一种小口径保压绳索取心钻具的上端部启闭控制机构的制作方法

本发明属于海洋勘探用钻探工具技术领域，尤其是涉及一种小口径保压绳索取心钻具的上端部启闭控制机构。

背景技术：

天然气水合物作为一种新型清洁能源，围绕其展开的研究与开发已成为世界各国的热点。由于天然气水合物形成和存在低温高压环境下，其主要蕴藏于海底沉积层以及陆域冻土地层中。目前，针对海域天然气水合物的勘探主要采用保压取样的方式以获取高品质的水合物样品，其主要分为钻探船取样和海底钻机取样两种形式。由于海底钻机取样形式具有对母船的要求低、辅助作业时间少、钻进效率高的特点，其在海底的浅孔至中深孔的钻探作业中得到也广泛认可。目前，在已经公开的绳索取心保压取心钻具方案中其钻具下端部的密封与开启是通过保压帽并配合海底钻机本体上的保压帽拧卸装置实现。钻进开始前借助钻机上的机械手及保压帽的拧卸装置将内管总成下端部的保压帽拧开并置于钻机上实现下端部敞开，钻进结束后将内管总成提至钻机本体上再利用保压帽拧卸装置将保压帽拧至内管总成的下端部实现下端部的密封。钻具上端部的密封与开启主要是通过置于弹卡支架上的拨勾和单向阀芯相互配合实现。当正常工作的过程中，收卡筒上移一定距离，收卡筒利用其内壁尺寸对拨勾产生约束力迫使转动一定角度，导致拨勾与单向阀芯相接触使的单向阀芯能够克服弹簧力处于开启状态，当钻进结束后，收卡筒复位，其内壁对拨勾的约束解除，拨勾不与单向阀芯相接触，在弹簧力的作用下单向阀芯处于关闭状态，实现下端部的密封。现有技术方案是利用拨勾与阀芯的刚性接触实现开启。受收卡筒内径尺寸的限制，拨勾转动的角度有限，其对应转换为的单向阀芯运动位移行程较短，难以根据钻进情况对阀芯的开启量进行自由调整；遇泥沙卡阻或拨勾及单向阀芯相互磨损失效时易引起拨勾运转灵活性下降，影响弹卡组件的正常收拢与张开，存在打捞失败风险；受结构空间的限制影响，为获取尽可能大的拨勾转动角度以增加阀芯的运动位移行程，现有技术方案采取单向阀纵向布局方式，该布局形式改变了冲洗液的流向，对内管中冲洗液的水流通畅产生影响，增加了硬质泥屑及粗颗粒岩粉在单向阀腔内富集造成单向阀复位失效的风险。单向阀轴向布局方式虽然能够减小上述风险的发生几率，但现有技术方案受拨勾转动角度的限制，轴向布局方式拨勾对单向阀芯产生的开启位移行程小，影响了工作可靠性。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，操作方便，可靠性高的小口径保压绳索取心钻具的单向阀启闭控制机构。

本发明采用的技术方案是：一种小口径保压绳索取心钻具的单向阀启闭控制机构,包括捞矛头、弹卡组件、收卡筒、横杆、拉杆、弹卡支架、主强力磁块、副强力磁块、非金属压套、单向阀芯、强力磁环、单向阀盖、芯轴；捞矛头与收卡筒连接；弹卡组件销接于弹卡支架内；收卡筒与弹卡组件销接；芯轴的上部设置有单向阀盖；弹卡支架的下部与芯轴连接；其特征在于：收卡筒的下部设有横杆，横杆的中部设有拉杆，拉杆沿着收卡筒轴向设置；主强力磁块设置在弹卡支架的通槽内，拉杆下端穿过主强力磁块的中心孔与副强力磁块连接，拉杆能够沿轴向方向上下运动；弹卡支架的下端与芯轴连接，所述的芯轴上端处设有沿芯轴轴向方向设置的单向阀孔，单向阀孔与芯轴的中心孔连通，单向阀孔内设有单向阀芯，单向阀芯的上部设有强力磁环，强力磁环位于副强力磁块正下方。

上述的小口径保压绳索取心钻具的单向阀启闭控制机构中，弹卡支架的下端面上设有非金属压套；所述的非金属压套位于副强力磁块正下方，强力磁环置于非金属压套中。

上述的小口径保压绳索取心钻具的单向阀启闭控制机构中，所述的主强力磁块和副强力磁块的磁极方向相反；所述的副强力磁块与单向阀芯上部的强力磁环的磁极方向相同。

上述的小口径保压绳索取心钻具的单向阀启闭控制机构中，所述弹卡组件的复位弹簧力大于主强力磁块和副强力磁块之间的磁力。

上述的小口径保压绳索取心钻具的单向阀启闭控制机构中，所述的单向阀芯的开启力大于主强力磁块的磁力和副强力磁块的磁力，小于主强力磁块与副强力磁块相叠后的磁力。

上述的小口径保压绳索取心钻具的单向阀启闭控制机构中，所述的收卡筒和弹卡支架经消磁处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明结构简单，其利用磁性材料同性相斥的原理实现在工作过程中单向阀芯的开启，是一种非刚性接触的开启方式，其可以通过磁力材料选型与组合的方式对磁力大小进行调整从而实现对单向阀芯开启程度的自由调整，操作方便；而常规拨叉与阀芯为刚性接触的开启方式，阀芯开启位移主要受到拨叉转动角度的影响，且受收卡筒内壁尺寸的限制，拨叉转动的角度有限，对应产生开启位移行程较小，难以对阀芯的开启程度进行调整。当收卡筒轴向运动时，本发明利用与收卡筒联动的横杆和拉杆机构直接实现副强力磁块随收卡筒同步产生轴向位移；而常规刚性接触开启方式是将拨叉产生的转动角度转换为对应的阀芯开启位移，在转动角度转化为轴向位移的过程中存在损失，转换的位移行程小。此外，工作过程中遇泥沙卡阻或刚性零件相互磨损失效时容易发生拨叉无法灵活运动，导致弹卡组件无法正常收缩，造成打捞失败的风险；本发明利用磁力实现单向阀芯的开启，其阀芯运动位移的大小主要取决于磁力的大小，而不是拨叉转动所产生的位移大小。因此，本发明有利于实现沿芯轴的轴向方向布置单向阀，从而未改变冲洗液水路方向，确保冲洗液的正常流通，减少硬质颗粒和浮泥在单向阀孔内富集造成单向阀复位失效的几率，可靠性高。

附图说明

图1为本发明工作状态的结构示意图。

图2是本发明保压状态的结构示意图。

图中：1-捞矛头；2-弹性圆柱销；3-弹卡室；4-弹性圆柱销；5-弹卡组件；6-横杆；7-拉杆；8-副强力磁块；9-强力磁环；10-主强力磁块；11-弹卡支架；12-非金属压套；13-单向阀芯；14-芯轴；15-收卡筒；16-单向阀盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括捞矛头1、弹卡组件5、收卡筒15、横杆6、拉杆7、主强力磁块10、弹卡支架11、副强力磁块8、非金属压套12、单向阀芯13、强力磁环9、单向阀盖16、芯轴14。所述的捞矛头1与收卡筒15连接；弹卡组件5置于弹卡支架11内，弹卡组件5的下部通过弹性圆柱销4与弹卡支架11连接，弹卡组件5的上部通过弹性圆柱销2与收卡筒15连接；收卡筒15的下部设置有横杆6；横杆6的中部设有拉杆7，横杆6沿着收卡筒15径向设置，拉杆7沿着收卡筒15轴向设置。主强力磁块10设置在弹卡支架11的通槽内，拉杆7下端穿过主强力磁块10中心孔与副强力磁块8连接，拉杆7能够在主强力磁块10中心孔内上下运动。弹卡支架11的下端面设置有非金属压套12；所述的芯轴14上端与弹卡支架11下端连接，芯轴14上端设有沿芯轴14轴向方向设置的单向阀孔，单向阀孔与芯轴14的中心孔连通。单向阀孔内设有单向阀芯13，单向阀芯13底部与单向阀孔底部之间设有弹簧，所述的单向阀孔内设有单向阀盖16，所述的单向阀芯13上端穿过单向阀盖16，单向阀芯13上端设有强力磁环9，强力磁环9置于非金属压套12中，位于副强力磁块8正下方。

所述主强力磁块10和副强力磁块8的磁极方向相反，所述的副强力磁块8与单向阀芯13上部强力磁环9的磁极方向相同。所述弹卡组件5的复位弹簧力大于主强力磁块10和副强力磁块8之间的磁力。所述的单向阀芯13的开启力分别大于主强力磁块10的磁力和副强力磁块8的磁力，但是小于主强力磁块10与副强力磁块8相叠加后的磁力。所述的收卡筒15和弹卡支架11经消磁处理。

本发明的具体使用方法如下：利用钻机机械手抓取钻具盘上的保压内管总成并利用保压帽拧卸装置将内管总成下部的保压帽拧开，保压帽存于钻机本体上的拧卸装置内，将内管总成投置于孔底。正常钻进时，弹卡组件5受外管总成中弹卡室3的径向约束，使收卡筒15沿轴向上移，装配在收卡筒15上的横杆6带动拉杆7沿轴向向上运动，使的装配于拉杆7下部的副强力磁块8随拉杆7一起沿轴向向上运动，副强力磁块8与主强力磁块10相互贴合得到磁力叠加。由于主强力磁块10和副强力磁块8叠加产生的磁力与单向阀芯13上部强力磁环9产生的磁力磁极方向相同，迫使单向阀芯13上部的强力磁环9克服单向阀芯13的弹簧力作用处于开启状态，确保工作过程中内管中的的水能够顺利排出，形成水流通路。

钻进结束后，利用打捞机构将内管总成快速提至孔口，弹卡室3对弹卡组件5的径向约束解除，收卡筒15在复位弹簧力的作用下沿轴向下移动至弹卡支架11的肩台上。由于复位弹簧力大于主强力磁块10和副强力磁块8产生的磁力合力，因此，与收卡筒15联动的横杆6带动拉杆7沿轴向下移，使的主强力磁块10与副强力磁块8相互分开。由于，副强力磁块8的磁力小于单向阀芯13的开启力，此时，在弹簧力的作用下单向阀芯13复位，实现钻具的上端部密封。再利用保压帽拧卸装置并借助钻机上的机械手完成钻具下端部保压帽的拧帽操作，完成钻具下端部的密封。