一种适用于大口径地质钻探的绳索取心钻具的制作方法

本发明涉及一种适用于大口径地质钻探的绳索取心钻具。

背景技术：

随着我国川藏铁路、深地空间实验室、深埋国防工程等超级工程建设的展开以及钻探向矿山应急救援，海洋基础工程建设领域的延伸，大口径工程地质钻探的应用范围越来越广。绳索取心钻进技术具有钻进效率高、对样品的扰动程度小等优点其已在小口径地质探勘领域得到广泛应用。但是大口径工程勘探与小口径地质勘探相比主要存在以下差异：常规地质勘探其钻孔直径通常在75mm至150mm之间，而大口径工程勘探钻孔直径通常在300mm-600mm之间。钻孔直径的增大在增加钻获岩心样品数量的同时也使得钻具的整体重量（钻具本身重量与所获岩心样品重量之和）显著增加。常规地质勘探钻具的矛头结构在打捞与提升的过程中为受力集中点。随钻具整体质量的增加，其矛头强度失效的风险增大，发生潜在钻探事故的几率升高。常规绳索钻具在投放时其弹卡板在弹簧力的作用下抵在钻杆的内表面上向下滑行，导致在投放过程中弹卡板的非正常磨损现象严重，且在深孔钻进作业时尤为突出。弹卡的张力来自于弹簧力，为提高定位的可靠性，通常需要提高弹簧的刚度，这也意味着加剧了投放过程中弹卡板的磨损程度。此外，在打捞操作时常规绳索取心钻具通常是依靠提拉与矛头连接的收卡筒使其沿轴向移动一段距离，使与之联动的弹卡板实现收缩。这种收卡方式要求弹卡板与外管总成中的弹卡档头之间必须具足够的串动间隙，当在破碎复杂地层钻进时弹卡板与弹卡档头容易发生顶死现象，造成无法顺利收卡，增加卡钻事故的风险。目前大口径工程勘探的绳索取心钻具主要是在沿用常规绳索取心钻具结构形式的前提下扩大结构尺寸为主，其尚未完全发挥绳索取心钻进技术的优势，工作可靠性及稳定性下降。

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、通水性好的适用于大口径地质钻探的绳索取心钻具。

本发明采用的技术方案是：一种适用于大口径地质钻探的绳索取心钻具，包括弹卡定位机构和打捞装置，所述的弹卡定位机构包括多个卡爪、压盖、卡爪弹簧、压套、弹性圆柱销、压套弹簧、悬挂环、卡爪支架、下接头、定位销轴、锁销、锁销压盖、锁销弹簧及圆杆；卡爪支架侧壁上设有多个通孔，每个通孔处铰接一个卡爪，卡爪的定位面从通孔伸入卡爪支架内，卡爪中部与卡爪支架之间设有卡爪弹簧，卡爪支架的上端设有压盖，卡爪支架的下部设置有悬挂环，卡爪支架的下端与下接头连接；所卡爪支架下部位于下接头内；卡爪支架的内孔中设有压套，压套的上部位于压盖的中心孔内，压套中部凸缘，凸缘能够与卡爪的定位面接触，实现卡爪的旋转，卡爪的下部还设有用于限制卡爪转动角度的限位面；凸缘的底面与卡爪支架之间设有压套弹簧；压套中心孔的下部设置有定位销轴；下接头侧壁上设有一通孔，下接头内侧壁上设有一盲孔，通孔与盲孔同轴；所述的锁销一端置于通孔内，另一端置于盲孔内，锁销的另一端与盲孔底部之间设有锁销弹簧；通孔的外端设有螺纹，与锁销压盖螺接；锁销压盖中心处设有通孔ⅱ，圆杆穿过通孔ⅱ与锁销连接；所述的锁销的中部设有通槽，通槽的垂直于弹簧中心线的侧壁上设有复位块，定位销轴下部穿过通槽，定位销轴下部设有复位槽，复位块能嵌入复位槽内能对定位销轴限位；

所述的打捞装置包括接头、提拉头及抓捕机构；提拉头通过圆柱销与接头上部铰接，接头的下部连接抓捕机构；所述的抓捕机构下端能够与多个卡爪的上端咬合。

上述的适用于大口径地质钻探的绳索取心钻具中，所述的压套中部凸缘为上大下小的圆锥形。

上述的适用于大口径地质钻探的绳索取心钻具中，所述的悬挂环侧面上均匀分布有多个过水键槽。

上述的适用于大口径地质钻探的绳索取心钻具中，所述打捞装置的抓捕机构为钟罩式结构，能与卡爪相互咬合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明在进行打捞和提升作业时钻具的总重量由弹卡总成中的多个卡爪共同承担，降低了单个卡爪的受力荷载；相比于常规钻具的矛头结构形式，能够避免由于荷载过大导致矛头强度失效的风险，提高打捞作业的可靠性。

2)本发明在投放的过程中卡爪能够保持收拢状态，投放到位后其能自动复位，能够避免卡爪过度磨损现象，从而提高在深孔钻进时钻具的工作可靠性和使用寿命。

3）本发明的卡爪同时兼具常规钻具的矛头和弹卡板定位功能，既能够配合打捞器进行钻具打捞，又能够起定位作用以满足正常钻进需求，减少钻具总成的零件数量，使其结构简单、紧凑，操作方便。

4）本发明在打捞时是依靠打捞器的抓捕机构迫使卡爪产生径向收缩，相比于常规钻具依靠收卡筒轴向移动一定距离实现弹卡板收缩的形式，其收缩性能更加迅速可靠，能够避免常规钻具在破碎复杂地层钻进的打捞过程中由于弹卡板与弹卡档头之间失去串动间隙造成无法正常打捞的风险。此外，本发明增大了水路系统的过水环状面积，钻具的整体通水性好。

附图说明

图1为本发明的弹卡定位机构的剖面示意图。

图2是本发明的弹卡定位机构的结构示意图。

图3是本发明的卡爪结构示意图。

图4是本发明发锁销结构示意图。

图5是本发明发定位销轴结构示意图。

图6是本发明打捞状态示意图。

图7是本发明示工作状态意图。

图中：1-卡爪；2-压盖；3-卡爪弹簧；4-压套；5-弹性圆柱销；6-压套弹簧；7-悬挂环；8-卡爪支架；9-下接头；10-定位销轴；11-锁销；12-锁销压盖；13-锁销弹簧；14-圆杆；15-圆柱销；16-提拉头；17-接头；18-抓捕机构；19-外管；20-弹卡档头；21-弹卡室；22-座环；71-过水键槽；81-通孔；82-过水槽；011-定位面；012-限位面；101-复位槽；111-通槽；112-复位块。

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1-7所示，本发明包括弹卡定位机构和打捞装置，所述的打捞装置包括接头17、提拉头16及抓捕机构18；提拉头16通过圆柱销15与接头17上部铰接，接头17的下部连接抓捕机构18。

所述的弹卡定位机构包括多个卡爪1、压盖2、卡爪弹簧3、压套4、弹性圆柱销5、压套弹簧6、悬挂环7、卡爪支架8、下接头9、定位销轴10、锁销11、锁销压盖12、锁销弹簧13、圆杆14；卡爪支架8上均匀设有多个通孔，每个通孔处通过弹性圆柱销5铰接有一个卡爪1，卡爪1中部与卡爪支架8之间设有卡爪弹簧3，卡爪1的定位面011从通孔伸入卡爪支架8内，卡爪支架8的上端设有压盖2，卡爪支架8的下端与下接头9连接。所述抓捕机构18为钟罩式结构，能与卡爪1相互咬合。

所述的悬挂环7安装在卡爪支架8的下部，悬挂环7侧面上均匀分布有多个过水键槽71；卡爪支架8下部位于下接头9内。卡爪支架8的内孔中设有压套4，压套4的上部位于压盖2的中心孔内，压套4中部设有圆锥形凸缘，凸缘上大下小，凸缘的锥形面能够与卡爪1的定位面011接触，实现卡爪1的旋转，凸缘的底面与卡爪支架8之间设有压套弹簧6；压套4中心孔的下部套在定位销轴5上。下接头9侧壁上设有一通孔，下接头9内侧壁上设有一盲孔，通孔与盲孔同轴设置；所述的锁销11一端置于通孔内，另一端置于盲孔内，锁销11的另一端与盲孔底部之间设有锁销弹簧13；通孔的外端设有螺纹，与锁销压盖12螺接，锁销压盖12用于防止锁销11从通孔中掉出。锁销压盖12中心处设有通孔ⅱ，圆杆14穿过通孔ⅱ与锁销11连接；所述的锁销11的中部设有通槽111，通槽111的垂直于弹簧中心线的侧壁上设有复位块112，定位销轴10下部穿过通槽111，定位销轴10下部设有复位槽101，复位块112能嵌入复位槽101内能对定位销轴10限位。

本发明的具体使用方法如下：

内管总成投放作业时，首先将压套4向下按压，压套4克服压套弹簧6的弹簧力向下运动与卡爪1接触，迫使卡爪1绕弹性圆柱销5发生转动。此时定位销轴10和压套4一同向下运动。当定位销轴10上的复位槽101与锁销11的复位块112相对应时在锁销弹簧13的弹簧力作用下锁销11沿径向向右运动，使复位块112嵌入复位槽101内，从而实现对压套4的锁定限位。此时，卡爪1在压套4的限位作用下处于收拢状态，圆杆14超出悬挂环7外表面1.5-2.0mm，投送前准备完毕。

释放内管总成使其依靠自重下降。当圆杆14的端面与外管中的座环22发生触碰时圆杆14沿径向缩回并推动锁销11克服锁销弹簧13的弹簧力向左运动。此时锁销11中的复位块112从定位销轴10的复位槽101中移出。在压套弹簧6的弹簧力作用下，定位销轴10和压套4一同向上移动，使压套4解除对卡爪1的限位，卡爪1张开，卡定在由弹卡档头20和弹卡室21组成的环状空间内，钻具开始进行正常钻进作业。

钻进结束后，首先向孔内投入打捞器装置，其抓捕机构18套住卡爪1的顶部，迫使卡爪1发生径向收缩并与抓捕机构18咬合，然后提升钢丝绳从而实现对内管总成的打捞与提升。