专利名称:绳索取芯钻具的功能机构的制作方法
本发明为绳索取芯钻具的打捞定位机构、可调式到位报信机构和可调式岩芯堵塞报信机构。
当绳索取芯钻具从地面拉起(或往地面拖放)时，由于取芯器和打捞器长度较大，钻具重力所造成的弯矩，有时可使矛头从打捞器中脱出，造成钻具脱落，有时则造成打捞钩或捞矛头单动轴的弯曲或损坏。增设矛头绞链机构可避免上述事故的发生。现有的矛头绞链机构采用弹簧卡槽定位方法，矛头只能在钻具轴所在的一个平面内转动±90°，其转动自由度小，且工作时定位不可靠。
现有的弹卡机构使用扭转弹簧以提供张力，使弹卡张开定位。使用这种扭转弹簧，结构简单。由于扭转弹簧必须给予弹卡足够大的张力，并能承受较大的应力变化，因此，它应具有较大的刚度和韧性。然而，受可容空间所限，弹簧的圈数不能多，直径不能大，因而其抗疲劳性差，使用寿命短。一旦扭转弹簧在钻进过程中损坏，将使钻具失去定位，导致绳索取芯钻具失去取芯能力。结果，不但因被迫打捞钻具或提钻而降低工效，还由于所采岩、矿芯的减少而影响工程质量。
现有绳索取芯钻具的到位报信机构有阀杆式和球阀式。钻具到位后水路被堵，使泵压升高，从而达到报信目的。钻进不同孔深地段所需的报信压力随孔深而改变。然而，这两种到位报信机构不但结构较复杂，易出故障，工作不可靠，报信压力也不易调整。
弹性阀片式岩芯堵塞报信机构在岩芯堵塞时，阀片轴向被压缩，径向则膨大，以致部分或全部堵塞内外管间的环状液流断面，使泵压升高而报信。这种岩芯堵塞报信机构动作灵敏，报信可靠。为适应钻进不同地层的需要，报信时岩芯堵塞所造成的阀片轴向压力应有较大的调整范围。现有的弹性阀片式岩芯堵塞报信机构在调整报信轴向压力时须拆开钻具，改变阀片的组合方式或更换不同弹性的阀片，因而调节困难。此外，采用此种结构，不能进行压力的连续调整。
本发明的任务就是要增加捞矛头弯曲的自由度和定位的可靠性，使它除了能与钻具轴线弯曲±90°外，还能绕轴线任意旋转;去掉抗疲劳性差的扭转弹簧，采用圆柱压缩弹簧和圆锥杆，使弹卡定位可靠，并以此提高打捞成功率，设计易调整的节流式到位报信机构，设计易调整的弹性阀片式岩芯堵塞报信机构。
为解决以上任务，本发明作如下设计如图1所示，捞矛头(1)和矛头座(3)通过销(5)绞链连接。矛头座(3)和圆锥杆(11)通过销(7)和长孔(8)相联接。两片弹卡(17)通过弹簧销(18)装在弹卡架(12)内，弹卡架(12)与簧座(19)通过卡环(20)相联接。弹簧(10)为圆柱状压力弹簧。它套在圆锥杆(11)上，装在弹卡架(12)内，一端与簧座(19)的内环状底面(9)相接触，另一端则压在圆锥杆(11)的锥头环状端面(14)上，在弹簧(10)的作用下，圆锥杆(11)的锥头(16)挤向两片弹卡(17)之间，使其向外张开，一旦弹卡(17)张开到位，圆锥杆(11)的锥头圆柱(15)即可进入两片弹卡(17)间并将其锁住，使弹卡(17)不能合拢。
如图2所示，当捞矛头(1)从回收管(13)内拉出，矛头座(3)带动圆锥杆(11)上移，使锥头(16)和锥头圆柱(15)从两片弹卡(17)间退出，并压缩圆柱弹簧(10)。继续拉动捞矛头(1)，则矛头座(3)的环状端面(6)碰到回收管(13)的环状底面(4)，带动后者上移，弹卡(17)在回收管(13)的斜面(21)作用下得以合拢，钻具便可拉起。捞矛头(1)从回收管(13)拉出后，以销(5)为轴可转动±90°，并能以钻具轴线(2)为轴任意转动。图2所示的捞矛头(1)在从回收管(13)拉出后，不仅以销(5)为轴转了90°，且以钻具轴线(2)为轴相对图1转了一角度。
以上结构不但增加了捞矛头的自由度，而且提高了其定位的可靠性。圆柱压力弹簧和圆锥杆所组成的弹卡自锁结构，不仅保证了弹卡定位的可靠性，而且提高了弹簧的使用寿命。
本发明设计了可调节流式到位报信机构。此机构如图3所示，由弹卡架(12)上的通水孔(22)、套(25)、键(24)和卡簧圈(23)等组成。套(25)与回收管(13)丝扣联接，当钻具投放到位，悬挂环(26)坐于座环(27)上切断内外管间的环状液流断面时，冲洗液被迫通过弹卡架(12)上的通水孔(22)，经悬挂接头(28)、通水孔(29)，绕过悬挂环(26)，回到下部液流环状断面。
液流断面突然改变处，液流压力增长计算公式为P＝ξ (V2)/(2g) γ，Pa……(1)式中P-压力增长，Pa;
ξ-局部压力增长系数;
V-液体流速，m/s;
g-重力加速度，9.81m/s2;
γ-液体重度，N/m2。
液体流速公式为V＝ (Q)/(S) ，m/s……(2)式中Q-体积流率，m3/S;
S-液流断面，m2。
将式(2)代入式(1)，则得P＝ξ (γ)/(2g) · (Q3)/(S2) ，Pa……(3)从式(3)可以看出，在ξ、γ、g和Q不变情况下，压力变化与S2成反比。因此，通过改变S，即可有效地调整P，当S减少到S/2，则P将增大到4P。
调整步骤如下取下卡簧圈(23)(图4)，取出键(24)，通过调整套(25)丝扣，使套(25)与弹卡架(12)作相对运动，以改变套(25)对弹卡架(12)上通水孔(22)的遮挡
，并使回收管(13)丝扣部和套(25)丝扣部的键槽相重合，然后把键(24)嵌入回收管丝扣键槽和套丝扣键槽内，使套(25)定位，卡簧圈(23)卡在套卡簧槽里，防止键(24)脱落，图4中的套(25)已调到遮挡弹卡架(12)上通水孔(22)的一部分。
为了使卡簧圈(23)定位可靠，且易于取放，将其设计为图6所示形状，卡簧圈体(23)与套(25)上的卡簧槽(30)(图8)相一致，长度应大于半圆周长，小于3/4圆周长，最好为2/3圆周长。卡簧圈(23)的一端有小钩(31)，安装时将此小钩(31)嵌在套(25)的定位槽(32)内(图8)，即可防止卡簧圈(23)在卡簧槽(30)内转动。键(24)如图7所示，键身(33)在工作时插入回收管(13)和套(25)的键槽(34)内，使套(25)定位。键头(35)压在卡簧圈(23)下，使键(24)不能意外地脱出，套(25)的形状如图8所示，车扣一端加工了卡簧槽(30)、缺口(36)、丝扣上的键槽(34)及卡簧定位槽(32)。
从公式(3)还可看出，当ξ、γ、g和S为一定值，Q降到Q/2时，P将减少到P/4，因此，这种可调节流式到位报信机构，在开足泵量冲送钻具时，钻具到位后，泵压持续上升量大，信号明显，易于观察，不会漏掉。而钻进时改用小泵量，随着液流量的减小，报信部位的压力损耗以液流量的平方倍下降。这种到位报信机构具有结构简单，容易调整，调整范围大，连续可调，工作可靠，使用寿命长等优点。
岩芯堵塞报信机构的设计原理是，空心圆柱形弹性阀片轴向受压时其轴向长度减小，直径变大。若使相同性能和直径的阀片产生相同的直径变形量，阀片轴向长度大时，所需轴向压力小;阀片长度小，则所需压力大。根据这一原理，通过调整阀片可产生径向变形的自由面长度，以改变所需压缩力的办法，实现对岩芯堵塞报信压力的调节，具体作法如下通过对一个专用套的调节，以罩住阀片的不同长度，使所罩部分不能自由发生径向变形，藉以缩短阀片可自由发生径向变形部分的长度，以调整岩芯堵塞报信压力。采用本发明中可调节流式到位报信机构中的套(25)、键(24)和卡簧圈(23)诸零件。套(25)与悬挂接头(28)以丝扣联接(图3)。通过对此联接丝扣的调整，套(25)与悬挂接头(28)作相对运动，从而罩住部分阀片(38)，或将其完全敞开(图3为完全敞开)，以改变岩芯堵塞报信时所需压力。阀片(38)用聚氨脂制作，形状如图5所示，由大直径圆柱段(39)和小直径圆柱段(40)所构成，在大直径圆柱段(39)上平行阀片轴线对称地切去两片柱面(41)，使阀片(38)在发生弹性变形遮挡液流断面时，允许少量冲洗液流过。这样，既可使泵压提高而报信，又不致因冲洗液的完全中断而烧钻。岩芯堵塞报信机构的调节方法与到位报信机构的调节方法一样。
图3所示为岩芯堵塞报信压力最小时的状态。此时，阀片(38)的圆柱面全部为自由面，其可变形长度为阀片(38)的整个长度。而图4则为岩芯堵塞报信压力最大时的状态。此时，套(25)已将阀片(38)的小直径圆柱面(40)完全罩住，使其不能发生径向弹性形变，只有大直径圆柱段(39)能在岩芯堵塞所造成的压力作用下发生弹性变形。在这种情况下，由于阀片(38)变形长度大大减小，产生同样变形量时所需的压力也将大大增加。可通过选择不同硬度聚氨脂及阀片(38)长度办法来保证所需岩芯堵塞压力。
此可调节的岩芯堵塞报信机构结构简单，压力调节范围大，并连续可调，工作可靠，调整方便。
权利要求
1.本发明的功能机构①矛头绞链、弹卡自锁限位机构由捞矛头、弹卡、回收管、弹卡架、弹卡挡头等零件所组成；②到位报信机构由回收管、弹卡架、悬挂环、座环等零件所组成；③岩芯堵塞报信机构由悬挂接头、套、键、卡簧圈、阀片等零件构成；其特点在于①捞矛头(1)可从回收管(13)中拉出，然后能以销(5)为轴转动±90°，同时还可以钻具中心线(2)为轴自由转动，利用圆柱弹簧(10)和圆锥杆(11)使弹卡(17)定位可靠；②套(25)与回收管(13)丝扣联接，通过调整丝扣，使套(25)与回收管(13)作相对运动，以改变套(25)对弹卡架(12)上通水孔(22)的遮挡量。键(24)嵌入回收管丝扣键槽和套丝扣键槽(34)内使套(25)定位(图8)，卡簧圈(23)卡在套卡簧槽(30)里，防止键(24)脱落，以调节报信压力；③套(25)同悬挂接头(28)以丝扣联接，通过丝扣调整，套(25)可与悬挂接头(28)作相对运动，从而罩住部分阀片(38)或完全敞开，以改变岩芯堵塞报信时所需压力，键(24)嵌入悬挂接头键槽和套丝扣键槽(34)里，使套(25)定位，卡簧圈(23)卡入套卡簧槽(30)里，防止键(24)脱落。
2.根据权利要求
1的本发明，其特点在于①卡簧圈(23)的形状与套卡簧槽(30)一致，卡簧圈(23)长度应大于半圆周长、小于3/4圆周长，最好为2/3圆周长，一端有小钩(31)，嵌于套(25)上的定位槽(32)内，防止卡簧圈转动;②阀片(38)用不同硬度的聚氨脂制作，由大、小两个直径段所组成，直径小的圆柱(40)可进入套(25)，直径大的圆柱(39)面平行于轴对称地切去两片(41)。
专利摘要
本发明公开一种绳索取芯钻具用的矛头可自由转动、弹卡由圆锥杆自锁的矛头绞链、弹卡自锁限位机构，通过调节液流孔断面大小以改变到位报信压力的到位报信机构和利用调节弹性阀片自由面长度，来改变岩芯堵塞报信压力的岩芯堵塞报信机构。后两者结构简单，连续可调，调节范围大，工作可靠，易于调节。
文档编号E21B25/00GK86106661SQ86106661
公开日1988年5月18日 申请日期1986年10月7日
发明者娄述德 申请人:北京市地质机械厂导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan