块的重复破碎；喷嘴的位置更加精准，且喷嘴距离岩面距离近，水压力损失比较小；喷出的水还能够准确的冷却破岩镶齿，破岩镶齿使用寿命可以提高35％以上，大大提高了破岩镶齿的使用寿命。

如图1所示，所述进水水路5在所述刀轴1的内部，并与刀轴1的轴平行；所述刀壳水路7在所述刀壳内部，并与所述进水水路5平行；所述进水水路5一端为进水口10，所述进水口10位于所述刀轴1的轴向端面上，所述进水水路5另一端与所述刀轴水路6的一端流体导通；所述刀轴水路6的另一端与所述刀壳水路7的流体导通；所述刀壳水路7的位于所述刀壳2内部的一端为盲孔，所述刀壳水路7的另一端延伸至所述刀壳2的轴向端面并通过端头塞11密封；所述喷嘴水路8的一端与所述刀壳水路7流体导通，所述喷嘴水路8的另一端与所述喷嘴9流体导通；所述进水口10、所述进水水路5、所述刀轴水路6、所述刀壳水路7、所述喷嘴水路8和所述喷嘴9依次流体导通。

因滚刀内部水路需要在刀轴和刀壳上开孔，现有滚刀轴承设计方案会降低刀轴和刀壳的结构强度，本申请中设计了刀轴和刀壳通过滑动轴承结构形式安装在一起，增大了刀轴直径和刀壳的厚度，降低了轴承部分的体积和厚度。刀壳上的喷嘴水路设计为穿过两破岩镶齿中间，防止镶齿破岩过程中的应力集中。

所述刀轴水路6与所述进水水路5和所述刀壳水路7垂直，并从所述刀轴6内进入所述刀壳1内。

由于刀轴水路6与刀壳水路7相互垂直，即刀轴水路6指向岩石面，可以使刀壳水路7在正对岩石面时可以保证刀壳水路7的最大流量，刀轴水路6与刀壳水路7采用非完全密封结构，可以在喷嘴9不指向岩石面时有一定水压和流量，防止灰尘进入喷嘴9污染刀轴1内部。在所述轴承12的一端设有密封圈14。

由于滚刀内部压力较大，在轴承12两端设置密封圈14，可以防止灰尘等异物经刀轴1与刀壳2之间的缝隙进入滚刀内部，提高轴承12的寿命。轴承12采用含石墨的青铜或尼龙滑动轴承，可以在水介质中直接使用。在所述刀轴1的两端设置有刀座连接孔13，用于与刀座连接。

刀轴1和刀壳2通过轴承12可拆卸固定连接，且在所述刀轴1的两端设置有刀座连接孔13，使得刀壳2和刀轴1具有较高的通用性，并且方便拆卸和替换。加粗了刀轴直径，使滚刀能够承载更大的钻压，提高了滚刀镶齿的破岩能力。

所述喷嘴(9)的出水水压大于30MPa且小于或等于200MPa。

水通过进水口5，进入进水水路5，然后流经刀轴水路6、刀壳水路7和喷嘴水路8，从喷嘴9喷出，进行水力破岩，冲裂已经经过A刀刀壳结构形式或B刀刀壳结构形式配对镶齿滚刀挤压过的岩石面。喷水的水压最大不超过200MPa，最小应大于30MPa，并根据所在岩层岩石的具体物理性质进行调整。喷出的水还能够准确的冷却破岩镶齿3，提高破岩镶齿3的使用寿命。

本实施例的带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀的工作原理如下：

首先将刀壳2通过轴承12，固定安装在刀轴1上，然后将刀轴通过刀座连接孔13固定安装在刀座上。

然后打开反井钻机，反井钻机镶齿滚刀开始钻洞破岩，A刀刀壳结构形式的破岩镶齿3挤压破岩产生的初始裂纹，反井钻机镶齿滚刀转动至B刀刀壳结构形式，B刀刀壳结构形式中的所述喷嘴9与A刀刀壳结构形式中的所述破岩镶齿3位于环绕所述刀轴1的同一圆周上，A刀刀壳结构形式中的所述喷嘴9与B刀刀壳结构形式中的所述破岩镶齿3位于环绕所述刀轴1的同一圆周上，此时从B刀刀壳结构形式中的喷嘴凹槽4底部上安装的喷嘴9中喷射出高压水，进行水力破岩，扩张初始裂纹，并冷却破岩镶齿3；同时B刀刀壳结构形式中的破岩镶齿3继续挤压破岩产生的初始裂纹，反井钻机镶齿滚刀转动至A刀刀壳结构形式，由此相邻设置的A刀刀壳结构形式和B刀刀壳结构形式相互配合，水力破岩，扩张初始裂纹，从而完成破岩工作。

当破岩镶齿3达到使用寿命时，可以将刀壳2从刀轴1上拆卸下来，进行更换。

当刀轴1损坏或达到使用寿命时，可以将刀轴1通过刀座连接孔13从刀座拆卸掉，进行更换。

至此完成了带水力破岩的反井钻机镶齿滚刀组装、破岩和拆卸全部工作。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。