CN105041250B - 一种绳索取心冲击钻具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种绳索取心冲击钻具，至少包括外管总成以及位于外管总成中的内管总成，所述的外管总成包括由上至下依次通过螺纹连接固定的钻杆接头、外管、岩心外管和钻头，所述的内管总成由上至下依次为打捞机构、冲击机构、调节机构以及取心机构，其中打捞机构位于钻杆接头和外管的内部，并在外管总成带动下旋转；所述的冲击机构包括冲锤轴、冲锤、拨块以及过水接头；所述的调节机构包括轴、轴承、轴承套、轴承座以及调节接头，调节接头的底端与取心机构固定连接。本发明提供的钻具可同时实现绳索取心和冲击回转钻进，且结构简单、易操作，可适用于深孔高温高压环境，可显著提高钻进效率和钻孔质量，降低钻探成本，应用前景广泛。

Description

一种绳索取心冲击钻具

技术领域

本发明属于钻探领域，具体涉及一种绳索取心冲击钻具。可广泛应用于地质、石油、水电、煤炭、冶金等部门的钻探领域。

背景技术

绳索取心是一种通过钢丝绳从钻杆内腔打捞岩心内管获取岩心的钻探技术，由于取心时不需要将每节钻杆提至地面，大大节约了起下钻辅助时间，广泛应用于深孔钻进中。冲击回转钻进是提高钻探效率的有效技术手段，如果能够将冲击回转钻进与绳索取心钻进技术结合起来，将大幅度提高深孔钻进效率和钻孔质量。实现冲击回转钻进的关键部件是冲击器，目前，生产中最常用的冲击器为液动冲击器，不能与绳索取心钻具配套使用。并且目前的液动冲击器在实际使用过程中仍存在一些不足，例如对冲洗液的流量和含砂量有严格要求、使用和维护较困难、存在易损件导致寿命短等，这些问题使得液动冲击器不能在生产实践中大规模推广应用。

发明内容

本发明提供了一种绳索取心冲击钻具解决了背景技术中的不足，该钻具可同时实现绳索取心和冲击回转钻进，且结构简单、易操作、与钻进液性能无关、无弹簧等易损件、冲击功可调、可适用于深孔高温高压环境，应用于深孔钻进，可显著提高钻进效率和钻孔质量，降低钻探成本，应用前景广泛。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种绳索取心冲击钻具，至少包括外管总成以及位于外管总成中的内管总成，所述的外管总成包括由上至下依次通过螺纹连接固定的钻杆接头、外管、岩心外管和钻头，钻杆接头与钻杆连接，钻杆通过钻杆接头带动外管总成旋转钻进，外管总成的内壁上固定有座环，座环位于外管和岩心外管的连接处，所述的内管总成由上至下依次为打捞机构、冲击机构、调节机构以及取心机构，其中打捞机构位于钻杆接头和外管的内部，并在外管总成带动下旋转，打捞机构用于将整个内管总成进行定位以及从钻孔内捞出；所述的冲击机构包括冲锤轴、冲锤、拨块以及过水接头，冲锤轴的顶端与打捞机构连接并随之旋转，冲锤轴的底端与过水接头连接并带动过水接头旋转，冲锤套在冲锤轴上，所述拨块固定安装于过水接头的顶部，且冲锤的底部设置有与拨块相匹配的单斜面缺口，过水接头的外壁上设置有悬挂环，所述悬挂环悬挂于座环上，所述拨块随过水接头旋转，在旋转过程中，当拨块旋转至冲锤的单斜面缺口处时，冲锤在重力作用下下落，对过水接头进行冲击，进而通过悬挂环和座环对外管总成进行冲击，拨块继续旋转，在逐渐转出单斜面缺口时将冲锤顶起，依此循环，实现冲击的效果；

所述的调节机构包括轴、轴承、轴承套、轴承座以及调节接头，其中轴的顶端与过水接头连接并随之旋转，轴承座套在轴上，轴承安装于轴和轴承座之间，在轴承的作用下，轴在轴承座内任意旋转，轴的底端安装有将轴与轴承座进行轴向固定的固定螺母，轴承套的顶端与轴承座通过螺纹固定连接，轴承套的下部沿其轴心设置有圆柱形的内螺纹腔室，调节接头的上部呈与内螺纹腔室相匹配的圆柱状，且其上设置有外螺纹，调节接头上设置有锁紧螺母，通过锁紧螺母控制调节接头旋入内螺纹腔室的长度来调节内管总成的整体长度；调节接头的底端与取心机构固定连接，所述的取心机构用于卡取岩心，取心机构在打捞机构的作用下，随内管总成一起从钻孔内取出，从而获取岩心。

所述的冲锤的外圆周上设置有防止冲锤随冲锤轴旋转的螺旋翼片。

外管的上段为弹卡室，弹卡室的内径大于钻杆接头的内径，在弹卡室和钻杆接头的连接处形成一个倒台阶，弹卡室的内壁上设置有拨叉；所述的打捞机构的结构为：其顶部为捞矛头，捞矛头的下方固定连接有回收管，回收管内设有弹卡架以及固定于弹卡架上的弹卡钳，弹卡架的上部位于回收管内，弹卡架位于回收管内的部位设有滑槽，回收管内设有穿过滑槽的弹性销，且回收管通过弹性销相对于弹卡钳以及弹卡架上下滑动，弹卡钳的两钳体之间设有张簧，两钳体的外侧穿出回收管与弹卡室的内壁接触，且两钳体的顶端顶在倒台阶上；当外管总成旋转时，通过拨叉带动钳体从而带动打捞机构旋转。

所述的取心机构包括岩心内管、卡簧座和用于卡取岩心的卡簧，岩心内管的顶端与调节接头固定连接，卡簧座安装于岩心内管的底端，卡簧安装于卡簧座内。

所述的轴承包括上轴承和下轴承，其中上轴承通过轴承罩安装固定，下轴承通过固定螺母安装固定，轴和轴承座之间还设置有一层用于降低磨损的铜套。

所述的调节接头的内部沿其轴心设置有排水通道，排水通道与轴承套中的内螺纹腔室连通，内螺纹腔室的顶部设置有径向的排水孔，排水通道的顶部设置有单向球阀。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明中突破性的将绳索取芯与机械式冲击钻进进行了结合，解决了现有技术中存在的难题，该钻具可同时实现绳索取心和冲击回转钻进，且结构简单、易操作、与钻进液性能无关、无弹簧等易损件、冲击功可调、可适用于深孔高温高压环境，应用于深孔钻进，可显著提高钻进效率和钻孔质量，降低钻探成本，应用前景广泛。

附图说明

图1为本发明提供的绳索取心冲击钻具的整体结构示意图；

图2为图1的局部结构示意图；

图中：1-钻杆接头，2-捞矛头，3-张簧，4-回收管，5-弹卡钳，6-销轴，7-弹卡架，8-弹性销，9-外管，10-冲锤轴，11-冲锤，12-拨块，13-过水接头，14-悬挂环，15-座环，16-岩心外管，17-轴承罩，18-上轴承，19-铜套，20-轴承座，21-轴，22-下轴承，23-固定螺母，24-轴承套，25-单向球阀，26-调节接头，27-锁紧螺母，28-岩心内管，29-卡簧座，30-卡簧，31-钻头。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

本发明所提供的绳索取心冲击钻具的整体结构如图1所示，至少包括外管总成以及位于外管总成中的内管总成，所述的外管总成包括由上至下依次通过螺纹连接固定的钻杆接头1、外管9、岩心外管16和钻头31，钻杆接头1与钻杆连接，钻杆通过钻杆接头1带动外管总成旋转钻进，外管总成的内壁上固定有座环15，座环15位于外管9和岩心外管16的连接处，外管9的上段为弹卡室，弹卡室的内径大于钻杆接头1的内径，在弹卡室和钻杆接头的连接处形成一个倒台阶，弹卡室的内壁上设置有拨叉。

所述的内管总成由上至下依次为打捞机构、冲击机构、调节机构以及取心机构，其中打捞机构位于钻杆接头和外管的内部，并在外管总成带动下旋转，打捞机构用于将整个内管总成进行定位以及从钻孔内捞出。所述的打捞机构的结构为：其顶部为捞矛头2，捞矛头2的下方固定连接有回收管4，回收管4内设有弹卡架7以及固定于弹卡架7上的弹卡钳5，弹卡架7的上部位于回收管4内，弹卡架7位于回收管4内的部位设有滑槽，回收管4内设有穿过滑槽的弹性销8，且回收管4通过弹性销8相对于弹卡钳5以及弹卡架7上下滑动，弹卡钳5安装于销轴6上，弹卡钳5的两钳体之间设有张簧3，两钳体的外侧穿出回收管4与弹卡室的内壁接触，且两钳体的顶端顶在倒台阶上；当外管总成旋转时，通过拨叉带动钳体从而带动打捞机构旋转。

所述的冲击机构包括冲锤轴10、冲锤11、拨块12以及过水接头13，冲锤轴10的顶端与打捞机构连接并随之旋转，冲锤轴10的底端与过水接头13连接并带动过水接头13旋转，冲锤11套在冲锤轴10上，所述的冲锤11的外圆周上设置有防止冲锤随冲锤轴旋转的螺旋翼片。所述拨块12固定安装于过水接头13的顶部，且冲锤11的底部设置有与拨块12相匹配的单斜面缺口，如图2所示。过水接头13的外壁上设置有悬挂环14，所述悬挂环14悬挂于座环15上，所述拨块12随过水接头旋转，在旋转过程中，当拨块旋转至冲锤的单斜面缺口处时，冲锤在重力作用下下落，对过水接头进行冲击，进而通过悬挂环和座环对外管总成进行冲击，拨块继续旋转，在逐渐转出单斜面缺口时将冲锤顶起，依此循环，实现冲击的效果。

所述的调节机构包括轴21、轴承、轴承套24、轴承座20以及调节接头26，其中轴21的顶端与过水接头13连接并随之旋转，轴承座20套在轴21上，轴承安装于轴21和轴承座20之间，在轴承的作用下，轴在轴承座内任意旋转，轴21的底端安装有将轴与轴承座进行轴向固定的固定螺母23，所述的轴承包括上轴承18和下轴承22，其中上轴承18通过轴承罩17安装固定，下轴承22通过固定螺母23安装固定，轴21和轴承座20之间还设置有一层用于降低磨损的铜套19。

轴承套24的顶端与轴承座20通过螺纹固定连接，轴承套24的下部沿其轴心设置有圆柱形的内螺纹腔室，调节接头26的上部呈与内螺纹腔室相匹配的圆柱状，且其上设置有外螺纹，调节接头26上设置有锁紧螺母27，通过锁紧螺母27控制调节接头26旋入内螺纹腔室的长度来调节内管总成的整体长度。所述的调节接头26的内部沿其轴心设置有排水通道，排水通道与轴承套24中的内螺纹腔室连通，内螺纹腔室的顶部设置有径向的排水孔，排水通道的顶部设置有单向球阀25。

调节接头26的底端与取心机构固定连接，所述的取心机构用于卡取岩心，取心机构在打捞机构的作用下，随内管总成一起从钻孔内取出，从而获取岩心。所述的取心机构包括岩心内管28、卡簧座29和用于卡取岩心的卡簧30，岩心内管28的顶端与调节接头26固定连接，卡簧座29安装于岩心内管28的底端，卡簧30安装于卡簧座29内。

本发明所提供的绳索取心冲击钻具的工作原理如下：首先在地面把外管总成和内管总成组装好。外管总成通过绳索取心钻杆下到孔底。接着从地面把组装好的内管总成通过绳索取心钻杆的内腔投入，在重力和冲洗液的作用下，内管总成加速下降，此时，在张簧的作用下，弹卡钳张开并紧贴绳索取心钻杆的内壁下滑，最终内管总成下降至孔底外管总成处，整个内管总成通过悬挂环悬挂在外管总成的座环上。与此同时，弹卡钳到达弹卡室，弹卡室的内径略大于钻杆接头的内径，弹卡钳张开，顶在钻杆接头的下端，使整个内管总成不能向上窜动。

内管总成到位后，启动泥浆泵，冲洗液从绳索取心钻杆的内腔进入内外管之间的环状间隙后进入过水接头，并通过过水接头的出水口再次进入内外管总成之间的环间间隙，直至孔底，最后从外管总成与钻孔之间的环状间隙上返至地面。

接着，启动地面钻机。钻机通过绳索取心钻杆带动外管总成回转，弹卡室内设有拨叉，外管总成通过拨叉带动内管总成旋转，为了防止岩心内管旋转对岩心造成机械损伤，在内管总成上设有上轴承和下轴承，轴承以下的零件不回转，钻进时岩心内管不回转。由于高速回转的冲锤轴对自由套在其外面的冲锤有一定的摩擦力，该摩擦力会带动冲锤回转，为了平衡该摩擦力不让冲锤回转，在冲锤的外圆周设有螺旋翼片，内外管总成之间的冲洗液会对螺旋翼片产生一定的作用力，该力用于平衡摩擦力产生的转矩，在摩擦力和冲洗液作用下，冲锤基本保持不回转状态。拨块在过水接头的带动下高速回转，拨块旋转的同时把冲锤顶起，拨块旋转一周后，再次落入冲锤下端的单斜面缺口内，此时，冲锤在重力的作用下迅速下落冲击过水接头，过水接头通过悬挂环和座环把冲击能量传至外管总成，最终把冲击能量传至钻头处，实现冲击回转钻进。

进尺结束后，通过绳索取心钻杆的内腔下入打捞矛，打捞矛勾住捞矛头向上提，此时，回收管相对弹卡架向上滑动并迫使弹卡钳收拢。整个内管总成相对外管总成向上运动，卡簧抱紧并拉断岩心，内管总成打捞至地面。

Claims (6)

1.一种绳索取心冲击钻具，至少包括外管总成以及位于外管总成中的内管总成，所述的外管总成包括由上至下依次通过螺纹连接固定的钻杆接头、外管、岩心外管和钻头，钻杆接头与钻杆连接，钻杆通过钻杆接头带动外管总成旋转钻进，外管总成的内壁上固定有座环，座环位于外管和岩心外管的连接处，所述的内管总成由上至下依次为打捞机构、冲击机构、调节机构以及取心机构，打捞机构用于将整个内管总成进行定位以及从钻孔内捞出；其特征在于：其中打捞机构位于钻杆接头和外管的内部，并在外管总成带动下旋转；所述的冲击机构包括冲锤轴、冲锤、拨块以及过水接头，冲锤轴的顶端与打捞机构连接并随之旋转，冲锤轴的底端与过水接头连接并带动过水接头旋转，冲锤套在冲锤轴上，所述拨块固定安装于过水接头的顶部，且冲锤的底部设置有与拨块相匹配的单斜面缺口，过水接头的外壁上设置有悬挂环，所述悬挂环悬挂于座环上，所述拨块随过水接头旋转，在旋转过程中，当拨块旋转至冲锤的单斜面缺口处时，冲锤在重力作用下下落，对过水接头进行冲击，进而通过悬挂环和座环对外管总成进行冲击，拨块继续旋转，在逐渐转出单斜面缺口时将冲锤顶起，依此循环，实现冲击的效果；

所述的调节机构包括轴、轴承、轴承套、轴承座以及调节接头，其中轴的顶端与过水接头连接并随之旋转，轴承座套在轴上，轴承安装于轴和轴承座之间，在轴承的作用下，轴在轴承座内任意旋转，轴的底端安装有将轴与轴承座进行轴向固定的固定螺母，轴承套的顶端与轴承座通过螺纹固定连接，轴承套的下部沿其轴心设置有圆柱形的内螺纹腔室，调节接头的上部呈与内螺纹腔室相匹配的圆柱状，且其上设置有外螺纹，调节接头上设置有锁紧螺母，通过锁紧螺母控制调节接头旋入内螺纹腔室的长度来调节内管总成的整体长度；调节接头的底端与取心机构固定连接，所述的取心机构用于卡取岩心，取心机构在打捞机构的作用下，随内管总成一起从钻孔内取出，从而获取岩心。

2.根据权利要求1所述的绳索取心冲击钻具，其特征在于：所述的冲锤的外圆周上设置有防止冲锤随冲锤轴旋转的螺旋翼片。

3.根据权利要求1所述的绳索取心冲击钻具，其特征在于：外管的上段为弹卡室，弹卡室的内径大于钻杆接头的内径，在弹卡室和钻杆接头的连接处形成一个倒台阶，弹卡室的内壁上设置有拨叉；所述的打捞机构的结构为：其顶部为捞矛头，捞矛头的下方固定连接有回收管，回收管内设有弹卡架以及固定于弹卡架上的弹卡钳，弹卡架的上部位于回收管内，弹卡架位于回收管内的部位设有滑槽，回收管内设有穿过滑槽的弹性销，且回收管通过弹性销相对于弹卡钳以及弹卡架上下滑动，弹卡钳的两钳体之间设有张簧，两钳体的外侧穿出回收管与弹卡室的内壁接触，且两钳体的顶端顶在倒台阶上；当外管总成旋转时，通过拨叉带动钳体从而带动打捞机构旋转。

4.根据权利要求1所述的绳索取心冲击钻具，其特征在于：所述的取心机构包括岩心内管、卡簧座和用于卡取岩心的卡簧，岩心内管的顶端与调节接头固定连接，卡簧座安装于岩心内管的底端，卡簧安装于卡簧座内。

5.根据权利要求1所述的绳索取心冲击钻具，其特征在于：所述的轴承包括上轴承和下轴承，其中上轴承通过轴承罩安装固定，下轴承通过固定螺母安装固定，轴和轴承座之间还设置有一层用于降低磨损的铜套。

6.根据权利要求1所述的绳索取心冲击钻具，其特征在于：所述的调节接头的内部沿其轴心设置有排水通道，排水通道与轴承套中的内螺纹腔室连通，内螺纹腔室的顶部设置有径向的排水孔，排水通道的顶部设置有单向球阀。