钻头控向装置及定向取芯钻具的制作方法

1.本发明涉及地质勘探技术领域，更具体地说，涉及一种钻头控向装置，还涉及一种包括上述钻头控向装置的定向取芯钻具。


背景技术：

2.现有的定向取芯技术主要是采用螺杆钻具进行定向钻孔，不取芯，到达设计取芯位置后，再采用常规取芯钻具进行取芯钻进。该方法取芯长度有限，取芯钻进轨迹不可控，获取的地质信息有限，而且操作复杂，钻进效率低。
3.本发明提出一种定向取芯钻具的控向装置，该装置采用指向式旋转导向系统结构，通过调整内偏心环的旋转角度控制中心轴的挠曲程度，中心轴与钻头连接，进而控制钻进方向。中心轴的旋转经过联轴器、电磁离合器、减速器可传递到内偏心环，通过控制电磁离合器的开闭即可控制内偏心环的旋转程度。钻孔预计轨迹数据和控制指令预先存储在钻具的控制器内，在取芯钻进时，传感器会自动检测钻孔的井斜角、方位角、工具面角情况，并将这些数据与控制器中的预设值进行对比分析，之后自动计算校正，并发出指令控制电磁离合器的开闭，从而控制钻进方向。
4.如中国公开专利cn112252972a公开了一种偏心环式水平定向取心钻具控向装置,包括岩心外管和岩心内管,所述岩心内管置于所述岩心外管中,所述岩心外管外壁上设置有偏心机构,所述偏心机构包括内、外偏心环及控制电机。本发明还提供了一种安装有上述控向装置的偏心环式水平定向取心钻具,包括外壳、外壳卡固装置、以及在外壳内部的外管总成和内管总成,所述内管总成从左至右依次设置有绳索打捞装置、弹卡机构、单动机构、定向测量装置和岩心内管。该方案采用2个电机分别控制内外偏心环的转动，需要2个动力源，能耗较高，且需采用中空电机，结构相对复杂。
5.如中国公开专利cn109779526a公开了一种水压驱动的定向造斜装置，在高压水流的压力作用下，使定向卡瓦和造斜卡瓦分别与内通管分离，向内通管的径向外侧伸出，造斜卡瓦在高压水流冲击下的径向伸出高度大于定向卡瓦在高压水流冲击下的径向伸出高度，伸出的造斜卡瓦顶住孔壁，使钻头产生倾斜，并在倾斜的状态下进行钻进，从而达到造斜的效果。该方案采用推靠式旋转导向系统，相比指向式旋转导向系统，井壁较粗糙，存在螺旋井眼，且不适应于较软底层。
6.如中国公开专利cn111173452a公开了一种夹心筒结构的静态偏置旋转导向钻井工具，包括不旋转套筒、偏置控制机构、驱动轴总成、中心轴以及钻头，其中钻头方向的控制采用液压系统驱动活塞的运动实现。该方案对液压油清洁度要求较高，钻孔内有冲洗液，不能与油混合，因此外壳和心轴间存在高压动密封问题，设计较复杂，且不能实现取芯动作。
7.目前定向取芯钻具在使用时，钻头控向操作非常不方便，无法很好很快速的使钻头偏转。
8.综上所述，如何有效地解决钻头控向不方便的问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种钻头控向装置，该钻头控向装置可以有效地解决钻头控向不方便的问题，本发明的第二个目的是提供一种包括上述钻头控向装置的定向取芯钻具。
10.为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：
11.一种钻头控向装置，包括内偏心环，所述内偏心环用于套设在钻头的中心轴外侧以在转动时能够带动所述中心轴径向偏移，还包括离合器和用于与所述中心轴之间扭矩传递连接的联轴器；所述离合器的输入端与所述联轴器之间扭矩传递连接，输出端与所述内偏心环之间扭矩传递连接。
12.在该钻头控向装置中，在使用时，将钻头控向装置安装于中心轴处，并使得中心轴穿设于内偏心环的偏心孔处，并使得联轴器与中心轴进行扭矩传递连接。当需要调向时，控制离合器处于闭合状态，此时中心轴将扭矩传递至联轴器，联轴器将扭矩传递至离合器，而因为离合器处于闭合状态，可以使得离合器将扭矩传递至内偏心环，而内偏心环转动可以带动中心轴偏心，以实现调向。而当不需要调向时，只需要使离合器处于断开状态。在该钻头控向装置中，通过离合器、联轴器，使得中心轴的扭矩，可选地传递至内偏心环，以控制内偏心环转动，进而能够实现中心轴的偏心调节，以实现钻头的调向。直接利用中心轴的扭矩，进行调向，以使得调向方便简单。综上所述，该钻头控向装置能够有效地解决钻头控向不方便的问题。
13.优选地，还包括减速器，所述减速器的高速端与所述离合器输出端之间扭矩传递连接，所述减速器的低速端与所述内偏心环之间扭矩传递连接。
14.优选地，所述减速器两端分别通过轴向凸起的配合键、键槽分别与所述离合器和所述内偏心环传递扭矩。
15.优选地，所述内偏心环内侧设置有用于套设所述中心轴外侧的衬套。
16.优选地，所述内偏心环的后段内侧设置有所述衬套，前段内径小于后段内径且前段与所述减速器连接。
17.优选地，还包括套设于所述内偏心环外侧的外偏心环，所述外偏心环上开设有用于显示所述内偏心环上旋转角度刻度的窗口。
18.优选地，还包括与所述外偏心环固定连接的外壳，所述外壳内侧设置有与所述联轴器的前向肩面相抵的台阶面。
19.优选地，所述外壳包括后壳和前壳，所述后壳两端分别套设于所述外偏心环端部以及所述前壳端部上，所述前壳的后端面凸出于所述后壳内侧面设置以形成所述台阶面。
20.优选地，所述外偏心环的外侧设置有扶正器。
21.为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种定向取芯钻具，该定向取芯钻具包括上述任一种钻头控向装置，还包括钻头和前端与所述钻头连接的中心轴。由于上述的钻头控向装置具有上述技术效果，具有该钻头控向装置的定向取芯钻具也应具有相应的技术效果。
22.优选地，还包括外壳和钻杆，所述钻头控向装置安装于所述外壳内；所述中心轴后端通过悬臂轴承与所述钻杆连接。
23.优选地，包括传感器，所述外壳内还设置有用于控制所述钻头控向装置的离合器
离合的控制器；所述控制器内存有钻孔预计轨迹数据和控制指令，且用于发出指令控制所述离合器的开闭；所述传感器能够在定向取芯钻进时自动检测钻孔的井斜角、方位角、工具面角情况，并能够将检测数据传递至所述控制器；所述控制器能够将所述传感器检测的数据与预设值进行对比分析，并在自动计算校正后，发出指令以控制所述离合器的开闭。。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例提供的钻头控向装置的轴向剖面结构示意图；
26.图2为图1中的钻头控向装置的dd向剖面结构示意图；
27.图3为本发明实施例提供的钻头控向装置的外部结构示意图；
28.图4为本发明实施例提供的联轴器的外部结构示意图；
29.图5为本发明实施例提供的中心轴未弯曲时的定向取芯钻具的结构示意图；
30.图6为本发明实施例提供的中心轴弯曲时的定向取芯钻具的结构示意图。
31.附图中标记如下：
32.钻头1、中心轴2、支点轴承3、控制器4、钻头控向装置5、外壳6、悬臂轴承7、钻杆8、取芯器9、外凸键21、轴外侧面22、外偏心环51、窗口511、外环内表面512、内偏心环52、后段内侧面521、内环外表面522、第二配合键523、衬套53、后壳54、前壳55、台阶面551、减速器56、输出端键槽561、输入端键槽562、离合器57、配合键槽571、第一配合键572、联轴器58、内键槽581、第三配合键582、前向肩面583、定向外侧面584、扶正器59。
具体实施方式
33.本发明实施例公开了一种钻头控向装置，以有效地解决钻头控向不方便的问题。
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.请参阅图1-图6，图1为本发明实施例提供的钻头控向装置的轴向剖面结构示意图；图2为图1中的钻头控向装置的dd向剖面结构示意图；图3为本发明实施例提供的钻头控向装置的外部结构示意图；图4为本发明实施例提供的联轴器的外部结构示意图；图5为本发明实施例提供的中心轴未弯曲时的定向取芯钻具的结构示意图；图6为本发明实施例提供的中心轴弯曲时的定向取芯钻具的结构示意图。
36.在一种具体实施例中，本实施例提供了一种钻头控向装置，主要应用于定向取芯钻具，具体的，该钻头控向装置包括内偏心环52、离合器57和联轴器58，以通过控制偏心组件的内偏心环52转动，带动其中的中心轴2偏转。
37.具体的，其中内偏心环52用于套设在钻头的中心轴2外侧以在转动时能够带动所述中心轴2径向偏移，中心轴2径向偏移，进而能够使其前端连接的钻头1发生偏向。需要说
明的是，其中内偏心环52的内部主要设置有偏心孔，偏心孔大小与中心轴2的大小相配合，其中内偏心环52转动，就会带动偏心孔的中心改变位置，进而改变中心轴2的径向位置。
38.而其中的联轴器58用于与中心轴2之间扭矩传递连接，在实际应用中，可以将联轴器58可以与中心轴2之间固定连接，以传递扭矩，如设置通孔，以方便进行螺钉或螺栓连接，也可以是联轴器58与中心轴2之间进行键连接，以进行扭矩传递。
39.而其中的离合器57的输入端与联轴器58之间扭矩传递连接，输出端与内偏心环52之间扭矩传递连接，需要说明的是，其中离合器57的输出端与内偏心环52之间扭矩传递连接，可以是直接或间接扭矩传递连接，其中间接扭矩传递连接，旨在说明两者之间设置有其它设备，如后文中的减速器56。其中离合器57具体可以采用电磁离合器，也可以采用其他结构的离合器，以方便电控离合为准。其中扭矩传递连接，可以是固定连接，也可以是键连接，以能够传递扭矩为准。在实际应用中，可以通过控制离合器57的离合，以选择中心轴2与内偏心环52之间是否传递扭矩。若传递扭矩，则可以将中心轴2的扭矩传递至内偏心环52处；如不传递扭矩，则中心轴2的转动，将不会带动内偏心环52转动，即中心轴2与内偏心环52彼此之间转动不干涉。
40.在该钻头控向装置中，在使用时，将钻头控向装置安装于中心轴2处，并使得中心轴2穿设于内偏心环52的偏心孔处，并使得联轴器58与中心轴2进行扭矩传递连接。当需要调向时，控制离合器57处于闭合状态，此时中心轴2将扭矩传递至联轴器58，联轴器58将扭矩传递至离合器57，而因为离合器57处于闭合状态，可以使得离合器57将扭矩传递至内偏心环52，而内偏心环52转动可以带动中心轴2偏心，以实现调向。而当不需要调向时，只需要使离合器57处于断开状态。在该钻头控向装置中，通过离合器57和联轴器58，使得中心轴2的扭矩，可选地传递至内偏心环52，以控制内偏心环52转动，进而能够实现中心轴2的偏心调节，以实现钻头1的调向。直接利用中心轴2的扭矩，进行调向，以使得调向方便简单。综上所述，该钻头控向装置能够有效地解决钻头控向不方便的问题。
41.进一步的，考虑到中心轴2的转速比较快，而钻头1的控向需要很精细，为了更好的实现控向，此处优选还包括减速器56，所述减速器56的高速端与所述离合器57输出端之间扭矩传递连接，而减速器56的低速端与所述内偏心环52之间扭矩传递连接。以使得离合器57输出的高速旋转，经过减速器56降速后，再传递至内偏心环52。当然也可以将减速器56设置在离合器57与联轴器58之间，以在旋转传递至离合器57之前，就通过减速器56降速。
42.进一步的，为了方便传递扭矩，此处优选减速器56两端分别通过轴向凸起的配合键、键槽分别与所述离合器57和所述内偏心环52传递扭矩。具体的如，可以使减速器56的两端分别设置有输入端键槽562以及输出端键槽561，其中输入端键槽562与离合器57的第一配合键572相配合，其中输出端键槽561与内偏心环52上的第二配合键523配合。当然也可以是在减速器56上设置配合键，而内偏心环52和离合器57上设置有键槽。
43.对应的，其中离合器57与联轴器58之间扭矩传递连接，也可以通过键与键槽连接，当然也可以通过螺钉、螺栓等方式固定连接，以传递扭矩。具体的，可以使联轴器58上设置有轴向凸起的第三配合键582，而对应的，离合器57上也设置有与第三配合键582相配合的配合键槽571。
44.其中内偏心环52套设在中心轴2上，在实际应用中，中心轴2要能够在内偏心环52的偏心孔中转动，为了方便转动，此处优选内偏心环52内侧设置有用于套设所述中心轴2外
侧的衬套53。为了方便安装衬套53，可以在内偏心环52内侧设置有凹槽，以配合安装衬套53。具体的，可以使内偏心环52的后段内侧设置有所述衬套53，此时后段内侧面521直径与衬套53的外直径相等，前段内径小于后段内径且前段与减速器56连接，其中前段内径优选与中心轴2的外径相等或之间有间隙，其中相等如可以间隙配合设置。对应的，如上述，可以在前段上设置有第二配合键523。衬套53的内表面与中心轴2的轴外侧面22间隙配合，衬套52的材料为铜件或其他较软材料。
45.在实际应用中，一般还包括套设于内偏心环52外侧的外偏心环51，为了更好的了解内偏心环52相对外偏心环51转动角度，此处优选其中外偏心环51上设置有设有用于显示所述内偏心环52上旋转角度刻度的窗口511，通过窗口511可看到内偏心环52的旋转角度的刻度。
46.其中内偏心环52与外偏心环51均偏心设置，如外偏心环51和内偏心环52的偏心距均为e，中心轴1在偏置组件5处的径向位移调整范围为0～2e，其中e为根据需要，设置的任一合适值。其中内偏心环52因为需要相对外偏心环51转动，所以，为了方便转动，此处优选外偏心环51的外环内表面512为偏心圆，且与内偏心环52的内环外表面522间隙配合。
47.进一步的，一般前部还设置有外壳，其中外壳与外偏心环51固定连接，外壳可以套设于外偏心环51设置。也可以是外壳的后端与外偏心环51的前端固定连接，具体的，外偏心环51的前端设置有外螺纹，而外壳的后端设置有前述外螺纹配合的内螺纹，此时外壳的外径与外偏心环51的外径优选相等，此时为了方便扶正，优选其中外偏心环51的外侧设置有扶正器59，为了更好的固定扶正器59，可以在外偏心环51的外侧设置有限位凹槽，以与扶正器59相配合。而其中的减速器56、离合器57以及联轴器58均设置在外壳与中心轴2之间。扶正器59与孔壁接触，扶正器59为耐磨材料，可保证外偏心环51外表面的轴线与钻孔轴线重合。
48.而为了更好的对联轴器58进行轴向定位，此处外壳内侧设置有与所述联轴器58的前向肩面583相抵的台阶面551。为了更好的对联轴器58进行径向定位，此处优选联轴器58在前向肩面583的前侧具有小径筒，其中小径筒的定向外侧面584与外壳的内侧面相配合。其中为了方便联轴器58与中心轴2扭矩传递连接，此处优选其中，优选小径筒的内侧设置有内键槽581，而中心轴2的轴外侧面22设置有与内键槽581相配合的外凸键21。
49.其中，为了方便安装，优选其中外壳包括后壳54和前壳55。其中后壳54两端分别套设于所述外偏心环51端部以及所述前壳55端部上且均螺纹连接，而前壳55的后端面凸出于所述后壳54内侧面设置以形成所述台阶面551，以组装时，可以先组装减速器56、离合器57、联轴器58以及后壳54，然后再组装前壳55，以使得整体安装方便。其中台阶面551优选为耐磨面。
50.基于上述实施例中提供的钻头控向装置5，本发明还提供了一种定向取芯钻具，该定向取芯钻具包括上述实施例中任意一种钻头控向装置5，包括钻头1和前端与所述钻头1连接的中心轴2。由于该定向取芯钻具采用了上述实施例中的钻头控向装置，所以该定向取芯钻具的有益效果请参考上述实施例。
51.进一步，在一些实施方式中，还会设置有外壳6以及钻杆8，此时钻头控向装置5安装于所述外壳6内；所述中心轴2后端通过悬臂轴承7与所述钻杆8连接。所述外壳6内还设置有用于控制所述钻头控向装置5的离合器57离合的控制器4，其中控制器4优选设置在钻头
控向装置5的前侧。其中中心轴2的前部通过支点轴承3支撑。
52.其中中心轴2内一般还设置有取芯器9，当岩心灌满取芯器9时，取芯器9可通过绳索打捞方式提出孔外。钻机的动力依次经过钻杆8、中心轴2传递给钻头1。其中外壳6在定向取芯钻进时处于不旋转状态。支点轴承3旋转支撑中心轴2，并允许中心轴2发生一定角度的倾斜，从而允许钻头1倾斜。悬臂轴承7旋转支撑中心轴2，不允许中心轴2倾斜，避免中心轴2的弯曲传递到钻杆8。
53.控制器4内存有钻孔预计轨迹数据和控制指令，可发出指令控制电磁离合器57的开闭。钻头控向装置5给中心轴2施加不同的径向位移，使中心轴2发生不同程度的弯曲，带动钻头1发生倾斜，实现定向取芯钻进。
54.在定向取芯钻进时，传感器会自动检测钻孔的井斜角、方位角、工具面角情况，控制器4将这些数据与预设值进行对比分析，之后自动计算校正，并发出指令控制离合器57的开闭，进而控制定向取芯钻进方向。
55.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
56.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。