CN104295232A - 空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具 - Google Patents

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CN104295232A CN201410576175.7A CN201410576175A CN104295232A CN 104295232 A CN104295232 A CN 104295232A CN 201410576175 A CN201410576175 A CN 201410576175A CN 104295232 A CN104295232 A CN 104295232A
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张益飞
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/06Down-hole impacting means, e.g. hammers
    • E21B4/14Fluid operated hammers
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    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B25/00Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels, core extractors
    • E21B25/02Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels, core extractors the core receiver being insertable into, or removable from, the borehole without withdrawing the drilling pipe

Abstract

本发明涉及的是一种空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具,是一种用于适用松散砂卵砾石和断裂破碎等复杂地层工程地质勘察和地质矿产勘探等相关领域的空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具。由中心取心钻具和跟管钻具组成;中心取心钻具为单动双管取心钻具,由单动减振机构、内管调节机构、含卡心装置的取心机构组成;单动减振机构包括冲击接头、碟形弹簧、轴承座、连接轴、推力球轴承和向心球轴承;内管调节机构包括连接轴、岩心管接头、内管和螺母;含卡心装置的取心机构包括外管、内管、连接轴、岩心管接头、取心钻头、滚针、爪簧座和爪簧;跟管钻具由套管和套管接头、套管靴、卡环、套管钻头组成。

Description

空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具
技术领域
本发明涉及的是一种空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具,是一种用于适用松散砂卵砾石和断裂破碎等复杂地层工程地质勘察和地质矿产勘探等相关领域的空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具。
技术背景
松散砂卵砾石和断裂破碎等复杂地层取芯(或取样)钻进,一直是钻探领域难题,其特征是钻孔易坍塌、取样率低,钻进效率低。通过研究和实践探索,钻探技术有了很大地进步,护壁效果、取心质量和岩心采取率有了明显提高,但对于松散砂卵砾石和断裂破碎等复杂地层但地层坍塌问题仍影响钻进效率,取心质量仍不能满足要求,直接影响地层和矿层的准确评价,甚至导致钻孔报废。如中国发明专利申请号02135935.0中公开的天然气水合物深水浅孔保压保温取心钻具,仍有裸露孔段,会发生坍塌;如中国发明专利申请号200410080343.X中公开的三合一组合式取心钻具和中国实用新型专利89220229.7中公开的可控分流式取心钻具,由于采用液态冲洗液,容易线发滑波活动;还有一些其它先进的潜孔锤跟管钻具,破岩效果好,钻进效率高,但不具备取心功能。具有冲击回转方式破碎岩石,钻进效率高,并有随钻同步跟管护壁效果的中国发明专利申请号200510021979.1空气潜孔锤取心跟管钻具,采用的是双动双管结构的取心钻具,阻碍着岩心质量和采取率的提高,套管钻头和取心钻头连接的通孔直径小,取心钻头和套管钻头的凹凸台配合间隙小,取心钻头穿出套管钻头不方便影响钻进效率。因此当务之急研制适合松散砂卵砾石等复杂地层的空气潜孔锤取芯跟管钻具,达到取心质量好,钻进效率高,钻孔不垮塌且不会诱发滑坡活动。
发明内容
本发明目的是针对上述不足之处提供一种空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具,是一种用于松散砂卵砾石和断裂破碎带、水敏性、漏失等复杂地层地质钻探的空气潜孔锤取心跟管钻具,该钻具能够以空气冲击回转方式破碎岩,随钻同步跟进套管护壁,同时能取心并提高岩心采取质量,实现空气潜孔锤取心跟管钻进,其钻孔不垮塌且不会诱发滑坡活动,采集岩心质量好、钻进效率高。
本发明空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具是采取以下技术方案实现:
空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具由中心取心钻具和跟管钻具组成。中心取心钻具为单动双管取心钻具,由单动减振机构、内管调节机构、含卡心装置的取心机构组成;
本发明单动减振机构主要是实现单动减振的作用,单动减振机构包括冲击接头、碟形弹簧、轴承座、连接轴、推力球轴承和向心球轴承。外管通过丝扣与冲击接头连接,内管与岩心管接头连接,岩心管接头与连接轴连接,连接轴通过推力球轴承和向心球轴承与冲击接头连接,实现冲击接头带动外管和取心钻头转动,连接轴和岩心管接头及内管不转动;在冲击接头下端与推力球轴承、向心球轴承及连接轴之间设置一组碟形弹簧,起到减振作用。
本发明内管调节机构主要是调节内管下端套接卡心装置的爪簧座与取心钻头之间的间隙。包括连接轴、岩心管接头、内管、螺母。螺母与连接轴通过螺纹连接,连接轴与岩心管接头通过螺纹连接,岩心管接头与内管通过螺纹连接;连接轴通过拧动旋转螺母控制岩心管接头与连接轴螺纹连接长度调节卡心装置的爪簧座与取心钻头之间的间隙,确保爪簧座与取心钻头之间的间隙适合。
本发明含卡心装置的取心机构包括外管、内管(根据需要可在其内部加半合管)、连接轴、岩心管接头、取心钻头、滚针、爪簧座和爪簧。爪簧座和爪簧组成卡心装置,爪簧座内有斜度面和爪簧外有斜度面配合并可相互滑移;爪簧座上端与内管下端光轴部分套接并可滑移;爪簧座与取芯钻头之间设有滚针,起到减阻与导正作用,爪簧具有倒刺状弹性抓手,钻进时,卡心装置向上滑移,岩心经取心钻头和爪簧进入内管,钻头内径比内管和爪簧内径小,岩心可自由进入;提钻时,卡心装置向下滑移,弹性抓手收缩卡取和挡取岩心,岩心不会脱落,提高取心质量。取心钻具外管选用厚壁合金管,经热处理后硬度在HRC32~36,确保冲击功的传递。外管与取芯钻头、外管与冲击接头连接螺纹采用波形螺纹,该螺纹作用应力分散,连接可靠,装卸比较方便,使用寿命长。
本发明跟管钻具由套管、套管接头、套管靴、弹性卡环、套管钻头组成,为同心扩孔跟管钻具,套管通过套管接头与套管靴丝扣连接,套管钻头与套管靴的连接采用弹性卡环,弹性卡环为开口圆环,经实验传力效果好,未出现损坏现象;套管钻头与套管靴采用弹性卡环连接形成可绕套管的轴心线转动的悬挂结构,套管钻头可绕套管靴转动,卡环传递套管轴向力,其中套管钻头可回转,套管、套管接头、套管靴等不转动;弹性卡环壁厚等于套管靴环形槽深度,弹性卡环内径等于套管钻头环形槽小径,套管钻头环形槽深度小于弹性卡环壁厚,装配时先将弹性卡环装入套管靴内,然后将套管钻头压进去,装好后套管钻头与套管靴能自由转动;套管钻头通过弹性卡环带动套管靴套管同步跟进。
中心取心钻具和跟管钻具通过压力传递和传扭机构实现压力和扭矩达到钻头破碎岩石并同步跟进;钻具的气流通道系由高压通道回路和低压通道回路组成。
本发明在套管钻头、取心钻头设计中,取心钻头超出套管钻头向外伸,套管钻头底端高于取心钻头为90mm。取心钻头底端镶焊三组球柱状合金25,外圈6个球柱状合金,中圈2个球柱状合金,内圈1个球柱状合金;套管钻头镶焊有三层球柱状合金,外圈9个球柱状合金,中圈6个球柱状合金,内圈3个球柱状合金。取心钻头采取超前(套管钻头和高压出气孔)式结构,其破碎(岩石)唇面超前高压出气孔L可使得高压空气从高压出气孔L直接排除,在保证充分冲刷岩屑净化孔底和冷却钻头的前提下,消除了高压空气直接冲刷钻头唇面影响岩心采取质量的不利因素。扩孔孔径一般要比套管外径大10mm以上,以减少孔壁对套管11的摩擦阻力。钻头最小断面尺寸不能小于6mm,保证传力机构的联接强度,在大冲击功下,钻头不会变形或碎裂。钻头材料选择有45CrNiMoVA、XG25、42CrMo等,经整体淬火回火后,硬度在HRC40~44左右,保证强度、韧性。又能保证固齿质量。钻头一般采用过盈冷压或热压固齿工艺,保证钢体能有效地固住硬质合金,并使边齿镶入后钻头有一定的外出刃,同时为了减少合金剪切力,照常规取边齿倾角为35°。钻头硬质合金选用YG8c或YJ2H半球齿,保证较高的硬度和较好的抗冲击韧性。镶齿前,根据过盈量磨削合金。
本发明压力传递和传扭机构包括取心钻头和套管钻头。主要是实现压力和扭矩达到钻头破碎岩石同步跟进。钻具工作时,压力和扭矩经冲击接头、外管传递到取心钻头及套管钻头,实现钻头同步破岩钻进;取心钻头和套管钻头分别有压力传递台阶,压力是通过取心钻头和套管钻头压力传递台阶接触传递;传扭机构中,套管钻头内设计有三个凸台,取心钻头设计有三个排粉槽,外圆周向上有三个不通透槽,其宽度略大于三个凸台的宽度,钻具回转后三个凸台进入三个不通透槽内,使套管钻头和取心钻头侧面接触结合到一体,传递扭矩共同回转。反转后,凸台转出不通透槽,位于排粉槽中,提拉内钻具时取心钻头从套管钻头中拉出。
本发明钻具气流通道系统包括高压通道和低压通道。主要功能是将高压空气引到孔底,对孔底钻头进行冲刷冷却,同时将孔底岩屑携带到地面,起净化钻孔作用;低压通道为岩心管的回风通道,当岩心随钻进入岩心管时,将管内空气和水(地下水)从回风通道顶往单向阀和连接轴4到第一环状间隙,与高压通道气体汇合,避免管内气水形成压力,消除影响岩心进入管内的因素。高压通道回路由钻杆、冲击器、冲击接头轴中心孔H、内管与外管形成第一环状间隙M、取心钻头上斜高压出气口L和外管与套管形成第二环状间隙N组成;低压通道回路由内管、单向阀、连接轴中心孔和内管与外管形成第一环状间隙M组成。钻进过程中,高压气体经钻杆、冲击器流向冲击接头轴中心孔H,再流向由内管与外管形成第一环状间隙M,再经取心钻头上斜高压出气口L流出,对孔底钻头进行冲刷冷却,携带岩粉屑流向由外管与套管形成第二环状间隙N排出地面;内管中的低压气体经由阀座和钢球单向阀及连接轴中心通孔通道注入第一环状间隙M。
本发明钻进常规钻具的组合为潜孔锤(另配)、取心钻具和跟管钻具组成。钻进时根据需要在钻杆中间配置扶正器、冲击器上端加接取粉管等。跟管套管需要回收时选用优质材料生产跟管套管。不需要回收时,可选用薄壁管或材料较低廉的管材。套管螺纹与钻杆螺纹旋向相反,螺纹牙型可选特殊梯形螺纹或圆弧型螺纹。套管的起拔可以用液压拔管机或振动器振动拔管,垂直浅孔也可用吊锤反击起管。
本发明钻具取芯跟管钻进原理是:钻进时,钻进轴向动力来自与取心钻具上端冲击接头连接的潜孔锤产生的高频冲击力和来自地面钻机施加并通过钻杆和潜孔锤传给钻具的钻进压力,根据地层情况和跟进的套管阻力自动调节动力分配取心钻头和通过传压凸台将轴向动力传给套管钻头。钻杆回转时,通过潜孔锤直接带动取心钻具(包括取心钻头)回转,同时通过传扭机构将回转扭矩传给套管钻头,取心钻头和套管钻头同时进行冲击回转钻进。其中取心钻头进行冲击回转取芯钻进,岩心随钻直接进入岩心管,套管钻头进行冲击回转钻进,并带动套管随钻向孔底延伸,而在跟管悬挂机构的作用下,套管并不回转;钻进回次结束提钻时,取心钻具直接被提到地表,而跟管钻具则滞留在孔内,采集岩心后,再将钻具下到孔底,通过人工定位操作,使取心钻具到位,即取心钻具与跟管钻具再次连接,再次进行冲击回转取芯跟管钻进,从而实现空气潜孔锤取芯跟管钻进。
本发明空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具优点:
1、功能齐全,结构合理,不易捐坏,可拆性好,部件材料通配性好;
2、各部件连接牢靠,转动灵活,传递压力和扭矩效果好;
3、提钻和下钻灵活,操作方便;
4、钻头岩石破碎效率高,清孔效果好,钻进速度快;
5、钻头超前高压气孔和双管单动减振减少对岩心的破坏,间隙调节和爪簧式卡心装置有助于挡取岩心,减少岩心脱落,岩心采取质量好,采取率高。
附图说明
以下结合附图对本发明空气潜孔锤单动双管取芯跟管钻具作进一步说明:
图1是空气潜孔锤单动双管取芯跟管钻具示意图。
图2是空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具的单动减振机构结构放大示意图。
图3是空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具的内管调节机构结构放大示意图。
图4是空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具的钻头与传扭机构结构放大剖视图。
图5是空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具的钻头与传扭机构结构放大剖视图的A-A剖视图。
图6是空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具的取心钻具卡心装置结构放大示意图。
图7是空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具的取心钻头结构放大示意图。
图8是空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具的取心钻头结构右视图。
图9是空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具的套管钻头结构放大示意图。
图10是空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具的套管钻头结构结构右视图。
图中:1、冲击接头,2、碟形弹簧,3、轴承座,4、连接轴,5、岩心管接头,6、外管,7、内管,8、爪簧座,9、爪簧,10、滚针,11、套管,12、套管靴,13、弹性卡环,14、套管钻头,15、取心钻头, 16、阀座,17、钢球,18、螺母,19、六角头螺栓,20、O型密封,21、推力球轴承,22、向心球轴承,23、止退垫圈,24、圆螺母,25、球柱状合金,26、压力传递台阶,27、排粉槽。
具体实施方式
参照附图1~10,空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具由中心取心钻具和跟管钻具组成。中心取心钻具为单动双管取心钻具,由单动减振机构、内管调节机构、含卡心装置的取心机构组成;
本发明单动减振机构主要是实现单动减振的作用,单动减振机构包括冲击接头1、碟形弹簧2、轴承座3、连接轴4、推力球轴承21、向心球轴承22。外管6通过丝扣与冲击接头1连接,内管7与岩心管接头5连接,岩心管接头5与连接轴4连接,连接轴4通过推力球轴承21和向心球轴承22与冲击接头1连接,实现冲击接头1带动外管6和取心钻头15转动,连接轴4和岩心管接头5及内管7不转动;在冲击接头1下端与推力球轴承21、向心球轴承22及连接轴4之间设置一组碟形弹簧2,起到减振作用。
本发明内管调节机构主要是调节内管7下端套接卡心装置的爪簧座8与取心钻头15之间的间隙。包括连接轴4、岩心管接头5、内管7、螺母18。螺母18与连接轴4通过螺纹连接,连接轴4与岩心管接头5通过螺纹连接,岩心管接头5与内管7通过螺纹连接;通过拧动旋转螺母18控制岩心管接头5与连接轴4螺纹连接长度调节卡心装置的爪簧座8与取心钻头15之间的间隙,确保爪簧座8与取心钻头15之间的间隙适合。
本发明含卡心装置的取心机构包括外管6、内管7(根据需要可在其内部加半合管)、连接轴4、岩心管接头5、取心钻头15、滚针10、爪簧座8和爪簧9。爪簧座8和爪簧9组成卡心装置,爪簧座8内有斜度面和爪簧9外有斜度面配合并可相互滑移;爪簧座8上端与内管7下端光轴部分套接并可滑移;爪簧座8与取芯钻头15之间设有滚针10,起到减阻与导正作用,爪簧9具有倒刺状弹性抓手,钻进时,卡心装置向上滑移,岩心经取心钻头15和爪簧9进入内管7,取心钻头15内径比内管7和爪簧9内径小,岩心可自由进入;提钻时,卡心装置向下滑移,弹性抓手收缩卡取和挡取岩心,岩心不会脱落,提高取心质量。取心钻具外管6选用厚壁合金管,经热处理后硬度在HRC32~36,确保冲击功的传递。外管6与取芯钻头15、外管6与冲击接头1连接螺纹采用波形螺纹,该螺纹作用应力分散,连接可靠,装卸比较方便,使用寿命长。
本发明跟管钻具由套管11、套管接头、套管靴12、弹性卡环13、套管钻头14组成,为同心扩孔跟管钻具,套管11通过套管接头与套管靴12丝扣连接,套管钻头14与套管靴12的连接采用弹性卡环,弹性卡环为开口圆环,经实验传力效果好,未出现损坏现象;套管钻头14与套管靴12采用弹性卡环13连接形成可绕套管11的轴心线转动的悬挂结构,套管钻头14可绕套管靴转动,弹性卡环传递套管轴向力,其中套管钻头14可回转,套管11、套管接头、套管靴12等不转动;弹性卡环13壁厚等于套管靴12环形槽深度,弹性卡环13内径等于套管钻头14环形槽小径,套管钻头14环形槽深度小于弹性卡环13壁厚,装配时先将弹性卡环13装入套管靴12内,然后将套管钻头14压进去,装好后套管钻头14与套管靴12能自由转动;套管钻头14通过弹性卡环13带动套管靴12、套管11同步跟进。
中心取心钻具和跟管钻具通过压力传递和传扭机构实现压力和扭矩达到钻头破碎岩石并同步跟进;钻具的气流通道系由高压通道回路和低压通道回路组成。
本发明在套管钻头14、取心钻头15设计中,取心钻头15超出套管钻头14向外伸,套管钻头14底端高于取心钻头15为90mm。取心钻头15底端镶焊三组球柱状合金25,外圈6个合金,中圈2个球柱状合金,内圈1个球柱状合金;套管钻头14镶焊有三层球柱状合金25,外圈9个球柱状合金,中圈6个球柱状合金,内圈3个球柱状合金。取心钻头15采取超前(套管钻头和高压出气孔)式结构,其破碎(岩石)唇面超前高压出气孔L可使得高压空气从高压出气孔L直接排除,在保证充分冲刷岩屑净化孔底和冷却钻头的前提下,消除了高压空气直接冲刷钻头唇面影响岩心采取质量的不利因素。扩孔孔径一般要比套管外径大10mm以上,以减少孔壁对套管11的摩擦阻力。钻头最小断面尺寸不能小于6mm,保证传力机构的联接强度,在大冲击功下,钻头不会变形或碎裂。钻头材料选择有45CrNiMoVA、XG25、42CrMo等,经整体淬火回火后,硬度在HRC40~44左右,保证强度、韧性。又能保证固齿质量。钻头一般采用过盈冷压或热压固齿工艺,保证钢体能有效地固住硬质合金,并使边齿镶入后钻头有一定的外出刃,同时为了减少合金剪切力,照常规取边齿倾角为35°。钻头硬质合金选用YG8c或YJ2H半球齿,保证较高的硬度和较好的抗冲击韧性。镶齿前,根据过盈量磨削合金。
本发明压力传递和传扭机构包括取心钻头15和套管钻头14。主要是实现压力和扭矩达到钻头破碎岩石同步跟进。钻具工作时,压力和扭矩经冲击接头1、外管6传递到取心钻头15及套管钻头14,实现钻头同步破岩钻进;取心钻头15和套管钻头14分别有压力传递台阶26,压力是通过取心钻头15和套管钻头14压力传递台阶26接触传递;传扭机构中,套管钻头14内设计有三个凸台,取心钻头15设计有三个排粉槽27,外圆周向上有三个不通透槽,其宽度略大于三个凸台的宽度,钻具回转后三个凸台进入三个不通透槽内,使套管钻头14和取心钻头15侧面接触结合到一体,传递扭矩共同回转。反转后,凸台转出不通透槽,位于排粉槽27中,提拉内钻具时取心钻头15从套管钻头14中拉出。
本发明钻具气流通道系统包括高压通道和低压通道。主要功能是将高压空气引到孔底,对孔底钻头进行冲刷冷却,同时将孔底岩屑携带到地面,起净化钻孔作用;低压通道为岩心管的回风通道,当岩心随钻进入岩心管时,将管内空气和水(地下水)从回风通道顶往单向阀和连接轴4到第一环状间隙,与高压通道气体汇合,避免管内气水形成压力,消除影响岩心进入管内的因素。高压通道回路由钻杆、冲击器、冲击接头1轴中心孔H、内管7与外管6形成第一环状间隙M、取心钻头15上斜高压出气口L和外管6与套管11形成第二环状间隙N组成;低压通道回路由内管7、单向阀、连接轴4中心孔和内管7与外管6形成第一环状间隙M组成。钻进过程中,高压气体经钻杆、冲击器流向冲击接头1轴中心孔H,再流向由内管7与外管6形成第一环状间隙M,再经取心钻头15上斜高压出气口L流出,对孔底钻头进行冲刷冷却,携带岩粉屑流向由外管6与套管11形成第二环状间隙N排出地面;内管7中的低压气体经由阀座16和钢球17单向阀及连接轴4中心通孔通道注入第一环状间隙M。
本发明钻进常规钻具的组合为潜孔锤(另配)、取心钻具和跟管钻具组成。钻进时根据需要在钻杆中间配置扶正器、冲击器上端加接取粉管等。跟管套管11需要回收时选用优质材料生产跟管套管。不需要回收时,可选用薄壁管或材料较低廉的管材。套管11螺纹与钻杆螺纹旋向相反,螺纹牙型可选特殊梯形螺纹或圆弧型螺纹。套管11的起拔可以用液压拔管机或振动器振动拔管,垂直浅孔也可用吊锤反击起管。
参照附图2,单动减振机构主要是实现单动减振的作用,外管6通过丝扣与冲击接头1和与内管7连接的岩心管接头5连接轴4通过推力球轴承21向心球轴承22连接,实现冲击接头1带动外管6和取心钻头15转动,连接轴4和岩心管接头5及内管7不转动;在冲击接头1下端与推力球轴承21、向心球轴承22及连接轴4之间安装一组碟形弹簧2,起到减振作用。
参照附图3,内管调节机构主要是调节内管7下端套接卡心装置的爪簧座8与取心钻头10之间的间隙。
通过拧动旋转螺母18控制岩心管接头5与连接轴4螺纹连接长度调节卡心装置的爪簧座8与取心钻头15之间的间隙,确保爪簧座8与取心钻头10之间的间隙适合。
参照附图4、5,压力传递与传扭机构主要是实现压力和扭矩达到钻头破碎岩石同步跟进。钻具工作时,压力和扭矩经冲击接头1、外管6传递到取心钻头15及套管钻头14,实现钻头同步破岩钻进;取心钻头15和套管钻头14分别有压力传递台阶26,压力是通过取心钻头15和套管钻头14传压台阶26接触传递;传扭机构中,套管钻头14内设计有三个凸台,取心钻头15设计有三个排粉槽27,外圆周向上有三个不通透槽,其宽度略大于三个凸台的宽度,钻具回转后三个凸台进入三个不通透槽内,使套管钻头14和取心钻头15侧面接触结合到一体,传递扭矩共同回转。反转后,凸台转出不通透槽,位于排粉槽中,提拉内钻具时取心钻头15从套管钻头14中拉出。
套管悬挂机构包括套管11、套管钻头14、套管靴12、卡环13。跟管钻具的套管11通过接头与套管靴12丝扣连接,套管钻头14与套管靴12的连接设计弹性卡环,弹性卡环为开口圆环,经实验传力效果好,未出现损坏现象;套管钻头14与套管靴12、弹性卡环13连接形成可绕套管11的轴心线转动的悬挂结构,套管钻头14可绕套管靴转动,卡环传递套管轴向力,其中套管钻头14可回转,套管和套管接头11和套管靴12等不转动;弹性卡环13壁厚等于套管靴12环形槽深度,弹性卡环13内径等于套管钻头14环形槽小径,套管钻头14环形槽深度小于弹性卡环13壁厚,装配时先将弹性卡环13装入套管靴12内,然后将套管钻头14压进去,装好后套管钻头14与套管靴12能自由转动;套管钻头14通过弹性卡环13带动套管靴12套管11同步跟进。
参照附图6,含卡心装置的取心机构包括岩心经取心钻头15、滚针10、卡心装置。取心机构中的卡心装置由爪簧座8和爪簧9组成,爪簧座8内有斜度面和爪簧9外有斜度面配合并可相互滑移;爪簧座8上端与内管7下端光轴部分套接并可滑移;爪簧座8与取芯钻头15之间设有滚针10,起到减阻与导正作用,爪簧9具有倒刺状弹性抓手,钻进时,卡心装置向上滑移,岩心经取心钻头15和爪簧9进入内管7,钻头15内径比内管7和爪簧9内径小,岩心可自由进入;提钻时,卡心装置向下滑移,弹性抓手收缩卡取和挡取岩心,岩心不会脱落,提高取心质量。
参照附图1、7、8、9、10,套管钻头14、取心钻头15设计中,取心钻头15底端镶焊三组球柱状合金25,外圈6个球柱状合金,中圈2个球柱状合金,内圈1个球柱状合金;套管钻头14镶焊有三层球柱状合金25,外圈9个球柱状合金,中圈6个球柱状合金,内圈3个球柱状合金。取心钻头15采取超前(套管钻头和高压出气孔)式结构,其破碎(岩石)唇面超前高压出气孔L可使得高压空气从高压出气孔L直接排除,在保证充分冲刷岩屑净化孔底和冷却钻头的前提下,消除了高压空气直接冲刷钻头唇面影响岩心采取质量的不利因素。扩孔孔径一般要比套管外径大10mm以上,以减少孔壁对套管11的摩擦阻力。钻头最小断面尺寸不能小于6mm,保证传力机构的联接强度,在大冲击功下,钻头不会变形或碎裂。钻头材料选择有45CrNiMoVA、XG25、42CrMo等,经整体淬火回火后,硬度在HRC40~44左右,保证强度、韧性。又能保证固齿质量。钻头一般采用过盈冷压或热压固齿工艺,保证钢体能有效地固住硬质合金,并使边齿镶入后钻头有一定的外出刃,同时为了减少合金剪切力,照常规取边齿倾角为35°。钻头硬质合金选用YG8c或YJ2H半球齿,保证较高的硬度和较好的抗冲击韧性。镶齿前,根据过盈量磨削合金。

Claims (5)

1.一种空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具,其特征在于:由中心取心钻具和跟管钻具组成;
中心取心钻具为单动双管取心钻具,由单动减振机构、内管调节机构、含卡心装置的取心机构组成;单动减振机构包括冲击接头、碟形弹簧、轴承座、连接轴、推力球轴承和向心球轴承;外管通过丝扣与冲击接头连接,内管与岩心管接头连接,岩心管接头与连接轴连接,连接轴通过推力球轴承和向心球轴承与冲击接头连接,实现冲击接头带动外管和取心钻头转动,连接轴和岩心管接头及内管不转动;在冲击接头下端与推力球轴承、向心球轴承及连接轴之间设置一组碟形弹簧,起到减振作用;
内管调节机构包括连接轴、岩心管接头、内管和螺母;螺母与连接轴通过螺纹连接,连接轴与岩心管接头通过螺纹连接,岩心管接头与内管通过螺纹连接;通过拧动旋转螺母控制岩心管接头与连接轴螺纹连接长度调节卡心装置的爪簧座与取心钻头之间的间隙,确保爪簧座与取心钻头之间的间隙适合;
含卡心装置的取心机构包括外管、内管、连接轴、岩心管接头、取心钻头、滚针、爪簧座和爪簧;爪簧座和爪簧组成卡心装置,爪簧座内有斜度面和爪簧外有斜度面配合并可相互滑移;爪簧座上端与内管下端光轴部分套接并可滑移;爪簧座与取芯钻头之间设有滚针,起到减阻与导正作用,爪簧具有倒刺状弹性抓手,钻进时,卡心装置向上滑移,岩心经取心钻头和爪簧进入内管,钻头内径比内管和爪簧内径小,岩心可自由进入;提钻时,卡心装置向下滑移,弹性抓手收缩卡取和挡取岩心,岩心不会脱落,提高取心质量;
跟管钻具由套管、套管接头、套管靴、弹性卡环、套管钻头组成,为同心扩孔跟管钻具;套管通过套管接头与套管靴丝扣连接,套管钻头与套管靴的连接采用弹性卡环,弹性卡环为开口圆环;套管钻头与套管靴采用弹性卡环连接形成可绕套管的轴心线转动的悬挂结构,套管钻头可绕套管靴转动,弹性卡环传递套管轴向力,其中套管钻头可回转,套管、套管接头和套管靴不转动;弹性卡环壁厚等于套管靴环形槽深度,弹性卡环内径等于套管钻头环形槽小径,套管钻头环形槽深度小于弹性卡环壁厚,装配时先将弹性卡环装入套管靴内,然后将套管钻头压进去,装好后套管钻头与套管靴能自由转动;套管钻头通过弹性卡环带动套管靴、套管同步跟进。
2.根据权利要求1所述的空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具,其特征在于:中心取心钻具和跟管钻具通过压力传递和传扭机构实现压力和扭矩达到钻头破碎岩石并同步跟进;压力传递和传扭机构包括取心钻头和套管钻头实现压力和扭矩达到钻头破碎岩石同步跟进,钻具工作时,压力和扭矩经冲击接头、外管传递到取心钻头及套管钻头,实现钻头同步破岩钻进;取心钻头和套管钻头分别有压力传递台阶,压力是通过取心钻头和套管钻头压力传递台阶接触传递;压力传递和传扭机构中,套管钻头内设置有三个凸台,取心钻头设置有三个排粉槽,外圆周向上有三个不通透槽,其宽度略大于三个凸台的宽度,钻具回转后三个凸台进入三个不通透槽内,使套管钻头和取心钻头侧面接触结合到一体,传递扭矩共同回转,反转后,凸台转出不通透槽,位于排粉槽中,提拉内钻具时取心钻头从套管钻头中拉出。
3.根据权利要求1所述的空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具,其特征在于:钻具的气流通道系统由高压通道回路和低压通道回路组成,高压通道回路由钻杆、冲击器、冲击接头轴中心孔H、内管与外管形成第一环状间隙M、取心钻头上斜高压出气口L和外管与套管形成第二环状间隙N组成;低压通道回路由内管、单向阀、连接轴中心孔和内管与外管形成第一环状间隙M组成;钻进过程中,高压气体经钻杆、冲击器流向冲击接头轴中心孔H,再流向由内管与外管形成第一环状间隙M,再经取心钻头上斜高压出气口L流出,对孔底钻头进行冲刷冷却,携带岩粉屑流向由外管与套管形成第二环状间隙N排出地面;内管中的低压气体经由阀座和钢球单向阀及连接轴中心通孔通道注入第一环状间隙M。
4.根据权利要求1所述的空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具,其特征在于:在套管钻头、取心钻头设置中,取心钻头超出套管钻头向外伸,套管钻头底端高于取心钻头为90mm,取心钻头底端镶焊三组球柱状合金,外圈6个三组球柱状合金,中圈2个球柱状合金,内圈1个球柱状合金;套管钻头镶焊有三层球柱状合金,外圈9个球柱状合金,中圈6个球柱状合金,内圈3个球柱状合金。
5.根据权利要求1所述的空气潜孔锤单动双管取心跟管钻具,其特征在于:取心钻具外管选用厚壁合金管,经热处理后硬度在HRC32~36,确保冲击功的传递,外管与取芯钻头、外管与冲击接头连接螺纹采用波形螺纹。
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