CN106014314B - 一种钻探用液压岩心卡取装置 - Google Patents

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    • E21B25/00Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels, core extractors

Abstract

本发明公开了一种钻探用液压岩心卡取装置,包括隔水分动机构、导流限位机构、储压机构、提引注压机构、液压卡心机构、侧喷钻头分动机构和密封系统,导流限位机构对接隔水分动机构,储压机构对接导流限位机构,提引注压机构对接储压机构,液压卡心机构对接提引注压机构,侧喷钻头分动机构对接液压卡心机构。本发明可实现与双管钻具、绳索取心钻具直接配合使用,实现对软弱松散、破碎等复杂难取心地层高达100%的取芯率,此外基于液压提供全自动三维应力卡取捆绑控制岩心,同时配合常规卡心割心装置,具有高可靠度、高取心效率、高取心质量、高岩心采取率、适用地层广、自动化性能好等特点。

Description

一种钻探用液压岩心卡取装置
技术领域
[0001]本发明涉及钻探取心的岩(矿)心卡取装置,尤其涉及一种适用于软弱松散极破 碎地层钻探取心的岩(矿)心卡取装置。
背景技术
[0002]~钻探技术作为目前唯一能从地下取出实体岩石矿物样品的勘察技术方法,在常规 固体资源勘探开发如地质钻进、新型液气态能源普查如油气井钻进、地学研究如探究地球 历史进行的科学钻探、环境科学钻探等,呈现出钻探技术手段无可替代的重要作用。而当前 所面对的钻探环境已从易发掘的浅层地表向深部进发,面对的情况将是资源难发现、难发 掘、海拔更高以及陆地转向湖泊海洋,对钻探效率和质量提出更高的要求。而真实可靠的地 质资料的获得依托于钻探技术应对不同环境条件的能力,之前已存在的钻探设备、技术在 应对深孔复杂地层,如硬、脆、碎、漏、坍、软弱松散易冲蚀等复杂地层钻进取心存在很大难 度。虽然目前已经有新组合钻具、工艺工法在解决此类复杂地层钻进效率低、岩矿心采取率 低、钻孔质量差、钻头寿命低、孔底事故多、钻探成本高等问题取得一定效果,但软弱松散、 破碎等复杂地层难取心问题并未彻底根治。如何解决极破碎、软弱地层中取心率低的问题, 一直是国内、外钻探领域亟待解决的难题。
[0003]单管无泵钻具虽然能提高在极破碎、软弱地层中的采心率,但因要提钻取心,施工 效率低,劳动强度大,频繁提钻影响孔壁稳定。囊袋多节捆绑式取心钻具从钻具隔水保真、 岩心卡取原理方面进行改进,化整为散,对提高极破碎、软弱等复杂地层取心效果显著,但 需进一步提高可靠性和自动化性能等。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷,提供一种可提高极破碎、软弱 等复杂地层取心效率、取心质量且适用性广、可靠性高、通用性好、自动化程度高的钻探用 液压岩心卡取装置。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:一种钻探用液压岩心卡取装置, 其特征在于:包括隔水分动机构、导流限位机构、储压机构、提引注压机构、液压卡心机构、 侧喷钻头分动机构和密封系统,导流限位机构对接隔水分动机构,储压机构对接导流限位 机构,提引注压机构对接储压机构,液压卡心机构对接提引注压机构,侧喷钻头分动机构对 接液压卡心机构;
[0006] 隔水分动机构包括隔水接手、悬挂环、滑套座、滑套、上下两推力轴承、密封螺母和 心轴接手•,隔水接手外壁的环状卡扣同位于外管与上扩孔器之间的悬挂环处于接触压紧状 态,卡扣与悬挂环之间布置橡胶密封环,卡扣上方均布通水孔,隔水接手下端与滑套座螺纹 连接;滑套座依次贯穿推力轴承、滑套、推力轴承,尾部连接密封螺母,滑套座与滑套间隙配 合,滑套座轴向布置贯通孔,隔水接手、密封螺母配合实现滑套及其上下两个推力轴承的轴 向限位;密封螺母的〇型密封圈密封螺母与心轴接手之间的间隙,滑套外螺纹连接心轴接手 上端。
[GG07]导流限位机构包括心轴、悬挂接手、限位螺母、滑动密封环、弹卡架、弹簧、弹卡钳、 弹卡室、弹卡座、水路截断环和弹性单向排气阀;心轴轴线布置贯通孔,其上端与隔水分动 机构的心轴接手螺纹连接,下端与弹卡架螺纹连接,心轴轴身布置的外花键与悬挂接手的 内花键相配,悬挂接手与心轴可沿花键做轴向相对滑动;限位螺母固定滑动密封环于弹卡 架上端,滑动密封环密封悬挂接手与弹卡架之间间隙,弹卡架下段开有环形孔,贯穿弹簧的 插销可带动弹簧在环形孔中上下滑移,弹簧支腿插入弹卡钳的预留孔中,弹卡钳被插销固 定于弹卡座上端;弹卡座下段轴向设有弹性单向排气阀,其外环与水路截断环过盈配合;水 路截断环布置于弹卡室泄水孔处,并与弹卡室内壁紧密接触密封泄水孔截断水路,水路截 断环均布互不连通的轴向水路;弹卡室内环布有对应弹卡钳的限位槽,限位槽以下均布泄 水孔,弹卡室上端与悬挂接手螺纹连接,下端与储压机构的导流管螺纹连接。
[0008]储压机构包括腔顶盖、储压腔、导流管、腔底盖、弹性单向阀、储压弹簧和活塞;腔 顶盖轴向有半深凹槽,顶端开口底端闭合,底端有通气孔,腔顶盖通过凹槽内螺纹连接导流 限位机构的弹卡座并对水路截断环做轴向限位,外壁预留销口与储压腔螺纹销连接,并在 接口处涂密封胶密封;导流管内壁除设置与储压腔外花键相配的内花键外,还设有轴向导 流槽;腔底盖与储压腔螺纹连接,其轴线位置装有弹性单向阀;储压弹簧位于储压腔内,其 一端连接腔底盖,另一端连接活塞,连接方式可采用铰接或粘结连接;活塞与储压腔内壁光 滑紧密接触;导流管与液压卡心机构的底承台连接处均布溢水孔。
[0009]提引注压机构包括有引压器、注压器、带针气阀和底弹簧;引压器的中空支腿穿过 注压器端部预留孔插入腔底盖预留孔洞,并与腔底盖焊接密封;引压器端部、注压器上端均 设有带针气阀,带针气阀为常闭气阀,内部压缩弹簧顶推密封垫使气阀处于闭合状态,外端 设有顶针,端部设置橡胶密封垫,带针气阀与引压器、注压器螺纹连接;注压器下段均布的 轴向孔分为两类,一类与注压器带针气阀连通,并贯通于底承台预留的轴向通路,该类轴向 孔与底承台预留轴向通路接口处焊接密封,另一类不与注压器带针气阀连通,为独立单向 孔,用于注压器与底承台固定,连接方式可采用螺纹销或焊接连接;底弹簧一端固定于底承 台顶端面,可通过焊接、铰接或粘结连接,另一端为自由端,底弹簧、底承台二者共轴线。 [0010]液压卡心机构包括底承台、液压膜、岩心内管、卡簧座和卡簧;岩心内管上端与导 流管下端螺纹连接;底承台内含单向阀,侧壁均布溢水孔,该溢水孔与导流管溢水孔位置重 合、水路连通,底承台与导流管螺纹销连接,接口处、溢水孔过渡处采用密封胶密封;底承台 下端台阶与液压膜采用密封胶粘结密封,液压膜吸附于岩心内管内壁并布置于整个岩心内 管,卡簧座与岩心内管螺纹连接,卡簧座螺纹根部预留液压膜收纳空间,液压膜沿岩心内管 内壁布置至内管末端,然^经卡簧座的液压膜收纳段,再上返至岩心内管末端,液压膜与岩 心内管末端外壁凹台段采用密封胶粘结密封后继续向上延伸固定于卡簧座与岩心内管螺 纹间;位于卡簧座收纳段的液压膜经特殊设计,在液压作用下可形成锁扣形式;卡簧与卡簧 座楔形接触,卡簧座无水口,末端为内凹台阶设计。
[0011]侧喷钻头分动机构包括环帽和推力轴承,液压卡心机构的卡簧座末端的内凹台阶 坐落于推力轴承上盘,环帽、推力轴承下盘与侧喷钻头内台阶过盈配合,环帽下端面与推力 轴承上盘端面预留有间隙,环帽内环、上端面与卡簧座末端的内凹台阶预留间隙。
[0012]密封系统包含静态密封和动态密封;静态密封包括螺纹装配时涂沫润滑油,在内 外螺纹根部加设橡胶密封圈,螺纹销连接结构间进行密封胶密封,焊接密封;动态密封包括 隔水接手与悬挂环间的橡胶密封环,密封螺母外围预装的0型密封圈、滑动密封环、水路截 断环、带针气阀处的橡胶密封垫、活塞。
[0013] 通过各机构、结构配合协作,可实现以下功能:
[0014] 1、隔水分动
[0015] 钻具装配本液压岩(矿)心卡取装置后,重新下钻,下落过程相关结构初始状态为 悬挂接手位于心轴花键末端,弹簧插销位于弹卡架环形孔末端;当卡簧座坐落于侧喷式钻 头内台阶的推力轴承上时,悬挂接手停止下降,心轴沿花键带动弹卡架继续下降,相对运动 终止状态为悬挂接手位于心轴花键顶端,弹簧插销位于弹卡架环形孔顶端,隔水接手同位 于外管与上扩孔器之间的悬挂环处于接触压紧密封状态,以上三种状态同步发生;至此形 成以隔水接手、悬挂环组成的隔水结构,与隔水接手相连的滑套座、滑套、推力轴承以及钻 头内台阶处的推力轴承建立岩心内管的分动性能。
[0016] 2、导流限位、储压
[0017] 冲洗液经内外管间隙到达隔水接手,经隔水接手预留的通水孔进入液压岩(矿)心 卡取装置内部,经滑套中心孔、心轴中心孔、弹卡架到达弹卡室内的水路截断环上部;水路 截断环用于密封预留于弹卡室的泄水孔,在储压腔完成储压之前,弹卡室泄水孔是被密封 的;冲洗液经水路截断环预留的轴向水路流入导流管与储压腔间,经导流管内壁预留导流 槽到达腔底盖储压腔入口处,冲洗液推开位于腔底盖轴线上的弹性单向阀进入储压腔,冲 洗液推动活塞拉伸储压弹簧,随着储压弹簧的拉伸,冲洗液压力逐步上升;活塞上移压缩活 塞与储压腔之间的密闭空气产生压力,待空气压力大于弹性排气阀外部压力时排气阀开始 排气以减弱活塞上行阻力,同时该排气阀为单向阀,弹卡室聚集的冲洗液无法通过排气阀 进入储压腔;由于水路截断环处过水截面改变引起冲洗液憋压,使水路截断环入口处的冲 洗液压力大于腔底盖储压腔入口处的冲洗液压力,随着冲洗液充入,储压腔在以微小位移 向底承台滑移,同时压缩底弹簧,底弹簧的弹力又限制储压腔下移,以避免由水路截断环滑 移泄水孔而引起储压失败;当储压腔被充满时,活塞滑至腔顶盖处,腔顶盖限制活塞继续上 移以避免储压弹簧超出弹性限度,储压弹簧处于弹性限度内拉伸状态,此时水路截断环入 口处的冲洗液压力已远大于腔底盖储压腔入口处的冲洗液压力,底弹簧已发生压缩,但储 压腔下滑位移尚未带动水路截断环滑移弹卡室的泄水孔;储压完毕后水路被完全截断,随 着冲洗液不断在弹卡室聚集,水路截断环入口处冲洗液压力逐步增大推动储压腔继续压缩 底弹簧,当储压腔下滑位移达到设计位移时,水路截断环滑移泄水孔,同时弹卡钳扣入弹卡 室,限制水路截断环回移,冲洗液从泄水孔重新流入内外管间隙并逐步恢复至设计钻压;在 水路截断环滑移泄水孔之前,腔底盖储压腔入口处一直存在高压冲洗液,腔底盖处的弹性 单向阀可能在储压腔内外压差下处于打开状态,当水路截断环滑移泄水孔后,水路截断环 入口处冲洗液压力随着水路重新建立而逐步降低,位于腔底盖储压腔入口处的高压冲洗液 逆流经水路截断环轴向水路流出泄水孔进行泄压,储压腔入口处压力减少,弹性单向阀在 储压腔内外压差下迅速恢复闭合状态,储压腔闭合环境建立;至此,冲洗液储压完毕。
[0018] 3、提引注压、液压卡心
[0019] 钻进过程中,岩(矿)心逐步进入内管、液压膜,随岩心一起进入液压膜的冲洗液经 底承台内的单向阀留至内外管环状间隙;当岩心装满液压膜后,停钻捞取岩心;捞取岩心初 始,岩心、内管、液压膜、导流管、弹卡室、悬挂接手暂时静止,隔水接手、心轴相对悬挂接手 上移并拉动弹卡架使弹卡钳脱卡,并拉动储压腔上移,水位截断环重新封闭泄水孔;隔水接 手、心轴继续带动储压腔上移,引压器逐步靠近注压器,二者气阀接触并逐步压紧气阀端面 的橡胶密封垫进行水路密封,同时顶针接通二者气阀,此时悬挂接手位于心轴花键末端并 紧贴弹卡架并且在提钻完毕之前一直处于此位置;储压腔的冲洗液经引压器水路、带针气 阀、注压器水路、底承台水路进入内管与液压膜间隙,待高压冲洗液充满整个间隙并使液压 膜末端形成锁扣形式时,位于液压膜内的岩矿心处于三维应力控制状态;至此,完成对岩 (矿)心的液压卡取。
[0020]地层破碎情况下,液压膜末端的锁扣可分离被卡紧控制的岩矿心与未进入液压膜 的岩矿心,保证顺利提钻;若地层较完整、硬度较大,则常规卡心割心装置同时发挥作用,在 液压卡心装置上提过程中卡簧下滑收缩,割断岩心,打捞内管,获取岩(矿)心。至此,完成对 岩(矿)心的采取。
[0021] 4、密封系统
[0022]本发明采用的密封装置均为接触式密封,包含静态密封和动态密封;静态密封包 括螺纹装配时涂沫润滑油形成油封,在内外螺纹根部加设橡胶密封圈通过螺纹紧固挤压垫 圈实现密封,螺纹销连接结构间进行密封胶密封,焊接密封;动态密封包括隔水接手与悬挂 环间的橡胶密封环、密封螺母外围预装的0型密封圈、滑动密封环、水路截断环、带针气阀处 的橡胶密封垫、活塞。隔水接手与悬挂环间的橡胶密封环、带针气阀处的橡胶密封垫通过所 接触结构的相对运动挤压实现密封;隔水接手与悬挂环间的橡胶密封环可保证储压前期将 冲洗液全部导入液压岩(矿)心卡取装置内部,为储压提供先决条件;带针气阀处的橡胶密 封垫保证提引注压阶段水路的密封,为液压膜周围提供足够压力、体积的冲洗液。密封螺母 外围预装的0型密封圈、滑动密封环具有双向密封功能,在储压阶段避免冲洗液经推力轴 承、滑套、滑套座三者间间隙、心轴与悬挂接手花键间间隙泄漏,影响储压效果;在正常钻进 阶段,避免冲洗液从以上结构间间隙回流入本装置内,扰乱冲洗液的循环水路,为储压完完 毕后冲洗液正常循环提供保障环境。水路截断环仅在储压水路转为钻进水路时滑出泄水 孔,而在下钻和提钻过程中水路截断环均封闭泄水孔,使水路截断环的轴向水路作为冲洗 液进入储压腔的唯一通路,为进入储压腔的冲洗液提供物理过滤,避免冲洗液中的大颗粒 异物进入储压机构造成机构堵塞、磨损。储压腔中活塞的逐步滑移完成冲洗液储压,其密封 效果是储压密闭环境实现的关键。密封螺母外围预装的0型密封圈、滑动密封环、水路截断 环、活塞与密封面紧密接触,且相对运动范围内各接触面保证较好的光洁度、合适的表面粗 糙度,实现机构相对滑动的低阻力流畅性及良好的密封效果双重保障。同时要求本装置中 所有螺纹连接的螺纹旋向与钻具回转方向相反,采用左旋,保证钻进过程中钻具回转方向 始终与螺纹紧固方向一致,避免因为钻具振动、结构间摩擦等原因使螺纹旋松。
[0023] 本发明的特点如下:
[0024] 1、在极破碎、软弱松散等复杂地层的岩心钻探中,可以有效地提高取心率,保证取 心质量,将地层情况真实准确地反映到地面。
[0025] 2、液压提供全自动三维应力卡取捆绑控制岩心,利用液体的无确定形态,配合液 压膜,卡取拥绑形态可兀i全贴覆于石七、形状,克服传统卡心装置不宜卡取破碎岩心的弊端, 完全避免提钻过程中岩心掉落,实现高达100%的岩心采取率。 ’ L0026] 3、巧妙设计花键行程及各机构配合,在钻进前期进行冲洗液储压,储压完毕的同 时同步完成储压水路向钻进水路的转变,弹性单向阀、带针气阀的配合限流为高压冲洗液 形成密封空间保压,弹卡钳滑移限位保证钻进水路稳定通畅避免栗压损失;提钻时弹卡钳 自动脱卡、水f各截断环回位、带针气阀接通,高压冲洗液经独立水路释放,充压液压膜,完成 岩(矿)心包裹卡取。整个过程全自动化,操作流程与常规钻具一致,适用性好,同时利用冲 洗液作为液压传递介质,循环利用,绿色环保。
[0027] 4、液压膜的特殊设计实现对岩(矿)心的密封包裹,配合侧喷钻头优化冲洗液水 路,实现对孔内岩(矿)心的强力隔水保真,极大程度上减弱甚至避免钻探过程中冲洗液对 岩(矿)心的冲蚀破坏、浸润破坏,保证岩(矿)心的原生结构、矿物成分等。
[0028] 5、心轴花键与弹卡架环形孔的行程差设计,实现只要隔水分动机构到位,引压器 与注压器的带针气阀就处于完全分离且闭合状态,其他各结构均处于设计位置,保证后续 储压等功能的顺利实施;同时水路截断环仅在储压水路转为钻进水路时滑出泄水孔,而在 下钻和提钻过程中水路截断环均封闭泄水孔,使水路截断环的轴向水路作为冲洗液进入储 压腔的唯一通路,为进入储压腔的冲洗液提供物理过滤,避免冲洗液中的大颗粒异物进入 储压机构造成机构堵塞、磨损,可靠性高。
[0029] 6、底弹簧与储压弹簧二者弹性系数的特定比例关系,协调底弹簧、储压弹簧形变 位移与储压进程的关系以及弹簧形变产生的弹力与栗压之间的关系;在冲洗液储压期间, 冲洗液在水路截断环处过水截面变化而憋压产生的压力差对底弹簧的压缩形变不足以使 水路截断环滑移泄水孔;在冲洗液储压完毕后,水路截断环处冲洗液水路闭塞完全憋压产 生的压力差可推动水路截断环滑移泄水孔;储压腔内储备的高压冲洗液的压力可实现对岩 心内管岩(矿)心的三维应力捆绑,实现正常提钻。
[0030] 7、隔水分动机构、侧喷钻头分动机构的配合,在本装置完成自身功能前提的同时 实现了整个装置的分动性能,有效避免钻进过程中钻具回转振动对进入岩心管岩心的机械 破坏,保证取心质量。
[0031] 8、侧喷钻头分动机构的微水路设计,使少部分冲洗液流经卡簧座与环帽、环帽与 推力轴承上盘、推力轴承上盘与侧喷钻头间隙,完成对推力轴承的冲洗、润滑,冲散沉淀于 轴承处的岩粉,减少轴承磨损,保证轴承正常运转。
[0032] 9、液压岩(矿)心卡取装置具有独立的密封系统,螺纹连接处的润滑油密封、橡胶 密封圈、螺纹销连接结构间的密封胶密封、焊接密封组成的静态密封,隔水接手与悬挂环间 的橡胶密封环、密封螺母、滑动密封环、水路截断环、带针气阀处的橡胶密封垫、活塞组成的 动态密封,提供了本发明不同运行阶段所需的密封环境。
[0033] 10、液压岩(矿)心卡取装置同样配备了常规卡心割心装置,将本发明的应用范围 扩展到整个可钻地层卡取岩(矿)心,同时也可避免液压岩(矿)心卡取装置与常规岩(矿)心 卡取装置间做过多切换,避免频繁提钻,减少非钻进时间对效率的影响。
[0034] 本发明可实现与双管钻具、绳索取心钻具直接配合使用,如配合绳索取心钻具使 用,在不需增加钻探设备和实施绳索取心钻进工艺的前提下,实现对软弱松散、破碎等复杂 难取心地层高达100%的取芯率,此外基于液压提供全自动三维应力卡取捆绑控制岩心,同 时配合常规卡心割心装置,将本液压岩(矿)心卡取装置的应用范围扩展到整个可钻地层取 心,形成具有高可靠度、高取心效率、高取心质量、高岩心采取率、适用地层广、自动化性能 好等特点的卡取心装置。
附图说明
[0035]图1为本发明的结构示意图;
[0036]图2为隔水分动机构、导流限位机构的结构示意图;
[0037]图3为储压机构、提引注压机构的结构示意图;
[0038]图4为液压卡心机构、侧喷钻头分动机构的结构示意图;
[0039]图5为侧喷钻头分动机构的微水路示意图;
[0040] 图6为储压腔、导流管的断面结构示意图;
[0041] 图7为引压器的结构示意图;
[0042] 图8为注压器的结构示意图;
[0043] 图9为底承台的结构不意图;
[0044] 图1〇为图2的局部放大图;
[0045] 图11为图3的局部放大图。
[0046]图中,1为隔水接手、2为悬挂环、3为滑套座、4为滑套、5为推力轴承、6为密封螺母、 7为心轴接手、8为心轴、9为悬挂接手、10为限位螺母、11为滑动密封环、12为弹卡架、13为弹 簧、14为弹卡钳、15为弹卡室、16为弹卡座、17为水路截断环、18为弹性单向排气阀、19为腔 顶盖、20为储压腔、21为导流管、22为腔底盖、23为弹性单向阀、24为储压弹簧、25为活塞、26 为引压器、27为注压器、28为带针气阀、29为底弹簧、30为底承台、31为液压膜、32为岩心内 管、33为卡簧座、34为卡簧、35为环帽、36为推力轴承、37为侧喷钻头、38为扶正环、39为下扩 孔器、40为外管、41为上扩孔器、a为通水孔、b为卡扣、c为橡胶密封环、d为〇型密封圈、e为环 形孔、f为限位槽、g为泄水孔、h为螺纹销、i为通气孔、j为中空支腿、k为橡胶密封垫、L为溢 水孔、m为单向阀、n为外花键、〇为内花键、p为导流槽、q为预留螺纹销口、A为主水路、B为微 水路。
具体实施方式
[0047]本实施例中,所述钻探用液压岩心卡取装置,如图1和图4所示,钻探用液压岩心卡 取装置,其特征在于:包括隔水分动机构I、导流限位机构n、储压机构in、提引注压机构iv、 液压卡心机构v、侧喷钻头分动机构vi和密封系统,导流限位机构n对接隔水分动机构I, 储压机构m对接导流限位机构n,提引注压机构iv对接储压机构in,液压卡心机构v对接 提引注压机构IV,侧喷钻头分动机构VI对接液压卡心机构V;
[0048] 所述液压卡心机构V包括底承台30、液压膜31、岩心内管32、卡簧座33和卡簧34; 岩心内管32上端与储压机构I的导流管21下端螺纹连接;底承台30内含单向阀m,侧壁均布 溢水孔L,该溢水孔与导流管21溢水孔位置重合、水路连通,底承台30与导流管21螺纹销连 接,接口处、溢水孔过渡处采用密封胶密封;底承台30下端台阶与液压膜31采用密封胶粘结 密封,液压膜31吸附于岩心内管内壁并布置于整个岩心内管32,卡簧座33与岩心内管32螺 纹连接,卡簧座33螺纹根部预留有液压膜收纳空间,位于卡簧座收纳段的液压膜31在液压 作用下可形成锁扣形式;卡簧34与卡簧座33楔形接触。
[0049] 如图4所示,所述液压膜31沿岩心内管内壁布置至内管32末端,然后经卡簧座33的 液压膜收纳段,再上返至岩心内管末端,液压膜31与岩心内管32末端外壁凹台段采用密封 胶粘结密封后继续向上延伸固定于卡簧座33与岩心内管32螺纹间;卡簧座33无水口,末^5 为内凹台阶结构。
[0050] 参照图2,所述隔水分动机构I包括隔水接手1、悬挂环2、滑套座3、滑套4、推力轴承 5、密封螺母6和心轴接手7;隔水接手1外壁的环状卡扣b同位于外管40与上扩孔器41之间的 悬挂环2处于接触压紧状态,卡扣b与悬挂环2之间布置橡胶密封环c,卡扣b上方均布通水孔 a,隔水接手1下端与滑套座3螺纹连接;滑套座3依次贯穿推力轴承5、滑套4、推力轴承5,尾 部连接密封螺母6,滑套座3与滑套4间隙配合,滑套座3轴向设有贯通孔,隔水接手1、密封螺 母6配合实现滑套4及其上下两个推力轴承5的轴向限位;密封螺母6的0型密封圈d密封螺母 与心轴接手7之间的间隙,滑套4外螺纹连接心轴接手7上端。
[0051] 参照图2和图10,导流限位机构n包括心轴8、悬挂接手9、限位螺母10、滑动密封环 11、弹卡架12、弹簧13、弹卡钳14、弹卡室15、弹卡座16、水路截断环17和弹性单向排气阀18; 心轴8轴线设有贯通孔,其上端与心轴接手7螺纹连接,下端与弹卡架12螺纹连接,心轴8轴 身布置的外花键与悬挂接手9的内花键相配,悬挂接手9与心轴8可沿花键做轴向相对滑动; 限位螺母10固定滑动密封环11于弹卡架12上端,滑动密封环11密封悬挂接手9与弹卡架12 之间的间隙,弹卡架12下段开有环形孔e,贯穿弹簧13的插销可带动弹簧13在环形孔e中上 下滑移,弹簧13支腿插入弹卡钳14的预留孔中,弹卡钳14被插销固定于弹卡座16上端;弹卡 座16下段轴向设有弹性单向排气阀18,其外环与水路截断环17过盈配合;水路截断环17布 置于弹卡室15泄水孔g处,并与弹卡室15内壁紧密接触密封泄水孔g截断水路,水路截断环 17均布互不连通的轴向水路;弹卡室15内环布有对应弹卡钳14的限位槽f,限位槽f以下均 布泄水孔g,弹卡室15上端与悬挂接手9螺纹连接,下端与导流管21螺纹连接。
[0052] 参照图3、图6、图9和图11,储压机构HI包括腔顶盖19、储压腔20、导流管21、腔底盖 22、弹性单向阀23、储压弹簧24、活塞25组成;腔顶盖19轴向有半深凹槽,顶端开口底端闭 合,底端有通气孔i,腔顶盖19通过凹槽内螺纹连接导流限位机构II的弹卡座16并对水路截 断环17做轴向限位,外壁预留销口与储压腔20螺纹销h连接,并在接口处涂密封胶密封;导 流管21内壁除设置与储压腔外花键n相配的内花键〇外,还设有轴向导流槽p;腔底盖22与储 压腔20螺纹连接,其轴线位置装有弹性单向阀23;储压弹簧24位于储压腔20内,其一端连接 腔底盖22,另一端连接活塞25,采用铰接或粘结连接;活塞25与储压腔20内壁光滑紧密接 触;导流管21与底承台30连接处均布溢水孔L。
[0053] 参照图3、图7、图8和图9,提引注压机构IV包括引压器26、注压器27、带针气阀28和 底弹簧29;引压器26的中空支腿j穿过注压器27端部预留孔插入腔底盖22预留孔洞,并与腔 底盖22焊接密封;引压器26端部、注压器27上端均设有带针气阀28,带针气阀为常闭气阀, 内部压缩弹簧顶推密封垫使气阀处于闭合状态,外端设有顶针,端部设置橡胶密封垫k,气 阀28与引压器26、注压器27螺纹连接;注压器27下段均布的轴向孔分两类,一类与注压器带 针气阀连通,并贯通于底承台30预留的轴向通路,该类轴向孔与底承台预留轴向通路接口 处焊接密封,另一类不与注压器带针气阀连通,为独立单向孔,用于注压器27与底承台30固 定,采用螺纹销或焊接连接;底弹簧29—端固定于底承台3〇顶端面,通过焊接、铰接或粘结 连接,另一端为自由端,底弹簧、底承台二者共轴线。
[0054] 参照图4和图5,侧喷钻头分动机构VI包括环帽35和推力轴承36;卡簧座33末端的 内凹台阶坐落于推力轴承36上盘,环帽35、推力轴承36下盘与侧喷钻头37内台阶过盈配合, 环帽35下端面与推力轴承36上盘端面预留间隙,环帽35内环、上端面与卡簧座33末端内凹 台阶预留间隙。
[0055] 参照图2、图3、图4、图10和图11,密封系统包含静态密封和动态密封;静态密封包 括涂沫润滑油,在内外螺纹根部加设橡胶密封圈,螺纹销连接结构间进行密封胶密封,焊接 密封;动态密封包括隔水接手与悬挂环间的橡胶密封环c、密封螺母外围预装的0型密封圈 d、滑动密封环11、水路截断环17、带针气阀处的橡胶密封垫k、活塞25。
[0056]使用方法:
[0057]由于兼具常规卡心功能,可在钻进初始随双管钻具或绳索取心钻具一起下入钻孔 内施工;或当钻进过程中遇极破碎、软弱易冲蚀、松散等采心不牢地层时,将绳索取心钻具 内管总成打捞上来,换装液压岩心卡取装置,配合采用侧喷式钻头进行钻进。
[0058] 钻具装配液压岩(矿)心卡取装置,重新下钻,各机构到位后,开始向孔内栗送冲洗 液,若为绳索取心钻具配合液压卡取心装置,则地表的栗压表会有第一次压力明显升高(约 升高5〜lOatm),表明内管总成已到达指定位置;紧接着会出现第二次压力明显升高(相对 第一次升压峰值约升高5〜lOatm),第二次升压会出现升-停-升-停的过程,表明储压腔正 在充压;压力升至第二次升压峰值后会有第三次压力明显升高(相对第二次升压峰值约升 高3〜5atm),表明储压腔已完成充压并开始顶推水位截断环滑移泄水孔,随后出现降压至 设计泵压,说明水路已由储压水路转为钻进水路,可以开始扫孔钻进。若为双管钻具配合本 液压卡取心装置,则地表栗压表依次出现的压力变化过程为第一次升压(约升高15〜 2〇atm)、第二次升压(相对第一次压峰值约升高3〜5atm)、降压至设计泵压,其中第一次升 压泵压表会出现升-停-升-停的过程,表示储压腔充压过程,第二次升压表示储压腔充压完 毕并开始顶推水位截断环滑移泄水孔,降压至设计栗压表示水路己由储压水路转为钻进水 路,可以开始扫孔钻进。泵压表的压力变化由本液压卡取心装置中的各弹簧弹力共同确定, 可根据钻进地层软硬程度不同,调节弹簧的弹力,避免液压膜围压过大扰动破坏岩(矿)心, 兼顾岩心采取率及取心质量。钻进过程中的钻压、钻速等钻进参数均可采用与双管钻具或 绳索取心钻具一致的钻进参数,但从复杂地层钻进取心考虑,钻压不宜过大,一般为2〜 4kN,否则可能造成岩心堵塞或糊钻,钻速从保护破碎岩(矿)心考虑,一般在150〜250rpm。 钻进过程中要严格注意岩(矿)心采取长度,可通过钻进进尺控制进入液压膜31中的岩(矿) 心长度,若为绳索取心钻具,可通过地表泵压表压力变化确定岩心是否装满岩心内管;但为 保证液压膜31对岩心内管32中岩矿心有较好的包裹作用,当钻进进尺相对岩心内管最大取 心长度差约〇.〇5〜0.1m时即可停止钻进。提钻取心过程中本液压卡取心装置的三维应力卡 取捆绑岩心自动完成,故操作流程与常规钻进一致,具体操作为双管钻具直接提钻取岩 (矿)心,缓慢提钻约〇.〇5m后稍作停顿,即可继续提钻;绳索取心钻具通过打捞器捞取岩 (矿)心,打捞器缓慢提升约0 • 05m后稍作停顿,即可继续提升打捞器。提钻到地面后,可根据 岩(矿)心需要,或在液压膜泄压后将岩(矿)心取出,或泄压后将液压膜、岩(矿)心同时取 出,由液压膜包裹的岩(矿)心可有效避免地表环境对岩(矿)心的影响,为后续岩(矿)心实 验研宄提供先决条件。
[0059]目前复杂地层难取心问题、取心质量差等问题,除了钻具隔水性能、对岩(矿)心的 保真方面的不足,关键在于现行钻探机具的岩(矿)心卡取原理未能适应复杂地层岩(矿)心 卡取要求。使用本液压卡取石(矿)心装置,液压提供全自动三维应力卡取捆绑岩心,利用液 压膜不透水特性,实现对复杂地层岩(矿)心卡取的同时实现了岩(矿)心强力隔水保真,解 决了传统卡心装置不宜卡取破碎岩心的弊端,配合常规卡心割心装置,将液压岩(矿)心卡 取装置的应用范围扩展到整个可钻地层取心,适用范围广,取芯率、取心质量、可靠性高。 [0060]以上已将本发明做一详细说明,以上所述,仅为本发明之较佳实施例而已,当不能 限定本发明实施范围,即凡依本申请范围所作均等变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖范围 内。

Claims (8)

1. 一种钻探用液压岩心卡取装置,其特征在于:包括隔水分动机构(I)、导流限位机构 (n)、储压机构⑽)、提引注压机构(iv)、液压卡心机构(v)、侧喷钻头分动机构(vi)和密 封系统,导流限位机构(n)对接隔水分动机构(I),储压机构(in)对接导流限位机构(n), 提引注压机构(iv)对接储压机构(ni),液压卡心机构(v)对接提引注压机构(iv),侧喷钻 头分动机构(VI)对接液压卡心机构(V); 所述液压卡心机构(V)包括底承台(30)、液压膜(31)、岩心内管(32)、卡簧座(33)和卡 簧(34);岩心内管(32)上端与储压机构(IE)的导流管(21)下端螺纹连接;底承台(3〇)内含 单向阀(m),侧壁均布溢水孔(L),该溢水孔与导流管(21)溢水孔位置重合、水路连通,底承 台(30)与导流管(21)螺纹销连接,接口处、溢水孔过渡处采用密封胶密封;底承台(30)下端 台阶与液压膜(31)采用密封胶粘结密封,液压膜(31)吸附于岩心内管内壁并布置于整个岩 心内管(32),卡簧座(33)与岩心内管(32)螺纹连接,卡簧座(33)螺纹根部预留有液压膜收 纳空间,位于卡簧座收纳段的液压膜(31)在液压作用下可形成锁扣形式;卡簧(34)与卡簧 座(33)楔形接触。
2. 根据权利要求1所述的钻探用液压岩心卡取装置,其特征在于:所述液压膜(31)沿岩 心内管内壁布置至内管(32)末端,然后经卡簧座(33)的液压膜收纳段,再上返至岩心内管 末端,液压膜(31)与岩心内管(32)末端外壁凹台段采用密封胶粘结密封后继续向上延伸固 定于卡簧座(33)与岩心内管(32)螺纹间;卡簧座(33)无水口,末端为内凹台阶结构。
3. 根据权利要求2所述的钻探用液压岩心卡取装置,其特征在于:所述隔水分动机构 (1) 包括隔水接手(1)、悬挂环(2)、滑套座(3)、滑套(4)、推力轴承(5)、密封螺母⑹和心轴 接手(7);隔水接手(1)外壁的环状卡扣(b)同位于外管(40)与上扩孔器(41)之间的悬挂环 (2) 处于接触压紧状态,卡扣⑹与悬挂环⑵之间布置橡胶密封环(c),卡扣(b)上方均布通 水孔(a),隔水接手⑴下端与滑套座⑶螺纹连接;滑套座⑶依次贯穿推力轴承(5)、滑套 (4)、推力轴承⑸,尾部连接密封螺母⑹,滑套座⑶与滑套⑷间隙配合,滑套座⑶轴向 设有贯通孔,隔水接手(1)、密封螺母⑹配合实现滑套⑷及其上下两个推力轴承⑸的轴 向限位;密封螺母(6)的〇型密封圈(d)密封螺母与心轴接手(7)之间的间隙,滑套⑷外螺纹 连接心轴接手(7)上端。
4. 根据权利要求3所述的钻探用液压岩心卡取装置,其特征在于:导流限位机构(n)包 括心轴(8)、悬挂接手(9)、限位螺母(10)、滑动密封环(11)、弹卡架(12)、弹簧(I3)、弹卡钳 (14)、弹卡室(15)、弹卡座(16)、水路截断环(I7)和弹性单向排气阀(18);心轴⑻轴线设有 贯通孔,其上端与隔水分动机构(I)的心轴接手(7)螺纹连接,下端与弹卡架(12)螺纹连接, 心轴⑻轴身布置的外花键与悬挂接手⑼的内花键相配,悬挂接手⑼与心轴⑻可沿花键 做轴向相对滑动;限位螺母(1〇)固定滑动密封环(11)于弹卡架(12)上端,滑动密封环(11) 密封悬挂接手(9)与弹卡架(I2)之间间隙,弹卡架(12)下段开有环形孔(e),贯穿弹簧(13) 的插销可带动弹簧(13)在环形孔(e)中上下滑移,弹簧(13)支腿插入弹卡钳(14)的预留孔 中,弹卡钳(14)被插销固定于弹卡座(I6)上端;弹卡座(16)下段轴向设有弹性单向排气阀 (18),其外环与水路截断环(17)过盈配合;水路截断环(17)布置于弹卡室(I5)泄水孔(g) 处,并与弹卡室(15)内壁紧密接触密封泄水孔(g)截断水路,水路截断环(17)均布互不连通 的轴向水路;弹卡室(丨5)内环布有对应弹卡钳(14)的限位槽(f),限位槽(f)以下均布泄水 孔(g),弹卡室(15)上端与悬挂接手⑼螺纹连接,下端与储压机构(m)的导流管(21)螺纹 连接。
5. 根据权利要求4所述的钻探用液压岩心卡取装置,其特征在于:储压机构(m)包括腔 顶盖(19)、储压腔(20)、导流管(21)、腔底盖(22)、弹性单向阀(23)、储压弹簧(24)、活塞 (25) 组成;腔顶盖(19)轴向有半深凹槽,顶端开口底端闭合,底端有通气孔(i),腔顶盖(19) 通过凹槽内螺纹连接导流限位机构(II)的弹卡座(16)并对水路截断环(17)做轴向限位,夕卜 壁预留销口与储压腔(20)螺纹销(h)连接,并在接口处涂密封胶密封;导流管(21)内壁除设 置与储压腔外花键(n)相配的内花键(〇)外,还设有轴向导流槽(P);腔底盖(22)与储压腔 (20)螺纹连接,其轴线位置装有弹性单向阀(23);储压弹簧(24)位于储压腔(20)内,其一端 连接腔底盖(22),另一端连接活塞(25),采用铰接或粘结连接;活塞(25)与储压腔(20)内壁 光滑紧密接触;导流管(21)与液压卡心机构(V)的底承台(3〇)连接处均布溢水孔(L)。
6. 根据权利要求5所述的钻探用液压岩心卡取装置,其特征在于:提引注压机构(IV)包 括引压器(26)、注压器(27)、带针气阀(28)和底弹簧(29);引压器(26)的中空支腿(j)穿过 注压器(27)端部预留孔插入腔底盖(22)预留孔洞,并与腔底盖(22)焊接密封;引压器(26) 端部、注压器(27)上端均设有带针气阀(28),带针气阀为常闭气阀,内部压缩弹簧顶推密封 垫使气阀处于闭合状态,外端设有顶针,端部设置橡胶密封垫(k),带针气阀(28)与引压器 (26) 、注压器(27)螺纹连接;注压器(27)下段均布的轴向孔分两类,一类与注压器带针气阀 连通,并贯通于液压卡心机构(V)的底承台(30)预留的轴向通路,该类轴向孔与底承台预 留轴向通路接口处焊接密封,另一类不与注压器带针气阀连通,为独立单向孔,用于注压器 (27) 与底承台(30)固定,采用螺纹销或焊接连接;底弹簧(2¾—端固定于底承台(30)顶端 面,通过焊接、铰接或粘结连接,另一端为自由端,底弹簧、底承台二者共轴线。
7. 根据权利要求6所述的钻探用液压岩心卡取装置,其特征在于:侧喷钻头分动机构 (VI)包括环帽(35)和推力轴承(36);液压卡心机构(V)的卡簧座(33)末端的内凹台阶坐落 于推力轴承(36)上盘,环帽(35)、推力轴承(36)下盘与侧喷钻头(37)内台阶过盈配合,环帽 (35)下端面与推力轴承(36)上盘端面预留间隙,环帽(35)内环、上端面与卡簧座(33)末端 内凹台阶预留间隙。
8. 根据权利要求7所述的钻探用液压岩心卡取装置,其特征在于:密封系统包含静态密 封和动态密封;静态密封包括螺纹装配时涂沫润滑油,在内外螺纹根部加设橡胶密封圈,螺 纹销连接结构间进行密封胶密封,焊接密封;动态密封包括隔水接手与悬挂环间的橡胶密 封环(c)、密封螺母外围预装的0型密封圈(d)、滑动密封环(11)、水路截断环(17)、带针气阀 处的橡胶密封垫⑹、活塞(25)。
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