一种钻进式井壁取芯装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种钻进式井壁取芯装置，包括主机体、传动装置和安装在所述传动装置上的钻头，其中，还包括容纳在所述主机体内的机架以及多个第一液压油缸，所述传动装置以可转动的方式安装在所述机架上，所述第一液压油缸安装在所述主机体上，所述第一液压油缸的活塞与所述机架连接，所述第一液压油缸的活塞的伸缩运动带动所述机架在所述主机体内做径向运动，使所述钻头从所述主机体伸出或缩回。上述井壁取芯装置在主机体内设置机架，将装有钻头的传动装置安装在机架上，使用液压油缸直接带动该机架在主机体内做径向运动，从而实现钻头伸缩，结构实现简单、可靠，提高了取芯的精准度。
【专利说明】一种钻进式井壁取芯装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石油勘探领域，更具体地，涉及一种钻进式井壁取芯装置。
【背景技术】
[0002]钻进式井壁取芯装置是一种石油勘探设备，美国专利US2013/0068531A1公开了一种钻进式井壁取芯装置，如图1所示，取芯装置100下入井中，钻头1002垂直井壁钻进地层进行取芯、折芯作业，钻头1002缩回主机体1001后再完成推芯作业。现有的取芯装置，其工作过程为:地面面板控制井下取芯装置100的电机，电机带动液压泵，产生高压，来驱动推靠臂1003打开，从而使取芯装置固定在取芯深度并紧贴井壁；同时液压系统产生的高压驱动液压马达，液压马达驱动金刚石钻头，使其旋入地层，钻到目标长度后，通过折芯动作取得地层的岩芯。
[0003]上述取芯装置的钻头安装在液压马达上，驱动钻头的动力传递路线为:电机——>液压泵一> 液压马达一> 钻头。而液压泵、液压马达的动力传输效率很低，特别是在温度变化很大时，液压油粘度变化很大，效率更低，因此从电机传输到钻头1002的有效功率很小，大概20%左右。为保证钻头1002有足够功率完成取芯作业，电机功率必须很大，而对电机大功率的要求造成井下供电难度很大、风险很高。另外，由于液压油的粘度受温度影响较大，而液压系统的功率传递效率与粘度关系紧密，因此同一种液压油的仪器工作温度范围比较窄，必须根据不同的井下作业温度，频繁更换不同的液压油来完成取芯作业。
[0004]上述取芯装置的钻头1002在钻进时需要相对主机体1001伸出以紧贴井壁，在折芯后需要将钻头1002缩回主机体1001内。上述取芯装置实现钻头伸缩的机构包括在主体机1001上安装的第一液压油缸、长运动导轨和短运动导轨，依靠第一液压油缸的驱动及液压马达上安装的滑块与长运动导轨、短运动导轨进行配合运动，可以实现钻头1002相对主机体1001伸出或缩回。该实现依赖于轨道的设计，对装置的制造精度要求较高。
[0005]上述取芯装置的钻头1002需要进行旋转，使钻头1002转动到推芯位置(此时钻头的轴向与主体机的轴向平行)以完成推芯作业，或者使钻头1002转动到初始位置(此时钻头的轴向垂直于主机体的轴向)。上述取芯装置在取芯位置还需要驱动钻头摆动以完成折芯作业。上述取芯装置通过第二液压油缸的活塞和联动机构带动液压马达，依靠液压马达上安装的滑块与长运动导轨、短运动导轨配合运动，来实现钻头1002的旋转和摆动，由于其实现依赖于轨道的设计，对装置的制造精度要求较高。而且，由于钻头1002伸缩时，第二液压油缸和联动机构相对液压马达的位置是变化的，只有在钻头1002的取芯深度足够时，才能够完成折芯作业，如果在取芯过程中钻头1002遇卡，不能够到达指定深度，则无法实现折芯和取芯。
【发明内容】
[0006]本发明的目的之一是提供一种钻进效率更高的井壁取芯装置。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明提供了一种钻进式井壁取芯装置，包括:电机和钻头，其中，所述井壁取芯装置还包括软轴和减速器，所述软轴一端与所述电机的输出轴连接，另一端与所述减速器的输入端连接，所述钻头安装在所述减速器的输出端上。
[0008]优选地，所述减速器为直角减速器。
[0009]上述井壁取芯装置使用软轴和减速器传递钻头钻进所需的动力，相对于液压泵和液压马达效率较高且不会随温度变化而变化，取芯成功率大大提高，且不需要频繁更换液压油，现场维修保养工作量大大降低、同时有效降低了现场作业风险。
[0010]本发明的另一目的是提供一种钻头伸缩机构更为简单、可靠的井壁取芯装置。
[0011]本发明的又一目的是提供一种不受取芯深度限制均可完成折芯的井壁取芯装置。
[0012]为了实现上述发明目的，本发明提供了一种钻进式井壁取芯装置，包括主机体、传动装置和安装在所述传动装置上的钻头，其中，还包括容纳在所述主机体内的机架以及多个第一液压油缸，所述传动装置以可转动的方式安装在所述机架上，所述第一液压油缸安装在所述主机体上，所述第一液压油缸的活塞与所述机架连接，所述第一液压油缸的活塞的伸缩运动带动所述机架在所述主机体内做径向运动，使所述钻头从所述主机体伸出或缩回。
[0013]进一步地，所述传动装置为减速器，所述井壁取芯装置还包括电机和软轴，所述软轴一端与所述电机的输出轴连接，另一端与所述减速器的输入端连接，所述钻头安装在所述减速器的输出端上。
[0014]进一步地，所述井壁取芯装置还包括第二液压油缸和联动机构，所述第二液压油缸固定在所述机架上，所述联动机构的一端连接所述第二液压油缸的活塞，另一端连接所述传动装置，所述第二液压油缸活塞的伸缩运动通过所述联动机构带动所述传动装置相对所述机架旋转，使所述钻头旋转或摆动。
[0015]进一步地，所述传动装置壳体的两侧设置有转轴，所述转轴套设在所述机架两侧对应的连接孔中；所述联动机构与所述传动装置的连接点设置在所述传动装置的壳体上且偏离所述转轴；所述传动装置在所述联动机构的带动下，以所述转轴为中心相对所述机架旋转。
[0016]进一步地，所述传动装置壳体的一侧或两侧还设有凸块，所述凸块偏离所述转轴设置；所述机架相应位置上设有限制所述凸块在90度范围内转动的第一限位槽。
[0017]进一步地，所述第二液压油缸和所述联动机构均有两个，所述联动机构为二连杆机构，包括与所述第二液压油缸的活塞连接的第一连杆及与所述传动装置连接的第二连杆，所述机架上设有限制所述第一连杆在轴向运动的第二限位槽。
[0018]进一步地，所述第一液压油缸有2N个，固定在所述主机体上所述钻头伸出的一侦牝其中，N个第一液压油缸的活塞与所述机架的一边固定连接，另N个第一液压油缸的活塞与所述机架的另一边固定连接，N为正整数。
[0019]进一步地，所述传动装置上安装有一个或多个角度传感器，用于检测所述钻头的旋转角度。
[0020]进一步地,所述电机固定在所述主体机上。
[0021]上述井壁取芯装置在主机体内设置机架，将装有钻头的传动装置安装在机架上，使用液压油缸直接带动该机架在主机体内做径向运动，从而实现钻头伸缩，结构实现简单、可靠，提高了取芯的精准度。较佳地，将实现钻头旋转、摆动所需的第二液压油缸和联动机构安装在该机架上，随着机架一起运动，避免了钻头遇卡时无法实现取芯的情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是现有的钻进式井壁取芯装置使用状态图。
[0023]图2是本申请的钻进式井壁取芯装置立体装配图。
[0024]图3是图2的俯视图。
[0025]图4是图3的A-A剖视图。
[0026]图5是图3的B-B剖视图。
[0027]图6是将主机体I剥离后，机架7及其上安装的部件的立体图。
[0028]图7是将机架7剥离后，钻头2、直角减速器4及与直角减速器4相连的相关部件的立体图。
[0029]图8是钻头2已伸出主机体I到达取芯位置时，与图4同一剖切位置剖视图。
[0030]图9是钻头2已伸出主机体I到达取芯位置时，与图5同一剖切位置剖视图。
[0031]图10是钻头旋转至推芯位置时，与图4同一剖切位置剖视图。
[0032]图11是钻头旋转至推芯位置时，与图5同一剖切位置剖视图。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
[0034]图2、图3示出了本实施例钻进式井壁取芯装置的立体图和俯视图。本实施例的井壁取芯装置包括主机体1，从主机体I表面可以看到直角减速器4、推靠臂3等部件。
[0035]图4是图3的A-A剖视图、图5是图3的B-B剖视图。图4中示出的用于实现钻头钻进的动力机构包括钻头2、直角减速器4、软轴5和电机6,软轴5的一端与电机6的输出轴连接，另一端与直角减速器4的输入端连接，钻头2安装在直角减速器4的输出端上。这样，本实施例钻头钻进的动力传递路线为:电机——> 软轴——> 减速器——> 钻头，软轴、减速机的效率相对于液压泵和液压马达效率较高且不会随温度变化而变化，通过实验证明其传递效率约为60%，是原传递效率的3倍左右，钻头动力充足，取芯成功率就会大大提高。由于取消了液压泵和液压马达，钻头功率几乎不受温度影响，使用范围从50°C的温度变化范围扩展到150°C的温度变化范围，且不需要频繁更换液压油，现场维修保养工作量大大降低、同时有效降低了现场作业风险。
[0036]本实施例井壁取芯装置的主机体I内容纳有一机架7，装有钻头2的直角减速器4以可转动的方式安装在机架7上。请同时参见图4、图6和图7，其中图6是将主机体I剥离后，机架7及其上安装的部件的立体图，图7则是将机架7剥离后，钻头2、直角减速器4及与直角减速器4相连的相关部件的立体图。如图所示，电机6固定安装在主体机I上，可避免电机6连线松动，而由于电机6和直角减速器4之间是通过软轴5连接，所以并不影响传动。如图所示，软轴5和直角减速器4之间可以通过联轴器8连接。
[0037]由于钻头2是通过直角减速器4间接地安装在机架7上，本实施例通过机架7在主机体I内的径向运动来实现钻头2相对于主机体I的伸缩运动。请同时参见图5和图6，在主机体I内钻头2伸出的一侧，安装有4个第一液压油缸9，这4个第一液压油缸9的活塞与机架7四个角部固定连接，图6示出了机架7上用于与活塞连接的4个连接孔10。这样，通过第一液压油缸9的活塞的伸缩，就可以带动机架7在主机体I内做径向运动。
[0038]图4、图5示出的钻头2位于初始位置，此时第一液压油缸9的活塞处于伸长状态，机架7位于主机体I内远离钻头2伸出的一侧,需要进行取芯时,第一液压油缸9的活塞缩回，通过机架7带动钻头2向下运动从而伸出主机体I并始终紧贴进壁，图8、图9示出的钻头2已伸出主机体I到达取芯位置，此时机架7已紧近主体机I钻头伸出的一侧。完成取芯后，第一液压油缸9的活塞伸长，通过机架7带动钻头2向上缩回主机体I，到达初始位置后再通过旋转推芯位置即图10、图11示出的钻头2的位置。
[0039]该实现钻头伸缩的结构实现简单、可靠，便于控制，提高了取芯的精准度。而且第一液压油缸9的位置容易布置，可以根据需要设置足够的第一液压油缸来保证所需的动力。如第一液压油缸可以设置2N个，其中，N个第一液压油缸的活塞与所述机架的一边固定连接，另N个第一液压油缸的活塞与所述机架的另一边固定连接，N为正整数。
[0040]请参见图5、图6和图7，为了实现钻头2的旋转和摆动，直角减速器4壳体的两侧设置有转轴11，转轴11套设在机架7两侧对应的连接孔12中。直角减速器4壳体的一侧或两侧还设有凸块13，凸块13偏离转轴11设置，机架7对应于凸块13的位置上设有限制凸块13在90度范围内转动的第一限位槽14。本实施例使用第二液压油缸15驱动联动机构16来带动直角减速器4旋转。如图5所示，第二液压油缸15固定在机架7上，联动机构16的一端连接第二液压油缸15的活塞，另一端连接直角减速器4，第二液压油缸15活塞的伸缩运动通过联动机构16带动直角减速器4相对机架7旋转，使钻头2也相对于机架7 (也是相对于主机体I)旋转或摆动。
[0041]如图6和图7所示，联动机构16与直角减速器4的连接点设置在直角减速器4的壳体上且偏离转轴11，在联动机构16的带动下，直角减速器4以转轴11为中心相对机架7旋转。如图7所示的示例中，第二液压油缸15和联动机构16均有两个，而联动机构16为二连杆机构(本发明不局限于此)，包括与第二液压油缸15的活塞连接的第一连杆161及与直角减速器连接的第二连杆162，而在机架7上则设有限制第一连杆161在轴向运动的第二限位槽17。应当说明的是，图7中示出的连接和位置关系仅仅是示例性的，例如，也可以在直角减速器4的顶端设置两个连接部来于一个或二个联动机构16连接，又如，也可以在机架7上设置转轴而在直角减速器4的壳体上设置轴套或连接孔来实现直角减速器4与机架7的转动连接，又如，钻头旋转的方向也可以变化，等等。
[0042]图5、图6所示的钻头2在初始位置，此时第二液压油缸15处于伸长状态，通过联动机构16将钻头的轴向固定于与主机体轴向垂直的位置。图9中，钻头2已运动到取芯位置，此时钻头2伸入井壁中(请参见图1)，通过反复对第二液压油缸15加油和泄油，通过联动机构16带动直角减速器4和钻头2摆动一定角度，来实现折芯作业。由于第二液压油缸15、联动机构16和直角减速器4均承载在机架上，因而无论钻头2的钻进深度如何，第二液压油缸15、联动机构16与直角减速器4的相对位置不变，都可以相同的方式实现摆动折芯，从而在取芯过程中避免了钻头2遇卡时无法实现取芯的情况，因为即使钻头被卡，也可随时采取折断岩芯动作，成功取到岩芯。
[0043]取芯后，钻头会退回如图5和图6所示的初始位置，与初始状态不同的是，此时钻头中有取到的岩芯。此时，第二液压油缸15的活塞收缩，通过联动机构16带动直角减速器4和其上安装的钻头2旋转(图中是顺时针旋转，但本发明不局限于此)，使钻头2的轴向旋转到与主机体I轴向平行的位置，如图10和图11所示，此时即可以通过推芯机构来完成推芯作业。
[0044]本实施例的钻进式井壁取芯装置将钻进的动力机构改用软轴和减速器(不限于直角减速器)来传递动力；而通过设置机架、第一液压油缸来实现钻头的伸缩；同时通过将第二液压油缸固定在机架上来简化钻头的旋转机构。容易理解的是，在另一实施例中，可以仅仅采用本实施例的钻进的动力机构来提高效率。而在另一实施例中，仅采用本实施例实现钻头伸缩的机构，此时钻头的传动装置不需采用直角减速器，也可以使用液压马达等。此夕卜，在采用本实施例钻头伸缩机构的同时，可以采用或也可以不采用本实施例的钻头旋转机构。
【权利要求】
1.一种钻进式井壁取芯装置，包括主机体、传动装置和安装在所述传动装置上的钻头，其中，还包括容纳在所述主机体内的机架以及多个第一液压油缸，所述传动装置以可转动的方式安装在所述机架上，所述第一液压油缸安装在所述主机体上，所述第一液压油缸的活塞与所述机架连接，所述第一液压油缸的活塞的伸缩运动带动所述机架在所述主机体内做径向运动，使所述钻头从所述主机体伸出或缩回。
2.根据权利要求1所述的钻进式井壁取芯装置，其中，所述传动装置为减速器，所述井壁取芯装置还包括电机和软轴，所述软轴一端与所述电机的输出轴连接，另一端与所述减速器的输入端连接，所述钻头安装在所述减速器的输出端上。
3.根据权利要求1或2所述的钻进式井壁取芯装置，其中，所述井壁取芯装置还包括第二液压油缸和联动机构，所述第二液压油缸固定在所述机架上，所述联动机构的一端连接所述第二液压油缸的活塞，另一端连接所述传动装置，所述第二液压油缸活塞的伸缩运动通过所述联动机构带动所述传动装置相对所述机架旋转，使所述钻头旋转或摆动。
4.根据权利要求3所述的钻进式井壁取芯装置，其中，所述传动装置壳体的两侧设置有转轴，所述转轴套设在所述机架两侧对应的连接孔中；所述联动机构与所述传动装置的连接点设置在所述传动装置的壳体上且偏离所述转轴；所述传动装置在所述联动机构的带动下，以所述转轴为中心相对所述机架旋转。
5.根据权利要求4所述的钻进式井壁取芯装置，其中，所述传动装置壳体的一侧或两侧还设有凸块，所述凸块偏离所述转轴设置；所述机架相应位置上设有限制所述凸块在90度范围内转动的第一限位槽。
6.根据权利要求3所述的钻进式井壁取芯装置，其中，所述第二液压油缸和所述联动机构均有两个，所述联动机构为二连杆机构，包括与所述第二液压油缸的活塞连接的第一连杆及与所述传动装置连接的第二连杆，所述机架上设有限制所述第一连杆在轴向运动的第二限位槽。
7.根据权利要求1或2或4或5或6所述的钻进式井壁取芯装置，其中，所述第一液压油缸有2N个，固定在所述主机体上所述钻头伸出的一侧，其中，N个第一液压油缸的活塞与所述机架的一边固定连接，另N个第一液压油缸的活塞与所述机架的另一边固定连接，N为正整数。
8.根据权利要求1或2或4或5或6所述的钻进式井壁取芯装置，其中，所述传动装置上安装有一个或多个角度传感器，用于检测所述钻头的旋转角度。
9.根据权利要求2所述的钻进式井壁取芯装置，其中，所述电机固定在所述主体机上。
10.一种钻进式井壁取芯装置，包括:电机和钻头，其中，所述井壁取芯装置还包括软轴和减速器，所述软轴一端与所述电机的输出轴连接，另一端与所述减速器的输入端连接，所述钻头安装在所述减速器的输出端上。
11.根据权利要求10所述的钻进式井壁取芯装置，其中，所述减速器为直角减速器。
【文档编号】E21B49/02GK104153772SQ201410324549
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】冯永仁, 田志宾, 卢涛, 韩奋, 郝桂青 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油田服务股份有限公司