专利名称:整体迭缩式孔底换钻头工具的制作方法
本实用新型是一种用于岩心钻探钻孔内的装置。
六十年代起，国外不同型式的不提钻换钻头技术方案相继出现。截至目前，除扩孔翼张敛式钻具已具有一定的工业实用价值外，如我国专利CN85200563U，其它型式的钻具方案尚在研制探索中。就工具的结构原理而言，各类钻具中最理想的要首推全面迭缩式钻具方案。扩孔翼张敛式钻具因其系两级钻破岩，不但破岩面积大，钻效低(特别是硬岩)，而且岩心小，钻具系列不全(缺失φ59口径钻具)，其应用前景受到很多限制。所以，人们注意力集中到研制一种结构原理上更为合理的、有更大实用和经济效益前景的全面迭缩式孔底换钻头工具上。
当今，试图用于小口径地质岩心钻探的全面迭缩式孔底换钻头工具中，有一种技术方案是整体钻头迭缩式孔底换钻头工具，如美国专利USP1981，8、4，4281722；但该工具因结构过于复杂，机械加工困难，可靠性不高，也不便于操作，尚未投入工业实用。
本实用新型旨在针对上述工具存在的问题提出新的技术方案，设计制造出一种适合于地质勘探小口径金刚石岩心钻探用的具有更大工业实用前景的整体迭缩式孔底换钻头工具，它无需起下钻，便可定期对服役钻头进行直接检查或更换。
图1a、b，图2a、b是本工具组装后分别处于安装和回收钻头状态的分段正视图3a、b，图4a、b分别是本工具处于钻进状态的井下钻具短节的分段正视和侧视图；图5、6、10——14是图1、图2及图4中A——A等剖面图；图7——9分别是钻头正视、侧视和俯视图；图15，图16，图17(图17a、b为两类似的结构)，图18分别是外、中、内槽轮管和锁卡筒的局部外表面展开图；图19是图10中F——F剖面图；图20是本工具的钻头更换工具的投放环图；图21a、b、c和图22a、b分别是本工具另一种类似结构的安装和回收状态图。
本实用新型分井下钻具短节总成、钻头更换工具总成及更换工具投放环三个部分。其井下钻具短节作更换工具导向、定位和钻头锁连及钻进用；更换工具作钻头拆装更换用；而投放环则兼作更换工具的组装及下井投放用。本工具除钻头及扩孔管局部表面镶嵌金刚石外，均由金属材料制作。
井下钻具短节总成(图3、4)由导向管17(为使其导向槽加工，实际分为二件)、扩孔管24和钻头28(图7、8、9)以及套装于扩孔管内的锁卡筒23和锁卡筒定位簧片40(图4、6)组成；井下钻具短节再同通常的绳索取心钻具(未示)相连，从而组成实用的井下钻具。井下钻具除钻头外，只在需要起钻时提出地表。
钻头28为整体式简单结构，它是两侧有对称切口平面的异形圆环(如图7、8、9)，其三度空间尺寸各不相等X＞Y＞Z；当以Y轴为转轴使其X轴转至和Z轴重合(迭缩)时，钻头可通过钻杆内孔出入，为钻头的孔底更换提供基础。
井下钻具短节组装时，导向管同扩孔管间定向相连，其连接取向依导向管内壁导向槽51同扩孔管的钻头接插口的取向而定。扩孔管和钻头间通过“嵌”、“榫”接合副和锁连副实现彼此的连接(图5)；其“嵌”接副由扩孔管的钳夹杆52和钻头的钳口平面53组成；“榫”接副由扩孔管的其外圆弧面即为扩孔管外圆面的延伸的弧形凸块54同钻头外圆上部的弧形独头槽55组成；而锁卡筒的锁卡爪56和钻头的弧形横槽57则组成其锁连副，并有定位簧片40记忆锁卡筒位置的转换(图6)。
井下钻具工作时，由钻头和扩孔管的金刚石层58、62，承担钻进和扩孔；由扩孔管内壁凸块59(图3)提供岩心采取的提断力。此外，凸块59还和导向管一起给钻头更换工具提供导向和定位的条件。
钻头更换工具由瞄定机构、驱动机构、启闭机构和钻头拆装更换执行装置(简称更换装置)组成；它包括图1、图2中除属井下钻具短节的全部部件(图1、图2两图的不同在于图2中以件38取代图1的件11，并增添件4、12和37)。更换工具更换钻头(指回收和安装钻头)时，借助投放环组装，经钻杆内孔投放，靠自重下井，并由瞄定机构通过瞄向定位将工具锁定于井下钻具短节内，并触发启闭机构动作；继之，启闭机构使驱动机构解卡启动；进而，驱动机构借助自身弹簧的弹力或打捞器提供的动力驱动钻头更换装置按钻头更换程序更换钻头；最后，由打捞器打捞。
瞄定机构由瞄定接头8，上、下瞄定弹卡总成(含弹卡9、15、弹卡座10、13及弹簧14)，启闭管11(或38)及启动簧6组成；作更换工具瞄向定位和锁定及触发启闭机构启动用。瞄定接头上接套筒2，下连外槽轮管18；其两侧横孔设置瞄定弹卡总成，轴向通孔插入启闭管11(或38)及启动簧6；启闭管呈漏斗状，管身有环槽74、75，瞄定弹卡龟缩时可伸入瞄定接头轴向通孔并卡入环槽而同启闭管相互锁连。瞄定机构工作时，其下弹卡执行瞄向，上、下弹卡共同完成定位，瞄定弹卡和井下钻具导向管的“螺旋(半个导程)——直线”导向槽51(图3、4)构成瞄向定位副，当更换工具下井时，弹卡滑入导向槽内，并为导向槽所导向，瞄定接头8及与其定向相连的外槽轮管即被按规定方位坐落在扩孔管24内壁凸块59上。瞄向定位结束时，瞄定弹卡双双从环槽中滑出，启闭管即被解卡并在启动簧作用下轴向位移，同时以其无槽部分移靠瞄定弹卡，反使瞄定弹卡(亦即工具本身)锁于井下钻具内。
驱动机构由打捞矛头1、套筒2、驱动杆3、驱动簧4及螺母12组成，为钻头更换装置提供驱动(图1、2)。驱动机构的动力，在安装钻头时直接来自绳索打捞器的向上拉力(图1)；在回收钻头时则既可来自弹簧4的向下弹力(图2)，也可来自绳索打捞器的向下冲击力，或者同时来自两者；驱动力通过矛头经由驱动杆(或直接通过驱动杆)下传给更换装置的槽轮机构。驱动杆由启闭机构实行锁卡和启动控制。
启闭机构由上法兰5、钢球7、驱动杆3和启闭管的漏斗部77构成，作驱动机构的锁卡和启动用，驱动杆3为T形长杆，杆身有环槽78、79和80，它从上法兰5和启闭管11(或38)的心孔穿插而下，通过环槽80同更换装置及下法兰19相连。上法兰5的盘端固定，而轴套端和启闭管漏斗部套合；其轴套壁部有孔，内装钢球7；钢球夹制于启闭管和驱动杆间，并为启闭管约束而卡入驱动杆的环槽78(图1)或79(图2)内将驱动杆锁住。驱动杆在启闭管轴向移位时，因钢球7失去约束而导致其自身的解卡和驱动机构的启动。更换工作结束时，驱动杆通过复位杆37(回收钻头时)或下法兰19(安装钻头时)使启闭管复位和瞄定弹卡解卡，并使自己在自身另一环槽位置上重被钢球7锁定。
钻头更换装置由槽轮机构，连杆，钻头夹持器和锁卡筒控制机构构成，是更换工具更换钻头的执行机构。其槽轮——连杆机构是本装置的驱动控制体，钻头夹持器在它的控制下对钻头进行夹持或解脱，并使钻头作转向(指绕纵轴Z)、迭缩(指绕横轴Y)和轴向(指Z轴)变位等复合状态转换动作；同时，锁卡筒转向控制销总成也在它的驱动控制下工作，以配合钻头更换工作的完成。
钻头夹持器由浮筒29，浮塞31，钢球46，上限位弹卡34，下限位弹卡47，弹簧33、49和36及拉杆35(图1、10、12)组成；浮塞31套装于浮筒内，并有联动拉杆35使其处于龟缩状态；浮塞顶端与槽轮连杆机构相铰连，并受控于槽轮——连杆机构。钻头夹持器按球卡原理工作；在更换钻头时，它套入钻头内，可因浮塞在浮筒中位置的不同，而有夹持和解脱两种工况。夹持时，浮塞推入浮筒，钢球46移向球穴60(图12)；解卡时，浮塞退出，钢球46移向环槽61(图13)；并有上、下限位弹卡确保其状态的稳定。下限位弹卡的解卡由楔杆48承担。
复式槽轮——连杆机构由内、中、外槽轮管21、22、和18，限位销39，驱动销43，法兰19，楔杆48和连杆27组成(图1、2、11、14)；作钻头夹持器夹持钻头和钻头状态转换控制以及锁卡筒转向控制机构驱动用。工具组装时，外槽轮管18上端与瞄定接头8定向接合，并由螺钉16连成一体。中槽轮管的上端通过螺钉20和法兰19与驱动杆3相连，并从中取得轴向推动力，是本机构的主动件；其下端曲拐69和钻头夹持器浮塞中心销孔63铰连，使夹持器可与中槽轮管联动，并为夹持器及钻头提供迭缩的转动中心。内槽轮管下端销孔72通过连杆27和钻头夹持器浮塞偏心销孔铰连，为钻头夹持器的迭缩提供驱动力传递渠道。内、中、外槽轮管彼此套合，并通过驱动销43和限位销39的插入各槽轮管相关槽孔而实现彼此的连结。更换装置工作时，中槽轮管通过固定于其销孔68(图16)中的驱动销43插入外槽轮管的导向槽65(图15)而构成导向副，使中槽轮管可相对于外槽轮管作按槽65所规定的形态(直线——螺旋)的相对运动，沿工具轴向移动和绕工具轴转动(π／2弧度)；使中槽轮管可对与其铰连的钻头夹持器进行既左右转向又上下移动的状态转换控制。同时，由于中槽轮管上的驱动销43插入内槽轮管的联动槽70(图17)内，固定于外槽轮管销孔66(图15)上的限位销39又经中槽轮管的通道槽67(图16)插入内槽轮管的限位槽71(图17)内，因而受驱动销43的驱动，内槽轮管同中槽轮管在相对于外槽轮管发生轴向位移的同时，又在限位销的限位下相互形成轴向差动；这一差动通过连杆传给钻头夹持器，使钻头夹持器又可以曲拐为铰支进行迭缩控制。
锁卡筒转向控制机构由驱动销43、控制销44、弹簧42和卡环45及相关的槽轮机构构成(图14)，作锁卡筒转向控制用。驱动销43有轴向阶梯孔，控制销44装于其内，并由弹簧42及卡环45使其处于龟缩状态。控制销44为T形圆杆，它同驱动销联动时，可随外槽轮管导向槽65的约束宽度的变化及其变化交接处的斜坡64的导引下而向外扩张，伸入锁卡筒23的控制槽73(图18)中，对锁卡筒进行转向控制，以配合钻头夹持器完成钻头的更换工作。
投放环50(图20)呈圆环状，作更换工具组装和 投放用。投放环内有环槽81和轴对称纵槽82，彼此正交；圆环端口呈喇叭状。环槽81直径与钻杆内孔相同，故在更换工具组装待用时，可 约束更换工具的上瞄定弹卡呈龟缩状态。环内纵槽和端口喇叭则为弹卡进出环槽提供通道，可便于工具的组装和投放。
更换工具按下列程序回收钻头工具呈回收状态经钻杆内孔投放下井→靠自重进入钻具短节→下瞄定弹卡瞄向定位→上瞄定弹卡到位→钻头夹持器套入钻头内→启闭管解卡并上移→瞄定弹卡被锁定→驱动杆解卡→驱动机构启动→中及内槽轮管同步下移→浮塞推入浮筒→夹持器夹持钻头→控制销径向外张并下移→锁卡筒向左转向解卡钻头→控制销复位→中、内槽轮管携钻头同步下移→浮塞锁于下限位→中、内槽轮管差动下移并作螺旋运动→钻头向左转向并下移和迭缩→启闭管下移复位→瞄定弹卡解卡→驱动杆重被锁定→打捞(图2)。
按下列程序安装钻头工具呈安装状态下井进入钻具短节→瞄定弹卡瞄向定位→启闭管解卡并下移→瞄定弹卡被锁定→驱动杆解卡→下打捞器打捞→中、内槽轮管差动向上作螺旋运动→钻头向右转向并上移和“张开”(由卧位翻转为立位)→中、内槽轮管同步轴向上移→钻头和夹持器浮筒分别接插于扩孔管和外槽轮管下端→下限位弹卡解卡→浮塞随中、内槽轮管继续上移→控制销径向外张进入锁卡筒控制槽内并上移→锁卡筒向右转向锁卡钻头→控制销和启闭管复位→瞄定弹卡解卡→打捞(图1)。
图21、22所示工具方案(∏型)和图1、2方案(Ⅰ型)结构大同小异，其不同点是其启闭机构的启动不靠瞄定弹卡触发，而是用绳索打捞器的向下冲击的远控方式。其启闭和瞄定机构由矛头101、驱动簧102、启动杆103、驱动杆104、瞄定接头105、启动簧106、球卡107、联动弹卡108及其弹簧109、缓冲弹簧110、复位锁卡销113和瞄定弹卡总成组成；作工具井下锁定和驱动机构的启动控制用。其驱动杆104呈┬形；上部为管，管壁有圆孔184和183，分别安设联动弹卡108和球卡107；杆身开有瞄定弹卡龟缩槽180和更换装置联动槽182。启动杆103亦呈┬形，杆身有定位环槽176、联动环槽175和启动环槽177、178；其上部与矛头相连，下部插于驱动杆轴向孔内。驱动杆通过其联动弹卡卡入启动杆定位环槽176而实现彼此的锁连，并由缓冲弹簧110使启动杆处于轴向受力状态。瞄定接头105有轴向 通孔，孔内开有锁定槽186；驱动杆插装其轴向通孔内，并有球卡107在启动杆的约束下卡入锁定槽186内而将驱动杆锁定，再借助启动簧(图21)或驱动簧(图22)使驱动杆呈轴向受力状态。瞄定弹卡总成设置于瞄定接头的两侧，瞄定前弹卡正好同驱动杆的龟缩槽180邻对，因而可自由龟缩于槽内。本机构下井瞄定后，靠打捞器向下冲击力使启动杆下移而使启闭机构启动；并在更换工作结束时靠驱动机构的驱动自行复位，并有复位锁卡销113在矛头杆复位槽185中作复位锁定。
本发明提供的具有工业实用性的孔底换钻头工具，可在地质岩心钻探中实现孔底换钻头。
本发明因其井下钻具系同径钻进形式，无需扩孔；所以在结构原理上较之已有的扩孔翼张敛式不提钻换钻头钻具有破岩面积小、钻效较高、岩心较粗和可在更小口径(φ59)钻孔中应用。
本发明钻头与扩孔管间采用“嵌——榫”接合再加锁卡的连接方式；这种连接既有利于钻头更换装置之设计，又能使钻具有良好的传压、传扭能力。
本发明井下钻具的岩心管支坐于扩孔管上，卡取岩心时的岩心提断力主要由扩孔管承担，而同钻头关系不大。
本发明的钻头更换装置采用独特的管状、复式槽轮连杆机构和钻头夹持器共同组成；它三位一体，把钻头夹持、迭缩、左右转向和轴向变位的复合转换动作由一个简单的机构完成。这比之国外(如美国)同类专利设计，有结构简单、另件大大减少和动作更加可靠的特点。
本发明钻头迭缩时的转动中心既与钻头中心重合，又通过钻具轴心，是最佳点位，这种选择也优于国外同类技术方案。
本发明的钻头更换工具由绳索打捞器投捞，更换钻头的驱动力或来自钢绳，或来自弹簧，操作简单不需复杂的地表附属设备。
本发明更换工具的瞄向定位采用由上、下瞄定弹卡和“螺旋——直线”导向槽组成的瞄定副进行瞄定，并有瞄定后能实行锁卡的机构。这种机构有识别性瞄定之功能，它不受其它相关槽孔的干扰，有利于瞄向定位的可靠进行。
最后，本发明的更换工具的瞄向定位、启闭控制、驱动、钻头更换装置之间实行了机构连锁，从而有利于提高工具的可靠性和实用性。
权利要求
1.一种用于岩心钻探钻孔内的孔底换钻头工具，该工具包括井下钻具短节，钻头更换工具和更换工具投放环三个部分该工具的井下钻具短节具有导向管、扩孔管、钻头和锁卡筒及其定位簧片，扩孔管和钻头间“嵌-榫”接合再用锁卡筒锁连构成实用的井下钻具；其导向管内壁设有导向槽，为更换工具下井提供瞄向定位的基准；该工具的钻头更换工具包括驱动机构，瞄定机构、启闭机构和钻头更换装置共四个部件；驱动机构位于工具的上部，钻头更换的驱动力从其打捞矛头或驱动簧经由驱动杆下传给钻头更换装置；瞄定接头上部连接驱动机构，下部连接钻头更换装置，它同装于其两侧的瞄定弹卡及装于其轴向通孔内的启闭管(对于工具方案Ⅱ、则为驱动杆)和启闭簧构成瞄定机构，用来对井下钻具进行瞄向定位；启闭机构位于瞄定接头轴孔上端，它以其钢球对驱动杆实行启闭控制，启闭机构借助瞄定弹卡的扩张动作(对于工具方案Ⅱ，则借助绳索打捞器的向下冲击力)触发；钻头更换装置由槽轮机构、连杆、钻头夹持器和锁卡筒控制机构构成，其槽轮机构是该装置的控制体，槽轮机构通过其自身的部件并借助于连杆而与钻头夹持器相连，又借助于锁卡筒控制机构与井下钻具的锁卡筒相连，致使钻头夹持器和锁卡筒可在它的控制下对钻头进行拆装更换作业；本实用新型的特征在于井下钻具短节的扩孔管和钻头间的“榫”接副由扩孔管下端的弧形凸块和钻头上部的弧形独头槽构成，旨在便于钻头的接插和接插强度的提高；由井下钻具的导向管的导向槽和更换工具的瞄定弹卡构成瞄定副旨在有利于瞄定机构和瞄定操作的简化及其工作可靠性的提高；由内、中、外三槽轮管及将它们相互连结的限位销、驱动销及锁卡筒控制销总成构成的复式槽轮机构旨在有利于钻头更换装置结构的简化和工作可靠性的提高。
2.按照权利要求
1所述的工具，其特征在于所说扩孔管弧形凸块的外圆弧面即为扩孔管外圆面的延伸；所说钻头上部的弧形独头槽与钻头外圆面相连通。
3.按照权利要求
1所述的工具，其特征在于所说井下钻具导向管的导向槽呈“螺旋(半个导程)——直线”形，两条，按轴向对称排列。
4.按照权利要求
1所述的工具，其特征在于所说更换工具的瞄定弹卡，上下各有两个，按径向分设于瞄定接头的两侧。
5.按照权利要求
1所述的工具，其特征在于所说更换工具槽轮机构的外槽轮管管身设有一根“直线——螺旋”形导向槽和一个限位销固定孔；所说中槽轮管管身设有一根通道槽和一个驱动销固定孔；所说内槽轮管管身设有一根限位槽及一个轴向联动槽；所说驱动销呈柱状，它固定于中槽轮管的驱动销固定孔内，其两端分别伸入外槽轮管的导向槽和内槽轮管的联动槽中；所说限位销呈柱状，其一端固定于外槽轮管的限位销固定孔内，另一端经中槽轮管通道槽而伸入内槽轮管的限位槽中。
专利摘要
本实用新型是一种用于岩心钻探钻孔内的装置。它是针对现有技术方案所存在的结构原理缺陷而设计的结构简单、动作可靠的整体迭缩式孔底换钻头工具。本装置的特点是具有结构简单，动作灵活可靠的钻头更换机构，瞄向定位机构，驱动机构，并具备自动启动和锁紧功能。本装置实施后可简化更换钻头工序，提高钻进速度以及扩大不提钻换钻头技术的应用范围。
文档编号E21B10/00GK87205282SQ87205282
公开日1988年10月12日 申请日期1987年12月17日
发明者袁宏文 申请人:地质矿产部探矿工艺研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan