适合在地下水位以下的粉细砂地层中钻进的钻头技术领域
本发明涉及工程勘察中的钻井技术，尤其涉及一种适合在地下水位以下的粉细砂
地层中钻进的钻头。
背景技术
在工程勘察中，需运用钻井技术对地层钻孔勘探。通过钻机钻进的方式得到地层
钻孔，在钻孔中开展原位测试和地球物理测井等，获得钻孔深度内的地层信息，为工程建设
和资源开发提供参考。
目前，国内外地质钻探技术趋于成熟，钻探设备比较完善。能够在多种地质条件下
开展钻孔工作。在砂土地层中开展钻探工作时，较为普遍的做法是从钻杆中高压注水，同时
利用钻头切削砂土，在水的冲击和裹挟作用下，使砂土浑浊液从钻筒和孔壁的间隙返浆至
地表。但实际操作中普遍出现的问题是，钻探过程中砂土混合液不能返浆至地面或者少量
返浆至地面，提钻后容易在孔底形成沉渣，导致钻进受阻。若采用木质纤维素混入钻井液
中，可使钻井液变为胶体，增大钻井液的黏度，增加砂土的返浆量。而且添加木质纤维素的
钻井液在土壤中较难降解，对环境污染较大，成本较高。同时，采用此种钻井液成孔后，残留
的木质素粘液会紧贴井壁，填充孔壁孔隙，影响孔内水体渗透。同时也改变了孔壁土体的物
理力学性质，使得在孔内开展原位测试和物理勘探测井的结果发生偏差。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术中存在的砂土不能提取和容易在孔底继续沉
渣的问题，提供一种适合在地下水位以下的粉细砂地层中钻进的钻头。
本发明的目的是这样实现的：
在不使用钻井液的钻进中，采用本钻头时，合金钻齿切削砂土，并把砂土和地下水搅拌
成浑浊液，在钻进压力下，粉细砂浑浊液涌进锥形导流罩内，向上顶开顶部溢流孔处的球
阀；粉细砂浑浊液流入球形溢流阀后通过其它5个溢流孔流入钻筒内；随着钻进的深入，流
入钻筒内的粉细砂浑浊液逐渐增多；在停钻或者提钻时，球形溢流阀的球阀滚落至最底部，
可堵住最底部的溢流孔，使钻筒内的粉细砂浑浊液就不会从钻筒内流出，避免了在钻孔底
部形成沉渣，达到预期的钻进深度，保证了成孔质量。
一、粉细砂地层中钻进的钻头（简称钻头）
本钻头包括合金钻齿、连接筒、锥形导流罩、球形溢流阀、球阀和钻筒；
其位置和连接关系是：
自下而上，合金钻齿、连接筒和钻筒依次连接组成主体结构；
在连接筒的顶部依次设置有锥形导流罩和球形溢流阀，在球形溢流阀内设置有球阀。
二、钻进方法
本钻进方法包括下列步骤：
①组装
钻头通过连接筒的螺纹和钻筒连接固定；
②切削
在钻进时，钻机通过对钻杆施加扭矩，带动合金钻齿切削砂土，并把削下的砂土和地下
水搅拌成粉细砂浑浊液；
③收浆
在钻进压力下，粉细砂浑浊液涌进锥形导流罩内，向上顶开球形溢流阀下面的溢流孔
处的球阀，粉细砂浑浊液流入球形溢流阀后，通过其它5个溢流孔流入钻筒内；
④提钻
在提钻时，球阀在自重作用下滚落至球形溢流阀的底部，封堵底部的溢流孔，阻止钻筒
内的粉细砂浑浊液向下流出，避免了在钻孔底部形成沉渣。
本发明具有下列优点和积极效果：
①在钻头钻进时，锥形导流罩内的粉细砂浑浊液被压缩，形成较高的内部压力，使得粉
细砂浑浊液能够沿锥形导流罩顶部的溢流孔上涌，顶开球阀，流入球形溢流阀内；
②球形溢流阀设置有6个溢流孔，分别均布于球形溢流阀的上、下、前、后、左、右处，便
于粉细砂浑浊液快速流入钻筒内；
③球形溢流阀的设计，有利于球阀在其内部的滚动，同时又可约束球阀的活动范围，便
于粉细砂浑浊液在球形溢流阀内的涌动和溢出；
④球阀能够在自重的作用下，滚动至球形溢流阀底部的溢流孔，达到封闭溢流孔的目
的；
⑤利用本钻头，在地下水位以下的粉细砂中进行干钻时，可有效提取砂土，避免了在钻
孔底部形成沉渣；
⑥本钻头在地下水位以下的粉细砂中干钻成孔时，无需利用高压注水的方式冲击和裹
挟粉细砂浑浊液至地表，减少了钻进时的用水量，更加节能环保；
⑦采用本方法干钻成孔，可避免钻井液对孔内土体的污染和破坏，能使在孔内进行工
程勘察的测试结果更加符合真实值；
⑧钻头中的构件组合和拆卸方便，便于构件的更换和维修；
⑨可以通过调整相关结构的尺寸，改变钻头的大小，适应不同内径钻孔的要求。
总之，本钻头可以在地下水位以下的粉细砂地层中钻进时，有效提取粉细砂，避免
在钻孔底部形成沉渣，达到预期的钻进深度，保证成孔质量；同时本钻头可实现多次工业复
制。
附图说明
图1是本钻头的结构示意图（主视，剖）；
图2是本方法的步骤图。
图中：
1—合金钻齿；
2—连接筒，2.1—螺纹；
3—锥形导流罩；
4—球形溢流阀，4.1—溢流孔；
5—球阀；
6—钻筒。
a—组装；
b—切削；
c—收浆；
d—提钻。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、钻头
1、总体
如图1，本钻头包括合金钻齿1、连接筒2、锥形导流罩3、球形溢流阀4、球阀5和钻筒6；
其位置和连接关系是：
自下而上，合金钻齿1、连接筒2和钻筒6依次连接组成主体结构；
在连接筒2的顶部依次设置有锥形导流罩3和球形溢流阀4，在球形溢流阀4内设置有球
阀5。
2、功能部件
01）合金钻齿1
合金钻齿1是一种合金材制的钻齿均匀分布的圆圈；
设置在连接筒2的底面，刚度和硬度大，能够锋利切削岩土体。
02）连接筒2
连接筒2是一种钢制圆筒，在连接筒2的上部设置有外螺纹2.1，连接筒2通过外螺纹2.1
和钻筒8紧密连接。
连接筒2的外径可根据钻孔内径大小调整，壁厚可根据地层情况而定，在连接筒2
的下底面焊接有合金钻齿1。
03）锥形导流罩3
锥形导流罩3是一种呈倒漏斗形的钢制容器，其顶部设置有小孔和球形溢流阀4连通，
其底部焊接在连接筒2内壁，焊缝为水平面内的圆环。
04）球形溢流阀4
球形溢流阀4是一种钢制中空球体，在中空球体的上、下、前、后、左、右均布有6个溢流
孔4.1，溢流孔4.1内径的大小需适应钻进速度和砂土粒径的大小，使砂土浑浊液可通过溢
流孔4.1流入钻筒2内。
05）球阀5
球阀5是一种钢制圆球，直径为溢流孔6内径的1.4倍左右，球阀5能够在自重的作用下，
滚动至球形溢流阀4底部的溢流孔4.1，达到封闭溢流孔4.1的目的。
08）钻筒6
钻筒6的外径和连接筒2一致，钻筒2通过螺纹2.1与下部连接筒2连接，钻筒6的上部与
钻杆连接；钻机钻进时对钻杆施加扭矩带动钻筒6、连接筒2和合金钻齿1，使钻头切削土体。
3、工作机理：
在钻进时，钻机通过钻杆对钻筒6施加扭矩，带动合金钻齿1切削砂土，并把削下的砂土
和地下水搅拌成粉细砂浑浊液；在钻进压力下，粉细砂浑浊液涌进锥形导流罩3内，向上顶
开球形溢流阀4下面的溢流孔4.1处的球阀5，粉细砂浑浊液流入球形溢流阀4后，通过其他5
个溢流孔4.1流入钻筒6内；随着钻进的深入，流入钻筒6内的粉细砂浑浊液逐渐增多；在提
钻或者停钻时，球阀5在自重作用下滚落至球形溢流阀4的底部，可封堵底部的溢流孔4.1，
阻止钻筒6内的粉细砂浑浊液向下流出，避免了在钻孔底部形成沉渣。
二、方法
如图2，本方法是：
①组装-a；
②切削-b；
③收浆-c；
④提钻-d。