水压驱动的定向造斜装置的制作方法

本发明涉及地质钻探技术领域，特别是一种水压驱动的定向造斜装置。

背景技术：

目前，在地质钻探领域中，定向钻探主要采用底孔马达驱动钻头破碎岩石获取进尺，由于是底孔马达驱动，钻杆是不旋转的，只是作为高压过水管道将高压水送至底孔，由高压水驱动底孔马达旋转，进而带动钻头旋转。工具面角的母线与钻杆中测量装置的直线是固定不变的，因此有线或无线的随钻仪无论何时投入钻杆内孔中都能准确找到工具面角的母线，从而测出钻头的工具面角、方位角、顶角等技术参数。这种孔底马达的定向钻探不足之处在于不能获取完整有效的岩心，进而不能获取准确的地质信息。

目前，在地质钻探领域中，取芯钻探通常只能在垂直方向上取芯，而无法沿着其它设定的方向取芯，因为取芯钻探的过程中，钻杆是高速旋转的，其角度时刻都在变化，在不断变化的角度中不能找到钻头工具面角的母线，也就无法测量出钻头的工具面角、方位角及顶角等技术参数。即取芯钻探的不足之处在于只能实现垂直方向的取芯，不能实现其它设定方向的取芯。

目前，在地质钻探领域中，实现定向取芯钻探是非常有必要的，以地铁修建为例，在地铁修建之前，需要在规划路线上间隔设置多个取样点，在每个点进行垂直方向的取芯，以了解整条线路上岩层分布状态，为后续设定地铁挖深及地铁施工技术方案提供理论依据，理论上取样点越多越能反应整条线路上的岩层分布状态，但城市地铁修建过程中因环境和地域限制，无法做到密集的设置取样点，并且，垂直方向上的取样始终是“点取样”，无法获取沿规划线路水平轴线方向持续连贯的地质信息。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种水压驱动的定向造斜装置，它解决了目前在地质钻探领域中，无法同时实现取芯钻探和任意设定轨迹定向钻探的问题。

本发明的技术方案是：水压驱动的定向造斜装置，包括内管组件及外管组件；

内管组件包括内通管、滚针轴承、内短接管及平面轴承；内通管外壁上设有贯通至其内孔中的导流孔及用于定位滚针轴承的台阶面a，其两端分别设有外螺纹b及用于连接内短接管的外螺纹a；滚针轴承套装在内通管上，其两端分别通过台阶面a和内短接管定位；内短接管内孔一端设有用于连接内通管的内螺纹a，另一端设有外螺纹d，其外壁上设有用于定位平面轴承的台阶面b，其通过内螺纹a连接在内通管的外螺纹a上，并与滚针轴承相抵；平面轴承套装在内短接管上，其两端分别通过台阶面b和外管组件的外短接管定位；

外管组件包括外通管、外短接管、定向卡瓦、造斜卡瓦、弹性元件a及弹性元件b；外通管套装在内通管和滚针轴承上，并通过滚针轴承实现与内通管相对转动，其在轴向方向分别通过滚针轴承和外短接管定位，其外壁上设有用于安装定向卡瓦的安装孔a和用于安装造斜卡瓦的安装孔b，其两端分别设有内螺纹b和用于连接外短接管的外螺纹c，其内壁上设有泄流通道；外短接管一端设有用于连接外通管的内螺纹c，其通过内螺纹c连接在外通管的外螺纹c上，并与平面轴承相抵；定向卡瓦活动安装在外通管的安装孔a中，并从安装孔a中伸出；造斜卡瓦活动安装在外通管的安装孔b中，并从安装孔b中伸出，造斜卡瓦从安装孔b中伸出的径向高度x大于定向卡瓦从安装孔a中伸出的径向高度y；弹性元件a压缩设置在定向卡瓦与外通管之间，从而将定向卡瓦压紧在内通管外壁上，使定向卡瓦与内通管之间形成接触面a；弹性元件b压缩设置在造斜卡瓦与外通管之间，从而将造斜卡瓦压紧在内通管外壁上，使造斜卡瓦与内通管之间形成接触面b；

当安装有定向卡瓦和造斜卡瓦的外通管套装在内通管上时，外通管与内通管之间形成环形空间a和环形空间b，环形空间b一侧与内通管上的导流孔连通，另一侧与外通管上的泄流通道连通；定向卡瓦及造斜卡瓦分别与内通管之间形成渐缩空间，所述渐缩空间沿内通管的轴向方向从前端至后端空间逐渐缩窄，环形空间a一端为进水端，另一端连通至渐缩空间的前端；渐缩空间的后端与泄流通道之间通过接触面a和接触面b隔开。

本发明进一步的技术方案是：外通管上的安装孔a的数量为两个，安装孔b的数量为一个，两个安装孔a和一个安装孔b两两相隔120°设置在外通管上；相应的，定向卡瓦的数量为两个，造斜卡瓦的数量为一个。

本发明再进一步的技术方案是：定向卡瓦包括弧形板a和固接在弧形板a外弧面上的井壁接触头a；造斜卡瓦包括弧形板b和固接在弧形板b外弧面上的井壁接触头b。

本发明更进一步的技术方案是：外管组件还包括导流套和紧固螺钉；导流套内孔中设有锥孔，其一端设有用于容纳造斜卡瓦和定向卡瓦的缺口，其安装在外通管的内孔中，并将造斜卡瓦和定向卡瓦容纳在其缺口中，其与内通管之间形成锥环形空间，锥环形空间位于渐缩空间的前端与环形空间a之间；紧固螺钉旋入外通管和导流套而将二者连接为一体。

本发明更进一步的技术方案是：内通管的导流孔相对于内通管的径向平面倾斜布置，导流孔的数量有多个，所有的导流孔呈环形均布在内通管上。

本发明更进一步的技术方案是：外通管与内通管之间设有密封圈a，定向卡瓦与外通管之间设有密封圈b，造斜卡瓦与外通管之间设有密封圈c。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明应用于定向取芯钻探，工作时以高压水流为介质驱动定向卡瓦及造斜卡瓦径向伸出，从而产生钻进时的造斜效果，撤去高压水流后，定向卡瓦及造斜卡瓦分别在弹力作用下径向缩回。因此，钻头直径与外管直径的差值可以允许设计的最小，从而孔壁与外管的间隙被缩小。如此带来的好处是：1、钻头的唇面与岩石的接触面积小，钻进摩擦力小，大幅提高了钻进效率；2、由于孔壁与外管的间隙小，使钻具与钻杆不会产生大的摆动，从而能确保定向钻进的稳定性，增加了定向钻探的精确度。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的a-a剖视图；

图3为内通管的结构示意图；

图4为内短接管的结构示意图；

图5为外通管的结构示意图；

图6为图5的b-b剖视图；

图7为外短接管的结构示意图；

图8为定向卡瓦的结构示意图;

图9为造斜卡瓦的结构示意图；

图10为导流套的结构示意图；

图11为图1的c-c剖视图；

图12为本发明与岩心钻探设备中其它关联部件的连接关系图。

具体实施方式

实施例1：

如图1-11所示，水压驱动的定向造斜装置，包括内管组件及外管组件。

内管组件包括内通管11、滚针轴承12、内短接管13及平面轴承14。

内通管11外壁上设有贯通至其内孔中的导流孔111及用于定位滚针轴承12的台阶面a112，其两端分别设有用于连接内短接管13的外螺纹a113和用于连接钻杆51(钻杆51属于岩心钻探设备中的一个部件)的外螺纹b114。

滚针轴承12套装在内通管11上，其两端分别通过台阶面a112和内短接管13定位。

内短接管13内孔一端设有用于连接内通管11的内螺纹a131，另一端设有用于连接钻头52(钻头属于岩心钻探设备中的一个部件)的外螺纹d132，其外壁上设有用于定位平面轴承14的台阶面b133，其通过内螺纹a131连接在内通管11的外螺纹a113上，并与滚针轴承12相抵，从而为滚针轴承12提供一端的定位。

平面轴承14套装在内短接管13上，其两端分别通过台阶面b133和外管组件的外短接管22定位。

外管组件包括外通管21、外短接管22、定向卡瓦23、造斜卡瓦24、弹性元件a25及弹性元件b26。

外通管21套装在内通管11和滚针轴承12上，并通过滚针轴承12实现与内通管11相对转动，其在轴向方向分别通过滚针轴承12和外短接管22定位，其外壁上设有用于安装定向卡瓦23的安装孔a211和用于安装造斜卡瓦24的安装孔b212，其两端分别设有用于连接外短接管22的外螺纹c213和用于连接外管53(外管53属于岩心钻探设备中的一个部件)的内螺纹b214，其内壁上设有泄流通道217(所述泄流通道217设在外通管21内壁的环形台阶218上)。外通管21上的安装孔a211的数量为两个，安装孔b212的数量为一个，两个安装孔a211和一个安装孔b212两两相隔120°设置在外通管21上。

外短接管22一端设有用于连接外通管21的内螺纹c221，其通过内螺纹c221连接在外通管21的外螺纹c213上，并与平面轴承14相抵，从而为平面轴承14提供一端的定位。

定向卡瓦23包括弧形板a231和固接在弧形板a231外弧面上的井壁接触头a232，井壁接触头a232的端面上镶嵌有耐磨金属片。定向卡瓦23通过弧形板a231活动安装在外通管21的安装孔a211中，其井壁接触头a232从安装孔a211中伸出。定向卡瓦23的数量为两个(定向卡瓦23的数量应与安装孔a211的数量一致)，两个定向卡瓦23之间相隔120°(根据安装孔a211及安装孔b212的布置方式可知)。

造斜卡瓦24包括弧形板b241和固接在弧形板b241外弧面上的井壁接触头b242，井壁接触头b242的端面上镶嵌有耐磨金属片。造斜卡瓦24通过弧形板b241活动安装在外通管21的安装孔b212中，其井壁接触头b242从安装孔b212中伸出。造斜卡瓦24的数量为一个(造斜卡瓦24的数量应与安装孔b212的数量一致)。造斜卡瓦24与两个定向卡瓦23之间分别相隔120°(根据安装孔a211及安装孔b212的布置方式可知)。造斜卡瓦24从安装孔b212中伸出的径向高度x大于定向卡瓦23从安装孔a211中伸出的径向高度y。

弹性元件a25压缩设置在定向卡瓦23与外通管21之间，其通过弹力迫使定向卡瓦23压紧在内通管11外壁上，使定向卡瓦23与内通管11之间形成接触面a。

弹性元件b26压缩设置在造斜卡瓦24与外通管21之间，其通过弹力迫使造斜卡瓦24压紧在内通管11外壁上，使造斜卡瓦24与内通管11之间形成接触面b。

当安装有定向卡瓦23和造斜卡瓦24的外通管21套装在内通管11上时，外通管21与内通管11之间形成环形空间a31和环形空间b32，环形空间b32一侧与内通管11上的导流孔111连通，另一侧与外通管21上的泄流通道217连通；定向卡瓦23及造斜卡瓦24分别与内通管11之间形成渐缩空间33，所述渐缩空间33沿内通管11的轴向方向从前端(所述前端为渐缩空间33的前端，定义该前端为渐缩空间33空间相对宽大的一端)至后端(所述后端为渐缩空间33的后端，定义该后端为渐缩空间33空间相对狭小的一端)空间逐渐缩窄，环形空间a31一端为进水端，另一端连通至渐缩空间33的前端；渐缩空间33的后端与泄流通道217之间通过接触面a和接触面b隔开。

优选，外管组件还包括导流套27和紧固螺钉28。导流套27内孔中设有锥孔271，其一端设有用于容纳造斜卡瓦24和定向卡瓦23的缺口272，其安装在外通管21的内孔中，并将造斜卡瓦24和定向卡瓦23容纳在其缺口272中，其与内通管11之间形成锥环形空间34，锥环形空间34位于渐缩空间33的前端与环形空间a31之间。紧固螺钉28旋入外通管21和导流套27而将二者连接为一体。导流套27的设置起到了引导水流进入渐缩空间33的作用。

优选，内通管11的导流孔111相对于内通管11的径向平面倾斜布置，以顺应水的涌入(流动)方向。导流孔111的数量有多个，所有的导流孔111呈环形均布在内通管11上。

优选，外通管21与内通管11之间通过密封圈a41实现面密封，定向卡瓦23与外通管21之间通过密封圈b42实现面密封，造斜卡瓦24与外通管22之间通过密封圈c43实现面密封。

优选，弹性元件a25和弹性元件b26均为弹簧。

简述本发明的装配流程：

1、将滚针轴承12套装到内通管11上，其一端与内通管11的台阶面a112相抵；

2、将内短接管13通过内螺纹a131连接在内通管11的外螺纹a113上，并与滚针轴承12另一端相抵，从而完成滚针轴承12的轴向定位；

3、将平面轴承14套装到内短接管13上，平面轴承14一端与内短接管13的台阶面b133相抵；

4、将定向卡瓦23和造斜卡瓦24分别安装到外通管21的安装孔a211和安装孔b212中，并将弹性元件a25安装到外通管21与定向卡瓦23之间，将弹性元件b26安装到外通管21与造斜卡瓦之间；

5、将导流套27装入外通管21的内孔中，并将造斜卡瓦24和定向卡瓦23容纳在其缺口272中，导流套27一端通过其外壁上的台阶面c272与外通管21外壁上的台阶面d215相抵；

6、将外管53连接在外通管21的内螺纹b214上，外管53端头与导流套27另一端相抵，从而完成导流套27的轴线定位；

7、将紧固螺钉28旋入外通管21和导流套27，从而实现导流套27的径向定位；

8、将装配好的内管组件装入装配好的外管组件中，直至滚针轴承12抵住外通管21内孔中的台阶面e216；

9、将外短接管22连接在外通管21的外螺纹c213上，并与平面轴承14的另一端相抵，从而完成平面轴承14的定位。

简述本发明的工作过程：如图12所示，本发明用于定向取芯钻探，能与现有的绳索取芯钻探设备相适配。内通管11端头的外螺纹b114与绳索取芯钻探设备的钻杆51连接，外通管21通过端头的内螺纹b214与绳索取芯钻探设备的外管53连接，内短接管13通过外螺纹d132与绳索取芯钻探设备的钻头52连接。

钻杆51、钻头52和外管53均为现有岩心钻探设备中的常规部件，结构均为现有技术，故未在图中未详细示出。

绳索取芯钻探设备工作时，高压水流从外管53与内通管11之间连续进入环形空间a31、锥环形空间34及渐缩空间33，通过水的压力推动定向卡瓦23和造斜卡瓦24向外通管21的径向外侧移动，从而使定向卡瓦23与内通管11之间的接触面a及造斜卡瓦24与内通管11之间的接触面b分离，由于渐缩空间33内的水压较大，便能使定向卡瓦23和造斜卡瓦24维持在分别与内通管11分离的状态。

定向卡瓦23和造斜卡瓦24分别与内通管11分离后，高压水流便通过外通管21内部的泄流通道217(泄流通道217的通水量较小，以使渐缩空间33内的水压足以维持定向卡瓦23和造斜卡瓦24处在与内通管11分离的状态)进入环形空间b32，再通过内通管11上的导流孔111进入内通管11的内孔中，冲向钻头，起到润滑和冷却钻头(钻头处在旋转钻进状态)的作用。

简述本发明的定向造斜原理：岩心钻探设备工作时，在高压水流的压力作用下，使定向卡瓦23和造斜卡瓦24分别与内通管11分离，向内通管11的径向外侧伸出，造斜卡瓦24在高压水流冲击下的径向伸出高度x大于定向卡瓦23在高压水流冲击下的径向伸出高度y，伸出的造斜卡瓦24顶住孔壁，使钻头52产生倾斜，并在倾斜的状态下进行钻进，从而达到造斜的效果。两个定向卡瓦23从安装孔a211中伸出的径向高度y均小于造斜卡瓦24从安装孔b212中伸出的径向高度x，两个定向卡瓦23分别抵住孔壁，从而使外管53保持不旋转不偏移，进而确保了连接在内短接管13上的钻头52的钻进方向。