一种抵消双层钻杆周向摩阻的方法及双层钻杆与流程

本发明属于煤矿井下钻探技术领域，具体涉及一种抵消双层钻杆周向摩阻的方法及双层钻杆。

背景技术

目前煤矿井下碎软煤层旋转钻进工艺无法控制钻孔轨迹，导致碎软煤层本煤层钻存在着煤层钻遇率低，同时容易造成采煤工作面抽采盲区的出现，严重影响碎软煤层安全高效开采。常规煤矿井下碎软煤层旋转定向钻进系统分为外管和内管总成，内外管钻具施工时外管的顺时针旋转使得内管产生周向摩阻，特别是弯曲孔段因弯曲应力的影响会导致内外管接触应力的急剧增大引起内管周向摩阻的增大，使得内管总成在孔口段制动状态下孔底段产生扭转角度，影响钻进中孔底钻具的工具面向角，对于钻孔轨迹控制精度产生不利影响。当采用强力回转处理孔内卡钻事故时，受扭转状态钻具突然释放载荷时会引起外管快速反弹旋转，容易引起内管总成反向卸扣。常规有线随钻测量系统通缆钻杆接头采用塑料材质且最小外径大于22mm，对于小直径内管存在影响过风面积、风力沿程损失大的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种抵消双层钻杆周向摩阻的方法及双层钻杆，克服目前碎软煤层钻孔轨迹控制精度不高的缺陷。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种抵消双层钻杆周向摩阻的方法，该方法通过在双层钻杆的外管和内管总成之间同轴设置tc轴承和外齿轮轴套，当外管旋转时，tc轴承和外齿轮轴套对内管总成产生方向相反的周向摩阻，从而抵消双层钻杆周向摩阻；

所述内管总成包括同轴依次设置的六方接头、内管管体和六方套筒，所述tc轴承设于六方接头和内管管体端部之间，所述外齿轮轴套设于六方套筒与内管管体端部之间；所述外齿轮轴套能与外管发生反向旋转。

具体的，所述外管旋转能带动tc轴承旋转，所述tc轴承旋转使内管总成产生同向的周向摩阻；

所述外管端部连接有内齿轮接头，内齿轮接头与所述外齿轮轴套之间设有与内齿轮接头和所述外齿轮轴套的齿轮均啮合的行星齿轮；所述外管旋转带动内齿轮接头旋转，所述内齿轮接头的旋转带动所述行星齿轮做同向自转和公转，行星齿轮转动带动所述外齿轮轴套反向旋转，外齿轮轴套的反向旋转使得所述内管总成产生反向的周向摩阻；

最终，内管总成产生的方向相反的周向摩阻相抵消。

本发明还提供了一种双层钻杆，该双层钻杆能实现所述的抵消双层钻杆周向摩阻的方法，包括同轴套装的外管和内管总成，在外管和内管总成之间分别同轴设置tc轴承和外齿轮轴套；所述内管总成包括同轴依次设置的六方接头、内管管体和六方套筒，所述tc轴承设于六方接头和内管管体端部之间，所述外齿轮轴套设于六方套筒与内管管体端部之间；

所述外管端部连接有内齿轮接头，内齿轮接头与所述外齿轮轴套之间设有与内齿轮接头和所述外齿轮轴套的齿轮均啮合的行星齿轮。

具体的，所述内管总成包括同轴依次设置的六方接头、内管管体和六方套筒，所述六方接头与另一个相连的双层钻杆的六方套筒相配合传递扭矩；所述内管管体的两个端部为直径小于内管管体的主体的用于安装六方接头、tc轴承、外齿轮轴套和六方套筒的圆筒形细接头，圆筒形细接头分别与六方接头和六方套筒通过丝扣连接；在六方接头的端面与内管管体的主体的端面之间形成用于安装所述tc轴承的环形安装槽；在六方套筒的端面与内管管体的主体的端面之间形成用于安装所述外齿轮轴套的环形安装槽；

在六方接头内同轴安装有带通风孔的通讯公接头，在六方套筒内同轴安装有带通风孔的通讯母接头；

内管总成还包括带绝缘层通讯线，带绝缘层通讯线轴向贯穿所述内管管体内并分别与通讯公接头和通讯母接头接触。

具体的，所述通讯母接头包括用于与六方接头连接的母接头圆环、位于母接头圆环中心且轴向布设的圆筒形的接头体、沿母接头圆环径向设置的用于连接母接头圆环与接头体的连接杆、安装在接头体内的圆筒形的绝缘内芯和安装在绝缘内芯中的通讯弹簧；所述通讯弹簧与所述带所述绝缘层通讯线焊接；

所述通讯公接头体包括用于与六方套筒连接的公接头圆环、位于公接头圆环中心且轴向布设的圆柱形的金属顶针、沿公接头圆环径向设置的用于连接公接头圆环与金属顶针的连接杆；所述金属顶针底部设有绝缘层，金属顶针与所述带绝缘层通讯线焊接并涂抹绝缘胶；

所述通讯公接头与相连的另一个双层钻杆的通讯母接头插接配合后，所述通讯公接头的金属顶针压紧所述通讯母接头的通讯弹簧实现信号的导通。

具体的，所述连接杆之间的孔隙即为所述通讯公接头和所述通讯母接头的通风孔，所述通讯公接头和所述通讯母接头的通风孔在供风流量300m3/h～400m3/h内风力损失不大于0.3mpa/百米。

具体的，所述tc轴承与内管管体之间设有密封组件；所述外齿轮轴套与内管管体之间设有垫圈。

具体的，所述外管的端部与内齿轮接头通过丝扣连接；所述内齿轮接头的两端的内壁均设有螺纹，分别用于连接其所在双层钻杆的外管和另一个双层钻杆的外管；内齿轮接头的端部内壁与六方套筒的外壁之间有间隙；

所述六方接头与其所对应的外管的端部内壁之间有间隙，六方接头对应的外管的端部的外壁上设有螺纹，用于连接另一个双层钻杆的内齿轮接头；

所述外管的外壁上设有用于在旋转状态下搅动煤粉促进其在压风的携带下排至孔外的螺旋槽。

具体的，所述行星齿轮有四个，且相邻行星齿轮之间呈90°分布。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明能有效抵消内管总成在外管旋转状态下产生的周向摩阻，避免了内管总成孔底段周向扭转现象；提高了孔底钻具工具面向角值的稳定性，降低了钻孔轨迹控制难度并提高了控制精度；避免了采用强力回转处理孔内卡钻事故时因受扭转状态钻具突然释放载荷引起的外管快速反弹旋转进而导致的内管总成反向卸扣问题。

本发明解决了小直径通缆接头强度问题，并保证了小直径内管接头处足够的供风通道，将风力损失控制在允许范围内。

本发明的双层钻杆能有效应用于井下碎软煤层，提高煤层钻遇率，同时能有效避免造成采煤工作面抽采盲区的出现，确保碎软煤层安全高效开采。

附图说明

图1为本发明双层钻杆的整体结构示意图和局部放大图。

图2为本发明的内管总成的整体结构示意图和局部放大图。

图3为本发明的内齿轮接头与外齿轮轴套的连接结构示意图。

图4为本发明的通讯母接头的整体结构示意图。

图5为本发明的通讯母接头的内部结构示意图。

图6为本发明的通讯公接头的整体结构示意图。

图中各标号表示为：1-外管，2-内管总成，3-tc轴承，4-外齿轮轴套，5-内齿轮接头，6-行星齿轮；

21-六方接头，22-内管管体，23-六方套筒，24-通讯公接头，25-通讯母接头，26-带绝缘层通讯线；

241-公接头圆环，242-金属顶针；

251-母接头圆环，252-接头体，253-绝缘内芯，254-通讯弹簧。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。以下实施例中，tc轴承为常规的圆筒状径向轴承，外齿轮轴套、行星齿轮、和内齿轮接头均为常规结构。

实施例1：

本实施例提供一种抵消双层钻杆周向摩阻的方法，该方法通过在双层钻杆的外管和内管总成之间分别同轴设置tc轴承和外齿轮轴套，当外管旋转时，tc轴承和外齿轮轴套对内管总成产生方向相反的周向摩阻，从而抵消双层钻杆周向摩阻；内管总成包括同轴依次设置的六方接头、内管管体和六方套筒，所述tc轴承设于六方接头和内管管体端部之间，所述外齿轮轴套设于六方套筒与内管管体端部之间；所述外齿轮轴套能与外管发生反向旋转。

具体的，外管旋转能带动tc轴承旋转，所述tc轴承旋转使内管总成产生同向的周向摩阻；外管端部连接有内齿轮接头，内齿轮接头与所述外齿轮轴套之间设有与内齿轮接头和所述外齿轮轴套的齿轮均啮合的行星齿轮；所述外管旋转带动内齿轮接头旋转，所述内齿轮接头的旋转带动所述行星齿轮做同向自转和公转，行星齿轮转动带动所述外齿轮轴套反向旋转，外齿轮轴套的反向旋转使得所述内管总成产生反向的周向摩阻；最终，内管总成产生的方向相反的周向摩阻相抵消。

通过上述技术方案，能有效抵消内管总成在外管旋转状态下产生的周向摩阻，避免了内管总成孔底段周向扭转现象；提高了孔底钻具工具面向角值的稳定性，降低了钻孔轨迹控制难度并提高了控制精度；避免了采用强力回转处理孔内卡钻事故时因受扭转状态钻具突然释放载荷引起的外管快速反弹旋转进而导致的内管总成反向卸扣问题。

实施例2：

如图1至图6所示，本实施例提供了一种双层钻杆，该双层钻杆能实现上述抵消双层钻杆周向摩阻的方法，该双层钻杆包括同轴套装的外管1和内管总成2，在外管1和内管总成2之间分别同轴设置tc轴承3和外齿轮轴套4；内管总成2包括同轴依次设置的六方接头21、内管管体22和六方套筒23，tc轴承3设于六方接头21和内管管体22端部之间，所述外齿轮轴套4设于六方套筒23与内管管体22端部之间；

外管1端部连接有内齿轮接头5，内齿轮接头5与所述外齿轮轴套4之间设有与内齿轮接头5和所述外齿轮轴套4的齿轮均啮合的行星齿轮6。

在本实施例中，内管总成2包括同轴依次设置的六方接头21、内管管体22和六方套筒23，所述六方接头21与另一个相连的双层钻杆的六方套筒23相配合传递扭矩；所述内管管体22的两个端部为直径小于内管管体22的主体的用于安装六方接头21、tc轴承3、外齿轮轴套4和六方套筒23的圆筒形细接头，圆筒形细接头分别与六方接头21和六方套筒23通过丝扣连接；在六方接头21的端面与内管管体22的主体的端面之间形成用于安装所述tc轴承3的环形安装槽；在六方套筒23的端面与内管管体22的主体的端面之间形成用于安装所述外齿轮轴套4的环形安装槽；

在六方接头21内同轴安装有带通风孔的通讯公接头24，在六方套筒内23同轴安装有带通风孔的通讯母接头25；

内管总成2还包括带绝缘层通讯线26，带绝缘层通讯线26轴向贯穿所述内管管体22内并分别与通讯公接头24和通讯母接头25接触。

更具体的，通讯母接头25包括用于与六方接头21连接的母接头圆环251、位于母接头圆环251中心且轴向布设的圆筒形的接头体252、沿母接头圆环251径向设置的用于连接母接头圆环251与接头体252的连接杆、安装在接头体252内的圆筒形的绝缘内芯253和安装在绝缘内芯253中的通讯弹簧254；所述通讯弹簧254与所述带所述绝缘层通讯线26焊接；通讯公接头24包括用于与六方套筒23连接的公接头圆环241、位于公接头圆环241中心且轴向布设的圆柱形的金属顶针242、沿公接头圆环241径向设置的用于连接公接头圆环241与金属顶针242的连接杆；所述金属顶针242底部设有绝缘层，金属顶针242与所述带绝缘层通讯线26焊接并涂抹绝缘胶；通讯公接头24与相连的另一个双层钻杆的通讯母接头25插接配合后，所述通讯公接头24的金属顶针242压紧所述通讯母接头25的通讯弹簧254实现信号的导通。有效解决了小直径通缆接头强度问题，并保证了小直径内管接头处足够的供风通道，将风力损失控制在允许范围内。

在本实施例中，连接杆之间的孔隙即为所述通讯公接头24和所述通讯母接头25的通风孔，所述通讯公接头24和所述通讯母接头25的通风孔在供风流量300m³/h～400m³/h内风力损失不大于0.3mpa/百米。

优选的，tc轴承3与内管管体22之间设有密封组件；所述外齿轮轴套4与内管管体22之间设有垫圈。

具体的，外管1的端部与内齿轮接头5通过丝扣连接；所述内齿轮接头5的两端的内壁均设有螺纹，分别用于连接其所在双层钻杆的外管1和另一个双层钻杆的外管1；内齿轮接头5的端部内壁与六方套筒23的外壁之间有间隙；

所述六方接头21与其所对应的外管1的端部内壁之间有间隙，六方接头21对应的外管的端部的外壁上设有螺纹，用于连接另一个双层钻杆的内齿轮接头5；

所述外管1的外壁上设有用于在旋转状态下搅动煤粉促进其在压风的携带下排至孔外的螺旋槽。

在本实施例中，行星齿轮6有四个，且相邻行星齿轮6之间呈90°分布。

本实施例中的双层钻杆的具体工作方法：

内齿轮接头通过行星齿轮与外齿轮轴套组成行星传动轮系，当外管顺时针旋转时，带动内齿轮接头做顺时针旋转运动，四个行星齿轮与内齿轮接头的内齿轮相互啮合并呈90度均布，内齿轮接头的内齿轮的顺时针运动带动行星齿轮做顺时针自转和公转；外齿轮轴套的外齿轮与行星齿轮的齿轮相互啮合，行星齿轮的顺时针转动带动外齿轮轴套的逆时针旋转，外齿轮轴套的逆时针旋转使得内管总成产生逆时针方向的周向摩阻；

外管与通讯公接头位置处的内管总成通过tc轴承连接，外管的顺时针旋转带动tc轴承顺时针旋转，tc轴承的顺时针旋转使得内管总成产生顺时针方向的周向摩阻，与外齿轮轴套与内管总成产生的逆时针方向周向摩阻相抵消，防止内管总成制动状态下因周向摩阻产生扭转角，引起孔底钻具工具面向角的变化从而对钻孔轨迹控制精度产生影响。

实施例3：

本实施例提供一种钻进系统，该钻进系统包括多个实施例2所述的双层钻杆；该钻进系统还包括挠性内控旋转定向钻具、定向系统、钻头和双动力头钻机；所述定向系统包括上无磁钻杆、下无磁钻杆、探管外管、测量探管，所述测量探管通过过渡内管与挠性内控旋转定向钻具芯轴连接；所述双层钻杆孔底端外管与上无磁钻杆连接，内管通过过渡内管与测量探管连接，所述双层钻杆自孔底上无磁钻杆后端一直延伸至孔口双动力头钻机处。所述钻进系统能应用于煤矿井下碎软煤层的钻探。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。