海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具的制作方法

本发明属于海底取心钻具技术领域，特别涉及一种海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具。

背景技术：

深海海底有着大量的矿产资源，生物资源，探索海底奥秘有利于促进解决资源匮乏的问题，也可以为相关科学家研究古海洋环境和古气候演化历史提供第一手资料。

海底岩心采取是探索海底奥秘的重要关键环节，这些深海样品可为科学家对深海资源、深海生物、深海地质演化等重大科学研究问题提供关键信息，目前在海底取心过程中，常遇到松散易碎地层岩心采取率低、岩心不完整、岩心脱落严重等问题。

目前海底岩心采取率低、岩心易脱落的主要原因如下：部分地层是松散破碎地层，传统的单动双管钻具内部卡簧处有台阶，岩心易卡堵在台阶处，一旦出现卡堵易造成岩心磨损，并且不利于岩心进入内管，还易出现井下事故。传统的单动双管钻具提取岩心时是靠卡簧夹断岩心然后提取岩心。而对于松散破碎地层，卡簧无法发挥其作用，在提取岩心时岩心脱落造成岩心采取不完整、采取率低等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对目前海底岩心采取率低、岩心不完整、岩心脱落等问题，提供一种新型可靠的用于解决岩心采取率低、岩心不完整、岩心脱落等问题的海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具，其特征在于，包括：上接头、第一毛细孔、第一上接头毛细孔环形槽、第二毛细孔、合金条、第一密封圈、止推轴承、第一圆锥滚子轴承、第二圆锥滚子轴承、第二密封圈、第二上接头毛细孔环形槽、第三毛细孔、出水口、毛细孔封堵柱、单向阀、第四毛细孔、毛细孔半圆槽、嵌入式毛细管、第三密封圈、第一蒸发孔、第一上接头蒸发孔环形槽、第二蒸发孔、轴承上接头、外管、轴承支座、轴承护套、螺帽、第二上接头蒸发孔环形槽、第三蒸发孔、蒸发孔封堵柱、内管接头、第四蒸发孔、蒸发孔半圆槽、密封垫、第五蒸发孔、隔热层、蒸发腔、蒸发腔底座、蒸发腔套管、扩孔器、钻头及上接头钻井液流道，

所述上接头设置在外管上方且与其同轴，上接头与外管螺纹连接；所述第一上接头毛细孔环形槽和第一上接头蒸发孔环形槽开设在上接头外壁上，第一上接头毛细孔环形槽和第一上接头蒸发孔环形槽均沿上接头周向设置；于第一上接头毛细孔环形槽及第一上接头蒸发孔环形槽上下两侧设置有第三密封圈；所述第一毛细孔位于上接头内部且沿其径向设置，第一毛细孔的一端与第一上接头毛细孔环形槽连通，第一毛细孔的另一端与第二毛细孔连通；所述第一蒸发孔位于上接头内部且沿其径向设置，第一蒸发孔的一端与第一上接头蒸发孔环形槽连通，第一蒸发孔的另一端与第二蒸发孔连通；所述第二毛细孔和第二蒸发孔沿上接头轴向设置在其内部，且对称布置于上接头中心线两侧，并于内管接头处转向各自对应的第二上接头毛细孔环形槽、第二上接头蒸发孔环形槽连通；所述轴承上接头、内管接头、上接头、第一密封圈、止推轴承及第一圆锥滚子轴承同轴布置，轴承上接头与内管接头螺纹连接，同时轴承上接头与上接头间隙配合；所述第一密封圈设置在上接头与轴承上接头之间；所述止推轴承位于上接头与轴承上接头之间并与二者紧密配合；所述第一圆锥滚子轴承安装在轴承支座上，同时第一圆锥滚子轴承分别与轴承上接头、内管接头紧密配合；所述第二圆锥滚子轴承安装在轴承支座上，第二圆锥滚子轴承分别与螺帽、内管接头紧密配合；所述轴承支座设置在上接头上且与其同轴；所述螺帽与上接头螺纹连接；所述内管接头的上端与轴承上接头螺纹连接，内管接头的下端与内管螺纹连接，同时内管接头与上接头间隙配合；所述第二上接头毛细孔环形槽及第二上接头蒸发孔环形槽开设在上接头外壁上，第二上接头毛细孔环形槽及第二上接头蒸发孔环形槽均沿上接头周向设置；所述第三毛细孔和第三蒸发孔位于内管接头内部且沿内管接头径向布置，第三毛细孔一端与第二上接头毛细孔环形槽连通，另一端与第四毛细孔连通；所述第四毛细孔沿内管接头轴向设置在其内部；第三蒸发孔一端与第二上接头蒸发孔环形槽连通，另一端与第四蒸发孔连通；所述第四蒸发孔沿内管接头轴向设置在其内部；所述毛细孔封堵柱设置在第三毛细孔上与其紧密配合；所述蒸发孔封堵柱设置在第三蒸发孔上与其紧密配合；所述第二密封圈设置在第二上接头毛细孔环形槽及第二上接头蒸发孔环形槽上下两侧，并与内管接头紧密配合；所述毛细孔半圆槽开设在内管接头内部且与其同心设置，毛细孔半圆槽与第四毛细孔连通，同时细孔半圆槽通过密封垫与嵌入式毛细管连通；所述蒸发孔半圆槽开设在内管接头内部且与其同心设置，蒸发孔半圆槽与第四蒸发孔连通，同时蒸发孔半圆槽通过密封垫与第五蒸发孔连通；所述第五蒸发孔与蒸发腔连通；所述出水口位于单向阀上方，出水口沿内管接头径向设置，出水口的水流方向与第四毛细孔及第四蒸发孔的中心所在直线呈垂直布置；所述单向阀与内管接头螺纹配合，单向阀与密封垫、内管接头、蒸发腔底座、蒸发腔套管以及隔热层紧密配合并同轴，所述蒸发腔底座的上部与内管接头螺纹连接，蒸发腔底座的下部与蒸发腔套管螺纹连接，同时蒸发腔底座与钻头间隙配合并同轴，所述蒸发腔套与隔热层、密封垫紧密配合并同轴；所述嵌入式毛细管与蒸发腔连通，嵌入式毛细管嵌入至蒸发腔底座中；所述蒸发腔内部具有呈螺旋形设置的环形槽；所述隔热层设置于蒸发腔套管外侧；所述扩孔器的上部与外管螺纹连接，扩孔器的下部与钻头螺纹连接；所述钻头与蒸发腔底座内径一致，钻头与蒸发腔底座下端间隙配合；所述上接头钻井液流道位于上接头内，上接头钻井液流道的中心线所在平面与第一毛细孔及第一蒸发孔的中心线所在平面垂直，且上接头钻井液流道沿上接头的中心线呈对称布置；所述合金条设置在上接头外部。

进一步，所述第一毛细孔、第二毛细孔、第三毛细孔、第四毛细孔及嵌入式毛细管的直径相等，直径为0.5mm～1.5mm。

进一步，所述出水口的内径为5mm～10mm。

进一步，所述第一蒸发孔、第二蒸发孔、第三蒸发孔、第四蒸发孔及第五蒸发孔的直径为2mm～4mm。

进一步，所述隔热层采用气凝胶隔热材料。

进一步，所述隔热层厚度为0.5mm～1.5mm。

进一步，所述蒸发腔内部的环形槽螺距为6mm～10mm。

进一步，所述钻头与蒸发腔底座下端间隙配合，配合间隙为2mm。

进一步，所述上接头钻井液流道直径为5mm～10mm。

进一步，所述上接头钻井液流道与上接头的中心线夹角呈25°～35°。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具在第一上接头毛细孔环形槽和第一上接头蒸发孔环形槽处通过水龙头连接外部冷源，可连续不断的提供大量冷源，以便充分将岩心和岩心管冻结在一起，提高取心率和取心效果。

2、本发明蒸发腔内部具有呈螺旋形设置的环形槽，螺距为6mm～10mm，螺旋圈数根据设计长度确定，最终要达到整体冻结岩心，以保证顺利提取岩心。

3、本发明隔热层采用气凝胶隔热材料，设置厚度为0.5mm～1.5mm，保证了在冻结岩心过程中冷量损失少，避免了外管与井壁之间的冻结。

4、本发明钻头与蒸发腔底座内径一致，配合间隙小保证了岩心顺利进入岩心管不会出现卡堵。

5、本发明单动机构基于常规单动双管钻具单动机构的原理，成熟可靠、单动效果好。

6、本发明位于内管接头的半圆环形槽，可缩小内管内壁至外管外壁间的距离，从而减小钻头壁厚，减小钻进过程中破碎面径向尺寸，提高钻进效率。

7、本发明中毛细孔和蒸发孔均通过电火花加工，毛细孔和蒸发孔均布置于零件内部减小了制冷剂r410a与钻井液换热，提高了制冷效率，并且不受深海高压的影响，提高了系统可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具实施例钻具俯视图。

图2为本发明海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具实施例钻具a-a剖面图。

图3为图2的局部放大图一。

图4为图2的局部放大图二。

图5为本发明海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具实施例上接头心轴b-b剖面图。

图6为本发明海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具实施例内管接头c-c断面图。

图7为本发明海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具实施例内管接头d-d断面图。

图中各标记如下：1-上接头，2-第一毛细孔，3-第一上接头毛细孔环形槽，4-第二毛细孔，5-合金条，6-第一密封圈，7-止推轴承，8-第一圆锥滚子轴承，9-第二圆锥滚子轴承，10-第二密封圈，11-第二上接头毛细孔环形槽，12-第三毛细孔，13-出水口，14-毛细孔封堵柱，15-单向阀，16-第四毛细孔，17-毛细孔半圆槽，18-嵌入式毛细管，19-第三密封圈，20-第一蒸发孔，21-第一上接头蒸发孔环形槽，22-第二蒸发孔，23-轴承上接头，24-外管，25-轴承支座，26-轴承护套，27-螺帽，28-第二上接头蒸发孔环形槽，29-第三蒸发孔，30-蒸发孔封堵柱，31-内管接头，32-第四蒸发孔，33-蒸发孔半圆槽，34-密封垫，35-第五蒸发孔，36-隔热层，37-蒸发腔，38-蒸发腔底座，39-蒸发腔套管，40-扩孔器，41-钻头，42-上接头钻井液流道。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”及“第五”仅用于描述目的，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”及“第五”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示，本实施例提供一种海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具，包括上接头1、第一毛细孔2、第一上接头毛细孔环形槽3、第二毛细孔4、合金条5、第一密封圈6、止推轴承7、第一圆锥滚子轴承8、第二圆锥滚子轴承9、第二密封圈10、第二上接头毛细孔环形槽11、第三毛细孔12、出水口13、毛细孔封堵柱14、单向阀15、第四毛细孔16、毛细孔半圆槽17、嵌入式毛细管18、第三密封圈19、第一蒸发孔20、第一上接头蒸发孔环形槽21、第二蒸发孔22、轴承上接头23、外管24、轴承支座25、轴承护套26、螺帽27、第二上接头蒸发孔环形槽28、第三蒸发孔29、蒸发孔封堵柱30、内管接头31、第四蒸发孔32、蒸发孔半圆槽33、密封垫34、第五蒸发孔35、隔热层36、蒸发腔37、蒸发腔底座38、蒸发腔套管39、扩孔器40、钻头41及上接头钻井液流道42。

所述上接头1设置在外管24上方且与其同轴，上接头1与外管24采用螺纹配合连接；所述第一上接头毛细孔环形槽3和第一上接头蒸发孔环形槽21开设在上接头1外壁上，第一上接头毛细孔环形槽3和第一上接头蒸发孔环形槽21均沿上接头1周向设置；于第一上接头毛细孔环形槽3及第一上接头蒸发孔环形槽21上下两侧设置有第三密封圈19；所述第一毛细孔2位于上接头1内部且沿其径向设置，第一毛细孔2的一端与第一上接头毛细孔环形槽3连通，第一毛细孔2的另一端与第二毛细孔4连通；所述第一蒸发孔20位于上接头1内部且沿其径向设置，第一蒸发孔20的一端与第一上接头蒸发孔环形槽21连通，第一蒸发孔20的另一端与第二蒸发孔22连通；所述第二毛细孔4和第二蒸发孔22沿上接头1轴向设置在其内部，且对称布置于上接头1中心线两侧，并于内管接头31处转向各自对应的第二上接头毛细孔环形槽11、第二上接头蒸发孔环形槽28连通；所述轴承上接头23、内管接头31、上接头1、第一密封圈6、止推轴承7及第一圆锥滚子轴承8同轴布置，轴承上接头23与内管接头31螺纹连接，同时轴承上接头23与上接头1间隙配合；所述第一密封圈6设置在上接头1与轴承上接头23之间；所述止推轴承7位于上接头1与轴承上接头23之间并与二者紧密配合；所述第一圆锥滚子轴承8安装在轴承支座25上，同时第一圆锥滚子轴承8分别与轴承上接头23、内管接头31紧密配合；所述第二圆锥滚子轴承9安装在轴承支座25上，第二圆锥滚子轴承9分别与螺帽27、内管接头31紧密配合；所述轴承支座25设置在上接头1上且与其同轴；所述螺帽27与上接头1螺纹连接；所述内管接头31的上端与轴承上接头23螺纹连接，内管接头31的下端与内管螺纹连接，，同时内管接头31与上接头1间隙配合；所述第二上接头毛细孔环形槽11及第二上接头蒸发孔环形槽28开设在上接头1外壁上，第二上接头毛细孔环形槽11及第二上接头蒸发孔环形槽28均沿上接头1周向设置；所述第三毛细孔12和第三蒸发孔29位于内管接头31内部且沿内管接头31径向布置，第三毛细孔12一端与第二上接头毛细孔环形槽11连通，另一端与第四毛细孔16连通；所述第四毛细孔16沿内管接头31轴向设置在其内部；第三蒸发孔29一端与第二上接头蒸发孔环形槽28连通，另一端与第四蒸发孔32连通；所述第四蒸发孔32沿内管接头31轴向设置在其内部；所述毛细孔封堵柱14设置在第三毛细孔12上与其紧密配合用于封堵；所述蒸发孔封堵柱30设置在第三蒸发孔29上与其紧密配合用于封堵；所述第二密封圈10设置在第二上接头毛细孔环形槽11及第二上接头蒸发孔环形槽28上下两侧，并与内管接头31紧密配合；所述毛细孔半圆槽17开设在内管接头31内部且与其同心设置，毛细孔半圆槽17与第四毛细孔16连通且通过密封垫34与嵌入式毛细管18连通；所述蒸发孔半圆槽33开设在内管接头31内部且与其同心设置，蒸发孔半圆槽33与第四蒸发孔32连通且通过密封垫34与第五蒸发孔35连通；所述第五蒸发孔35与蒸发腔37连通；所述出水口13位于单向阀15上方，出水口13沿内管接头31径向设置，出水口13的水流方向与第四毛细孔16及第四蒸发孔32的中心所在直线呈垂直布置；所述单向阀15与内管接头31螺纹配合，单向阀15与密封垫34、内管接头31、蒸发腔底座38、蒸发腔套管39以及隔热层36紧密配合并同轴，所述蒸发腔底座38的上部与内管接头31螺纹连接，蒸发腔底座38的下部与蒸发腔套管39螺纹连接，同时蒸发腔底座38与钻头41间隙配合并同轴，所述蒸发腔套管39与隔热层36、密封垫34紧密配合并同轴；所述嵌入式毛细管18与蒸发腔37连通，嵌入式毛细管18嵌入至蒸发腔底座38中；所述蒸发腔37内部具有呈螺旋形设置的环形槽，螺距为6mm～10mm，螺旋圈数根据设计长度确定，最终要达到整体冻结岩心，以保证顺利提取岩心；所述隔热层36粘贴于蒸发腔套管39外侧，本发明隔热层36采用气凝胶隔热材料，设置厚度为0.5mm～1.5mm，保证了在冻结岩心过程中冷量损失少，避免了外管与井壁之间的冻结；所述扩孔器40的上部与外管24螺纹连接，扩孔器40的下部与钻头41螺纹连接；所述钻头41与蒸发腔底座38内径一致，钻头41与蒸发腔底座38下端间隙配合，配合间隙为2mm，配合间隙小保证了岩心顺利进入岩心管不会出现卡堵；所述上接头钻井液流道42位于上接头1内，上接头钻井液流道42的中心线所在平面与第一毛细孔2及第一蒸发孔20的中心线所在平面垂直，且上接头钻井液流道42沿上接头1的中心线呈对称布置；所述合金条5设置在上接头1外部，合金条5起导正作用。

其中，所述隔热层36、蒸发腔37、蒸发腔底座38、蒸发腔套管39共同组成岩心管。

所述第一毛细孔2、第二毛细孔4、第三毛细孔12、第四毛细孔16及嵌入式毛细管18的直径相等，直径为0.5mm～1.5mm，保证一定流量的液态制冷剂r410a顺利流至蒸发腔37，体积变大发生蒸发吸热。所述第一蒸发孔20、第二蒸发孔22、第三蒸发孔29、第四蒸发孔32及第五蒸发孔35的直径为2mm～4mm，既保证蒸发后的制冷剂r410a气体顺利流动，又保证其尽量少占用径向尺寸。随着制冷剂r410a的流动，于螺旋状蒸发腔37内不断的发生相变吸热，温度降至-20℃～-30℃，将岩心与蒸发腔底座38冻结在一起，提高在海底松散破碎地层的取心率。

进一步，为方便加工，减少制冷剂r410a泄露，本发明将上接头1与心轴设计为一体式，本发明中统称为上接头1。

本发明中第一毛细孔2、第二毛细孔4、第三毛细孔12、第四毛细孔16、第一蒸发孔20、第二蒸发孔22、第三蒸发孔29、第四蒸发孔32及第五蒸发孔35均通过电火花加工，布置于零件内部减小了制冷剂r410a与钻井液换热，提高了制冷效率，并且不受深海高压的影响，提高了系统可靠性。

如图5所示，所述上接头钻井液流道42直径为5mm～10mm，上接头钻井液流道42与上接头1的中心线夹角呈25°～35°，既保证钻井液顺利通过，又保证有利于加工制造。

如图6所示，所述出水口13沿内管接头31径向设置，出水口13的内径为5mm～10mm，保证岩心管内的钻井液顺利排出。

本发明的工作原理：在海底松散易碎地层取心过程中，对于传统的单动双管取心钻具，由于内管下端卡簧处存在台阶，岩心易在台阶处卡堵，不易进入内管，造成岩心磨损，在提钻的过程中卡簧也不能很好地将松散易碎的岩心提取出来，造成岩心脱落不完整。

本发明提出的钻具工作时，由于钻头41与蒸发腔底座38间间隙很小，台阶可忽略不计，岩心可以顺利进入岩心管中，待岩心充满岩心管，停止回转，第一上接头毛细孔环形槽3处通入已经被冷却压缩的制冷剂r410a液体，制冷剂r410a液体依次通过第一毛细孔2、第二毛细孔4、第二上接头毛细孔环形槽11、第三毛细孔12、第四毛细孔16、嵌入式毛细管18流动至蒸发腔37后体积扩大，相变为气体吸收大量的热量，使蒸发腔37温度急剧下降至-20℃～-30℃，岩心管和岩心冻结在一起，而后制冷剂r410a气体通过第五蒸发孔35、第四蒸发孔32、第三蒸发孔29、第二上接头蒸发孔环形槽28、第二蒸发孔22、第一蒸发孔20、第一上接头蒸发孔环形槽21返回至钻具外部的压缩机，再次冷却压缩后循环利用，当岩心与岩心管完全冻结在一起后再提钻取出岩心。从而提高海底松散易碎地层岩心采取率。

本发明海底松散易碎地层蒸发直冷式取心钻具的工作过程如下：先启动该钻具进行钻进，待岩心充满岩心管停止钻进，再启动外置压缩机，外置压缩机通过水龙头与该钻具的第一上接头毛细孔环形槽3和第一上接头蒸发孔环形槽21连接，外置压缩机将制冷剂r410a冷却压缩为低温液体，液态制冷剂r410a通过水龙头于第一上接头毛细孔环形槽3流入第一毛细孔2和第二毛细孔4，又途经第二上接头毛细孔环形槽11与第三毛细孔12连通，流经第四毛细孔16，第四毛细孔16通过半圆毛细孔环形槽17与嵌入式毛细管18连通，制冷剂r410a液体流至最底部的蒸发腔37环形槽内，由于体积扩大制冷剂r410a液体在蒸发腔37中发生相变由液体变为气体吸收大量的热量，对岩心进行冻结，然后蒸发腔37内的制冷剂r410a气体进入第五蒸发孔35，第五蒸发孔35通过过半圆蒸发孔环形槽33与第四蒸发孔32连通，制冷剂r410a气体再进入第三蒸发孔29，第三蒸发孔29通过第二上接头蒸发孔环形槽28与第二蒸发孔22连通再流向第一蒸发孔20，制冷剂r410a气体通过水龙头与第一上接头蒸发孔环形槽21进入外置压缩机进行冷却压缩后变为液体，循环利用制冷剂r410a为整个蒸发直冷系统提供源源不断的冷源，直到岩心管和岩心完全冻结后再提升钻具将岩心取出。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的同等结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。