螺旋钻杆设计
螺旋钻钻头虽结构较为简单，但设计好坏同样影响碎岩效率和岩屑上返效果。设计时要考虑的结构参数如下：
一、切削翼片的数量
螺旋钻钻头有单翼、双翼、三翼或多翼之分。单翼钻头常用于软土层，其特点是破岩速度快、岩屑上返效率高，但工作时平衡性差些；双翼钻头对地层适应性强，为常用的类型。三翼或多翼钻头是为增加钻头工作时的稳定性，适用于裂隙地层。
二、钻头底面的形状
螺旋钻头底面的形状（图3-14-3）有平底形、锥形和阶梯形之分。
平底形钻头适用于软地层，其特点是一次性全面破碎孔底，回转阻力力矩较大，单位刃长上压力小，切削刃磨损不均匀等；锥形和阶梯形钻头适用于强度较大的地层，由于是分次破碎孔底，碎岩自由面较多，碎岩效率高。
图3-14-3 螺旋钻头底面形状
图3-14-4 螺旋叶片的补强
三、钻头切削刃及其加强形式
为了提高螺旋钻头碎岩效率和延长其使用寿命，必须对其螺旋叶片进行补强。
补强形式有两种：一种是喷焊硬质合金粉；二是镶焊硬质合金切削具（图3-14-4）。使用较多的是片状（铲形、板齿）硬质合金。
在硬地层或岩石中钻进，则采用锥形或方柱齿，由于其与岩石接触面小，比压大。
表3-14-3
四、钻头螺距
钻头螺距S与钻头直径φ和地层性质有关。钻头直径愈大、地层愈潮湿，螺距愈小。为了避免钻屑从钻头螺旋 叶片上滚落，通常采用较小的螺旋上升角。上升角应小于岩屑与螺旋叶片之间的摩擦角。一般S=（0.25～0.5）φ，具体设计时可参考表3-14-3内的数据。
五、螺旋叶片数
长螺旋钻用的钻头，通常在下部1～2个螺距内为双螺旋，其余为单螺旋。短螺旋用的钻头，一般为双螺旋。钻头的螺距数为1～4个，钻进粘土层钻头取小值；钻进砂土层钻头取大值，一般用2～3个螺距。
六、螺旋钻头的中心管
其设计原理与方法与螺旋钻杆中心管相同。
七、螺旋钻头的螺旋叶片
与螺旋钻杆叶片的设计原理和方法相同。应该注意：在研磨性较强的砂土层钻进用的钻头，为增加其耐磨性，可在叶片上喷焊一定数量的硬质合金粉，延长钻头使用寿命。
绳索取心钻杆由于壁薄,接头螺纹设计是非常重要的技术参数,螺纹承载能力的大小直接影响钻杆的施工深度。深孔钻探不同于浅孔和中深孔钻探,要求钻杆螺纹不仅具有较大的抗扭、抗拉能力,而且要有良好的防脱、密封性能,才能满足深孔钻探施工要求。
钻杆螺纹设计参数有:螺纹锥度、螺距、螺纹的牙形半角、螺纹长度、紧密距、螺纹密封等。通过对国内外用于钻探实践的各种螺纹技术性(强度、密封性、磨损后强度变化规律等)、可加工性、经济性进行综合研究,将普通梯形螺纹设计为负角度不对称梯形螺纹结构形式(图2-25),较好地解决了深孔钻探绳索取心钻杆螺纹强度及防脱、密封难题。N、H规格口径绳索取心钻杆螺纹设计参数见表2-16。
图2-25 负角度不对称梯形螺纹结构
表2-16 绳索取心钻杆负角度螺纹结构主要参数
注:表中为手拧紧密距。
负角度螺纹结构设计有如下特点。
(1)锥度
钻杆螺纹的锥度大小决定了螺纹整体受力的均匀性。钻杆螺纹连接时,公母螺纹大径端的端面紧密接触,形成密封并承受螺纹旋紧产生的压力,预紧力矩越大或工作扭矩越大,产生的附加压力越大,大约是正常工作力的6～7倍。反作用力都加到了公扣的根部,根部第一牙受力最大,离开公扣根部的螺纹受力逐渐减小。根据普通螺纹强度计算方法,在无端面影响的螺纹第一牙受力为全部载荷的30%,采用变螺距、应力槽等方法都能够均衡螺纹受力,根据有限元分析,锥度1∶22时应力幅值最小。
(2)螺距
螺距取决于所需强度和自锁要求,螺旋升角越小,螺纹的自锁性越好,抗脱扣能力越强。各种规格都使用8mm螺距,剪切强度完全满足要求,从未出现螺纹剪切损坏。
(3)螺纹的牙形半角
螺纹牙形半角的大小也影响螺纹强度。同样深度的螺纹,受力面的牙型角度越小,承载能力越好,甚至可以采用负角度承载受力面,一方面可以增加受力,另一方面可以防止钻杆脱扣。而对于螺纹牙型的非受力面可采用大角度的螺纹半角,增强螺纹根部的受力面积,增大螺纹的承载能力。如图2-26所示。
图2-26 负角度、不对称梯形螺纹受力情况
经过对钻杆螺纹副的机械性能试验,Φ71mm的绳索取心钻杆最大抗拉能力达到660kN,Φ89mm绳索取心钻杆最大抗拉能力达到1000kN。
(4)钻杆螺纹长度
为保证钻杆承载强度,钻杆螺纹长度设计为50～55mm。对公母螺纹的长度公差进行严格控制。一般母螺纹稍长于公螺纹(0～0.3mm),这样,在正常钻进时使公母螺纹形成双止动连接,增强传扭能力。
(5)紧密距
保证钻杆公母螺纹拧紧时有一定的手拧紧密距,一般为0.5～1.5mm。通过公母螺纹的内外径公差和公母螺纹的不同锥度进行控制。公母螺纹拧紧在螺纹大端一定范围内产生过盈,从而增强螺纹的连接刚性,改善螺纹的受力状态。
(6)螺纹密封
众所周知,随着施工深度加深,对钻杆的密封要求越高。因此,钻杆在设计时有15°端部密封,在螺纹根部的大小径处增加了螺纹密封台阶面,使公母螺纹的根部有过盈台阶面,在钻杆拧紧时使台阶面因受力而咬合,从而形成螺纹根部大径的密封,增强了螺纹的综合密封性能。经实验室密封试验,Ф71mm、Ф89mm绳索取心钻杆承受的静态密封压力可达到10～12MPa。
螺旋钻杆的作用：传递扭矩；用作岩屑上返通道；增加钻头的轴压等。
设计螺旋钻杆应满足以下要求：有足够的抗振、抗扭强度；耐磨可靠；易排屑；连接可靠；连接部分不妨碍岩屑运输等。
一、螺旋钻杆直径D的设计
螺旋钻杆直径D取决于钻孔直径（即钻头直径），为减少钻杆柱与孔壁间的摩擦阻力，一般螺旋钻杆直径要比钻头直径小10～20mm。当孔径小于200mm时，可取下限；孔径大于800mm，可适当加大上限。
表3-14-1
二、螺旋钻杆螺距S的设计
螺距S与所钻地层和螺旋钻杆直径D有关，设计时可参考表3-14-1。
三、中心管直径d的设计
中心管直径d和螺距S，均与螺旋叶板上的钻屑与螺旋面之间的摩擦角有关。为保证螺旋面上被输送的钻屑不因其自重而滑落，应使其螺旋上升角小于钻屑与螺旋面之间的摩擦角；若按土与螺旋叶片的摩擦系数f=0.5计算，则其螺旋上升角αr应小于36°36′。如果设计时，取螺旋上升角αr=36°34′，钻屑与螺旋面的摩擦角为φ，则有式：
碎岩工程学
碎岩工程学
如果取土与螺旋面的摩擦系数f=0.5～0.7，代入公式（3-14-2），则得：
碎岩工程学
四、螺旋叶片的设计
1.螺旋叶片是采用开口环形钢片
经热压模法加工而成形开口环形钢片（坯料）如图3-14-1所示。按照螺纹原理可以导出开口圆环内、外径（D1和d1）的计算公式：
碎岩工程学
式中：L、l为对应于一个螺距S的螺旋线长度（图3-14-2）。
碎岩工程学
图3-14-1 螺旋叶片的坯料
图3-14-2 螺旋线的形成原理图
2.螺旋叶片切口中心角
由于开口叶片在压模成形过程中产生很复杂的变形，故圆环的周长，要比实际对应的螺旋线长度大，其切口中心角θ（见图3-14-1）应为20°～30°。
3.螺旋叶片的厚度
一般为2～10mm，钻杆直径小、钻进均质软岩时取低值；钻进直径大、钻进砂砾、砂土时，取高值。选择时可以参考表3-14-2。
表3-14-2 螺旋叶片厚度与孔径、地层的关系
五、螺旋钻杆长度及螺旋头数
螺旋钻杆长度取决于钻机桅杆的高度、回次长度和螺旋钻杆重量，一般取1～5m。目前尚未形成标准系列，凭经验和现场需要设计。
螺旋头数，则可采用单头或双头螺旋。
六、螺旋钻杆的连接
螺旋钻杆的连接方式有法兰盘式和接头式两种。法兰盘式靠连接螺栓传递轴向压力和回转力矩；接头式连接又分插接式、牙嵌式和螺纹式。
插接式采用不同形状的公母接头插接后再加穿销。公母接头的截面形状有两方、三角形、四边形和六方形等，靠接触面传递扭矩，以销轴传递轴向力；牙嵌式连接采用牙嵌式接头，以其牙齿和牙槽对正插入后，再用销钉或螺栓连接，以牙嵌传递扭矩，以销钉或销栓承受轴向力；螺纹式连接则是在钻杆两端加焊公母接头承受轴向力。此种螺纹连接安全可靠，但其缺点是不允许反转卸土；扭矩过大时不易拆开。
螺旋钻杆杆体采用高压无缝钢管，钻杆接头采用42CrmoA优质合金结构钢，经真空调质处理，与钻杆杆体采用先进的高压过盈装配工艺焊接和摩擦焊焊接工艺，螺旋叶片采用高耐磨T型钢带，经预应力缠绕，全自动焊接设备焊接而成。本系列产品采用四方或六方的快速连接方式，使用时由弹簧销自动锁合，并配备U型销或半圆型防脱销，使钻杆的扭矩和钻孔深度达到最佳状态。
实施过程及实物工作量
1）钻机及器具图纸设计，完成图纸400多张；2）完成了一台套多功能物探钻机研制及测试；3）完成了一套空压机及车装改装配套研制及野外应用试验；4）完成350m双壁钻杆的试制；5）完成了2套反循环钻具的试制；6）完成了36m螺旋钻杆的及钻具和钻头的试制；7）完成了2套绳索打捞跟管钻具及钻头的试制；8...
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