专利名称：双动力低螺旋钻杆及其加工方法
技术领域：
本发明属于煤矿井下瓦斯抽采钻孔技术领域，尤其涉及一种用于煤层钻孔 施工所用的双动力低螺旋钻杆及其加工方法。
背景技术：
在煤矿开采过程中，对高瓦斯煤层和煤与瓦斯突出煤层需要在采煤之前对 煤层中的瓦斯进行抽采，抽采煤层中的瓦斯需要在煤层中施工抽采钻孔。目前 用于煤层钻孔施工的钻杆主要有两种，即以流体(气流或水流)为排渣动力的 光面钻杆和靠钻机自身动力排渣的螺旋叶片钻杆。使用光面钻杆时在"钻穴"
(打钻过程因瓦斯压力、地应力、钻杆扰动力、煤体松软等因素共同造成的直 径远大与钻孔理论直径的准充填型洞穴)区排渣通道易出现堵塞，进而出现夹 钻、丟钻等现象，难以实现深孔钻进；使用螺旋叶片钻杆时因消耗钻机的动力 过大，易出现吸钻、卡钻等现象，难以实现深孔钻进。中国专利申请号为 200610111830.7中公开了一种突出煤层扒孔降温钻具及其钻进方法，所述的钻 杆己进行了生产并应用于煤层钻进，在应用过程中发现，该钻杆的确能够大幅 度提高钻进深度，但因其结构是在无缝钢管表面车制出螺旋输送槽，此种结构 降低了钻杆的整体强度，同时浪费材料；另一方面是采用车制螺旋槽的方法并 不能形成理想深度的螺旋输送槽，从而影响螺旋槽的输送煤渣功能。目前，常 用钻杆加工方法有表面焊接成型、表面热融涂技术等，这些加工方法简单易行， 但加工出来的钻杆在强度上大大降低，在施工过程中经常出现损坏的情况，影 响工作效率和生产效益。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足，提供一种以流体动力排渣为主、以钻 机旋转动力为辅助的双动力低螺旋钻杆及其加工方法，该钻杆兼顾光面钻杆和 螺旋叶片钻杆的优点，克服光面钻杆和螺旋叶片钻杆的缺点，在排渣动力方面 实现双动力排渣，具有更好的克服"钻穴"危害的功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是双动力低螺旋钻杆，包
4括空心的钻杆体，所述钻杆体轴向圆柱面上设有螺旋状的凸棱条，螺旋状的凸 棱条截面形状为圆形、三角形或四边形。
所述螺旋状的凸棱条设置一条或多条，根据圆柱面直径大小的不同，凸棱
条宽度在4mm 25臓之间，高度在lmm 10mm之间，相邻凸棱条之间形成螺旋 输送槽。
所述钻杆体一端设有空心的连接杆，另一端设有可与该连接杆配合的连接孔。
所述空心的连接杆为具有一定锥度或呈圆柱状，其外表面设有外螺纹，连 接孔内表面设有内螺纹。
所述空心的连接杆沿截面的一侧设有内外相通的内插孔，连接孔空间对应 位置设有与连接杆的内插孔配合销钉插接的外插孔。
采用热成型的方法，主要包括以下步骤
(1) 、首先将钢管轧制成圆周表面在其轴向方向上的一条或多条凸起的棱条。
(2) 、将步骤1形成的管材根据所要加工钻杆的长度进行下料定尺，然后 将其放入足够长度的高温加热管，同时设计相应的夹具，该夹具能够实现对需 要加热杆体的两端进行夹持固定，同时也可实现旋转加载一定的扭矩。
(3) 、通过高温加热管棱状杆体进行加热，达到一定温度后，对杆体进行
旋转扭转，可以采取两端沿不同方向缓慢旋转，也可采取一端固定，另一端旋 转的方式，直到杆体的表面沿轴向的棱条形成均匀的螺旋棱条为止。
(4) 、取下杆体进行缓慢散热，退除热应力，或进行热处理，提高表面硬度。
采用滚压、挤压的方法，主要包括以下步骤
(1) 、首先选择好一定尺寸的无缝钢管，通常选择壁厚较厚的无缝钢管进 行滚压、挤压成型，以弥补杆体变形造成的杆体局部应力集中现象。
(2) 、将所需管材根据所要加工钻杆的长度进行下料定尺，设计硬度及强 度远大于该管材的中心钢轴，且能够沿需要滚压成型的管材中心穿过，其配合间隙要控制在0.1mm 0. 3mm之间，防止滚压过程中，杆体的变形过大。
(3) 、根据所要滚压的管材尺寸，设计专用的圆柱状模具，且内表面布有 根据设计的一条或条螺旋凸棱，该模具采用耐高温且强度和硬度较大的模具钢 进行制造。
(4) 、将穿有中心钢轴的待加工管材在机床上进行固定，然后将其放入足 够长度的高温加热管进行加热，与此同时，使上述专用模具安装到机床上，且 与待加工管材的中心轴线操持重合，可沿轴线方向稳定的移动，并能够做旋转 运动，同时在模具的一端保证能够加载一定大小的轴向力，高温加热管对待挤 压管材加热到一定时间后，撤除高温加热管，使该专用模具沿加工管材的一端 旋转挤压通过，这样通过挤压的方式在光面管材表面形成了螺旋凸棱，最后将 插入管材的中心钢轴抽出。
采用上述结构，凸棱条可以提高钻杆的整体强度，其截面为圆形、三角形 或四边形，凸棱条的结构尺寸有利于钻机的夹持，改善了煤层的打钻效果及钻 杆自身的散热，凸棱条旋转半径小于钻头旋转半径10mm以上，易于钻进；螺 旋输送槽的形成，给流体提供足够的排渣通道空间，充分发挥钻杆的流体排渣 功能，提高了流体动力排渣空间，更有利于排除"钻穴"形成的钻孔堵塞，减 少钻杆对钻机旋转动力的消耗，削弱钻杆的机械排渣功能，防止吸钻现象产生， 便于煤渣向外顺利输送；将钻杆体两端分别设有相适配空心的连接杆和连接孔， 这样可以方便地加长钻杆体；通过一根钻杆体的连接杆与另一根钻杆体的连接 孔螺纹连接(直扣连接或管螺纹连接)加长钻杆长度，可靠方便；根据钻杆的 加工工艺不同，也可以通过插接式销钉插接来加长钻杆长度，实现钻杆的反转； 采用热成型的加工方法，有高温加热的过程，可以经过后续的热处理工艺，大 大提高材料的力学性能，可以根据需要制作出不同强度的钻杆；采用滚压或挤 压的加工方法，通过滚压、挤压的方式形成的螺旋凸棱，不仅能够提高材料的 利用率，同时提高了材料表面的强度；本发明设计合理、结构简单、易于加工 制作、成本低廉、安全可靠、排渣性能好、钻孔深度深，其加工方法工艺独特， 充分增强了钻杆的强度和刚度，使用该钻杆进行煤层钻孔，可提高工作效率和生产效益。
图1是本发明实施例一的结构示意图2是本发明实施例二的结构示意图3是图1和图2当中的A—A剖视图4是图2的B—B剖视图5是本发明杆体成型的初始结构示意图6是图5的C一C剖视图7是待挤压管材与中心钢轴的装配图8是挤压成型加工方法当中专用模具的轴向剖面图。
具体实施例方式
实施例一如图1和图3所示，本发明的双动力低螺旋钻杆，包括空心的 钻杆体1，钻杆体1的内孔7可用于通过高压气流或水流，钻杆体1轴向圆柱面 上设有螺旋状的凸棱条2，凸棱条2截面形状为梯形，该截面也可以为矩形、三 角形、四边形等形状,螺旋状的凸棱条2设置一条或多条，凸棱条2宽度在3mm 25mm之间，高度在3mm 25mm之间，相邻凸棱条2之间形成螺旋输送槽3，螺 旋输送槽3可以在打钻过程中随钻机带动钻杆的旋转将煤渣向外部输送，钻杆 体1 一端设有具有一定锥度的空心的连接杆4，另一端设有可与该空心的连接杆 4螺接配合的连接孔5。在加长钻杆时，可将一根钻杆的连接杆4与另一根钻杆 的连接孔5螺接配合。当然，空心的连接杆4和连接孔5也可以为圆柱形状， 直扣连接，此为公知技术，不再赘述。
实施例二如图2、图3和图4所示，与实施例一不同的在于，空心的连接 杆4截面形状可设计成多边形，边数可根据就实际应用情况设计，图4为其中 的一种六边形截面形状，沿截面的一侧设有内外相通的内插孔10，连接孔5的 安装对应位置设有与空心的连接杆4上内插孔配合销钉插接的外插孔11。在加 长钻杆时，可将一根钻杆的连接杆4与另一根钻杆的连接孔5插接配合，然后 使用销钉或螺栓穿入外插孔11与内插孔10内进行固定连接。杆体的加工方法实施例一采用热成型加工方法，包括以下步骤
(1) 、首先将钢管轧制成圆周表面上轴向上对称设有两条棱条20的杆体21 (如图5和图6)。
(2) 、将歩骤1形成的管材根据所要加工钻杆的长度进行下料定尺，然后 将其放入足够长度的高温加热管，同时设计相应的夹具，该夹具能够实现对需 要加热杆体21的两端进行夹持固定，同时也可实现旋转加载一定的扭矩。
(3) 、通过高温加热管棱状杆体21进行加热，达到一定温度后，对杆体21 进行旋转扭转，可以采取两端沿不同方向缓慢旋转，也可采取一端固定，另一 端旋转的方式，直到杆体21的表面沿轴向的棱条形成均匀的螺旋棱条为止。
(4) 、完成上述步骤后，取下杆体21进行缓慢散热，退除热应力，或进行 热处理，提高表面硬度。
杆体的加工方法实施例二采用滚压、挤压加工方法，参见图7和图8，包 括以下步骤
(1) 、首先选择好一定尺寸的无缝钢管，通常选择壁厚较厚的无缝钢管进 行滚压、挤压成型，以弥补杆体变形造成的杆体局部应力集中现象。
(2) 、将所需管材根据所要加工钻杆的长度进行下料定尺，设计硬度及强 度远大于该管材的中心钢轴22，且能够沿需要滚压成型的管材中心穿过，其配 合间隙要控制在0.1mm 0.3iran之间，防止滚压过程中，杆体21的变形过大。
(3) 、根据所要滚压的管材尺寸，设计专用的圆柱状模具23，且内表面布 有根据设计的一条或多条螺旋凸棱，该模具23采用耐高温且强度和硬度较大的 模具钢进行制造。
(4) 、将穿有中心钢轴22的待加工管材在机床上进行固定，然后将其放 入足够长度的高温加热管进行加热，与此同时，使上述专用模具23—端固定， 并能够做旋转运动，同时在模具23的一端保证能够加载一定大小的轴向力，高 温加热管对待挤压管材加热到一定时间后，撤除高温加热管，使该专用模具23 沿加工管材的一端旋转挤压通过，这样通过挤压的方式在光面管材表面形成了 螺旋凸棱，最后将插入管材的中心钢轴22抽出。
8另外，在加工制作钻杆时，要保证螺旋状的凸棱条的螺旋方向与钻机正常 钻孔时旋转方向一致。
采用双动力低螺旋钻杆在使用时，"钻穴"内易形成两条排渣通道在"钻 穴"上部形成流体(气流或水流)排渣通道，围绕钻杆形成来自钻机旋转动力 的机械排渣通道，两条排渣通道相互作用，有助于克服或较少"钻穴"对打钻 的危害。在正常排渣情况下，因为采用了双动力排渣方式，使得钻杆的排渣速 度和效率得到提高，可以提高打钻效率；在"钻穴"区，当流体排渣通道不畅 通时，低螺旋结构在消耗钻机动力较小的情况下可将流体排渣通道疏通，进而 克服或减少"钻穴"的危害。
权利要求
1、双动力低螺旋钻杆，包括空心的钻杆体，其特征在于所述钻杆体轴向圆柱面上设有螺旋状的凸棱条，螺旋状的凸棱条截面形状为圆形、三角形或四边形。
2、 根据权利要求1所述的双动力低螺旋钻杆，其特征在于所述螺旋状的凸棱条设置一条或多条，根据圆柱面直径大小的不同，凸棱条宽度在4mm 25ram 之间，高度在lmm 10ram之间，相邻凸棱条之间形成螺旋输送槽。
3、 根据权利要求1或2所述的双动力低螺旋钻杆，其特征在于所述钻杆 体一端设有空心的连接杆，另一端设有可与该连接杆配合的连接孔。
4、 根据权利要求3所述的双动力低螺旋钻杆，其特征在于所述空心的连 接杆为具有一定锥度或呈圆柱状，其外表面设有外螺纹，连接孔内表面设有内 螺纹。
5、 根据权利要求3所述的双动力低螺旋钻杆，其特征在于所述空心的连接杆沿截面的一侧设有内外相通的内插孔，连接孔空间对应位置设有与连接杆 的内插孔配合销钉插接的外插孔。
6、 如权利要求1所述的双动力低螺旋钻杆的加工方法，其特征在于采用 热成型的方法，主要包括以下步骤(1) 、首先将钢管轧制成圆周表面在其轴向方向上的一条或多条凸起的棱条。(2) 、将步骤1形成的管材根据所要加工钻杆的长度进行下料定尺，然后 将其放入足够长度的高温加热管，同时设计相应的夹具，该夹具能够实现对需 要加热杆体的两端进行夹持固定，同时也可实现旋转加载一定的扭矩。(3) 、通过高温加热管棱状杆体进行加热，达到一定温度后，对杆体进行 旋转扭转，可以采取两端沿不同方向缓慢旋转，也可采取一端固定，另一端旋 转的方式，直到杆体的表面沿轴向的棱条形成均匀的螺旋棱条为止。(4) 、取下杆体进行缓慢散热，退除热应力，或进行热处理，提高表面硬度。
7、 如权利要求1所述的双动力低螺旋钻杆的加工方法，其特征在于采用滚压、挤压的方法，主要包括以下步骤(1) 、首先选择好一定尺寸的无缝钢管，通常选择壁厚较厚的无缝钢管进 行滚压、挤压成型，以弥补杆体变形造成的杆体局部应力集中现象。(2) 、将所需管材根据所要加工钻杆的长度进行下料定尺，设计硬度及强 度远大于该管材的中心钢轴，且能够沿需要滚压成型的管材中心穿过，其配合间隙要控制在0.1mm 0.3mm之间，防止滚压过程中，杆体的变形过大。(3) 、根据所要滚压的管材尺寸，设计专用的圆柱状模具，且内表面布有 根据设计的一条或条螺旋凸棱，该模具采用耐高温且强度和硬度较大的模具钢 进行制造。(4) 、将穿有中心钢轴的待加工管材在机床上进行固定，然后将其放入足 够长度的高温加热管进行加热，与此同时，使上述专用模具安装到机床上，且 与待加工管材的中心轴线操持重合，可沿轴线方向稳定的移动，并能够做旋转 运动，同时在模具的一端保证能够加载一定大小的轴向力，高温加热管对待挤 压管材加热到一定时间后，撤除高温加热管，使该专用模具沿加工管材的一端 旋转挤压通过，这样通过挤压的方式在光面管材表面形成了螺旋凸棱，最后将 插入管材的中心钢轴抽出。
全文摘要
本发明公开了一种双动力低螺旋钻杆及其加工方法，其结构包括空心的钻杆体，所述钻杆体轴向圆柱面上设有螺旋状的凸棱条，螺旋状的凸棱条截面形状为圆形、三角形或四边形，螺旋状的凸棱条设置一条或多条，凸棱条宽度在3mm～25mm之间，高度在3mm～25mm之间，相邻凸棱条之间形成螺旋输送槽，钻杆体一端设有空心的连接杆，另一端设有可与该连接杆配合的连接孔；其加工方法采用热成型法或滚压、挤压的方法。本发明设计合理、结构简单、易于加工制作、成本低廉、安全可靠、排渣性能好、钻孔深度深，其加工方法工艺独特，充分增强了钻杆的强度和刚度，使用该钻杆进行煤层钻孔，可提高工作效率和生产效益。
文档编号E21B17/22GK101509357SQ20091006435
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月10日 优先权日2009年3月10日
发明者孙玉宁, 王永龙 申请人:河南理工大学