一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具及其扩孔方法

一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具及其扩孔方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具及其扩孔方法。
【背景技术】
[0002]注楽(Inject1n Grout),又称为灌楽(Grouting)，它是使用压送设备(如注楽泵等)将由若干材料按照一定比例配置而成的浆液灌入地质体(岩土体)结构面的缝隙或孔隙内，并使其扩散、胶凝或固化以达到加固地质体(岩土体)或防渗堵漏的目的。注浆依据注浆压力可分为静压注浆和高压喷射注浆两大类，目前已广泛应用于水利水电、矿山、交通、建筑等工程领域的岩土加固防渗及地质灾害治理等诸多方面。对于注浆施工、锚杆/锚索施工、钻孔灌注粧施工，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孔(井)，从而为后续向岩土体中注入浆液、插入锚杆/锚索、下放钢筋笼浇筑成粧，或是下入相适宜的勘探或开采装备等做准备。在实施钻孔的过程中，有时可能会因一些不可预见的因素(如:由于钻遇复杂地层使得孔壁不稳定而导致出现钻孔缩径、坍塌等)；或是由于甲方临时变更钻孔设计的要求，为了满足甲方提出的钻孔设计要求，就需要对先前已钻成的小径钻孔进行扩孔以增大其孔径，这就需要用到扩孔器(或称为扩孔钻头)及与之相适宜的扩孔钻进工艺方法。目前采用的扩孔钻进方法，主要是依靠钻机带动钻具回转的方式进行扩孔作业的，该方法获得的钻进效率和现有扩孔器的切削碎岩能力均有限。

【发明内容】

[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具及其扩孔方法，解决现有技术的不足。
[0004]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多级扩孔钻具，其包括扩孔导向器、多级扩孔器和冲击器；所述多级扩孔器的一端与所述扩孔导向器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(多层)，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作业的方向递减；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；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。
[0005]本发明的有益效果是:能同时利用从底部喷嘴与若干个仿生喷嘴出口高速喷出的高压射流分别对处于孔底和孔壁周遭的岩土体进行超前(预)冲蚀破碎以辅助底部切削齿与多级扩孔器实现扩孔钻进，可达到有效提升扩孔钻进的作业效率、冷却切削齿和切削具，以及改善孔内岩肩的排除效果等多重目的。
[0006]进一步:所述扩孔导向器包括扩孔导向器钢体、侧壁保径齿和底部切削齿；所述侧壁保径齿嵌固于所述扩孔导向器钢体的侧壁面上；所述底部切削齿嵌固于所述扩孔导向器钢体远离所述多级扩孔器的底面上。
[0007]进一步:所述扩孔导向器的内部设有与所述钻头本体的中心通道相连通的中心浆液流道；所述扩孔导向器内部远离所述多级扩孔器的下部位置处设有与所述中心浆液流道相连通的底部喷嘴。
[0008]进一步:所述底部喷嘴出口的孔径比所述仿生喷嘴出口的孔径小5至20mm。
[0009]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。
[0010]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扩孔导向器的一级切削环；所述一级切削环与所述二级切削环之间相距20至70cm。
[0011]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。
[0012]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°。
[0013]进一步:所述冲击器为扭力冲击器或液动冲击器。
[0014]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种多级扩孔钻具的使用方法，使用上述多级扩孔钻具时，需要向所述多级扩孔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。
[0015]本发明的有益效果是:能同时利用从底部喷嘴与若干个仿生喷嘴出口高速喷出的高压射流分别对处于孔底和孔壁周遭的岩土体进行超前(预)冲蚀破碎以辅助底部切削齿与多级扩孔器实现扩孔钻进，可达到有效提升扩孔钻进的作业效率、冷却切削齿和切削具，以及改善孔内岩肩的排除效果等多重目的。
【附图说明】
[0016]图1-1为连接扭力冲击器时多级扩孔钻具整体的三维模型示意图；
[0017]图1-2为连接液动冲击器时多级扩孔钻具整体的三维模型示意图；
[0018]图2-1为连接扭力冲击器时多级扩孔钻具各部件分离开来的三维模型示意图；
[0019]图2-2为连接液动冲击器时多级扩孔钻具各部件分离开来的三维模型示意图；
[0020]图3-1为多级扩孔器主体部分的三维模型轴测示意图；
[0021]图3-2为多级扩孔器主体部分的三维模型正视图；
[0022]图3-3为多级扩孔器主体部分的三维模型剖视图；
[0023]图4-1为仿生喷嘴的三维模型轴测示意图；
[0024]图4-2为仿生喷嘴的三维模型剖视图；
[0025]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；
[0026]图6-1为扩孔导向器的三维模型轴测示意图；
[0027]图6-2为扩孔导向器的三维模型正视图；
[0028]图6-3为扩孔导向器的三维模型剖视图；
[0029]附图中，各标号所代表的部件如下:
[0030]1、扩孔导向器；2、一级切削环；3、二级切削环；4、扭力冲击器；5、液动冲击器；6、仿生喷嘴；11、第一连接螺纹；12、扩孔导向器钢体；13、底部喷嘴；121、侧壁保径齿；122、底部切削齿；131、底部喷嘴入口 ；21、第二连接螺纹；22、一级切削单元；23、一级贯通孔；221、一级切削具；222、一级钢体；223、一级孕镶金刚石条；31、第三连接螺纹；32、二级切削单元；33、二级贯通孔；321、二级切削具；322、二级钢体；323、二级孕镶金刚石条；61、仿生喷嘴入口 ；62、仿生喷嘴出口 ；63、仿生环槽。
【具体实施方式】
[0031]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。
[0032]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多级扩孔钻具，按照从下到上的顺序，依次由扩孔导向器1、多级扩孔器以及冲击器组成，它们之间通过螺纹密封连接，冲击器可以选择扭力冲击器4或液动冲击器5，所连接的扭力冲击器4或液动冲击器5为规格合适的任意类型。本发明耦合多工艺扩孔钻进方法，势必可有效提升在岩土体中施工注浆孔、锚杆/锚索孔、钻孔灌注粧孔，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扩孔钻进的作业效率。多级扩孔器上的二级切削环3与一级切削环2，以及嵌固于扩孔导向器I上的侧壁保径齿121与底部切削齿122，都是以回转切削方式破碎孔壁周遭和孔底岩土体的主要工具。
[0033]若连接扭力冲击器4实施扩孔作业，则扭力冲击器4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，这样就可在实施扩孔作业的过程中，使多级扩孔器和扩孔导向器I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效果，同时还可增强嵌固于扩孔导向器I上的侧壁保径齿121和底部切削齿122对已有小径钻孔孔壁和孔底岩土体的切削破碎效果，在一定程度上还能够降低钻机等扩孔作业设备的动力消耗(能耗)。
[0034]若连接液动冲击器5进行扩孔作业时，则液动冲击器5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扩孔作业的过程中实现冲击回转碎岩的扩孔作业方式，可使对岩石的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。
[0035]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:
[0036]1、前端小径的一级切削环2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。
[0037]2、由于 扩孔作业最终要扩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作业时，可理解为将扩孔作业最终所要达到的大直径的钻孔分解为若干次(扩孔作业的次数与多级扩孔器的级数相同)单独地进行扩孔作业时的集成，该方法可有效降低一次扩孔作业时扩孔作业设备的能耗，提升扩孔作业的效率。
[0038]3、采用多级扩孔器，可有效增加扩孔器扩孔作业时对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作业效率得到显著提升。
[0039]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)，所述钻头本体的中部沿周向设有两级切削环，一级切削环2和二级切削环3。两级所述切削环的切削直径沿扩孔作业的方向递减，即:靠近扩孔导向器I的一级切削环2的切削直径小于远离扩孔导向器I的二级切削环3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22，二级切削单元32)，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的圆周面上，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。所述钻头本体的上端设有第三连接螺纹31，所述钻头本体的下端设有第二连接螺纹21。
[0040]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2和二级切削环3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2和二级切削环3之间相隔一定的距离，可考虑定为20至70cm。以一级切削环2和二级切削环3同时加工在同一个钻头本体上为例对本发明进行阐述。
[0041]如图5所示，一级切削环2和二级切削环3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2包括多个一级切削单元22、多个一级贯通孔23和多个一级仿生喷嘴6 ;多个一级贯通孔23分别设置于相邻的两个一级切削单元22之间；每个所述一级贯通孔23的出口端嵌固有一个一级仿生喷嘴6。二级切削环3包括多个二级切削单元32、多个二级贯通孔33和多个二级仿生喷嘴6 ;多个二级贯通孔33沿周向分别设置于相邻的两个二级切削单元32之间；每个所述二级贯通孔33的出口端嵌固有一个二级仿生喷嘴6。
[0042]需要说明的是:嵌固于一级贯通孔23出口端处的一级仿生喷嘴6和嵌固于二级贯通孔33出口端处的二级仿生喷嘴6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。
[0043]如图4-1、图4-2所示，所述仿生喷嘴(一级、二级仿生喷嘴6)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63，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63 ;所述仿生喷嘴6的一端设有与所述内腔相连通的仿生喷嘴入口 61，所述仿生喷嘴6的另一端设有与所述内腔相连通的仿生喷嘴出口 62，且所述仿生喷嘴入口 61的直径大于所述仿生喷嘴出口 62的直径。此外，对于本发明中所提及的仿生喷嘴，不局限于仿生喷嘴的结构，也可使用其他能够产生高压射流的喷嘴结构和型式。
[0044]如图5所示，一级切削环2的下部通过第二连接螺纹21与扩孔导向器I密封连接；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22和一级贯通孔23沿周向均布构成，其中的一级切削单元22是切削破碎孔壁周遭岩土体的主要结构，它由一级切削具221、一级钢体222和一级孕镶金刚石条223构成。一级切削具221嵌固于一级钢体222中构成切削单元的主体，本发明采用的一级切削具221的排布方式取决于扩孔作业时钻具回转的方向，即一级切削具221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223嵌固在一级钢体222的外侧用于钻孔的保径。一级贯通孔23均匀地布设在相邻的两个一级切削单元22之间，一级贯通孔23呈30°至60°的贯通状斜孔，一级贯通孔23的数目与一级切削单元22的数目一致，也可以根据需要将一级贯通孔23的数目设为小于一级切削单元22的数目。一级仿生喷嘴6通过螺纹、焊接或过盈配合的方式嵌固于一级贯通孔23的出口端处，一级仿生喷嘴6的数目与一级贯通孔23的数目相一致。可考虑一级切削具221采用PDC材料制成，但不局限于此，也可采用CBN、斯拉乌季契、TSP、P⑶等其它适宜切削破碎岩土体的材料制成。
[0045]二级切削环3的下端面距离一级切削环2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2，具体的直径差值需依据欲扩孔钻进成钻孔的直径而定，可考虑将二级切削环3的直径(外径)设置为一级切削环2的直径(外径)的两倍。二级切削环3的中部主体部分主要由若干个二级切削单元32和二级贯通孔33沿周向均布构成，其中的二级切削单元32是切削破碎孔壁周遭岩土体的主要结构，它由二级切削具321、二级钢体322和二级孕镶金刚石条323构成，二级切削具321嵌固于二级钢体322中构成切削单元的主体，本发明采用的二级切削具321的排布方式取决于扩孔作业时钻具回转的方向，即二级切削具321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323嵌固在二级钢体322的外侧用于钻孔的保径。二级贯通孔33均匀地布设在相邻的两个二级切削单元32之间，二级贯通孔33呈30°至60°的贯通状斜孔，二级贯通孔33的数目与二级切削单元32的数目一致，也可以根据需要将二级贯通孔33的数目设为小于二级切削单元32的数目。二级仿生喷嘴6通过螺纹、焊接或过盈配合的方式嵌固于二级贯通孔33的出口端处，二级仿生喷嘴6的数目与二级贯通孔33的数目相一致。可考虑二级切削具321采用PDC材料制成，但不局限于此，也可采用CBN、斯拉乌季契、TSP、P⑶等其它适宜切削破碎岩土体的材料制成。
[0046]二级切削环3的上部通过第三连接螺纹31与扭力冲击器4或液动冲击器5相连。在钻机为整套扩孔钻具提供适宜的回转扭矩和扩孔钻压时，一级切削环2和二级切削环3在钻杆柱的带动下高速回转并切削破碎孔壁周遭岩土体实现扩孔钻进，同时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%的泥楽；无固相泥楽: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2和二级切削环3上的若干个仿生喷嘴6的仿生喷嘴入口 61流入其内腔，并由仿生喷嘴出口 62高速(大于40m/s)喷出形成高压(大于1MPa)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2和二级切削环3的扩孔钻进，可有效提升对岩土体进行扩孔作业时的效率。
[0047]如图6-1、图6-2、图6-3所示，扩孔导向器I主要由第一连接螺纹11、扩孔导向器钢体12、底部喷嘴13、侧壁保径齿121和底部切削齿122构成。扩孔导向器I通过第一连接螺纹11与多级扩孔器的第二连接螺纹21密封连接。侧壁保径齿121嵌固于扩孔导向器钢体12的侧壁面上，起到回转切削破碎已有小径钻孔的孔壁周遭凸出的岩土体的作用，从而达到对已有小径钻孔保径、预防钻具卡钻，以及保障扩孔作业能够顺利进行等目的。底部切削齿122嵌固于扩孔导向器钢体12远离多级扩孔器的底面上，起到回转切削破碎已有小径钻孔的孔壁周遭凸起或孔底岩土体(或沉积的岩肩)的作用，达到扫清障碍物、保障扩孔作业能够顺利进行等目的。
[0048]需要说明的是:嵌固了侧壁保径齿121后的扩孔导向器I的外径应与将要进行扩孔作业的已有小径钻孔的孔径相当，不应大于或过小于其孔径，太大则多级扩孔钻具无法下入欲扩孔作业的小径钻孔中，过小则会在扩孔作业的过程中出现多级扩孔钻具不稳、乱晃，且极易导致孔斜或其他孔内事故的发生。扩孔导向器I的内部设有中心浆液流道，其为中空的环状结构，在其下部加工有底部喷嘴13，底部喷嘴入口 131的孔径比上部钻头本体的中心通道、一级贯通孔23和二级贯通孔33的孔径均要小得多，此外，底部喷嘴13的出口孔径要比仿生喷嘴出口 62的孔径小5至20mm。
[0049]位于整套钻具下部的扩孔导向器I的外径(包含扩孔导向器钢体12和侧壁保径齿121后的直径)应与欲扩孔作业的已有小径钻孔孔径相差不大，在使用本发明实施对已有小径钻孔进行扩孔作业时，扩孔导向器I是插入已有小径钻孔中的，可起到导正整套钻具以防止在扩孔作业过程中出现的钻孔偏斜或发生其他孔内事故的作用，同时位于扩孔导向器I侧面的侧壁保径齿121和底部切削齿122(它们二者均为嵌固于扩孔导向器I上的硬质合金块或其他适宜切削破碎岩土体的材料)，可分别起到预防在扩孔作业过程中已有小径钻孔可能出现的由于钻孔缩径、掉块、坍塌等而引起的卡钻等孔内事故的发生，当已有小径钻孔出现缩径现象时，侧壁保径齿121可对已发生缩径的小径钻孔孔壁周遭的岩土体进行回转切削破碎以达到保径的目的，而当已有小径钻孔出现掉块，坍塌等现象时，底部切削齿122可对这部分凸出孔壁或聚积在孔底的岩土体进行回转切削破碎以避免孔内事故的发生，从而保障扩孔作业的顺利进行。
[0050]本发明的 工作原理:
[0051]由放置于地表的泥浆泵往复抽吸并使不断循环着的有压浆液自孔口沿着钻杆柱中心通道向下流动至位于整套钻具最底部的扩孔导向器I的底部喷嘴13处，由于扩孔导向器I的底部喷嘴入口 131处的过流断面直径比位于它上方的多级扩孔器的中心通道、一级贯通孔23和二级贯通孔33的直径均小得多，同时扩孔导向器I的底部喷嘴13的出口直径也要比仿生喷嘴出口 62的直径小5至20mm，这就使得有压浆液自钻具顶端沿着钻具内部的中心通道流动至位于整套钻具底部的扩孔导向器I的底部喷嘴13时，从底部喷嘴13的出口高速喷出形成高压射流，该射流可有效辅助位于扩孔导向器I上的底部切削齿122对位于孔底的岩土体(或沉积的岩肩)进行超前(预)冲蚀破碎。若泵量足够大，由于受到扩孔导向器I的底部喷嘴13的出口直径大小的限制，此时有压浆液并不能完全且及时地从底部喷嘴13的出口喷出形成高压射流。此时必然会造成钻具内不断循环着的有压浆液在扩孔导向器I的底部喷嘴入口 131和扩孔导向器I的底部喷嘴13的出口处发生“节流堵塞效应”，使得留在钻具内无法及时从扩孔导向器I的底部喷嘴13的出口高速喷出的那部分有压浆液在钻具内部的中心通道中不断积蓄能量并向上累积起来，直至有压浆液的液面高度分别达到一级贯通孔23和二级贯通孔33处，此时不断循环且累积在钻具内部的中心通道中的有压浆液势必会沿着加工于多级扩孔器上若干个贯通状的斜孔(一级贯通孔23和二级贯通孔33)分别抵达若干个仿生喷嘴入口 61处，流经若干个仿生喷嘴6的内腔后由其出口高速喷出形成高压射流，该射流可有效辅助多级扩孔器对将要进行扩孔作业的已有小径钻孔的孔壁周遭岩土体进行超前(预)冲蚀破碎，可有效辅助位于多级扩孔器上的切削具完成对先前已钻成小径钻孔的扩孔作业。
[0052]分别来自扩孔导向器I的底部喷嘴13和若干个仿生喷嘴6的高压射流，有效提升了使用本发明进行扩孔作业时的效率。
[0053]本发明的有益效果:
[0054]利用本发明能够对先前在岩土体中已钻成的小径钻孔进行扩孔作业。可以实现扭力冲击器4联合多级扩孔器的高效回转切削碎岩方式下的扩孔作业，或液动冲击器5联合多级扩孔器的冲击回转碎岩方式下的扩孔作业；上述连接了两种不同的冲击器后的多级扩孔钻具，除了可起到有效提升扩孔作业效率的作用，同时在一定程度上还能够起到降低钻机等扩孔作业设备的能耗和扩孔作业过程中钻具解卡的作用。
[0055]扩孔导向器I可起到导正钻具的作用，嵌固于扩孔导向器I上的侧壁保径齿121和底部切削齿122还可有效防止由于钻孔缩径、掉块、坍塌等事故导致的卡钻等孔内其他事故的发生，能够保障扩孔作业的顺利进行。
[0056]此外，自底部喷嘴13高速喷出的高压射流可实现对孔底岩土体(或沉积的岩肩)的超前(预)冲蚀破碎，从而有效辅助底部切削齿122对孔底岩土体(或沉积的岩肩)的切削破碎，由高压射流形成的孔底漫流还可对底部切削齿122进行冷却，同时漫流还有利于孔底岩肩的排除。自若干个仿生喷嘴6的出口高速喷出的高压射流可实现对孔壁周遭岩土体的超前(预)冲蚀破碎，从而有效辅助位于多级扩孔器上的切削具对孔壁周遭岩土体的切削破碎，由高压射流形成的漫流也可起到冷却切削具和改善孔内排除岩肩效果的作用。至此，利用本发明可同时实现多种方法相耦合的多工艺扩孔作业方法，势必可有效提升在岩土体中施工注浆孔、锚杆/锚索孔、钻孔灌注粧孔，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扩孔作业的效率。
[0057]综上所述，利用本发明可同时实现:
[0058]1、扭力冲击器4持续提供与钻具回转方向一致的冲击扭力作用，或液动冲击器5持续提供轴向的往复冲击载荷作用，使得使用本发明进行扩孔作业时，既能够实现高效的回转切削碎岩方式的扩孔作业，同时还能够实现冲击回转碎岩方式的扩孔作业，此外在一定程度上还能够起到降低钻机等扩孔作业设备的能耗和扩孔作业过程中钻具解卡的作用。
[0059]2、多级扩孔器可以实现以多级扩孔的方式对已钻成小径钻孔的扩孔作业；当有压浆液以正循环的方式不断循环流经若干个仿生喷嘴6后可形成高压射流，该射流可对欲回转切削或冲击回转破碎的孔壁周遭岩土体进行超前(预)冲蚀破碎，从而辅助多级扩孔器进行扩孔，有效提升扩孔作业的效率，此外还能够起到冷却设置于多级扩孔器上的切削具及改善孔内岩肩排除效果的作用。
[0060]3、扩孔导向器I能够起到导正钻具，以及有效防止由于钻孔缩径、掉块、坍塌等不可预见的情况而导致的卡钻等孔内事故发生的作用，能够保障扩孔作业的顺利进行；当有压浆液以正循环的方式不断循环流经底部喷嘴13后可形成高压射流，该射流可对欲破碎的孔底岩土体(或沉积的岩肩)进行超前(预)冲蚀破碎，辅助底部切削齿122对孔底或凸出孔壁的岩土体进行破碎，此外还能够起到冷却切削齿及改善孔底岩肩排除效果的作用。
[0061]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。
【主权项】
1.一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，其特征在于:包括扩孔导向器、多级扩孔器、冲击器；所述多级扩孔器的一端与所述扩孔导向器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作业的方向递减；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； 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。
2.根据权利要求1所述一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，其特征在于:所述扩孔导向器包括扩孔导向器钢体、侧壁保径齿和底部切削齿；所述侧壁保径齿嵌固于所述扩孔导向器钢体的侧壁面上；所述底部切削齿嵌固于所述扩孔导向器钢体远离所述多级扩孔器的底面上。
3.根据权利要求2所述一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，其特征在于:所述扩孔导向器的内部设有与所述钻头本体的中心通道相连通的中心浆液流道；所述扩孔导向器内部远离所述多级扩孔器的下部位置处设有与所述中心浆液流道相连通的底部喷嘴。
4.根据权利要求3所述一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，其特征在于:所述底部喷嘴出口的孔径比所述仿生喷嘴出口的孔径小5至20mm。
5.根据权利要求1所述一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，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。
6.根据权利要求1至5任一项所述一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，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扩孔导向器的一级切削环；所述一级切削环与所述二级切削环之间相距20至70cm。
7.根据权利要求6所述一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，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。
8.根据权利要求6所述一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，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°。
9.根据权利要求6所述一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，其特征在于:所述冲击器为扭力冲击器或液动冲击器。
10.一种多级扩孔钻具的扩孔方法，其特征在于:使用权利要求1至9任一项所述多级扩孔钻具时，需要向所述多级扩孔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。
【专利摘要】本发明涉及一种嵌固仿生喷嘴的多级扩孔钻具，其包括扩孔导向器、多级扩孔器、冲击器；多级扩孔器的一端与扩孔导向器密封连接，另一端与冲击器密封连接；多级扩孔器包括钻头本体、切削环；钻头本体内部设有中心通道；切削环设为多级并设置在钻头本体的中部；每级切削环由多个切削单元沿周向均布构成；每级切削环中相邻的切削单元之间设有贯通孔；至少有一个贯通孔的出口端设有仿生喷嘴。本发明的有益效果是：从底部喷嘴与若干仿生喷嘴出口高速喷出的高压射流分别对孔底和孔壁的岩土体进行超前(预)冲蚀破碎以辅助底部切削齿与多级扩孔器实现扩孔钻进,可有效提升扩孔钻进的效率、冷却切削齿和切削具，以及改善孔内岩屑的排除效果等。
【IPC分类】E21B10-26, E21B7-28, E21B10-61
【公开号】CN104763343
【申请号】CN201510098220
【发明人】温继伟, 裴向军, 陈礼仪, 杜野, 杨华阳, 张佳兴
【申请人】成都理工大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月5日