一种基于液压卡取岩心的取心钻具的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于液压卡取岩心的取心钻具，包括传力分动机构、导流限位机构、储压机构、提引注压机构、液压卡心机构、侧喷钻头分动机构、外管总成和密封系统，导流限位机构对接传力分动机构，储压机构对接导流限位机构，提引注压机构对接储压机构，液压卡心机构对接提引注压机构，侧喷钻头分动机构对接液压卡心机构；液压卡心机构包括底承台、液压膜、岩心内管、卡簧座和卡簧。本发明可实现对软弱松散、破碎等复杂难取心地层高达100％的取芯率，基于液压提供全自动三维应力卡取捆绑控制岩心，同时配合常规卡心割心装置，具有高可靠度、高取心效率、高取心质量、高岩心采取率、适用地层广、自动化性能好等特点。
【专利说明】
一种基于液压卡取岩心的取心钻具
技术领域
[0001]本发明涉及钻探用的取心钻具，尤其涉及一种适用于软弱松散、极破碎等复杂难取心地层钻探取心的取心钻具。
【背景技术】
[0002]钻探技术作为目前唯一能从地下取出实体岩石矿物样品的勘察技术方法，在常规固体资源勘探开发如地质钻进、新型液气态能源普查如油气井钻进、地学研究如探究地球历史进行的科学钻探、环境科学钻探等，呈现出钻探技术手段无可替代的重要作用。而当前所面对的钻探环境已从易发掘的浅层地表向深部进发，面对的情况将是资源难发现、难发掘、海拔更高以及陆地转向湖泊海洋，对钻探效率和质量提出更高的要求。而真实可靠的地质资料的获得依托于钻探技术应对不同环境条件的能力，之前已存在的钻探设备、技术在应对深孔复杂地层，如硬、脆、碎、漏、坍、软弱松散易冲蚀等复杂地层钻进取心存在很大难度。虽然目前已经有新组合钻具、工艺工法在解决复杂地层钻进效率低、岩矿心采取率低、钻孔质量差、钻头寿命低、孔底事故多、钻探成本高等问题方面取得一定的效果，但软弱松散、破碎等复杂地层难取心问题并未彻底解决。如何解决极破碎、软弱地层中取心率低的问题，一直是国内、外钻探领域亟待解决的难题。
[0003]单管无栗钻具虽然能提高在极破碎、软弱地层中的采心率，但因要提钻取心，施工效率低，劳动强度大，频繁提钻影响孔壁稳定。囊袋多节捆绑式取心钻具从钻具隔水保真、岩心卡取原理方面进行改进，化整为散，对提高极破碎、软弱等复杂地层取心效果显著，但需进一步提高可靠性和自动化性能等。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种可提高极破碎、软弱等复杂地层取心效率、取心质量且适用性广、可靠性高、自动化程度高的基于液压卡取岩(矿)心的取心钻具。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:一种基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:包括传力分动机构、导流限位机构、储压机构、提引注压机构、液压卡心机构、侧喷钻头分动机构、外管总成和密封系统，导流限位机构对接传力分动机构，储压机构对接导流限位机构，提引注压机构对接储压机构，液压卡心机构对接提引注压机构，侧喷钻头分动机构对接液压卡心机构；
[0006]所述液压卡心机构包括底承台、液压膜、岩心内管、卡簧座和卡簧，岩心内管上端与储压机构的导流管下端螺纹连接;底承台内含单向阀，侧壁均布溢水孔，该溢水孔与导流管溢水孔位置重合、水路连通，底承台与导流管螺纹销连接，接口处、溢水孔过渡处采用密封胶密封;底承台下端台阶与液压膜采用密封胶粘结密封，液压膜吸附于岩心内管的内壁并布满于整个岩心内管中；卡簧座与岩心内管螺纹连接，卡簧座螺纹根部预留有液压膜收纳空间；卡簧与卡簧座呈楔形接触。
[0007]液压膜沿岩心内管的内壁布置至其末端，然后经卡簧座的液压膜收纳空间，再上返至岩心内管末端;液压膜与岩心内管末端外壁凹台段采用密封胶粘结密封后继续向上延伸固定于卡簧座与岩心内管的螺纹间;位于卡簧座收纳段的液压膜在液压作用下形成锁扣形式;卡簧座无水口，末端为内凹台阶结构。
[0008]所述传力分动机构包括钻杆接手、动力轴、异动接手、双限位螺母、转换接手、传力环、滑套座、滑套、上下两推力轴承、密封螺母和心轴接手;动力轴上端与钻杆接手螺纹连接，下端与转换接手螺纹连接，轴向设有贯通孔;轴身设置与异动接手端部内花键相配的外花键，外花键首末两端预留凹槽，预装橡胶密封圈，且槽底圆直径小于外花键小径，外花键下段设有双限位螺母;异动接手上端与动力轴花键连接，下端与上扩孔器螺纹连接;转换接手外壁的环状卡扣坐落于异动接手与上扩孔器之间的传力环并处于接触压紧状态，卡扣与传力环之间设有橡胶密封环，转换接手下端与滑套座螺纹连接;滑套座依次贯穿推力轴承、滑套、推力轴承，尾部连接密封螺母，滑套座与滑套间隙配合，滑套座轴向设有贯通孔，转换接手、密封螺母配合实现滑套及其上下两个推力轴承的轴向限位;密封螺母的O型密封圈密封于螺母与心轴接手之间的间隙，滑套外螺纹连接心轴接手上端。
[0009]导流限位机构包括心轴、悬挂接手、限位螺母、滑动密封环、弹卡架、弹簧、弹卡钳、弹卡室、弹卡座、水路截断环和弹性单向排气阀；心轴轴向设有贯通孔，其上端与传力分动机构的心轴接手螺纹连接，下端与弹卡架螺纹连接，心轴轴身布置的外花键与悬挂接手的内花键相配，悬挂接手与心轴可沿花键做轴向相对滑动；限位螺母固定滑动密封环于弹卡架的上端，滑动密封环密封于悬挂接手与弹卡架之间的间隙，弹卡架下段开有环形孔，贯穿弹簧的插销可带动弹簧在环形孔中上下滑移，弹簧支腿插入弹卡钳的预留孔中，弹卡钳被插销固定于弹卡座上端;弹卡座下段轴向设有弹性单向排气阀，其外环与水路截断环过盈配合;水路截断环布置于弹卡室的泄水孔处，并与弹卡室内壁紧密接触密封泄水孔截断水路，水路截断环均布互不连通的轴向水路;弹卡室内环布有对应弹卡钳的限位槽，限位槽以下均布泄水孔，弹卡室上端与悬挂接手螺纹连接，下端与储压机构的导流管螺纹连接。
[0010]储压机构包括腔顶盖、储压腔、导流管、腔底盖、弹性单向阀、储压弹簧和活塞;腔顶盖轴向有半深凹槽，顶端开口底端闭合，底端有通气孔;腔顶盖通过凹槽内螺纹连接导流限位机构的弹卡座并对水路截断环做轴向限位，外壁预留销口与储压腔的螺纹销连接，并在接口处涂密封胶密封;导流管内壁除设置与储压腔外花键相配的内花键外，还设有轴向导流槽;腔底盖与储压腔螺纹连接，其轴线位置装有弹性单向阀；储压弹簧位于储压腔内，其一端连接腔底盖，另一端连接活塞，采用铰接或粘结连接;活塞与储压腔内壁光滑紧密接触;导流管与液压卡心机构的底承台连接处均布溢水孔。
[0011]提引注压机构包括引压器、注压器、带针气阀和底弹簧；引压器的中空支腿穿过注压器端部预留孔插入腔底盖预留孔洞，并与腔底盖焊接密封；引压器端部、注压器上端均设有带针气阀，带针气阀为常闭气阀，内部压缩弹簧顶推密封垫使气阀处于闭合状态，外端设有顶针，端部设置橡胶密封垫，带针气阀与引压器、注压器螺纹连接;注压器下段均布的轴向孔分两类，一类与注压器的带针气阀连通，并贯通于液压卡心机构的底承台预留的轴向通路，该类轴向孔与底承台预留轴向通路接口处焊接密封，另一类不与注压器的带针气阀连通，为独立单向孔，用于注压器与底承台固定，采用螺纹销或焊接连接;底弹簧一端固定于底承台顶端面，通过焊接、铰接或粘结连接，另一端为自由端，底弹簧、底承台二者共轴线。
[0012]侧喷钻头分动机构包括环帽和推力轴承;液压卡心机构的卡簧座末端的内凹台阶坐落于推力轴承上盘，环帽、推力轴承下盘与外管总成的侧喷钻头内台阶过盈配合，环帽下端面与推力轴承上盘端面预留间隙，环帽内环、上端面与卡簧座末端内凹台阶预留间隙。
[0013]外管总成包括上扩孔器、外管、扶正环、下扩孔器和侧喷式钻头；上扩孔器下端连接外管，外管下端连接下扩孔器，下扩孔器下端连接侧喷式钻头，均采用螺纹连接;扶正环坐落于下扩孔器内凹台阶处，与下扩孔器连接的外管对其进行轴向限位。
[0014]密封系统包含静态密封和动态密封;静态密封包括螺纹装配时涂沫润滑油，在内外螺纹根部加设橡胶密封圈，螺纹销连接结构间进行密封胶密封，焊接密封;动态密封包括转换接手与传力环间的橡胶密封环、密封螺母外围预装的O型密封圈、滑动密封环、水路截断环、带针气阀处的橡胶密封垫、活塞。
[0015]通过各机构、结构配合协作，实现了:
[0016]1、传力分动
[0017]通过钻杆连接钻杆接手将本取心钻具放入钻孔指定位置，下落过程相关结构初始状态为异动接手位于动力轴花键末端紧贴双限位螺母，悬挂接手位于心轴花键末端，弹簧插销位于弹卡架环形孔末端，卡簧座坐落于侧喷式钻头内台阶的推力轴承上；当钻具下放至孔内指定位置侧喷式钻头接触孔底时，异动接手、悬挂接手停止下降，钻杆继续带动钻杆接手、动力轴下降，动力轴沿花键带动转换接手、心轴下移，心轴沿花键带动弹卡架继续下降，相对运动终止状态为异动接手位于动力轴花键顶端，悬挂接手位于心轴花键顶端，弹簧插销位于弹卡架环形孔顶端，转换接手同位于异动接手与上扩孔器之间的传力环处于接触压紧密封状态，以上四种状态同步发生;至此形成以动力轴、异动接手组成的回转动力传递结构，以转换接手、传力环组成的钻压传递结构及截水结构，与转换接手相连的滑套座、滑套、推力轴承以及钻头内台阶处的推力轴承建立岩心内管的分动性能。
[0018]2、导流限位、储压
[0019]冲洗液经钻杆、钻杆接手到达动力轴，经动力轴中心孔、转换接手中心孔、滑套中心孔、心轴中心孔、弹卡架到达弹卡室内的水路截断环上部;水路截断环用于密封预留于弹卡室的泄水孔，在储压腔完成储压之前，弹卡室泄水孔是被密封的；冲洗液经水路截断环预留的轴向水路流入导流管与储压腔间，经导流管内壁预留导流槽到达腔底盖储压腔入口处，冲洗液推开位于腔底盖轴线上的弹性单向阀进入储压腔，冲洗液推动活塞拉伸储压弹簧，随着储压弹簧的拉伸，冲洗液压力逐步上升;活塞上移压缩活塞与储压腔之间的密闭空气产生压力，待空气压力大于弹性排气阀外部压力时排气阀开始排气以减弱活塞上行阻力，同时该排气阀为单向阀，弹卡室聚集的冲洗液无法通过排气阀进入储压腔；由于水路截断环处过水截面改变引起冲洗液憋压，使水路截断环入口处的冲洗液压力大于腔底盖储压腔入口处的冲洗液压力，随着冲洗液充入，储压腔在以微小位移向底承台滑移，同时压缩底弹簧，底弹簧的弹力又限制储压腔下移，以避免由水路截断环滑移泄水孔而引起储压失败；当储压腔被充满时，活塞滑至腔顶盖处，腔顶盖限制活塞继续上移以避免储压弹簧超出弹性限度，储压弹簧处于弹性限度内拉伸状态，此时水路截断环入口处的冲洗液压力已远大于腔底盖储压腔入口处的冲洗液压力，底弹簧已发生压缩，但储压腔下滑位移尚未带动水路截断环滑移弹卡室的泄水孔;储压完毕后水路被完全截断，随着冲洗液不断在弹卡室聚集，水路截断环入口处冲洗液压力逐步增大推动储压腔继续压缩底弹簧，当储压腔下滑位移达到设计位移时，水路截断环滑移泄水孔，同时弹卡钳扣入弹卡室，限制水路截断环回移，冲洗液从泄水孔流入内外管间隙并逐步恢复至设计钻压;在水路截断环滑移泄水孔之前，腔底盖储压腔入口处一直存在高压冲洗液，腔底盖处的弹性单向阀可能在储压腔内外压差下处于打开状态，当水路截断环滑移泄水孔后，水路截断环入口处冲洗液压力随着水路重新建立而逐步降低，位于腔底盖储压腔入口处的高压冲洗液逆流经水路截断环轴向水路流出泄水孔进行泄压，储压腔入口处压力减少，弹性单向阀在储压腔内外压差下迅速恢复闭合状态，储压腔闭合环境建立;至此，冲洗液储压完毕。
[0020]3、提引注压、液压卡心
[0021]钻进过程中，岩矿心逐步进入内管、液压膜，随岩心一起进入液压膜的冲洗液经底承台内的单向阀留至内外管环状间隙；当岩心装满液压膜后，停钻捞取岩心;钻杆通过钻杆接手带动取心钻具上移;捞取岩心初始，外管、岩心、内管、液压膜、导流管、弹卡室、悬挂接手、异动接手暂时静止，动力轴相对异动接手、心轴相对悬挂接手上移并拉动弹卡架使弹卡钳脱卡，并拉动储压腔上移，水位截断环重新封闭泄水孔;动力轴、心轴继续带动储压腔上移，引压器逐步靠近注压器，二者气阀接触并逐步压紧气阀端面的橡胶密封垫进行水路密封，同时顶针接通二者气阀，此时异动接手位于动力轴花键末端并紧贴双限位螺母、悬挂接手位于心轴花键末端并紧贴弹卡架并且在提钻完毕之前一直处于此位置;储压腔的冲洗液经引压器水路、带针气阀、注压器水路、底承台水路进入内管与液压膜间隙，待高压冲洗液充满整个间隙并使液压膜末端形成锁扣形式时，位于液压膜内的岩矿心处于三维应力控制状态;至此，完成对岩(矿)心的液压卡取。
[0022]地层破碎情况下，液压膜末端的锁扣可分离被卡紧控制的岩矿心与未进入液压膜的岩矿心，保证顺利提钻;若地层较完整、硬度较大，则常规卡心割心装置同时发挥作用，在本取心钻具上提过程中卡簧下滑收缩，割断岩心，继续提钻至地表，获取岩(矿)心。至此，完成对岩(矿)心的采取。
[0023]4、密封系统
[0024]本发明采用的密封装置均为接触式密封，包含静态密封和动态密封;静态密封包括螺纹装配时涂沫润滑油形成油封，在内外螺纹根部加设橡胶密封圈通过螺纹紧固挤压垫圈实现密封，螺纹销连接结构间进行密封胶密封，焊接密封;动态密封包括转换接手与传力环间的橡胶密封环、密封螺母外围预装的O型密封圈、滑动密封环、水路截断环、带针气阀处的橡胶密封垫、活塞。转换接手与传力环间的橡胶密封环、带针气阀处的橡胶密封垫通过所接触结构的相对运动挤压实现密封;转换接手与传力环间的橡胶密封环可保证正常钻进过程中冲洗液全部流至钻头处而非经动力轴与异动接手花键间间隙流至外管与钻孔环状间隙，引起钻压损失、冲洗液水路混乱;带针气阀处的橡胶密封垫保证提引注压阶段水路的密封，为液压膜周围提供足够压力、体积的冲洗液。密封螺母外围预装的O型密封圈、滑动密封环具有双向密封功能，在储压阶段避免冲洗液经推力轴承、滑套、滑套座三者间间隙、心轴与悬挂接手花键间间隙泄漏，影响储压效果;在正常钻进阶段，避免冲洗液从以上结构间间隙回流入传力分动机构、导流限位机构等机构内，扰乱冲洗液的循环水路，为储压完完毕后冲洗液正常循环提供保障环境。水路截断环仅在储压水路转为钻进水路时滑出泄水孔，而在下钻和提钻过程中水路截断环均封闭泄水孔，使水路截断环的轴向水路作为冲洗液进入储压腔的唯一通路，经地表过滤处理后的冲洗液作为进入储压腔的唯一液体介质，降低冲洗液中岩粉含量，同时水路截断环为进入储压腔的冲洗液提供物理过滤，避免冲洗液中的交联高分子等大颗粒低密度异物进入储压机构造成机构堵塞、磨损。储压腔中活塞的逐步滑移完成冲洗液储压，其密封效果是储压密闭环境实现的关键。密封螺母外围预装的O型密封圈、滑动密封环、水路截断环、活塞与密封面紧密接触，且相对运动范围内各接触面保证较好的光洁度、合适的表面粗糙度，实现机构相对滑动的低阻力流畅性及良好的密封效果双重保障。同时要求本取心钻具中所有螺纹连接的螺纹旋向与钻具回转方向相反，采用左旋，保证钻进过程中钻具回转方向始终与螺纹紧固方向一致，避免因为钻具振动、结构间摩擦等原因使螺纹旋松。
[0025]本发明的特点如下:
[0026]1、在极破碎、软弱松散等复杂地层的岩心钻探中，可以有效地提高取心率，保证取心质量，将地层情况真实准确地反映到地面。
[0027]2、液压提供全自动三维应力卡取捆绑控制岩心，利用液体的无确定形态，配合液压膜，卡取捆绑形态可完全贴覆于岩心形状，克服传统卡心装置不宜卡取破碎、松散岩心的弊端，完全避免提钻过程中岩心掉落，实现高达100%的岩心采取率。
[0028]3、巧妙设计花键行程及各机构配合，在钻进前期进行冲洗液储压，储压完毕的同时同步完成储压水路向钻进水路的转变，弹性单向阀、带针气阀的配合限流为高压冲洗液形成密封空间保压，弹卡钳滑移限位保证钻进水路稳定通畅避免栗压损失;提钻时弹卡钳自动脱卡、水路截断环回位、带针气阀接通，高压冲洗液经独立水路释放，充压液压膜，完成岩(矿)心包裹卡取。整个过程全自动化，操作流程与常规钻具一致，适用性好，同时利用冲洗液作为液压传递介质，循环利用，绿色环保。
[0029]4、液压膜的特殊设计实现对岩(矿)心的密封包裹，配合侧喷钻头优化冲洗液水路，实现对孔内岩(矿)心的强力隔水保真，极大程度上减弱甚至避免钻探过程中冲洗液对岩(矿)心的冲蚀破坏、浸润破坏，保证岩(矿)心的原生结构、矿物成分等。
[0030]5、动力轴花键、心轴花键与弹卡架环形孔的行程差设计，实现只要传力分动机构到位，引压器与注压器的带针气阀就处于完全分离且闭合状态，其他各结构均处于设计位置，保证后续储压等功能的顺利实施;动力轴花键下端的双限位螺母实现动力轴花键行程的可调性，可依不同钻进情况对花键行程进行微调，同时利用双螺母的自锁特性实现定位，提高可靠性;水路截断环仅在储压水路转为钻进水路时滑出泄水孔，而在下钻和提钻过程中水路截断环均封闭泄水孔，使水路截断环的轴向水路作为冲洗液进入储压腔的唯一通路，经地表过滤处理后的冲洗液作为进入储压腔的唯一液体介质，降低冲洗液中岩粉含量，同时水路截断环为进入储压腔的冲洗液提供物理过滤，避免冲洗液中的交联高分子等大颗粒低密度异物进入储压机构造成机构堵塞、磨损，可靠性高。
[0031]6、底弹簧与储压弹簧二者弹性系数的特定比例关系，协调底弹簧、储压弹簧形变位移与储压进程的关系以及弹簧形变产生的弹力与栗压之间的关系;在冲洗液储压期间，冲洗液在水路截断环处过水截面变化而憋压产生的压力差对底弹簧的压缩形变不足以使水路截断环滑移泄水孔;在冲洗液储压完毕后，水路截断环处冲洗液水路闭塞完全憋压产生的压力差可推动水路截断环滑移泄水孔;储压腔内储备的高压冲洗液的压力可实现对岩心内管岩(矿)心的三维应力捆绑，实现正常提钻。
[0032]7、动力轴与异动接手间的花键设计，在常规双管钻具基础上实现差异运动提钻、延迟提钻的同时，将回转动力传递至外管，保证正常回转钻进;转换接手与传力环的配合，直接将钻压由动力轴传递至外管、钻头，避免外管总成内各非动力机构承载过多压力，增加机构变形、损耗，影响各机构协调运行;传力分动机构、侧喷钻头分动机构的配合，在完成自身功能前提的同时实现整个钻具的分动性能，有效避免钻进过程中钻具回转振动对进入岩心管岩心的机械破坏，保证取心质量。
[0033]8、侧喷钻头分动机构的微水路设计，使少部分冲洗液流经卡簧座与环帽、环帽与推力轴承上盘、推力轴承上盘与侧喷钻头间隙，完成对推力轴承的冲洗、润滑，冲散沉淀于轴承处的岩粉，减少轴承磨损，保证轴承正常运转。
[0034]9、基于液压卡取岩(矿)心的取心钻具具有独立的密封系统，螺纹连接处的润滑油密封、橡胶密封圈、螺纹销连接结构间的密封胶密封、焊接密封组成的静态密封，转换接手与传力环间的橡胶密封环、密封螺母、滑动密封环、水路截断环、带针气阀处的橡胶密封垫、活塞组成的动态密封，提供了本发明不同运行阶段所需的密封环境。
[0035]10、基于液压卡取岩(矿)心的取心钻具同样配备了常规卡心割心装置，将其应用范围扩展到整个可钻地层卡取岩(矿)心，同时也可避免基于液压卡取岩(矿)心与常规装置卡取岩(矿)心间做过多切换，避免频繁提钻，减少非钻进时间对效率的影响。
[0036]本发明可在不增加钻探设备的前提下，实现对软弱松散、破碎等复杂难取心地层高达100%的取芯率，此外基于液压提供全自动三维应力卡取捆绑控制岩心，同时配合常规卡心割心装置，将其应用范围扩展到整个可钻地层取心，形成具有高可靠度、高取心效率、高取心质量、高岩心采取率、适用地层广、自动化性能好等特点的取心钻具。
【附图说明】
[0037]图1为本发明的结构不意图；
[0038]图2为传力分动机构、导流限位机构的结构示意图；
[0039]图3为储压机构、提引注压机构的结构示意图；
[0040]图4为液压卡心机构、侧喷钻头分动机构的结构示意图；
[0041 ]图5为侧喷钻头分动机构的微水路示意图；
[0042]图6为储压腔、导流管的断面结构示意图；
[0043]图7为引压器的结构示意图；
[0044]图8为注压器的结构示意图；
[0045]图9为底承台的结构不意图；
[0046]图10为图2的局部放大图；
[0047]图11为图3的局部放大图。
[0048]图中，I为钻杆接手、2为动力轴、3为异动接手、4为双限位螺母、5为转换接手、6为传力环、7为滑套座、8为滑套、9为推力轴承、10为密封螺母、11为心轴接手、12为心轴、13为悬挂接手、14为限位螺母、15为滑动密封环、16为弹卡架、17为弹簧、18为弹卡钳、19为弹卡室、20为弹卡座、21为水路截断环、22为弹性单向排气阀、23为腔顶盖、24为储压腔、25为导流管、26为腔底盖、27为弹性单向阀、28为储压弹簧、29为活塞、30为引压器、31为注压器、32为带针气阀、33为底弹簧、34为底承台、35为液压膜、36为岩心内管、37为卡簧座、38为卡簧、39为环帽、40为推力轴承、41为侧喷钻头、42为扶正环、43为下扩孔器、44为外管、45为上扩孔器;a为橡胶密封圈、b为卡扣、c为橡胶密封环、d为O型密封圈、e为环形孔、f为限位槽、g为泄水孔、h为螺纹销、i为通气孔、j为中空支腿、k为橡胶密封垫、L为溢水孔、m为单向阀、η为外花键、ο为内花键、pS导流槽、q为预留螺纹销口 ； A为主水路、B为微水路。
【具体实施方式】
[0049]本实施例中，所述基于液压卡取岩心的取心钻具，如图1所示，包括传力分动机构
1、导流限位机构π、储压机构m、提引注压机构IV、液压卡心机构V、侧喷钻头分动机构V1、外管总成和密封系统。
[0050]如图2所示，传力分动机构I包括钻杆接手1、动力轴2、异动接手3、双限位螺母4、转换接手5、传力环6、滑套座7、滑套8、上下两推力轴承9、密封螺母10和心轴接手11;动力轴2上端与钻杆接手I螺纹连接，下端与转换接手5螺纹连接，轴向设有贯通孔，轴身设置与异动接手3端部内花键相配的外花键，外花键首末两端预留凹槽，预装橡胶密封圈a，且槽底圆直径小于外花键小径，外花键下段设有双限位螺母4;异动接手3上端与动力轴2花键连接，下端与上扩孔器45螺纹连接;转换接手5外壁的环状卡扣b坐落于异动接手3与上扩孔器45之间的传力环6并处于接触压紧状态，卡扣b与传力环6之间布置橡胶密封环C，转换接手5下端与滑套座7螺纹连接;滑套座7依次贯穿推力轴承9、滑套8、推力轴承9，尾部连接密封螺母10，滑套座7与滑套8间隙配合，滑套座7轴向设有贯通孔，转换接手5、密封螺母10配合实现滑套8及其上下两个推力轴承9的轴向限位;密封螺母10的O型密封圈d密封螺母与心轴接手11之间的间隙，滑套8外螺纹连接心轴接手11上端。
[0051]如图2、图10所示，导流限位机构Π包括心轴12、悬挂接手13、限位螺母14、滑动密封环15、弹卡架16、弹簧17、弹卡钳18、弹卡室19、弹卡座20、水路截断环21和弹性单向排气阀22;心轴12轴线设有贯通孔，其上端与心轴接手11螺纹连接，下端与弹卡架16螺纹连接，心轴12轴身布置的外花键与悬挂接手13的内花键相配，悬挂接手13与心轴12可沿花键做轴向相对滑动；限位螺母14固定滑动密封环15于弹卡架16上端，滑动密封环15密封悬挂接手13与弹卡架16之间的间隙，弹卡架16下段开有环形孔e，贯穿弹簧17的插销可带动弹簧17在环形孔e中上下滑移，弹簧17支腿插入弹卡钳18的预留孔中，弹卡钳18被插销固定于弹卡座20上端;弹卡座20下段轴向设有弹性单向排气阀22，其外环与水路截断环21过盈配合;水路截断环21布置于弹卡室19泄水孔g处，并与弹卡室19内壁紧密接触密封泄水孔g截断水路，水路截断环21均布互不连通的轴向水路;弹卡室19内环布有对应弹卡钳的限位槽f，限位槽f以下均布泄水孔g，弹卡室19上端与悬挂接手13螺纹连接，下端与导流管25螺纹连接。
[0052]如图3、图6所示，储压机构ΙΠ包括腔顶盖23、储压腔24、导流管25、腔底盖26、弹性单向阀27、储压弹簧28和活塞29;腔顶盖23轴向有半深凹槽，顶端开口底端闭合，底端有通气孔i，腔顶盖23通过凹槽内螺纹连接弹卡座20并对水路截断环21做轴向限位，外壁预留销口与储压腔24螺纹销h连接，并在接口处涂密封胶密封;导流管25内壁除设置与储压强外花键η相配的内花键0外，还设有轴向导流槽P ；腔底盖26与储压腔24螺纹连接，其轴线位置装有弹性单向阀27 ;储压弹簧28位于储压腔24内，其一端连接腔底盖26，另一端连接活塞29，采用铰接或粘结连接;活塞29与储压腔24内壁光滑紧密接触;导流管25与底承台34连接处均布溢水孔L。
[0053]如图3、图7、图8、图9和图11所示，提引注压机构IV包括引压器30、注压器31、带针气阀32和底弹簧33;引压器30的中空支腿j穿过注压器31端部预留孔插入腔底盖26预留孔洞，并与腔底盖26焊接密封；引压器30端部、注压器31上端均设有带针气阀32，带针气阀为常闭气阀，内部压缩弹簧顶推密封垫使气阀处于闭合状态，外端设有顶针，端部设置橡胶密封垫k，带针气阀32与引压器30、注压器31螺纹连接;注压器31下段均布的轴向孔分两类，一类与注压器带针气阀连通，并贯通于底承台34预留的轴向通路，该类轴向孔与底承台34预留轴向通路接口处焊接密封，另一类不与注压器带针气阀连通，为独立单向孔，用于注压器31与底承台34固定，采用螺纹销或焊接连接;底弹簧33—端固定于底承台34顶端面，可通过焊接、铰接或粘结连接，另一端为自由端，底弹簧、底承台二者共轴线。
[0054]如图4、图5和图9所示，液压卡心机构V包括底承台34、液压膜35、岩心内管36、卡簧座37和卡簧38;岩心内管36上端与导流管25下端螺纹连接;底承台34内含单向阀m，侧壁均布溢水孔L，该溢水孔与导流管溢水孔位置重合、水路连通，底承台34与导流管25螺纹销连接，接口处、溢水孔过渡处采用密封胶密封;底承台34下端台阶与液压膜35采用密封胶粘结密封，液压膜35吸附于岩心内管内壁并布置于整个岩心内管36，卡簧座37与岩心内管36螺纹连接，卡簧座37螺纹根部预留液压膜收纳空间，液压膜35沿岩心内管内壁布置至内管36末端，然后经卡簧座37的液压膜收纳段，再上返至岩心内管末端，液压膜35与岩心内管36末端外壁凹台段采用密封胶粘结密封后继续向上延伸固定于卡簧座37与岩心内管36螺纹间；位于卡簧座收纳段的液压膜35经特殊设计，其在液压作用下可形成锁扣形式;卡簧38与卡簧座37楔形接触，卡簧座37无水口，末端为内凹台阶设计。
[0055]如图4所示，侧喷钻头分动机构VI包括环帽39、推力轴承40组成；卡簧座37末端的内凹台阶坐落于推力轴承40上盘，环帽39、推力轴承40下盘与侧喷钻头41内台阶过盈配合，环帽39下端面与推力轴承40上盘端面预留间隙，环帽39内环、上端面与卡簧座37末端内凹台阶预留间隙。
[0056]外管总成包括上扩孔器45、外管44、扶正环42、下扩孔器43、侧喷式钻头41;上扩孔器45下端连接外管44，外管44下端连接下扩孔器43，下扩孔器43下端连接侧喷式钻头41，均采用螺纹连接;扶正环42坐落于下扩孔器43内凹台阶处，与下扩孔器连接的外管44对其进行轴向限位。
[0057]密封系统包含静态密封和动态密封;静态密封包括螺纹装配时涂沫润滑油，在内外螺纹根部加设橡胶密封圈，螺纹销连接结构间进行密封胶密封，焊接密封;动态密封包括转换接手与传力环间的橡胶密封环c、密封螺母外围预装的O型密封圈d、滑动密封环15、水路截断环21、带针气阀处的橡胶密封垫k、活塞29。
[0058]使用方法:
[0059]由于兼具常规卡心功能，可在钻进全程均采用本取心钻具进行钻进;或当钻进过程中遇极破碎、软弱易冲蚀、松散等采心不牢地层时，提钻换装本取心钻具，配合采用侧喷式钻头进行钻进。
[0060]换装本取心钻具重新下钻，各机构到位后，开始向孔内栗送冲洗液，地表栗压表的读数变化将反映钻具所处的不同阶段。地表栗压表依次出现的压力变化过程为第一次升压(约升高15?20atm)、第二次升压(相对第一次压峰值约升高3?5atm)、降压至设计栗压，其中第一次升压栗压表会出现升一停一升一停的过程，表示储压腔充压过程，第二次升压表示储压腔充压完毕并开始顶推水位截断环滑移泄水孔，降压至设计栗压表示水路已由储压水路转为钻进水路，可以开始扫孔钻进。栗压表的压力变化由本取心钻具中的各弹簧弹力共同确定，可根据钻进地层软硬程度不同，调节弹簧的弹力，避免液压膜35围压过大扰动破坏岩(矿)心，兼顾岩心采取率及取心质量。钻进过程中的钻压、钻速等钻进参数均可采用与常规双管钻具一致的钻进参数，但从复杂地层钻进取心考虑，钻压不宜过大，一般为2?4kN，否则可能造成岩心堵塞或糊钻，钻速从保护破碎岩(矿)心考虑，一般在150?250rpm。钻进过程中要严格注意岩(矿)心采取长度，可通过钻进进尺控制进入液压膜35中的岩(矿)心长度;为保证液压膜35对岩心内管36中岩矿心有较好的包裹作用，当钻进进尺相对岩心内管最大取心长度差约0.05?0.1m时即可停止钻进。提钻取心过程中本取心钻具基于液压提供的三维应力卡取捆绑岩心自动完成，故操作流程与常规钻进一致，具体操作为达到单回次设计进尺后直接提钻采取岩(矿)心，缓慢提钻约0.05m后稍作停顿，即可继续提钻。提钻到地面后，可根据岩(矿)心需要，或在液压膜泄压后将岩(矿)心取出，或泄压后将液压膜、岩(矿)心同时取出，由液压膜包裹的岩(矿)心可有效避免地表环境对岩(矿)心的影响，为后续岩(矿)心实验研究提供先决条件。
[0061]目前复杂地层难取心问题、取心质量差等问题，除了钻具隔水性能、对岩(矿)心的保真方面的不足，关键在于现行钻探机具的岩(矿)心卡取原理未能适应复杂地层岩(矿)心卡取要求。使用基于液压卡取岩(矿)心的取心钻具，液压提供全自动三维应力卡取捆绑岩心，利用液压膜不透水特性，实现对复杂地层岩(矿)心卡取的同时实现了岩(矿)心强力隔水保真，解决了传统卡心装置不宜卡取破碎岩心的弊端，配合常规卡心割心装置，将本发明的应用范围扩展到整个可钻地层取心，适用范围广，取芯率、取心质量、可靠性高。
[0062]以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
【主权项】
1.一种基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:包括传力分动机构(I)、导流限位机构(π)、储压机构(m)、提引注压机构(IV)、液压卡心机构(V)、侧喷钻头分动机构(VI)、外管总成和密封系统，导流限位机构(π)对接传力分动机构(I)，储压机构(m)对接导流限位机构(π)，提引注压机构(IV)对接储压机构(m)，液压卡心机构(V)对接提引注压机构(IV),侧喷钻头分动机构(VI)对接液压卡心机构(V); 所述液压卡心机构(V)包括底承台(34)、液压膜(35)、岩心内管(36)、卡簧座(37)和卡簧(38)，岩心内管(36)上端与储压机构(ΙΠ)的导流管(25)下端螺纹连接;底承台(34)内含单向阀(m)，侧壁均布溢水孔(L)，该溢水孔与导流管(25)溢水孔位置重合、水路连通，底承台(34)与导流管(25)螺纹销连接，接口处、溢水孔过渡处采用密封胶密封;底承台(34)下端台阶与液压膜(35)采用密封胶粘结密封，液压膜(35)吸附于岩心内管(36)的内壁并布满于整个岩心内管(36)中；卡簧座(37)与岩心内管(36)螺纹连接，卡簧座(37)螺纹根部预留有液压膜收纳空间；卡簧(38)与卡簧座(37)呈楔形接触。2.根据权利要求1所述的基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:所述液压膜(35)沿岩心内管(36)的内壁布置至其末端，然后经卡簧座(37)的液压膜收纳空间，再上返至岩心内管的末端;液压膜(35)与岩心内管(36)末端外壁凹台段采用密封胶粘结密封后继续向上延伸固定于卡簧座(37)与岩心内管(36)的螺纹间;位于卡簧座收纳段的液压膜(35)在液压作用下形成锁扣形式;卡簧座(37)无水口，末端为内凹台阶结构。3.根据权利要求2所述的基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:传力分动机构(I)包括钻杆接手(I)、动力轴(2)、异动接手(3)、双限位螺母(4)、转换接手(5)、传力环(6)、滑套座(7)、滑套(8)、上下两推力轴承(9)、密封螺母(10)和心轴接手(11);动力轴(2)上端与钻杆接手(I)螺纹连接，下端与转换接手(5)螺纹连接，轴向设有贯通孔;轴身设置与异动接手(3)端部内花键相配的外花键，外花键首末两端预留凹槽，预装橡胶密封圈(a)，且槽底圆直径小于外花键小径，外花键下段设有双限位螺母(4);异动接手(3)上端与动力轴(2)花键连接，下端与上扩孔器(45)螺纹连接;转换接手(5)外壁的环状卡扣(b)坐落于异动接手(3)与上扩孔器(45)之间的传力环(6)并处于接触压紧状态，卡扣(b)与传力环(6)之间设有橡胶密封环(c)，转换接手(5)下端与滑套座(7)螺纹连接；滑套座(7)依次贯穿推力轴承(9)、滑套(8)、推力轴承(9)，尾部连接密封螺母(10)，滑套座(7)与滑套(8)间隙配合，滑套座(7)轴向设有贯通孔，转换接手(5)、密封螺母(10)配合实现滑套(8)及其上下两个推力轴承(9)的轴向限位;密封螺母(10)的O型密封圈(d)密封于螺母与心轴接手(11)之间的间隙，滑套(8)外螺纹连接心轴接手(11)上端。4.根据权利要求3所述的基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:导流限位机构(Π)包括心轴(12)、悬挂接手(13)、限位螺母(14)、滑动密封环(15)、弹卡架(16)、弹簧(17)、弹卡钳(18)、弹卡室(19)、弹卡座(20)、水路截断环(21)和弹性单向排气阀(22);心轴(12)轴向设有贯通孔，其上端与传力分动机构(I)的心轴接手(11)螺纹连接，下端与弹卡架(16)螺纹连接，心轴(12)轴身布置的外花键与悬挂接手(13)的内花键相配，悬挂接手(13)与心轴(12)可沿花键做轴向相对滑动;限位螺母(14)固定滑动密封环(15)于弹卡架(16)的上端，滑动密封环(15)密封于悬挂接手(13)与弹卡架(16)之间的间隙，弹卡架(16)下段开有环形孔(e)，贯穿弹簧(17)的插销可带动弹簧(17)在环形孔(e)中上下滑移，弹簧(17)支腿插入弹卡钳(18)的预留孔中，弹卡钳(18)被插销固定于弹卡座(20)上端;弹卡座(20)下段轴向设有弹性单向排气阀(22)，其外环与水路截断环(21)过盈配合;水路截断环(21)布置于弹卡室(19)的泄水孔(g)处，并与弹卡室(19)内壁紧密接触密封泄水孔(g)截断水路，水路截断环(21)均布互不连通的轴向水路;弹卡室(19)内环布有对应弹卡钳(18)的限位槽(f)，限位槽(f)以下均布泄水孔(g)，弹卡室(19)上端与悬挂接手(13)螺纹连接，下端与储压机构(ΙΠ)的导流管(25)螺纹连接。5.根据权利要求4所述的基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:储压机构(m)包括腔顶盖(23)、储压腔(24)、导流管(25)、腔底盖(26)、弹性单向阀(27)、储压弹簧(28)和活塞(29);腔顶盖(23)轴向有半深凹槽，顶端开口底端闭合，底端有通气孔(i);腔顶盖(23)通过凹槽内螺纹连接导流限位机构(Π )的弹卡座(20)并对水路截断环(21)做轴向限位，外壁预留销口与储压腔(24)的螺纹销(h)连接，并在接口处涂密封胶密封;导流管(25)内壁除设置与储压腔外花键(η)相配的内花键(ο)外，还设有轴向导流槽(p);腔底盖(26)与储压腔(24)螺纹连接，其轴线位置装有弹性单向阀(27);储压弹簧(28)位于储压腔(24)内，其一端连接腔底盖(26)，另一端连接活塞(29)，采用铰接或粘结连接;活塞(29)与储压腔(24)内壁光滑紧密接触;导流管(25)与液压卡心机构(V)的底承台(34)连接处均布溢水孔(L)。6.根据权利要求5所述的基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:提引注压机构(IV)包括引压器(30)、注压器(31)、带针气阀(32)和底弹簧(33);引压器(30)的中空支腿(j)穿过注压器(31)端部预留孔插入腔底盖(26)预留孔洞，并与腔底盖(26)焊接密封；引压器(30)端部、注压器(31)上端均设有带针气阀(32)，带针气阀为常闭气阀，内部压缩弹簧顶推密封垫使气阀处于闭合状态，外端设有顶针，端部设置橡胶密封垫(k)，带针气阀(32)与引压器(30)、注压器(31)螺纹连接;注压器(31)下段均布的轴向孔分两类，一类与注压器(31)的带针气阀(32)连通，并贯通于液压卡心机构(V)的底承台(34)预留的轴向通路，该类轴向孔与底承台(34)预留轴向通路接口处焊接密封，另一类不与注压器(31)的带针气阀(32)连通，为独立单向孔，用于注压器(31)与底承台(34)固定，采用螺纹销或焊接连接;底弹簧(33)—端固定于底承台(34)顶端面，通过焊接、铰接或粘结连接，另一端为自由端，底弹簧、底承台二者共轴线。7.根据权利要求6所述的基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:侧喷钻头分动机构(VI)包括环帽(39)和推力轴承(40);液压卡心机构(V)的卡簧座(37)末端的内凹台阶坐落于推力轴承(40)上盘，环帽(39)、推力轴承(40)下盘与外管总成的侧喷钻头(41)内台阶过盈配合，环帽(39)下端面与推力轴承(40)上盘端面预留间隙，环帽(39)内环、上端面与卡簧座(37)末端内凹台阶预留间隙。8.根据权利要求7所述的基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:外管总成包括上扩孔器(45)、外管(44)、扶正环(42)、下扩孔器(43)和侧喷式钻头(41);上扩孔器(45)下端连接外管(44)，外管(44)下端连接下扩孔器(43)，下扩孔器(43)下端连接侧喷式钻头(41)，均采用螺纹连接；扶正环(42)坐落于下扩孔器(43)内凹台阶处，与下扩孔器连接的外管(44)对其进行轴向限位。9.根据权利要求8所述的基于液压卡取岩心的取心钻具，其特征在于:密封系统包含静态密封和动态密封;静态密封包括螺纹装配时涂沫润滑油，在内外螺纹根部加设橡胶密封圈，螺纹销连接结构间进行密封胶密封，焊接密封;动态密封包括转换接手与传力环间的橡胶密封环(c)、密封螺母外围预装的O型密封圈(d)、滑动密封环(15)、水路截断环(21)、带针 气阀(32)处的橡胶密封垫(k)、活塞(29)。
【文档编号】F16J15/18GK105909202SQ201610522830
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】郝志斌
【申请人】中交第四航务工程勘察设计院有限公司