一种绳索取心螺旋转轴式局部反循环取心钻具的制作方法

本实用新型是用于矿产资源勘查、油井钻探等工程领域钻进的局部反循环取心钻具，具体涉及一种松散破碎等复杂地层使用的绳索取心螺旋转轴式局部反循环取心钻具。

背景技术：

目前，世界各国矿产资源日渐枯竭，这就需要钻井公司更经济、更有效地进行矿产资源开发。要了解地层中矿产资源的结构，走向等情况，取芯钻探是最有效的手段。作为钻进作业中的重要工具——钻具，其工作性能直接影响到钻进作业的质量、成本和效率。

在钻进作业中经常遇到松散破碎等复杂地层，钻遇这类复杂地层时其取芯非常困难，普通取芯钻进方法难以高质高效采取所需岩芯，目前在钻遇这类复杂地层时多采用全孔反循环或者射流式孔底局部反循环钻具钻进取芯，全孔反循环钻具钻进时其钻井液回路虽然有利于岩芯进入岩芯管，但是钻井液在外管与孔壁的环状间隙内从上向下运动时会冲蚀孔壁，因全孔反循环冲蚀岩芯，在松散破碎地层中岩芯采取率不高；射流式孔底局部反循环钻具虽然具有普通反循环的优点，也能够克服普通反循环的缺陷，但是通过射流的方式造成孔底局部反循环需要大泵压高射流速度才能形成，且造成负压现象不明显，在射流速度较低的情况下，反循环效果差，严重影响了岩芯采取率，造成岩芯采取率低，而且多种反循环取心钻具都是采用提钻取心，提钻下钻耽误时间多，纯钻进时间少，钻进效率低。

技术实现要素：

本实用新型要解决的问题是，针对现有松散破碎等复杂地层用钻具取芯存在的上述不足，提供一种绳索取心螺旋转轴式局部反循环取心钻具，该钻具结合了绳索取心、螺旋叶片和双管单动反循环工作原理，在钻进过程中能够发挥其局部反循环优势，有效提高钻进效率和岩芯采取率。

本实用新型为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种绳索取心螺旋转轴式局部反循环取心钻具，至少包括捞矛机构、旋转驱动接头、过渡接头、螺旋转轴、过渡元件、联通元件、内管接头、内管、外管、扩孔器和取心钻头，所述旋转驱动接头自上而下分为上段、中段、下段三个部分，旋转驱动接头上段与取心钻杆连接，旋转驱动接头中段与捞矛机构连接，旋转驱动接头下段与外管连接；所述捞矛机构下端通过过渡接头与过渡元件连接，过渡元件连接联通元件；所述螺旋转轴通过一对圆锥滚子轴承和两个轴承座支撑后安装在中空的联通元件内，同时螺旋转轴的上端部连接在接头内部；联通元件下端的内部与单通零件座螺纹连接后通向内管，联通元件下端的外部通过内管接头及大螺母与内管连接，内管的下端安装有卡簧，内管套设在外管内，外管接扩孔器和取心钻头。

按上述方案，所述捞矛机构包括捞矛头、内套管、外套管、弹簧和铰接弹卡，铰接弹卡与内套管铰接，弹簧套接在内套管上，外套管与捞矛头以及铰接弹卡连接，内套管下端设计有用于和过渡接头上段连接的外螺纹，内套管下端与过渡接头上段螺纹连接。

按上述方案，所述旋转驱动接头上段设有外螺纹，与取心钻杆连接；旋转驱动接头中段内部有圆弧过渡切槽，与捞矛机构的铰接弹卡配合连接；旋转驱动接头下端设有外螺纹，与外管连接；取心钻杆在钻机或者其它方式动力驱动下旋转，通过旋转驱动接头与铰接弹卡的配合，带动捞矛机构和过渡接头一起旋转。

按上述方案，所述过渡接头下段设计有内螺纹，过渡元件上段设有外螺纹，过渡接头下端通过与中空的过渡元件上段螺纹配合连接。

按上述方案，所述螺旋转轴包括轴、方头和螺旋叶片，螺旋叶片焊接在轴上，方头设置在轴的上端部，过渡接头内部设置有方孔，方孔与螺旋转轴的方头配合连接。

按上述方案，所述螺旋转轴上的螺旋叶片旋向与过渡接头或取心钻杆是顺时针旋转还是逆时针旋转有关：若过渡接头顺时针转动，则螺旋叶片的旋向为右旋；若过渡接头逆时针转动，则螺旋叶片的旋向为左旋。

按上述方案，所述圆锥滚子轴承安装在轴承座中间，轴承座外围设置有圆孔和腰孔，圆孔和腰孔作为钻井液反循环的通道。

按上述方案，所述过渡元件内部设计为中空结构，联通元件安装在该中空结构内；过渡元件两端设置有用于安装大小两个推力轴承的凹槽，小推力轴承安装在靠近过渡接头的端部的凹槽处，联通元件中部外侧设置有凸台，大推力轴承安装在凸台与过渡元件远离过渡接头的端部的凹槽内，过渡元件通过大推力轴承与联通元件连接。

按上述方案，所述过渡元件的端面以及联通元件的端面均设置若干均匀的通孔作为反循环钻井液的通道。

按上述方案，所述联通元件下端的内部设置内螺纹与单通零件座外圆周上的外螺纹连接，单通零件座的内部设置一小孔以及直径略大于该小孔的止水球。

本实用新型的工作原理：当钻机驱动绳索取心钻杆时，绳索取心钻杆的转动带动旋转驱动接头的转动，而旋转驱动接头又通过圆弧过渡切槽与捞矛机构的铰接弹卡配合，所以旋转驱动接头的转动又带动捞矛机构的转动，捞矛机构下端通过螺纹与过渡接头配合，所以过渡接头也跟随捞矛机构一起转动。过渡接头又通过其内的方孔与螺旋转轴上的方头配合，由过渡接头通过方孔-方头的配合带动螺旋转轴与绳索取心钻杆同步旋转；螺旋转轴两端分别设置有圆锥滚子轴承，用于承担螺旋转轴旋转时产生的轴向力和径向力；圆锥滚子轴承安装在轴承座上，轴承座上分布很多通孔，作为钻井液的流通通道；由于螺旋转轴上设计有螺旋叶片，螺旋叶片的转动会带动冲洗液自下而上的运动，使冲洗液产生压差，从而造成负压，并在中空的联通元件内腔产生负吸效应，将钻井液从内管、联通元件的一端吸入，从联通元件另一端排出，形成冲洗液孔底局部反循环。

本实用新型和其他相近的反循环钻具相比，具有如下有益效果：

1、在孔底局部反循环取心钻进的基础上能够实现绳索取心：多种绳索取心钻具都是正循环钻进，虽能够保证钻进效率，但是针对松散破碎地层难以完成岩心采取率要求；孔底局部反循环取心钻具又大多是采用提钻取心，虽然能够提高岩心采取率，但是辅助时间大大增加，纯钻进时间减少，钻进效率低，本实用新型借鉴绳索取心捞矛机构，设计旋转驱动接头和过渡接头，在孔底局部反循环的基础上实现绳索取心，大大提高纯钻进时间，提高钻进效率；

2、旋转驱动接头设计独特，驱动方式不同：旋转驱动接头上端通过螺纹连接取心钻杆、中端与捞矛机构的弹卡通过圆弧过渡切槽配合、下端过螺纹与外管连接，这样旋转的钻杆带动旋转驱动接头转动，旋转驱动接头带动捞矛机构和外管转动，捞矛机构带动过渡接头转动，过渡接头带动螺旋转轴和过渡元件转动，在一对推力轴承的作用下，过渡元件和螺旋转轴的转动并不带动联通元件和内管一起转动，实现“双管单动”的要求，从而保护岩心；

3、本钻具配合打捞器使用可通过捞矛头将携带岩心的内管打捞上来，结合了绳索取心、螺旋叶片和双管单动反循环工作原理，在保证钻进效率的同时，又有效提高岩芯采取率。

附图说明

图1为本实用新型绳索取心螺旋转轴式局部反循环取心钻具的平面装配示意图；

图2为图1中捞矛机构结构的平面爆炸示意图；

图3为图1中捞矛机构结构的装配示意图；

图4为图1中旋转驱动接头的轴测图；

图5为图1中旋转驱动接头内部结构剖视示意图；

图6为图1中螺旋转轴的立体结构示意图；

图中，1-捞矛机构，2-旋转驱动接头，3-过渡接头，4-螺旋转轴，5-小螺母，6-小推力轴承，7-过渡元件，8-轴承座，9-大推力轴承，10-联通元件，11-大螺母，12-圆锥滚子轴承，13-内管接头，14-单通零件座，15-止水球，16-内管，17-外管，18-扩孔器，19-卡簧，20-取心钻头，41-方头，42-轴，43-螺旋叶片，101-捞矛头，102-内套管，103-外套管，104-弹簧，105-铰接弹卡。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

参照图1所示，本实用新型所述的绳索取心螺旋转轴式局部反循环取心钻具，至少包括捞矛机构1、旋转驱动接头2、过渡接头3、螺旋转轴4、过渡元件7、联通元件10、内管接头13、内管16、外管17、扩孔器18和取心钻头20。

如图2~图3所示，捞矛机构1包括捞矛头101、内套管102、外套管103、弹簧104和铰接弹卡105，铰接弹卡105与内套管102铰接，弹簧104套接在内套管102上，外套管103与捞矛头101以及铰接弹卡105连接，内套管102下端与过渡接头3上段螺纹连接（内套管102下端设计有用于和过渡接头3上段连接的外螺纹），过渡接头3下段设计有内螺纹，与过渡元件7上段的外螺纹配合连接，过渡元件7连接联通元件10。

如图4~图5所示，旋转驱动接头2自上而下分为上段、中段、下段三个部分，旋转驱动接头2上段与取心钻杆连接（上段设置有用于和取心钻杆连接的外螺纹），旋转驱动接头2中段与捞矛机构1的铰接弹卡105连接（旋转驱动接头2中段内部设计有与捞矛机构1的铰接弹卡105配合圆弧过渡切槽，圆弧过渡切槽在旋转驱动接头2转动的过程中能够通过与捞矛机构1的铰接弹卡105配合，带动捞矛机构1转动），旋转驱动接头2下段与内管连接（下段设计有与外管17连接的外螺纹）；螺旋转轴4通过一对圆锥滚子轴承12和两个轴承座8支撑后安装在中空的联通元件10内，同时螺旋转轴4的上端部连接在过渡接头3内部；联通元件10下端的内部与单通零件座14螺纹连接后通向内管16，联通元件10下端的外部通过内管接头13及大螺母11与内管16连接，内管16的下端安装有卡簧19，内管16套设在外管17内，外管17接扩孔器18和取心钻头20。

如图6所示，螺旋转轴4包括轴42、方头41和螺旋叶片43，螺旋叶片43焊接在轴42上，方头41设置在轴42的上端部，过渡接头3内部设置有方孔，方头41与该方孔配合连接（当钻机驱动绳索取心钻杆、绳索取心钻杆带动旋转驱动接头2、旋转驱动接头2带动捞矛机构1、捞矛机构1带动过渡接头3旋转时，在方孔方头41配合下，旋转的过渡接头3带动螺旋转轴4在中空的联通元件10内与绳索取心钻杆同步旋转，在螺旋叶片43的作用下，造成负吸现象，实现钻井液的孔底局部反循环）。螺旋转轴4上的螺旋叶片43旋向（左旋、右旋）与过渡接头3或绳索取心钻杆是顺时针旋转还是逆时针旋转有关：若过渡接头3顺时针转动，则螺旋叶片43的旋向为右旋；若过渡接头3逆时针转动，则螺旋叶片43的旋向为左旋。

圆锥滚子轴承12安装在轴承座8中间，轴承座8外围设置有圆孔和腰孔，这些圆孔和腰孔作为钻井液反循环的通道。

过渡接头3靠近下段内螺纹部分均匀布置4~6个直径为8mm的径向孔（引导反循环的钻井液进入内外管环空）。

过渡元件7内部设计为中空结构，联通元件10安装在该中空结构内；过渡元件7两端设置有用于安装大小两个推力轴承的凹槽（大小两个推力轴承实现双管单动），小推力轴承6安装在靠近过渡接头3的端部的凹槽处，联通元件10中部外侧设置有凸台，大推力轴承9安装在凸台与过渡元件7远离过渡接头3的端部的凹槽内，过渡元件7通过大推力轴承9与联通元件10连接。过渡元件7的端面以及联通元件10的端面均设置若干均匀的圆形通孔作为反循环钻井液的通道。

联通元件10下端的内部设置内螺纹与单通零件座14外圆周上的外螺纹连接，单通零件座14的内部设置一小孔以及直径略大于该小孔的止水球15（单通零件座14的小孔与止水球15配合实现钻井液的单通效果）。

本实用新型一种绳索取心螺旋转轴式局部反循环取心钻具在钻进工作过程中是如下进行工作：

钻机驱动绳索取心钻杆旋转、绳索取心钻杆带动旋转驱动接头2旋转，旋转驱动接头2通过下端外螺纹与外管17内螺纹配合，带动外管17与绳索取心钻杆同步旋转，外管17带动扩孔器18和取心钻头20同步旋转，实现取心钻进；旋转驱动接头2通过设置其上圆弧过渡切槽与捞矛机构1的铰接弹卡105配合，带动与捞矛机构1下段通过内外螺纹配合连接的过渡接头3转动；过渡接头内设置有方孔，与之配合的是螺旋转轴4一端的方头41，过渡接头3通过方孔与方头41配合，实现过渡接头3带动螺旋转轴4同步旋转；螺旋转轴4由一对圆锥滚子轴承12支撑，该对圆锥滚子轴承12坐落在一对轴承座8上，螺旋转轴4、圆锥滚子轴承12和轴承座8均安装在中空的联通元件10内；在联通元件10的下端通过螺纹连接单通零件座14，配合止水球15形成球阀，实现钻井液的单向导通；过渡元件7的下端通过大推力轴承9与联通元件10连接，联通元件10的上端通过过渡元件7、小推力轴承6与小螺母5连接，实现双管单动的效果，即内管16和外管17这双管中，内管16不旋转，只有外管17单独旋转。

过渡接头3通过方孔方头41配合带动螺旋转轴4在联通元件10中旋转，由于轴承座8、联通元件10上的通孔设置和螺旋转轴4上的螺旋叶片43作用，能够带动钻井液从联通元件10的下端进入、上端流出，产生负吸效应。从泥浆泵来的钻井液通过回转的绳索取心钻杆进入与绳索取心钻杆连接的旋转驱动接头2内，经过过渡接头3与外管17之间的环空间隙进入内管16和外管17所形成的环空间隙直达到取心钻头20，经取心钻头20的水口后一部分钻井液会携带钻渣进入外管17与孔壁形成的环空，最后返回地表，另一部分钻井液会由于负吸效应的存在而随同岩芯进入内管16，经单通零件座14和止水球15形成的球阀、轴承座8上的通孔、螺旋转轴4、联通元件10上的通孔、过渡元件7上的通孔和过渡接头3下端的4~6个径向分布的通孔，再次进入内管16和外管17所形成的环状间隙内，形成孔底局部反循环。在岩芯将充满岩芯管而提钻前干钻一段时间，通过卡簧19卡取岩芯。

使用本实用新型研制开发的一种绳索取心螺旋转轴式局部反循环取心钻具，可以在保证纯钻进时间和钻进效率的同时，实现在松散破碎复杂地层中高效高质量采取岩芯的目标，提高钻进工作生产的技术经济指标。

应理解，上述实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。