一种定向取芯工具及其钻机阀控组件的制作方法

1.本发明涉及地质勘探定向取芯工具技术领域，更具体地说，涉及一种钻机阀控组件。此外，还涉及一种包括上述钻机阀控组件的定向取芯工具。


背景技术：

2.目前，国内外的定向钻进的轴承组件设计方案在功能或结构上还存在一定的不足，无法适应定向取芯作业环境。例如，现有技术公开的一种可用于取芯的机械式准静态推靠垂直钻井工具，其包括稳定平台和执行机构两大部分，其中，执行机构包括执行主体和多个推靠翼肋，执行机构能在纠斜过程中保持不转或缓慢转动，与动态推靠钻井工具的推靠翼肋随钻头同步旋转的情况相比，可有效降低推靠翼肋磨损速率，提高工具的使用寿命，并且，在纠斜过程中，位于井眼高边一侧的推靠翼肋始终处于打开状态，无滞后时间，推靠力响应迅速，可配合钻头在高转速工况下使用。但其由于执行主体内有安装槽和流道，对液压油液的清洁度要求非常高。
3.另外，现有技术还公开了一种钻井旋转导向工具，其包括一对上、下布置且对接的空心接头，空心接头具有整体结构的螺纹头段和光管段，上、下空心接头的螺纹头段反向布置，在上、下空心接头的光管段分别设有一个滚动轴承，滚动轴承外周部套设有一个外套，该外套支承于滚动轴承上；在外套上开设有三个周向布置的空窗，每一空窗布置有一支撑块，每一支撑块配有一液压缸，液压缸以钻柱内、外的泥浆压差为动力，驱动支撑块沿空窗伸出，贴靠井壁；在钻柱旋转的情况下，钻井旋转导向工具具有导向能力。但该结构实现旋转导向是采用人工定向的方法，且该钻进旋转导向工具不能用于取芯钻进操作。
4.综上所述，如何防止钻具在钻进时出现壳体旋转现象，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种钻机阀控组件，可有效防止钻具在钻进时出现壳体旋转现象。
6.本发明的另一目的是提供一种包括上述钻机阀控组件的定向取芯工具。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种钻机阀控组件，包括：用于根据钻井液的压力控制所述钻井液是否流动的控制阀、用于安装所述控制阀的阀壳体、与所述阀壳体连接的封隔器壳体、橡胶、卡板以及翼板，所述橡胶遇所述钻井液可自发膨胀，所述橡胶为环状结构、位于所述阀壳体的端部和所述封隔器壳体的端部之间，所述阀壳体和所述封隔器壳体可构成定向取芯工具的外壳；
9.所述卡板和所述翼板对称设于所述橡胶的外周部和所述封隔器壳体的内周部之间，所述阀壳体内设有用于流通所述钻井液的流道，当所述钻井液的压力大于预设压力时，所述控制阀打开，当所述钻井液的压力小于或等于所述预设压力时，所述控制阀关闭。
10.优选的，所述控制阀包括阀块壳、用于盖合所述阀块壳的阀盖、压缩弹簧以及阀
芯，所述阀芯的一端与所述阀块壳的阀口紧密贴合，所述阀芯的另一端设有所述压缩弹簧，所述压缩弹簧的另一端与所述阀盖紧密贴合。
11.优选的，所述阀芯为实芯结构，所述阀芯的端部设有与所述阀口的内锥面配合抵接的外锥面，所述阀口与所述流道连通。
12.优选的，所述阀块壳沿轴向依次设有第一孔、第二孔以及第三孔、以构成三段阶梯孔，所述第一孔用于与所述阀盖螺纹连接，所述第二孔用于为所述压缩弹簧和所述阀芯提供安装空间，所述第三孔与所述流道连通。
13.优选的，所述阀块壳的外周部设有与所述第二孔连通的侧孔。
14.优选的，所述阀壳体内设有与所述控制阀串联的调节阀和与所述控制阀并联的溢流阀，所述控制阀和所述溢流阀均与所述钻井液的流入口连通；
15.所述调节阀为常开阀，当所述钻井液的压力大于或等于所述调节阀的工作压力时，所述调节阀关闭，所述流道可连通所述控制阀、所述调节阀以及所述溢流阀。
16.优选的，所述控制阀、所述调节阀、所述溢流阀以及所述阀壳体为一体式结构。
17.优选的，所述翼板设有金刚石涂层。
18.一种定向取芯工具，包括：中空芯轴和套设于所述中空芯轴的外周部的外壳，所述中空芯轴与所述外壳之间从下往上依次设有支点轴承组件、偏置组件以及悬臂轴承组件；
19.所述支点轴承组件的下端与钻头连接、所述支点轴承组件的上端与所述中空芯轴铰接，所述悬臂轴承组件的下端与所述中空芯轴固定连接、所述悬臂轴承组件的上端与钻杆连接，所述偏置组件用于调节所述中空芯轴的偏心度，所述外壳的外周部设有可开闭的封隔器组件，打开的所述封隔器组件可将所述外壳卡在孔壁内，所述封隔器组件为上述任一项所述的钻机阀控组件。
20.在使用本发明所提供的钻机阀控组件时，当定向取芯工具处于直线钻进状态时，控制阀关闭，使得卡板和翼板对称分布在橡胶的外周部和封隔器壳体的内周部之间。当定向取芯工具需要进行定向取芯钻进操作时，钻井液的压力会增大，当钻井液的压力超过预设压力时，将使得控制阀开启，与此同时，钻井液将通过流道流入橡胶内，橡胶可在钻井液的作用下自发膨胀，进而使翼板可穿过封隔器壳体向外伸出。由于卡板固定在封隔器壳体上，因此，在翼板向外伸出的过程中，卡板可固定不动，从而使得翼板和卡板不对称的分布在定向取芯钻进工具的外壳上。当翼板紧靠岩壁时，岩壁会反作用在定向取芯钻进工具上，使得卡板卡入岩壁内，从而稳定该定向取芯工具的外壳，而定向取芯工具的钻头可继续旋转钻进，以保证后续的定向取芯钻进操作效果。
21.综上所述，本发明所提供的钻机阀控组件，可有效防止钻具在钻进时出现壳体旋转现象。
22.此外，本发明还提供了一种包括上述钻机阀控组件的定向取芯工具。
附图说明
23.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.图1为本发明所提供的钻机阀控组件的结构示意图；
25.图2为控制阀的结构示意图；
26.图3为阀块壳的结构示意图；
27.图4为定向取芯工具进行直线钻进操作时的结构示意图；
28.图5为定向取芯工具进行定向钻进操作时的结构示意图。
29.图1-图5中：
30.1为控制阀、2为阀壳体、3为封隔器壳体、4为橡胶、5为卡板、6为翼板、7为阀块壳、8为阀盖、9为压缩弹簧、10为阀芯、11为外锥面、12为内锥面、13为第一孔、14为第二孔、15为第三孔、16为侧孔、17为调节阀、18为溢流阀、19为中空芯轴、20为外壳、21为支点轴承组件、22为偏置组件、23为悬臂轴承组件、24为钻头、25为钻杆、26为封隔器组件。
具体实施方式
31.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。
32.本发明的核心是提供一种钻机阀控组件，可有效防止钻具在钻进时出现壳体旋转现象。本发明的另一核心是提供一种包括上述钻机阀控组件的定向取芯工具。
33.请参考图1至图5，其中，图1为本发明所提供的钻机阀控组件的结构示意图；图2为控制阀的结构示意图；图3为阀块壳的结构示意图；图4为定向取芯工具进行直线钻进操作时的结构示意图；图5为定向取芯工具进行定向钻进操作时的结构示意图。
34.本具体实施例提供了一种钻机阀控组件，包括：用于根据钻井液的压力控制钻井液是否流动的控制阀1、用于安装控制阀1的阀壳体2、与阀壳体2连接的封隔器壳体3、橡胶4、卡板5以及翼板6，橡胶4遇钻井液可自发膨胀，橡胶4为环状结构、位于阀壳体2的端部和封隔器壳体3的端部之间，阀壳体2和封隔器壳体3可构成定向取芯工具的外壳20；卡板5和翼板6对称设于橡胶4的外周部和封隔器壳体3的内周部之间，阀壳体2内设有用于流通钻井液的流道，当钻井液的压力大于预设压力时，控制阀1打开，当钻井液的压力小于或等于预设压力时，控制阀1关闭。
35.需要说明的是，当定向取芯工具进行定向钻进操作时，在液压的驱动作用下，钻井液的压力可大于预设压力，使得控制阀1打开，钻进液可流入阀壳体2内与橡胶4接触，使得橡胶4膨胀推出翼板6，并使翼板6与岩壁紧靠，防止定向取芯工具的外壳20旋转，稳定孔径的大小，实现定向钻进功能，而且，定向取芯工具的外壳20内部设有可转动的中空芯轴19，能实现边钻进边取芯的功能。
36.还需要说明的是，橡胶4为圆环状结构，卡板5和翼板6对称分布在橡胶4的外表面，且橡胶4、卡板5以及翼板6构成的整体结构内嵌在封隔器壳体3的第二孔14中，封隔器壳体3设有通孔，以便于翼板6穿过封隔器壳体3向外伸出。由于卡板5固定在封隔器壳体3上，因此，在翼板6向外伸出的过程中，卡板5可固定不动。并且，可在封隔器壳体3的内周部设置内螺纹，在阀壳体2的外周部设置外螺纹，使得封隔器壳体3和阀壳体2进行螺纹连接。而且，可以在封隔器壳体3的端部和阀壳体2的内周端部安装橡胶4，使得装置结构更为简单紧凑，确
保阀壳体2内流出的钻井液可与橡胶4接触、使得翼板6伸出封隔器壳体3。
37.可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对控制阀1、阀壳体2、封隔器壳体3、橡胶4、卡板5以及翼板6的形状、结构、尺寸、材质、位置等进行确定。
38.在使用本发明所提供的钻机阀控组件时，当定向取芯工具处于直线钻进状态时，控制阀1关闭，使得卡板5和翼板6对称分布在橡胶4的外周部和封隔器壳体3的内周部之间。当定向取芯工具需要进行定向取芯钻进操作时，钻井液的压力会增大，当钻井液的压力超过预设压力时，将使得控制阀1开启，与此同时，钻井液将通过流道流入橡胶4内，橡胶4可在钻井液的作用下自发膨胀，进而使得翼板6穿过封隔器壳体3向外伸出。由于卡板5固定在封隔器壳体3上，因此，在翼板6向外伸出的过程中，卡板5可固定不动，以使得翼板6和卡板5不对称的分布在定向取芯钻进工具的外壳20上。当翼板6紧靠岩壁时，岩壁会反作用在定向取芯钻进工具上，使得卡板5卡入岩壁内，从而稳定该定向取芯工具的外壳20，而定向取芯工具的钻头24可继续旋转钻进，以保证后续的定向取芯钻进操作效果。
39.综上所述，本发明所提供的钻机阀控组件，可有效防止钻具在钻进时出现壳体旋转现象。
40.在上述实施例的基础上，优选的，控制阀1包括阀块壳7、用于盖合阀块壳7的阀盖8、压缩弹簧9以及阀芯10，阀芯10的一端与阀块壳7的阀口紧密贴合，阀芯10的另一端设有压缩弹簧9，压缩弹簧9的另一端与阀盖8紧密贴合，结构如图2所示。
41.需要说明的是，自由状态下，阀芯10在压缩弹簧9的作用下可有效封堵阀口。并且，压缩弹簧9的一端放置在阀芯10的上表面，压缩弹簧9的另一端与阀盖8的下表面紧密贴合，这样使得阀盖8和阀芯10均与压缩弹簧9为面对面紧密贴合，使得压缩弹簧9的回弹力很好的作用在阀芯10和阀盖8上，而阀盖8固定不动，因此，压缩弹簧9可有效带动阀芯10进行复位。
42.还需要说明的是，阀块壳7可将阀芯10、阀盖8以及压缩弹簧9集成于一体，使得控制阀1的整体尺寸较小，特别适合小直径的定向取芯钻具，便于安装操作。而且，阀块壳7内有流道，可供钻井液自由通过，通过采用钻井液驱动控制阀1开闭，对于液压环境的清洁度要求较低，可提高定向取芯工具的工作效率。
43.优选的，阀芯10为实芯结构，阀芯10的端部设有与阀口的内锥面12配合抵接的外锥面11，阀口与流道连通。
44.需要说明的是，阀芯10的外表面设有外锥面11，该外锥面11可与阀口的内锥面12紧密配合，以确保阀芯10有效封堵阀口。由于阀口与流道连通，当阀芯10远离阀口时，钻井液可通过阀口和流道流入阀块壳7内。
45.优选的，阀块壳7沿轴向依次设有第一孔13、第二孔14以及第三孔15、以构成三段阶梯孔，结构如图3所示，第一孔13用于与阀盖8螺纹连接，第二孔14用于为压缩弹簧9和阀芯10提供安装空间，第三孔15与流道连通。例如，可以在第一孔13的内周部设置内螺纹，在阀盖8的外周部设置外螺纹，使得阀盖8和第一孔13螺纹连接配合。而第二孔14则用于为压缩弹簧9和阀芯10提供空间，以便于阀芯10上移打开阀口或下移封堵阀口。第三孔15与流道连通，便于流通钻井液。
46.优选的，阀块壳7的外周部设有与第二孔14连通的侧孔16，当阀口被打开后，钻井液可流入阀块壳7的第二孔14内，再从侧孔16流出，之后，钻井液可流至橡胶4处，橡胶4遇到
钻井液可自发膨胀，使得翼板6能够伸出封隔器壳体3。
47.需要补充说明的是，压缩弹簧9的最大压缩量即为控制阀1的开启压力p1，当钻井液的压力小于p1时，控制阀1关闭，钻井液无法流入第三孔15内，此时的翼板6处于正常状态、未伸出封隔器壳体3；当钻井液的压力大于或等于p1时，控制阀1开启，钻井液可压缩弹簧9的弹力、从第三孔15流入第二孔14，并从侧孔16流出，随后，钻井液可流至橡胶4处，橡胶4遇到钻井液可自发膨胀，进而使翼板6伸出封隔器壳体3。
48.在上述实施例的基础上，优选的，阀壳体2内设有与控制阀1串联的调节阀17和与控制阀1并联的溢流阀18，控制阀1和溢流阀18均与钻井液的流入口连通；调节阀17为常开阀，当钻井液的压力大于或等于调节阀17的工作压力时，调节阀17关闭，流道可连通控制阀1、调节阀17以及溢流阀18，结构如图1所示。
49.需要说明的是，阀壳体2内设有三个不均布的安装孔，安装孔内分别放置有控制阀1、调节阀17以及溢流阀18，同时，阀壳体2内设有多个流道，以使得控制阀1、调节阀17以及溢流阀18构成一个完整的阀控组件，该阀控组件相当于封隔器组件26的开关结构。
50.还需要说明的是，在使用过程中，钻井液可先后通过控制阀1和调节阀17，该部分的钻井液可作用于橡胶4，特定的橡胶4在遇到钻井液后可自发膨胀，进而推出翼板6，使得翼板6紧靠岩壁。例如，当钻井液的压力为控制阀1的开启压力p1时，控制阀1开启，钻井液可通过常开的调节阀17、再流入橡胶4内，进而伸出翼板6；当钻井液的压力升为调节阀17的工作压力p2时(p2》p1)，调节阀17闭合，翼板6卡住井壁；当钻井液的压力降低且小于p2时，调节阀17再次打开，钻井液回流，翼板6收回。与此同时，另一部分的钻井液可经过溢流阀18后回流至钻井液的流入口，也即溢流阀18具备溢流稳压的作用。
51.优选的，所述控制阀1、所述调节阀17、所述溢流阀18以及所述阀壳体2为一体式结构，以实现装置的高度集成化，便于后续进行装置的装配操作。
52.优选的，翼板6设有金刚石涂层，以提高翼板6的硬度和耐磨性能，确保翼板6可有效卡住井壁，也即使得定向取芯工具的外壳20不发生转动，进而使定向取芯工具在正常直线钻进和定向取芯钻进的情况下，均可更为顺畅的钻进前进。
53.除了上述的钻机阀控组件，本发明还提供一种包括上述实施例公开的钻机阀控组件的定向取芯工具，定向取芯工具包括：中空芯轴19和套设于中空芯轴19的外周部的外壳20，中空芯轴19与外壳20之间从下往上依次设有支点轴承组件21、偏置组件22以及悬臂轴承组件23；支点轴承组件21的下端与钻头24连接、支点轴承组件21的上端与中空芯轴19铰接，悬臂轴承组件23的下端与中空芯轴19固定连接、悬臂轴承组件23的上端与钻杆25连接，偏置组件22用于调节中空芯轴19的偏心度，外壳20的外周部设有可开闭的封隔器组件26，打开的封隔器组件26可将外壳20卡在孔壁内，封隔器组件26为上述任一项的钻机阀控组件。定向取芯工具的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。
54.需要说明的是，偏置组件22用于调节中空芯轴19的偏心度，可以是指偏置组件22为三层套管结构，最内层的套管与中空芯轴19为等径连接，最外两层的套管为内外偏心圆分布，通过调节第二层套管的位置可使得最内层套管偏心摆动，以使中空芯轴19弯曲、在任意方向发生位移变化，进而调节中空芯轴19的偏心度。当定向取芯工具进行直线钻进操作时，中空芯轴19不发生弯曲变形，结构如图4所示，而当定向取芯工具需要进行定向钻进操作时，可利用偏置组件22使得中空芯轴19发生弯曲变形，结构如图5所示。
55.还需要说明的是，支点轴承组件21与中空芯轴19铰接，因此，支点轴承组件21可允许中空芯轴19发生一定角度的倾斜，也即支点轴承组件21可将中空芯轴19的弯曲传递至钻头24，从而使钻头24产生侧向倾角。悬臂轴承组件23与中空芯轴19固定连接，因此，悬臂轴承组件23不会将中空芯轴19的弯曲变形传递至钻杆25，可使得中空芯轴19在悬臂轴承组件23处进行矫直。封隔器组件26打开后可卡住孔壁、以将外壳20锁定在孔壁内，进而避免外壳20转动，而中空芯轴19和钻头24可进行转动，以调节钻头24的倾斜角度。
56.另外，需要说明的是，在使用定向取芯工具时，钻井液可从钻杆25的内部流入，经过中空芯轴19、支点轴承组件21，在钻头24处流出，并且，钻井液到达孔底后可返回，之后，钻井液可沿着定向取芯工具的外壳20和孔壁之间流出，封隔器组件26可在钻井液的压力作用下膨胀卡住孔壁。而后，整机可将扭矩传递至钻杆25，钻杆25将扭矩传递至中空芯轴19，再通过支点轴承组件21的内驱动轴传递至钻头24。其中，悬臂轴承组件23、偏置组件22以及支点轴承组件21等部件先后螺纹连接、以构成为整体式结构，当封隔器组件26卡住孔壁后，可使得外壳20不转、仅中空芯轴19转动，从而实现定向取芯工具的旋转切削功能。
57.需要进行说明的是，本技术文件中提到的第一孔13河和第二孔14以及第三孔15，其中，第一和第二以及第三只是为了区分位置的不同，并没有先后顺序之分。
58.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。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。
59.以上对本发明所提供的定向取芯工具及其钻机阀控组件进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。