一种用于大洋钻探的电动机械式跟管钻进取心钻具的制作方法

1.本发明涉及大洋科学钻探钻采设备及技术领域，具体涉及一种用于大洋钻探的电动机械式跟管钻进取心钻具。


背景技术：

2.全球陆地面积总共不到地球表面积的三成，其余均为海洋，对于地球的可持续发展，仅通过陆地的研究已经不够，接下来更偏向于对深海领域的研究。而通过对深海的研究,认识海底扩张，探清大陆山系的由来，解读海底沉积过程，找到气候演变的根源，而大洋钻探是目前直接获取地球深部实物资料的唯一方法。
3.美国自20世纪50年代末启动“莫霍面钻探计划”之后，从1968年开始，相继实施了“深海钻探计划(dsdp)”、“大洋钻探计划(odp)”、“综合大洋钻探计划(iodp)”和“国际大洋发现计划(iodp)”。世界海洋科学钻探实施60多年以来，在全球各大洋钻井近四千口，获取了六十多万米岩心和大量数据。根据获得的信息，验证了“大陆漂移”和“海底扩张”假说；创建了“板块构造”学说；揭示了气候演变的规律；发现了海底“深部生物圈”和“可燃冰”；在海洋的历史、古气候和古生物的演化、海底火山喷发、沉积作用、海底矿产分布等研究方面，取得了许多重大成果，推动了地球科学一次又一次的重大突破。
4.在以钻透“莫霍面”(地幔和地壳的界面)为目标的大洋科学钻探中，由于海上施工作业施工风险大，耗时长等难题，每天的成本都要达到几百万人民币，为提高大洋钻探中的钻进取心效率，经常采用绳索取心钻探的方式进行作业。绳索取心钻进的操作特点是取岩心时不需要提出钻孔内的全部钻杆柱，其采用专用带钢丝绳的打捞器，通过孔内钻杆中心孔将装有岩心的孔底内管提至地面，获得岩心样品，从而减少了提下钻次数和升降钻具的辅助时间，提高了钻进效率。然而，当孔底的钻头磨损严重需要更换钻头时，则依然需要将整套钻具提至地表进行钻头的更换工作，钻头更换结束后再将整套钻具重新下放到原来的钻孔孔底，这个步骤需要消耗大量的时间。据计算，对于一个3000m水深条件下3000m的深孔内进行起下钻的操作，将要花费至少30个小时，这将造成数百万人民币的浪费。
5.同时，基岩钻进的难度比沉积岩(软岩)的要大得多，施工效率要低得多。据试验统计，在基岩中钻进，机械钻速一般为1-2m/h，钻头寿命一般为50-100m；而在沉积岩中，机械钻速可达20-30m/h，钻头寿命可达500-1000m，因此对于以钻透“莫霍面”为目标的大洋科学钻探中，将会遇到几十次甚至上百次的起下钻操作，频繁的起下钻操作必定会造成钻探作业总成本的大幅增加，因此有必要设计一套以绳索连接取样管，底部钻头可随着取样管一同提离孔底至操作平台的钻具设备。此外，大洋底部钻孔施工条件复杂，井壁失稳而易引发井壁坍塌等孔内事故，因此需要下套管来维护井壁稳定。结合来看，为大幅节省大洋钻探的作业时间，减少总体钻具的提下钻频率，提高取心钻进及下套管效率，有必要设计一款用于大洋钻探中，可以同时实现下套管和钻进的电动机械钻具。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的不足，本发明提供一种用于大洋钻探的电动机械式跟管钻进取心钻具，钻头可收缩至钻具内部并随绳索取心钻具提至地表，遇到钻头磨损等问题可及时更换，大大简化了因钻头磨损需要将整套钻具提离至钻探船甲板的过程，从而节省施工时间，节约施工成本，提高施工效率。
7.为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：
8.一种电动机械式跟管钻进取心钻具，用于大洋钻探，其包括：
9.套管；以及，
10.可活动脱离所述套管的滑环组件、反扭力组件、密封舱体、配重组件和驱动循环钻机，其中，
11.所述滑环组件、所述反扭力组件、所述密封舱体、所述配重组件和所述驱动循环钻机通过一铠装电缆串联，所述驱动循环钻机用于钻进岩层并收集岩心样品，且所述驱动循环钻机至少工作在钻进作业前状态、钻进作业中状态和钻进作业后状态。
12.如上所述的电动机械式跟管钻进取心钻具，进一步地，所述驱动循环钻机包括：
13.岩心取样管，其用于存放岩心样品；
14.牙轮臂，其周向分布于所述岩心取样管外侧，所述牙轮臂绕近端可转动设置且所述牙轮臂的远端具有牙轮钻头；
15.特制扭簧，其用于使得所述牙轮臂的远端具有朝向所述岩心取样管的力矩；
16.旋转块，其设置于所述岩心取样管和所述牙轮臂之间，转动以支撑所述牙轮臂的张开或回收；以及，
17.探底杆，其一端连接于所述旋转块上，其中，当所述探底杆触底时撑开所述旋转块，以促使所述牙轮臂张开并通过限位块维持该状态。
18.如上所述的电动机械式跟管钻进取心钻具，进一步地，所述驱动循环钻机包括：
19.岩屑收集室，其设置在所述岩心取样管的上方，并通过岩屑上返通道与所述岩心取样管连通，所述岩屑上返通道的上端还设有伞状岩屑挡头；
20.水泵，其用于钻进作业过程中提供钻井液循环动力；
21.滤网，其设置于所述水泵与所述岩屑收集室之间；以及，
22.下端盖，其设置于所述岩心取样管与所述岩屑收集室之间。
23.如上所述的电动机械式跟管钻进取心钻具，进一步地，所述驱动循环钻机还包括依次机械传动连接的钻进电机、上部联轴器、减速器和下部联轴器。
24.如上所述的电动机械式跟管钻进取心钻具，进一步地，所述铠装电缆的芯部包括若干电源线和信号线，若干电源线和信号线之间使用尼龙层包裹，且外部以钢丝缠绕。
25.如上所述的电动机械式跟管钻进取心钻具，进一步地，所述滑环组件包括不同时转动的上部滑动块和下部滑动块。
26.如上所述的电动机械式跟管钻进取心钻具，进一步地，所述反扭力组件具有向外伸出的反扭钢片，所述反扭钢片用于插进所述套管内侧开设的槽孔。
27.如上所述的电动机械式跟管钻进取心钻具，进一步地，所述密封舱体设置有电子器件。
28.如上所述的电动机械式跟管钻进取心钻具，进一步地，所述配重组件内部设置有
若干配重块。
29.如上所述的电动机械式跟管钻进取心钻具，进一步地，还包括电缆终端、第一弹簧及铠装电缆锁紧装置，所述铠装电缆穿过所述电缆终端，所述电缆终端的下方设置有所述第一弹簧，所述第一弹簧的下端安装有用以监测第一弹簧收缩量的位移编码器；所述铠装电缆锁紧装置设于所述第一弹簧与所述滑环组件之间，所述铠装电缆锁紧装置用以固定加紧所述铠装电缆。
30.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：将已经成熟应用在冰川钻探的铠装电缆电动机械式钻具应用在大洋科学钻探中，配以随钻扩孔下套管技术，从而可以简化大洋钻探中下套管施工程序，节省了下套管作业时间；同时内部采用铠装电缆电动机械式钻具进行钻进和取心，特制伸缩式牙轮扩孔钻头及底部钻头可以随内部电动机械钻具一起提升和下放，避免了因钻头磨损需要将整套钻具提至海上钻井平台的步骤，从而大幅节省施工及维修时间，减少施工成本，提高施工效率，为实现中国的大洋科学钻探目标提供了技术支撑。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
32.图1为本发明实施例的用于大洋钻探的电动机械式跟管钻进取心钻具的结构示意图。
33.其中：1、铠装电缆；2、套管；3、电缆终端；4、第一弹簧；5、铠装电缆锁紧装置；6、滑环组件；7、反扭刀；8、反扭钢片；9、第二弹簧；10、锁紧螺母；11、密封舱体；12、电子器件；13、固定机构；14、配重装置；15、配重块；16、中间电缆；17、钻进电机；18、上部联轴器；19、减速器；20、下部联轴器；21、水泵；22、滤网；23、伞状岩屑挡头；24、岩屑收集室；25、岩屑上返通道；26、下端盖；27、岩心；28、岩心取样管；29、特制管靴；30、特制扭簧；31、牙轮臂；32、牙轮钻头；33、岩心楔断器；34、旋转块；35、限位块；36、探底杆；37、底部钻头。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
35.实施例：
36.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产
品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
37.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.参见图1，本发明的目的在于提供一款用于大洋钻探作业的电动机械钻具，其可以同时实现下套管2和钻进，其中，在每个取心回次结束后，钻头可收缩至钻具内部并随绳索取心钻具提至地表，遇到钻头磨损等问题可及时更换，这在以钻透“莫霍面”为目标的大洋科学钻探作业中，大大简化了因钻头磨损需要将整套钻具提离至钻探船甲板的过程，从而节省施工时间，节约施工成本，提高施工效率，为实现中国的大洋科学钻探目标提供了技术支撑。
41.一种电动机械式跟管钻进取心钻具，用于大洋钻探，其包括套管2和可活动脱离套管2的滑环组件6、反扭力组件、密封舱体11、配重组件和驱动循环钻机，其中，滑环组件6、反扭力组件、密封舱体11、配重组件和驱动循环钻机通过一铠装电缆1串联，驱动循环钻机用于钻进岩层并收集岩心样品，且驱动循环钻机至少工作在钻进作业前状态、钻进作业中状态和钻进作业后状态。
42.本实施例中，套管2可以由若干段套管2组合拼接而成，套管2与套管2之间采用螺纹连接，连接好的套管2一端连接在钻采平台，一端延伸至孔底。套管2的特定高度在周围环状位置处开设有若干竖直的槽孔，槽孔用于与反扭力组件的反扭钢片8配合，其作用是为了钻头在触底后，内部电动机械钻具的反扭力组件在张开时，反扭刀7可以伸出槽孔，提供钻进时的反扭矩。套管2位于孔底的部分连接有特制的特制管靴29，特制管靴29起到引导套管2的作用，同时起到限位的作用，保证钻头接触孔底后内部钻具不会继续向外部滑出钻杆。优选地，套管2的槽孔到套管2的特制管靴29的长度和钻具的反扭力组件到岩心取样管28的高度相当；同时，特制管靴29内圆周处固定安装有滚珠轴承，且特制管靴29采用摩擦阻力小的耐磨材质，防止钻具在回转过程中磨损特制管靴29。
43.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，驱动循环钻机包括：岩心取样管28、牙轮臂31、特制扭簧30、旋转块34和探底杆36，其中，岩心取样管28用于存放岩心样品；牙轮
臂31周向分布于岩心取样管28外侧，牙轮臂31绕近端可转动设置且牙轮臂31的远端具有牙轮钻头32；特制扭簧30用于使得牙轮臂31的远端具有朝向岩心取样管28的力矩；旋转块34设置于岩心取样管28和牙轮臂31之间，转动以支撑牙轮臂31的张开或回收；探底杆36的一端连接于旋转块34上，当探底杆36触底时撑开旋转块34，以促使牙轮臂31张开并通过限位块35维持该状态。
44.本实施例中，牙轮臂31通过滚珠轴承等机构镶嵌有牙轮掌，且在钻杆圆周方向上呈均布排列，数量均为3个；牙轮掌内部设置有轴承机构、储油密封机构及喷嘴装置，牙轮掌外部镶嵌有切削齿；牙轮臂31在特制扭簧30的作用力下向轴心收缩，牙轮臂31下部有限位块35，防止牙轮臂31收缩。驱动循环钻机还包括底部钻头37，底部钻头37为孕镶金刚石钻头。底部钻头37的内壁有一环状孔，探底杆36正好穿过其中。优选的，底部钻头37均匀开设有3个长方形空腔，中间的空腔部分可便于牙轮臂31回缩和张开。进一步地，探底杆36为空心圆柱状，上部焊接有接触块，下部超出钻头的部分可在钻头之前接触到孔底，接触孔底后，探底杆36将相对钻头向上运动，由此可通过接触块转动旋转块34，从而带动牙轮扩孔钻头张开，开始扩孔钻进作业。优选的，旋转块34一端被销轴固定，旋转块34可按照销轴为中心旋转；旋转块34的另一端为光滑的斜面；在钻头达到孔底，旋转块34被探底杆36推动后，可带动牙轮臂31和牙轮掌向外张开，张开后的钻头直径大于底部钻头37的直径，起到扩孔钻进的作用。
45.上述实施例中，进一步地，驱动循环钻机包括：岩屑收集室24、水泵21、滤网22和下端盖26，其中，岩屑收集室24，设置在岩心取样管28的上方，并通过岩屑上返通道25与岩心取样管28连通，岩屑上返通道25的上端还设有伞状岩屑挡头23；水泵21用于钻进作业过程中提供钻井液循环动力；滤网22设置于水泵21与岩屑收集室24之间；下端盖26设置于岩心取样管28与岩屑收集室24之间。进一步地，驱动循环钻机还包括依次机械传动连接的钻进电机17、上部联轴器18、减速器19和下部联轴器20。
46.具体地，钻井液携带岩屑从岩心取样管28和岩心27的环状间隙上返，并通过变径接头进入岩屑上返通道25，岩屑上返通道25的上端设计有伞状岩屑挡头23，钻井液携带岩屑通过伞盖后产生向下的流速分量，但由于岩屑收集室24预留的钻井液出口位于岩屑收集室24上方，因此钻井液在通过伞盖后在岩屑收集室24流动方向将发生180度变化，由于岩屑颗粒密度大于钻井液，因此岩屑颗粒和钻井液的流向差导致岩屑颗粒能更好的沉降在岩屑收集室24内。岩屑收集室24上方的钻井液出口固定有滤网22，能对钻井液进行二次过滤，有效保证岩屑收集在岩屑收集室24内，防止岩屑随钻井液进入水泵21，造成泵的磨损。进一步地，岩心取样管28连接在岩屑收集室24的下方，岩心取样管28内部中空，在钻进取样过程中，岩心27可在岩心取样管28内部逐渐上升并储存在岩心取样管28中。钻进电机17和减速器19可作为在孔底驱动下部取心钻具转动的动力部件，向钻具下方传递回转动力和扭矩；水泵21可通过泵吸作用，将携带岩屑的钻井液通过循环通道收集到相应的岩屑收集室24内。优选地，钻进电机17为孔底伺服交流电机，水泵21为离心式水泵。
47.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，铠装电缆1的芯部包括若干电源线和信号线，若干电源线和信号线之间使用尼龙层包裹，且外部以钢丝缠绕。本实施例中，铠装电缆1内部有若干电源线及信号线，中间被耐高压耐腐蚀密封尼龙层包裹，外部则有钢丝缠绕；电源线依次穿过电缆终端3、铠装电缆锁紧装置5、滑环组件6、反扭力组件、岩心取样管
28、密封舱体11及配重装置14的内部通道，直至连接到驱动循环钻机内部的钻进电机17上，用以驱动下部钻具旋转以及下方的水泵21进行钻井液的循环；信号线依次穿过电缆终端3、铠装电缆锁紧装置5、滑环组件6及反扭力组件内部通道，直至连接到密封舱体11内的多种传感器等元器件。进一步地，铠装电缆1的电源线和信号线通过钻具各个装置时，都是采用耐压密封插头进行插拔式连接。
48.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，滑环组件6包括不同时转动的上部滑动块和下部滑动块。本实施例中，滑环组件6内部分上下两部分，中间安装有滚动轴承和圆锥滚子轴承，可以保证滑环组件6下部的钻具部分发生转动时，上方的部件不会跟着旋转，造成铠装电缆1的缠绕，损伤电缆。
49.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，反扭力组件具有向外伸出的反扭钢片8，反扭钢片8用于插进套管2内侧开设的槽孔。本实施例中，反扭力组件为了平衡钻进时产生的扭矩，其位于滑环部件的下端，四周通过连杆机构连接4个反扭刀7，反扭刀7径向伸展的程度可通过下部锁紧螺母10和第二弹簧9进行调整。反扭刀7上下两端都为圆弧状，便于进出的套管2在特定高度开设的槽孔。
50.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，密封舱体11设置有电子器件12。本实施例中，密封舱体11可存放钻具内控制和检测系统，内部通过固定机构13安装有温度传感器，压力传感器，方位角传感器等多种传感器原件及部分监测孔底状态的装置，其可在30mpa液体环境压力下不发生泄漏，防止钻井液进入对电路板造成破坏，同时也可降低对电子器件12的耐压要求。其信号通过的信号线连接，并将信号传输至钻采平台的控制台上。
51.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，配重组件内部设置有若干配重块15。本实施例中，配重装置14内部可以根据需要，添加不同数量的配重块15，从而可以调节每次下钻时的最大钻压。进一步地，配重组件内部设有中间电缆16，中间电缆16一端连接密封舱体11内的电子器件12，另一端连接钻进电机17。
52.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，本钻具还包括电缆终端3、第一弹簧4及铠装电缆锁紧装置5，铠装电缆1穿过电缆终端3，电缆终端3的下方设置有第一弹簧4，第一弹簧4安装有用以监测第一弹簧收缩量的位移编码器；铠装电缆锁紧装置5设于第一弹簧4与滑环组件6之间，铠装电缆锁紧装置5用以固定加紧铠装电缆1。本实施例中，铠装电缆1穿过电缆终端3，铠装电缆1外侧的钢丝绳在这个位置解开、重新缠绕，并与下方的铠装电缆锁紧装置5固定，内部的电源线和信号线则从中间通道一直向下传输。进一步地，本装置设有第一弹簧4，由于钻具的提升和下放都是通过铠装电缆1完成，铠装电缆1受力时可能会在电缆终端3处对内部的电源线和信号线产生瞬间的拉力和张力，容易破坏电源线和信号线，此时第一弹簧4可以起到一定的缓冲作用；同时，第一弹簧4的下端也固定安装有位移编码器，位移编码器可以实时监测第一弹簧4的收缩量，通过胡克定律就可以实时得到铠装电缆1的承重情况，从而得到此时钻具施加在底部岩石的钻压情况。此外，铠装电缆锁紧装置5可将铠装电缆1固定加紧，同时也将电源线和信号线从其内部传递到下方。
53.为了更好地理解本发明，以下对本发明的工作原理作简要说明。
54.钻具组装完成后，套管2被钻采平台的孔口钳加紧，通过铠装电缆1将钻具沿着套管2内壁下放至孔底。下放钻具时，特制扭簧30在钻头胎体外壁的作用下，使得牙轮臂31向内收缩至钻头内部。牙轮臂31下部有限位块35，防止牙轮臂31收缩太多，影响下一步的取心
取样。当钻具接近孔底时，反扭力组件的反扭钢片8在第二弹簧9的作用下伸出钻具，正好嵌入套管2的内壁槽中。此后，底部钻头37内的探底杆36率先接触孔底，在钻具继续下落的同时，探底杆36将相对钻头向上运动，由此可通过探底杆36上部的接触块推动旋转块34，从而带动牙轮臂31张开。此时，钻具岩心取样管28的外部台阶刚好正好落在特制管靴29的台阶上，开始扩孔钻进作业。
55.通过钻采平台的操作室控制电动机械钻具的钻进电机17启动，钻具下部的水泵21、岩屑收集室24、岩心取样管28及钻头开始回转。电动机械钻具的上部钻具部分(包括电缆终端3、滑环组件6、反扭力组件、密封舱体11、配重装置14以及驱动循环钻机的电机部分)则因为反扭力组件的反扭作用，不会发生转动。回转取心钻进过程中，随着钻具不断下降，套管2也在钻井平台顶部夹持器的作用下向下传送。岩心27不断的进入到岩心取样管28中，而钻进过程中产生的岩屑则随着钻井液在孔底进行局部反循环的运动，其中岩屑被收集到岩屑收集室24内，而钻井液则不断地循环，直至岩心取样管28内部装满岩心27，关闭电机，停止钻进。
56.取心结束后需要提钻时，首先停钻，提升铠装电缆1，此时岩心27相对底部钻头37做向下运动，岩心楔断器33收紧，将岩心27楔断并保存在岩心取样管28中。此时牙轮臂31在特制扭簧30的作用下向内收缩，收回到钻具内部。探底杆36上方的触碰块下落在底部钻头37胎体的台阶上。钻具上部的反扭力组件回收到套管2内部，直至钻具提升至地表，并提离出套管2。取出岩心27和清理岩屑收集室24内的岩屑后，将岩心取样管28、岩屑收集室24和钻头连接好后，继续通过铠装电缆1沿着套管2内壁下放至孔底，实施下一回次的钻进作业。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
58.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。