CN101240697B - 微型井下侧壁环形槽切割工具 - Google Patents

Abstract

一种土木水利工程技术领域的微型井下侧壁环形槽切割工具，本发明中，提升机构与外缸套的上端部相连接，密封电缆接头与电子设备仓相连，作为电子设备仓的输出端口，电子设备仓位于提升机构下方，电子设备仓下方设有冷却泵仓，冷却泵仓下方设有上封隔器，上封隔器通过封隔器上支架固定于外缸套内，下封隔器通过封隔器下支架与外缸套下端部固定连接，环形槽切割主工作部与内缸套、推送机构装配成一体，并置于上封隔器和下封隔器之间，在位于上封隔器、下封隔器之间的外缸套的相应位置设有前工作窗和后工作窗，下设备仓位于外缸套的尾部。本发明设计合理，结构紧凑、钻具自如地钻进和退钻，岩屑也可及时得到排出。

Description

微型井下侧壁环形槽切割工具 

技术领域

本发明涉及的是一种岩土工程技术领域的装置，具体是一种微型井下侧壁环形槽切割工具。 

背景技术

在土木水利等工程领域，有时需要在工程地质钻孔的孔壁上进行岩石切割，以获得符合某种要求的岩石样品。比如，对于一些特殊的井下孔壁围岩切割任务，不仅对切取的岩石样品的完整性有较为严格的要求，而且希望切割后形成的岩样呈圆柱形，这就需要有很特别的钻进切削工具来实现。 

目前尚未见到有关在钻孔孔壁上切割呈“悬臂梁”状的圆柱状岩样的专门工具。但值得借鉴的技术工具主要是钻探领域里普遍被采用的侧壁取样工具，这类工具的主要用途是利用它在钻孔侧壁上获取岩石样品或岩芯，并将岩样送回地面供分析地层资料之用。目前国内外在探矿、油气开采、土木水利等地质探查领域里所采用的侧壁取样工具主要如下几种形式：人工偏斜式取样、连续切割式取样、压入式取样、侧钻式取样、射孔式取样、水力喷射式取样和刮削式取样等。利用这些专门的取样工具，一般可在不同的岩层获得不同质量和规格的岩石样品，并可满足地球科学研究领域的各种不同需求。 

经对现有技术的文献检索发现，葛修润编著的《大陆科学钻探的意义、现状和未来(研究报告)》(中国科学院武汉岩土力学研究所，1998年12月，第106～116页)，对现有的侧壁取样工具进行了系统的总结，并指出在松散岩矿层，如煤层中，可以采用水力喷射式取样和刮削式取样。而在其它较硬的岩层中，可采用效率较高的水平钻进孔壁取样器，这类取样器主要由多芯电缆提升机构、动力电机、定位装置、钻进机具、提断岩样装置、取样筒转移机构、岩样容纳器等组成，结构比较复杂，外径也较大。由于其目的只是为了获得岩石样品，并用于岩性分析，而对岩石样品的质量本身一般都不做特殊要求，所以在钻孔侧壁上钻取的岩样多呈块状或碎屑状，无法获得相对完整且形状规则的岩样。另外，这种取样器在取样时所需的动力也比较大，使得整个取样器具的体积较大，适应性相对较差。 

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种微型井下侧壁环形槽切割工具，使其采用薄壁金刚石取芯钻头作为切削刀具，根据预先设定的钻进模式控制整个岩石切割过程，完钻后可在孔壁围岩内形成“悬臂梁”状的圆柱状岩样，该圆柱状岩样可被用于相关的工程测试。钻具在钻孔内工作过程中，工具系统良好的刚性可保证切削刀具在垂直于钻孔轴线的平面内平稳钻进，并在孔壁围岩内切割成相对完整的圆柱状岩样，满足相关测量工作之需。 

本发明是通过以下技术方案实施的，本发明包括：提升机构、密封电缆接头、电子设备仓、冷却泵仓、上封隔器、环形槽切割主工作部、推送机构、内缸套、下封隔器、下设备仓、外缸套、后工作窗、前工作窗，其中：提升机构与外缸套的上端部相连接，密封电缆接头与电子设备仓相连，作为电子设备仓的输出端口，电子设备仓位于提升机构下方，电子设备仓下方设有冷却泵仓，冷却泵仓下方设有上封隔器，上封隔器通过封隔器上支架固定于外缸套内，下封隔器通过封隔器下支架与外缸套下端部固定连接，环形槽切割主工作部与内缸套、推送机构装配成一体，并置于上封隔器和下封隔器之间，在位于上封隔器、下封隔器之间的外缸套上设有前工作窗和后工作窗，下设备仓位于外缸套的尾部。 

所述环形槽切割主工作部，包括：旋转驱动电机、机座、联轴器、伞形齿轮副、主轴箱、带键齿钻具套、薄壁金刚石取芯钻头、钻具座、进给推送丝杆、进给机构支座、进给机构轴箱、进给步进电机、反力支撑机构，其中：旋转驱动电机竖直固定在机座上，通过联轴器与主轴箱的主动轴相连，主轴箱的主动轴通过伞形齿轮副与轴线处于水平位置的带键齿钻具套相连，带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头通过螺纹相连接，并支撑于钻具座上，钻具座契形底部装配在进给机构支座契形槽内，进给机构支座与进给机构轴箱固定连接，进给步进电机位于整个环形槽切割主工作部的底部，其轴线与薄壁金刚石取芯钻头轴线相平行，进给步进电机的主轴与进给机构轴箱输入端相连，进给机构轴箱输出端与进给推送丝杆相连，进给推送丝杆与进给机构轴箱可沿丝杆轴向作相对运动，反力支撑机构位于带键齿钻具套后端部的下方，与进给推送丝杆相连。 

所述的推送机构，包括：基座、推送电机、变速箱、开式传动齿轮、推送丝杆，其中：推送电机固定在基座的下部，推送电机通过变速箱和开式传动齿轮与推送丝杆相连，推送丝杆与下封隔器的上支座中套上端通过内螺纹丝扣相配合。 

所述外缸套，其与环形槽切割主工作部与内缸套、推送机构之间设有密封环。 

所述下封隔器，其上支座中套轴向键槽与内缸套下端盖的中孔通过键齿相配合，限制环形槽切割主工作部与外缸套之间的相对旋转运动，但可作轴向相对运动。 

所述下封隔器，其上支座中套侧壁开有管线孔，为设备内部工作管路、线路通道。 

本发明中，当通过提升机构将整个工具系统下入到地质钻孔的工作位置后，张开上、下封隔器将工具系统定位并固定在地质钻孔内；启动推送机构，将环形槽切割主工作部下移至工作面位置，这时薄壁金刚石取芯钻头正对外缸套前工作窗位置，而反力支撑机构则处于外缸套后工作窗位置；开启前工作窗和后工作窗，启动旋转驱动电机和进给步进电机，薄壁金刚石取芯钻头开始伸出前工作窗至钻孔侧壁上的工作面位置，而反力支撑机构则伸出后工作窗支撑于孔壁上，之后，薄壁金刚石取芯钻头在旋转驱动电机和进给步进电机的驱动下在钻孔侧壁上进行环形切割作业，达到预定深度后停钻，使旋转驱动电机和进给步进电机反向运动，回收钻具和反力支撑机构至外缸套内，关闭前工作窗和后工作窗，启动推送机构使环形槽切割主工作部复位，收缩上、下封隔器，从钻孔中起出整个工具系统。微型井下侧壁环形槽切割工具的精确定位、外缸套上前后工作窗的开启和关闭、环形槽切割主工作部在外缸套内的局部移动以及环形切割作业、及工具的回收是通过电子设备仓中的控制单元来完成的，而且采用模块化设计和装配，易于操作。 

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明可下入到孔径为156mm的地质钻孔内。整个钻具设计合理，结构紧凑，而且拆装操作简单，具有野外携带方便，适应性好等特点。若进给步进电机的功率为350W，钻头转速在600-2400rpm，钻头钻进的最大行程为40mm。按照预设的钻进控制模式，切割出一个内径Φ＝30mm，槽宽d＝2mm，槽深l＝40mm的圆柱形岩样的钻进时间一般不超过4分钟，切割成的“悬臂梁”状的圆柱状岩样表面非常光滑，而且岩样完整无破碎。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为本发明的环形槽切割工具主工作部结构示意图 

图(a)为正视图，(b)局部侧视图； 

图3为本发明的推送机构结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

如图1所示，本实施例包括：提升机构2、密封电缆接头3、电子设备仓4、冷却泵仓5、上封隔器6、环形槽切割主工作部7、推送机构8、内缸套9、下封隔器10、下设备仓11、外缸套12、后工作窗13、前工作窗14，其中：提升机构2与外缸套12的上端部相连接，密封电缆接头3与电子设备仓4相连，作为电子设备仓4的输出端口，电子设备仓4位于提升机构下方，电子设备仓4下方设有冷却泵仓5，冷却泵仓5下方设有上封隔器6，上封隔器6通过封隔器上支架固定于外缸套12内，下封隔器10通过封隔器下支架与外缸套12下端部固定连接，环形槽切割主工作部7与内缸套9、推送机构8装配成一体，并置于上封隔器6和下封隔器10之间，在位于上封隔器6、下封隔器10之间的外缸套12上设有前工作窗14和后工作窗13，下设备仓11位于外缸套12的尾部。 

如图2所示，所述环形槽切割主工作部7，包括：旋转驱动电机701、机座702、联轴器703、伞形齿轮副704、主轴箱705、带键齿钻具套706、薄壁金刚石取芯钻头707、钻具座708、进给推送丝杆709、进给机构支座710、进给机构轴箱711、进给步进电机712、反力支撑机构713，其中： 

旋转驱动电机701竖直固定在机座702上，通过联轴器703与主轴箱705主动轴相连，而主轴箱705主动轴通过伞形齿轮副704与轴线处于水平位置的带键齿钻具套706相连，带键齿钻具套706与薄壁金刚石取芯钻头707通过螺纹相连接，并支撑于钻具座708上，钻具座708契形底部装配在进给机构支座710契形槽内，进给机构支座710与进给机构轴箱711固定连接；进给步进电机712位于环形槽切割主工作部7的底部，其轴线与薄壁金刚石取芯钻头707轴线相平 行，进给步进电机712主轴与进给机构轴箱711输入端相连，进给机构轴箱711输出端与进给推送丝杆709相连，进给推送丝杆709与进给机构轴箱711可沿丝杆轴向作相对运动；反力支撑机构713位于带键齿钻具套706后端部的下方，与进给推送丝杆709相连。 

如图3所示，所述的推送机构8，包括：基座801、推送电机802、变速箱803、开式传动齿轮804、推送丝杆805，其中：推送电机802固定在基座801的下部，通过变速箱803和开式传动齿轮804向推送丝杆805传送扭矩，推送丝杆805与下封隔器10的上支座21中套上端通过内螺纹丝扣相配合。 

所述外缸套12，其与环形槽切割主工作部7与内缸套9、推送机构8之间设有密封环15。 

所述下封隔器10，其通过上支座21、下支座20与外缸套12固定连接，通过紧固件19与推送机构8的基座801固定连接。 

所述下封隔器10，其上支座21中套轴向键槽与内缸套9下端盖806的中孔通过键齿相配合，限制环形槽切割主工作部7与外缸套12之间的相对旋转运动，但可作轴向相对运动； 

所述下封隔器10，其上支座21中套侧壁开有管线孔22，为设备内部工作管路、线路通道。 

本实施例工作，通过提升机构2将整个工具下入到地质钻孔1中，达到预定孔深定位之后，张开上封隔器6和下封隔器10将整个设备固定在钻孔中。启动推送机构8中的推送电机802，推送机构8开始工作，使环形槽切割主工作部7与内缸套9一起在外缸套8内下移至工作面位置(工作面即指要实施环形切割的钻孔侧壁部位)，关闭推送电机802；开启设置在外缸套12上的后工作窗13和前工作窗14，启动环形槽切割主工作部7中的旋转驱动电机701和进给步进电机712，环形槽切割主工作部7开始工作，旋转驱动电机701启动后通过主轴箱705、伞形齿轮副704、带键齿钻具套706带动薄壁金刚石取芯钻头707旋转运动，而进给步进电机712则通过进给机构轴箱711带动进给推送丝杆709旋转，进给推送丝杆709根据受力状态可按相对方向推送反力支撑机构713和钻具座708运动，当反力支撑机构713在进给推送丝杆709的带动下通过后工作窗13伸出窗外并支撑到外缸套12外侧的孔壁上，为钻具提供足够的支撑反力，这时， 进给推送丝杆709只推送钻具座708运动，从而驱动薄壁金刚石取芯钻头707向钻进方向运动，并通过前工作窗14伸向工作面进行环形槽切割钻进作业；切割至预定深度后，停钻；然后启动旋转驱动电机701和进给步进电机712做反向转动，使薄壁金刚石取芯钻头707收回至外缸套12内，同时反力支撑机构713也被收回至外缸套12内，关闭动旋转驱动电机701和进给步进电机712；关闭外缸套12上的后工作窗13和前工作窗14；启动推送机构8中的推送电机802，在推送机构8的作用下使环形槽切割主工作部7复原位，关闭推送电机802；收缩上封隔器6和下封隔器10，通过提升机构2从钻孔1中起出整个设备。 

本实施例的设计合理，结构紧凑，可下入到孔径为156mm的地质钻孔内。由于采用模块化设计，而且控制和检测元件的信号都被集成到电子设备仓中，安装和拆卸操作简单易行，具有野外携带方便，适应性好等特点。在钻进过程中钻具切削过程中所需的动力相对传统取样工具而言较小，仅需350W的微型进给步进电机驱动即可。切割出一个内径为30mm，槽宽为2mm，槽深为40mm的圆柱形岩样的钻进时间一般不超过4分钟，切割成的“悬臂梁”状的圆柱状岩样表面光滑，而且岩样完整无破碎，因此，切削效率较高。 

Claims (6)

1.一种微型井下侧壁环形槽切割工具，其特征在于，包括：提升机构、密封电缆接头、电子设备仓、冷却泵仓、上封隔器、环形槽切割主工作部、推送机构、内缸套、下封隔器、下设备仓、外缸套、后工作窗、前工作窗，其中：提升机构与外缸套的上端部相连接，密封电缆接头与电子设备仓相连，作为电子设备仓的输出端口，电子设备仓位于提升机构下方，电子设备仓下方设有冷却泵仓，冷却泵仓下方设有上封隔器，上封隔器通过封隔器上支架固定于外缸套内，下封隔器通过封隔器下支架与外缸套下端部固定连接，环形槽切割主工作部与内缸套、推送机构装配成一体，并置于上封隔器和下封隔器之间，在位于上封隔器、下封隔器之间的外缸套上设有前工作窗和后工作窗，下设备仓位于外缸套的尾部。

2.根据权利要求1所述的微型井下侧壁环形槽切割工具，其特征是，所述环形槽切割主工作部，包括：旋转驱动电机、机座、联轴器、伞形齿轮副、主轴箱、带键齿钻具套、薄壁金刚石取芯钻头、钻具座、进给推送丝杆、进给机构支座、进给机构轴箱、进给步进电机、反力支撑机构，其中：旋转驱动电机竖直固定在机座上，通过联轴器与主轴箱的主动轴相连，主轴箱的主动轴通过伞形齿轮副与轴线处于水平位置的带键齿钻具套相连，带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头通过螺纹相连接，并支撑于钻具座上，钻具座契形底部装配在进给机构支座契形槽内，进给机构支座与进给机构轴箱固定连接，进给步进电机位于整个环形槽切割主工作部的底部，其轴线与薄壁金刚石取芯钻头轴线相平行，进给步进电机的主轴与进给机构轴箱输入端相连，进给机构轴箱输出端与进给推送丝杆相连，反力支撑机构位于带键齿钻具套后端部的下方，与进给推送丝杆相连。

3.根据权利要求1所述的微型井下侧壁环形槽切割工具，其特征是，所述的推送机构，包括：基座、推送电机、变速箱、开式传动齿轮、推送丝杆，其中：推送电机固定在基座的下部，推送电机通过变速箱和开式传动齿轮与推送丝杆相连，推送丝杆与下封隔器的上支座中套上端通过内螺纹丝扣相配合。

4.根据权利要求1所述的微型井下侧壁环形槽切割工具，其特征是，所述外缸套，其与环形槽切割主工作部与内缸套、推送机构之间设有密封环。

5.根据权利要求1所述的微型井下侧壁环形槽切割工具，其特征是，所述下封隔器，其上支座中套轴向键槽与内缸套下端盖的中孔通过键齿相配合。

6.根据权利要求1或5所述的微型井下侧壁环形槽切割工具，其特征是，所述下封隔器，其上支座中套侧壁开有管线孔。

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