CN108301802A - 绳索取芯钻具总成 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种绳索取芯钻具总成，属于绳索钻探技术领域，该绳索取芯钻具总成包括钻进外管总成以及设置在钻进外管总成内部的取芯内管总成，取芯内管总成包括矛头机构、弹卡定位机构、单动导正过流机构、喷反及泄流机构、岩芯卡取机构；该绳索取芯钻具总成能够满足工程地质勘查和固体矿产勘查中大口径绳索取芯的钻探工作实际要求，尤其适用覆盖层原状样取芯，包括第三系各类覆盖层包括松散黄土、粘土、沙土、砂层、河床河滩卵砾石堆积层、泥砂包卵砾石等地层及第四系泥页岩等水敏性地层钻进及原状样采取任务，具有短小精悍，功能集中，操作方便、维护简单的特点，使用常规功率岩芯钻机和常规泥浆泵及其它常规配套设备即可。

Description

绳索取芯钻具总成

技术领域

本发明涉及绳索钻探技术领域，具体涉及一种绳索取芯钻具总成。

背景技术

小口径绳索钻进技术自问世以来在基岩钻进中较好的普及、推广应用。

但大口径绳索钻具的应用并没有得到普及，工程地质勘查、固体矿产勘查工作中上部孔段仍在使用效率低下、劳动强度高的单双管钻进。这基于以下原因：有些大口径钻具设计仍采用小口径钻具设计思路，使其内钻进外管总成匹配不够合理，结构部件不够科学，钻具结构复杂，钻具长，重量大，使用操作费力；未针对钻进覆盖层、水敏地层、复杂地层取芯特点采用特殊的技术设计，易发生堵塞及取芯不理想的情况，为此使用者存在顾虑。

在大口径深部取芯方面，近年来在石油钻井、煤层气钻探和盐矿钻探等领域，有些单位开始尝试长筒取芯和大口径专用绳索取芯方法进行深部取芯，国内有人研究了增加钻孔和钻具的环空间隙，采用大泵量、高上返速度的石油钻井和绳索取芯“二合一”技术，但是，上述大口径专用绳索取芯技术往往应用于石油、地热等大口径超深钻孔，采用石油钻杆，钻头内外径差极大，需匹配大功率钻机，只有石油、水文钻机能满足要求，存在开孔口径大、功率损耗大和大口径专用绳索取芯机具笨重等问题，不适应工程地质勘查和固体矿产勘查的工作要求，适应工程地质勘查、固体矿产勘查的实用性强的大口径绳索取芯具仍是空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绳索取芯钻具总成，该绳索取芯钻具总成能够满足工程地质勘查和固体矿产勘查中大口径绳索取芯的钻探工作实际要求，具有短小精悍，功能集中，操作方便、维护简单的特点。

基于上述目的，本发明提供的绳索取芯钻具总成，包括钻进外管总成以及设置在所述钻进外管总成内部的取芯内管总成，其特征在于，所述取芯内管总成包括矛头机构、弹卡定位机构、单动导正过流机构、喷反及泄流机构、岩芯卡取机构；所述矛头机构与弹卡定位机构连接，所述弹卡定位机构位于所述钻进外管总成的弹卡室内，所述单动导正过流机构分别连接所述弹卡定位机构和所述岩芯卡取机构，所述喷反及泄流机构设置在所述单动导正过流机构和岩心卡取机构之间，所述岩芯卡取机构用以连接钻头；

所述单动导正过流机构包括联动轴、第一轴承机构、上密封机构、单动轴、第二轴承机构和下密封机构；

所述联动轴一端具有与所述弹卡定位机构连接的弹卡钳架，所述联动轴远离弹卡钳架的一端具有导正芯轴，所述导正芯轴外部连接第一轴承机构，所述单动轴一端通过上密封机构与所述联动轴的导正芯轴套接，所述单动轴的轴身通过第二轴承机构与所述第一轴承机构连接，并且，所述第二轴承机构与所述单动轴的轴身之间设置下密封机构；

所述喷反及泄流机构包括喷射接头、喷嘴、承喷器、喷距调整垫、分水接头、内管接头和内管；

所述喷射接头设置在所述钻进外管总成的喷射室内，并且所述喷射接头与所述单动轴远离弹卡室的一端相连接，所述喷嘴设置在喷射接头内，所述喷射接头具有喷射孔，所述喷射孔远离喷嘴的一端口设置上泄流阀，所述承喷器与分水接头一端连接，所述分水接头另一端通过内管接头与所述内管连接，所述分水接头具有能够与内管和外管之间的间隙连通的排水孔以及吸水孔，所述内管接头具有内管流道，所述内管流道与所述分水接头的吸水孔的进水口之间设置下泄流阀，所述喷距调整垫设置在所述承喷器和所述分水接头之间。

进一步的，所述矛头机构包括矛头体、导正弹簧、导正套和回收管；所述回收管内沿轴向设置用于容纳导正套的导正腔，所述导正套设置在所述导正腔内，所述导正套一端具有限位体，所述导正弹簧套接在所述导正套上，且所述导正弹簧两端分别接触所述导正腔和限位体，所述矛头体与所述导正套的榫头通过销轴连接。

进一步的，所述弹卡定位机构包括弹卡钳、张簧和调整垫；所述弹卡钳通过卡钳销与所述单动导正过流机构连接；所述张簧嵌入对合的两片弹卡钳之间，

所述弹卡钳可卡接于所述钻进外管总成的弹卡室内，所述钻进外管总成内部轴向具有用以对弹卡钳限位的弹卡挡和悬挂环，所述悬挂环两侧分别设置调整垫。

进一步的，所述联动轴中部外径面设置为锥面悬挂台，所述悬挂台下方与钻进外管总成的座环之间设置悬挂密封圈。

进一步的，还包括报信机构，所述报信机构包括报信调整垫、报信簧和报信环，所述报信调整垫及所述报信簧套接在所述联动轴的导正芯轴上，所述报信环设置在所述外管接头与钻进外管总成的外管之间。

进一步的，还包括扶正环，所述扶正环设置在所述内管与所述外管之间。

进一步的，所述岩芯卡取机构包括卡簧座和卡簧，所述卡簧座与所述内管连接，所述卡簧套接在卡簧座内。

进一步的，所述卡簧座内径自上至下依次包括一段圆柱管扣和两段圆锥面，位于上部圆锥面的锥度采用1：10的卡簧锥度，下部圆锥面锥度比所述上部圆锥面增加1.5度-2度；所述卡簧外径包括两段圆锥面组成，所述圆锥面的上部锥度采用常用1：10卡簧锥度，下部锥度比上部锥度增加1.5度-2度。

进一步的，还包括隔水钻头，所述隔水钻头上部与装配在外管上的扩孔器连接，所述隔水钻头内部台阶与所述卡簧座采用间隙配合。

进一步的，所述隔水钻头底唇面为双梯齿型，所述隔水钻头的水口为顺时针螺旋形；钻头胎体内开水眼直通所述水口。

有益效果：

本发明提供的绳索取芯钻具总成包括钻进外管总成以及设置在钻进外管总成内部的取芯内管总成，取芯内管总成包括依次连接的矛头机构、弹卡定位机构、单动导正过流机构、喷反及泄流机构和岩芯卡取机构；能够满足工程地质勘查和固体矿产勘查中大口径绳索取芯的钻探工作实际要求，具有短小精悍，功能集中，操作方便、维护简单的特点。尤其适用覆盖层原状样取芯，包括第三系各类覆盖层包括松散黄土、粘土、沙土、砂层、河床河滩卵砾石堆积层、泥砂包卵砾石等地层及第四系泥页岩等水敏性地层钻进及原状样采取任务，使用常规功率岩芯钻机如XY-44、XY-5XY-6B或类似钻机和常规泥浆泵及其它常规配套设备即可。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的绳索取芯钻具总成的结构示意图；

图2为图1中A-A处下方的结构示意图；

图3为图1中A-A处上方的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的单动导正过流机构的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的喷反及泄流机构的喷反原理示意图；

图6为本发明实施例提供的报信机构的工作原理示意图；

图7a为本发明实施例提供的岩芯卡取机构的局部结构示意图；

图7b为本发明实施例提供的岩芯卡取机构的局部结构剖视图。

图标：1-钻进外管总成；2-弹卡室；3-弹卡挡；4-悬挂环；5-外管；6-外管接头；100-矛头机构；110-矛头体；120-导正弹簧；130-导正套；140-回收管；200-弹卡定位机构；210-弹卡钳；220-张簧；230-调整垫；300-单动导正过流机构；310-联动轴；311-弹卡钳架；312-导正芯轴；320-第一轴承机构；321-第一轴承套；322-第一轴承；330-上密封机构；340-单动轴；350-第二轴承机构；351-第二轴承套；352-第二轴承；360-下密封机构；400-喷反及泄流机构；410-喷射接头；420-喷嘴；430-承喷器；440-分水接头；450-内管接头；451-内管流道；460-内管；461-排水孔；462-吸水孔；470-上泄流阀；480-下泄流阀；500-岩芯卡取机构；510-卡簧座；511-上部圆锥面；512-下部圆锥面；520-卡簧；600-报信机构；610-报信调整垫；620-报信簧；630-报信环；700-扶正环；800-隔水钻头；900-下扩孔器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1所示，本发明提供的绳索取芯钻具总成，包括：钻进外管总成1以及设置在钻进外管总成1内部的取芯内管总成，取芯内管总成包括矛头机构100、弹卡定位机构200、单动导正过流机构300、喷反及泄流机构400和岩芯卡取机构500；矛头机构100与弹卡定位机构200连接，弹卡定位机构200位于钻进外管总成1的弹卡室2内，单动导正过流机构300分别连接弹卡定位机构200和岩芯卡取机构500，喷反及泄流机构400设置在单动导正过流机构300和岩心芯卡取机构500之间，岩芯卡取机构500连接用以连接钻头。

请参照图2和图3所示，一个优选实施方案中，矛头机构100包括矛头体110、导正弹簧120、导正套130和回收管140；

矛头体110呈矛头状，中部直径最大，下部直径稍小并与中部形成悬挂台阶，下部设置有榫槽，该榫槽与导正套130的榫头配合连接。

回收管140内沿轴向设置用于容纳导正套130的导正腔，导正套130设置在导正腔内，导正套130一端(下部)设置限位体，该限位体能够与回收管140的内径配合，导正套130中部直径与导正弹簧120的内径配合，导正弹簧120套接在导正套130上，且导正弹簧120两端分别接触导正腔和限位体，矛头体110与导正套130的榫头通过销轴连接。

具体实施时，导正弹簧120先套入导正套130，再装入回收管140，用相应的工具顶压导正套130的底部使处于导正簧压缩状态，导正套130上端的榫头探出回收管140后，将矛头体110的榫槽插入榫头并穿销固定，使矛头体110的悬挂台阶受预压力被压紧在回收管140上方正中位置。提吊状态时，导正簧承受取芯内管总成其他部件的重量呈压缩状态，矛头体110提离回收管140，矛头体110可以绕销轴转动，最大可与内管轴线呈90度，满足孔囗摘取取芯内管总成时各种摆放角度要求。

当榫槽开在矛头体110上时，由于转动端面接触面积大，磨擦阻力大，易随时能够自锁，只有再吊成垂直状态或用力拉出拔正时才能回归中心位。

这里需要说明的是，矛头体110与导正套130之间连接的榫头和榫槽的位置可以互换，即，在矛头体110上设置榫头，在导正套130上设置榫槽。当榫头开在矛头体110上时，由于转动端面接触面积小，磨擦阻力小，不易发生自锁，脱卡瞬间弹回中心位。

本实施例中提供的矛头机构100结合工作状态受力采用弹簧控制该机构的工作状态，采用穿销榫卯配合旋转，较好地实现了工作要求。与现有技术的方式相比，具有以下优点：

1、简化了机构，由传统矛头机构100的通常5-6个部件精简为4个部件，缩短了机构总长，减轻了重量，提高了绳索钻具的轻便性。

2、结构简单，榫卯形体大，销轴可以采用大规格的弹性销，提高了结构承载力，在取芯内管总成遇卡时或强力拉断钢丝绳时不会损坏弹性销。导正簧规格大，承载高，不易损坏增加了强度和使用寿命；增强了导正可靠性，更能保证打捞取芯内管总成成功率。

请参照图2和图3所示，一个优选实施方案中，弹卡定位机构200包括弹卡钳210、张簧220和调整垫230；弹卡钳210通过卡钳销与单动导正过流机构300连接；张簧220与弹卡钳210内部连接。

钻进外管总成具有弹卡室2，该弹卡钳210可卡接于钻进外管总成1的弹卡室2内，钻进外管总成1内部轴向具有用以对弹卡钳210限位的弹卡挡3和悬挂环4，弹卡挡3和悬挂环4分别位于弹卡钳210的上端和下端，分别用于对弹卡钳210进行限位，悬挂环4靠近弹卡钳210的一端具有锥形台阶，悬挂环4的上下两侧分别设置调整垫230。

具体实施时，钻杆及钻进外管总成1的悬挂座上方的内径优选设置为101.5-103.5mm，悬挂座的内径为96.5mm；悬挂环4的锥形台阶外径97mm-95.5mm，其余部分外径均小于95.5mm；弹卡钳210通过卡钳销连接单动导正过流机构300，弹卡钳210的开口向上,自由外径114mm，受到挤压时外径可缩小。内管投放时弹卡钳210受挤压使外径收缩至101.5-103.5mm，贴钻杆内壁自由坠落下行。弹卡钳210的外台阶采用光滑钝角，能够使弹卡钳210在下行状态时不会受卡；直到锥形台阶到达钻进外管总成1的悬挂座从而被悬挂定位。此时，弹卡钳210进入钻进外管总成1的弹卡室2内，弹卡室2的内径108mm大于弹卡挡3的内径101.5mm。弹卡钳210打开至108mm且被弹卡挡3挡住无法上窜。

钻进时弹卡挡3头底端的拨叉带动弹卡钳210，使取芯内管总成的第一轴承机构、第二轴承机构等随钻杆一起转动，避免因相对运动造成弹卡钳210外径磨损。

请参照图4所示，一个优选实施方案中，单动导正过流机构300包括联动轴310、第一轴承机构320、上密封机构330、单动轴340、第二轴承机构350和下密封机构360。

联动轴310一端具有与弹卡定位机构200连接的弹卡钳架311，联动轴310远离弹卡钳架311的一端具有导正芯轴312，导正芯轴312外部连接第一轴承机构320，第一轴承机构320包括第一轴承套321和第一轴承322，第一轴承322套接在导正芯轴312上，第一轴承套321套设在联动轴310、导正芯轴312及第一轴承322的外部，并且第一轴承套321与联动轴310连接。

上密封机构330包括至少一个套设在导正芯轴312上的上密封圈，单动轴340一端接头具有用以容纳上密封圈的环形槽，单动轴340通过该上密封机构330与联动轴310的导正芯轴312形成套接，单动轴340的轴身通过第二轴承机构350与第一轴承机构320连接，并且，第二轴承机构350与单动轴340的轴身之间设置下密封机构360。

上述的第二轴承机构350包括第二轴承套351和第二轴承352，第二轴承套接352在单动轴340的轴身上，第二轴承套351套接在单动轴340外部，第二轴承套351一端与第一轴承套321通过螺纹连接，方便组装和拆卸；在第二轴承套内壁设置用以容纳下密封机构360的环形槽，该下密封机构360包括至少一个套设在单动轴340上的下密封圈。用来使内管接头450及以下部分在钻头回转的情况下不转动，避免岩心振动、扭转。

上述的上密封圈和下密封圈优选采用Yx密封圈。

一个优选实施方案中，上述的联动轴310中部的外径面设计为锥面悬挂台，通过表面热处理工艺提高锥面硬度，从而增加耐磨性。

悬挂台下方与钻进外管总成1的座环之间设置悬挂密封圈。该悬挂密封圈优选采用Yx密封圈，形成悬挂密封，再往下设计丝扣以便连接第一轴承套；再下配合单动轴340设计成心轴。上述的联动轴310、单动轴340配合连接第一轴承护罩、第二轴承护罩后形成内外两层腔室，能够分别完成单动和过流功能。

该联动轴310采用新的思路和设计结构，较好地实现了工作要求。与现有技术的方式相比，具有以下优点：

1.有利于保证悬挂锥面、轴承护罩连接扣、导正芯轴312同基准加工，获得最高同心度，保证与它与下面配合部件单动轴340连接达到最高的同心度。

2.通过加强公差控制部件长度变化在1mm以内，保证了取消活动式悬挂环4和调整垫230后的安装精度符合要求。

3.将多种功能浓缩到一体，大大减少了部件数量，降低了总体长度重量，减少了材料能源消耗量。

该单动导正过流机构300中，联动轴310、上轴承套、下轴承套通过连接为一体作为旋转运动件，非旋转件单动轴340通过密封圈套在联动轴310下部导正心轴上，使上、下两盘第一轴承和第二轴承处于封闭的空间，与混合泥砂岩屑的冲洗液完全隔开，保证单动可靠。

单动轴340与导正芯轴312间及单动轴340与第二轴承套中心孔之间均采用仿曲折式迷宫结构密封方式。利用上下各两道环槽及密封圈形成Yx密封圈外径与环槽大径大间隙配合，形成特殊的凹凸沟槽，增加了流动阻力，提高了密封效能；Yx密封圈内径与联动轴310更紧密配合，使Yx密封圈与联动轴310的同步旋转，Yx密封圈外径与环槽大径侧壁具有大间隙，使Yx密封圈与单动轴340完全分离不接触，大幅降低了摩擦阻力，保证好良好单动，同时内管发生不同心时单动轴340和导正芯轴312不易卡住。

请参照图2和图6，一个优选实施方案中，还包括报信机构600，报信机构600包括报信调整垫610、报信簧620和报信环630，报信调整垫610及报信簧620套接在联动轴310的导正芯轴312上，报信环630设置在外管接头6与钻进外管总成1的外管5之间。该报信机构600利用利用联动轴310中部台阶和下端轴体为报信簧620和调整垫230提供装配空间和受力承载面；分水接头440外径下端适当位置设计环状凸台，配合报信环630形成环状过流间隙，这种环状过流间隙报信行程短，过流面积改变大，报信灵敏；这种机构部件少，长度缩短，更加轻便。

取芯内管总成堵塞报信原理：

钻进外管总成1上在外管接头6与外管5之间安装有报信环630，其内径优选设置为96.5mm,正常钻进时报信环630与取芯内管总成分水接头440的外报信台阶相距15mm(或9mm，由于岩芯摩擦使内管上行6mm至弹卡钳210顶住弹卡挡3)，发生堵塞后报信台阶随取芯内管总成上升，上升12mm(或6mm)后过流面积开始减少；上行量为14mm时过流面积为正常过流面积的20％，泵压会出现明显升高报信；最大可上行量18mm，此时过流面积为正常过流面积的12％，仍能保持冲洗液循环防止烧钻。

由于不同地层发生岩芯堵塞产生的上顶力不同，为防止轻微堵塞就报信造成提钻频繁的现象，本钻具设计了灵敏度可调的堵塞报信机构600，堵塞后取芯内管总成上升要克服报信簧620张力，用软硬报信簧620分别适应软硬破碎地层。

请参照图3，喷反及泄流机构400设置在单动导正过流机构300和岩心芯卡取机构500之间。用来使冲洗液形成孔底局部反循环。

该喷反及泄流机构400包括喷射接头410、喷嘴420、承喷器430、分水接头440、内管接头450和内管460。

喷射接头410设置在钻进外管总成1的喷射室内，并且喷射接头410与单动轴340远离弹卡室2的一端相连接，喷嘴420设置在喷射接头410内，喷射接头410具有喷射孔，喷射孔远离喷嘴420的一端口设置上泄流阀470，承喷器430与分水接头440一端连接，分水接头440另一端通过内管接头450与内管460连接，分水接头440具有能够与内管460和外管之间的间隙连通的排水孔461以及吸水孔462，内管接头450具有内管流道451，内管流道451与分水接头440的吸水孔462的进水口之间设置下泄流阀480。

该喷反及泄流机构400的工作原理如下：

请参照图5所示，钻进过程中水泵送来的高压冲洗液流Q1沿钻杆进入喷嘴420，过流面积迅速收缩发生高速射流，在周围形成负压区，促使下部岩心管中的液体通过吸水孔被抽吸到负压腔里，并形成液流Q2进入混合室。Q1与Q2在混合室中混合，进行能量传递或交换后(高速射流的动能变为压力能，被吸液体的压力能变为动能)流入承喷器430内部喉管，由喉管流入扩散室，经分水接头440排水孔排出，排出的冲洗液沿内外管环状间隙下行到达孔底；其中大部分冲洗液在剩余压力作用下通过隔水底喷钻头水眼到达钻头唇面冷却钻头，并沿钻杆与孔壁的环状间隙返回地面，形成正循环；另一小部分冲洗液在负压作用下随钻进岩芯不断被吸进内管，经内管接头450、分水接头440进入负压腔，形成孔底反循环。卡簧座510底口反循环液流促使破碎岩芯上行；同时液流也减少了岩芯与岩芯管内壁的摩擦阻力，还能携带走堆积卡簧座510底口细碎岩屑从而防止岩芯堵塞，提高岩芯采取率。

孔底低速低压局部反循环：

卡簧座510底口→内管岩芯间隙→喷射室→承喷器430→内外管间隙底→卡簧座510底口。

全孔高压高速正循环：

泥浆泵→水龙头→钻杆→弹卡室2→弹卡架内孔→单动轴340内孔→喷嘴420→承喷器430→分水接头440排水孔→内外管间隙→卡簧座510底口→隔水钻头800水眼→孔壁间隙→泥浆池→泥浆泵。

另外，现有技术应用的泄流阀采用由钢球单向阀及中心水眼式内管过流通道，水头方向转换多、循环阻力大，同时由于加大钢球时抬升阻力大幅增加，中心孔无法设计更大，使过流面积受到限制。

本实施例中压紧螺杆穿过单向下泄流阀480与内管接头450拧紧，即形成单向过流。

该下泄流阀480采用优质丁腈橡胶作为的密封件，中心设置连接孔，用以套在轴上定位，外围加工为花瓣式，可对应多组过流孔，泄流面积增加1.5倍，还能减小抬起阻力，因此提高泄水效能，提高投放速率。

请参照图3所示，一个优选实施方案中，该绳索取芯钻具总成还包括扶正环700，扶正环700设置内管460与外管5之间。

该绳索取芯钻具总成能够实现内外三级扶正功能，其原理为：张开的弹卡钳210与弹卡室2内径无间隙配合、悬挂环4、悬挂座锥形悬挂对取芯内管总成上中部导正；外管5与下扩孔器之间的扶正环700与内管外径小间隙配合，对取芯内管总成下部进行导正。

为适应岩芯松散易膨胀，采用新型卡簧座510和加大内径内管。内管内径由通常大于岩芯1mm加大为大于岩芯6mm；大间隙防堵塞作用：

采用内径88.5mm的岩芯内管和内径82mm的取芯钻头，适应泥页岩地层在岩芯失去围岩挤压作用后会有一定程度膨胀现象，及泥页岩受水浸润会亦会发生膨胀，亦能适应钻头内径发生一定程度磨损。防止岩芯外径增大与岩芯管挤住发生堵塞和敲取岩芯困难。

穷参照图3，一个优选实施方案中，岩芯卡取机构500包括卡簧座510和卡簧520，卡簧座510与内管460抵接，卡簧520与卡簧座510连接。作用是容纳岩矿芯、提钻时保护岩芯不脱落。

一个优选实施方案中，卡簧座510内径自上至下依次包括一段圆柱管扣和两段圆锥面，位于上部圆锥面511的锥度采用1：10的卡簧锥度，下部圆锥面512锥度比上部圆锥面511增加1.5度-2度；相对应地，卡簧外径包括两段圆锥面组成，圆锥面的上部锥度采用常用1：10卡簧锥度，下部锥度比上部锥度增加1.5度-2度。

在钻进过程中，卡簧520由于和岩芯摩擦被推到最上部，其外径D达到最大，并被内管460的台阶所顶住，此时卡簧内径d1，近似于岩芯外径，自此便能顺利进入内管460；需要提断岩芯时，岩芯不动，钻进外管总成1带动取芯内管总成上行，卡簧相对下行逐步与岩芯抱紧，卡断完整岩芯或卡紧松散岩芯。

现有技术利用同一锥度的贯通的卡簧座内锥面和贯通的卡簧外锥面配合来卡取岩芯，仅适应内管内径和岩芯内径相差不大的基岩钻进，钻进松软地层时所采用较大内径内管时，只能增大卡簧外径，使卡簧变厚，弹性降低，效果变差，同时机构冗长，残留岩芯较长。

与现有技术的方式相比，该岩芯卡取机构500具有以下优点：

在保持卡簧适当厚度情况下，可增加卡簧外径D，适应钻进松软地层时所采用较大内径内管，增加内管的台阶顶住卡簧的可靠性；同时使提断岩芯时锥度增大50％-67％，卡簧内径收缩率增大50％-67％，提高了对岩芯的卡紧程度，下滑距离减少为原来60％-67％，因而可大大减少卡簧座510和卡簧的设计长度。同时使残留岩芯长度也能大幅减小，对于基岩减小约10mm,对于松软地层减小约30mm以上，因此该岩芯卡取机构500更适宜松软地层取芯。

请参照图3、图7a和图7b所示，一个优选实施方案中，该绳索取芯钻具总成还包括隔水钻头800，该隔水钻头800上部与扩孔器连接，隔水钻头800内部台阶与卡簧座510采用间隙配合；所述隔水钻头800底唇面为双梯齿型，水口为顺时针螺旋形；钻头胎体内开水眼直通水口。使用于松软易冲蚀的土层、砂层、泥包卵砾石地层时。

钻进松软泥砂覆盖层易坍塌，常用粘稠度大泥浆护壁，而该类使泥浆固相含量增高快，变得更加粘稠，常规钻头极易发生糊钻现象，本发明提供的绳索取芯钻具设计双梯齿螺旋水口普通金刚石钻头和隔水钻头800，并采用特殊工艺烧结提高内保径工作能力。

隔水卡簧座510下端和隔水钻头800内台阶均设计为锥形，形成间隙配合，使高压高速的正循环液流时至此变为低速低压液流，在负压作用下能够顺利形成局部反循环向上进入内管，而不会向下进入钻头内径与岩芯间；由于属于低速液流仅产生润滑作用，且与岩芯相对运动方向中相同，不会形成对岩芯的冲刷。

与现有技术的方式相比，该隔水钻头800具有以下优点：

a)双梯齿定向导正能力强，防止卵石滚动和孔斜，b)螺旋水口循环方向顺应钻头旋转方向，减小水循环阻力，提高排屑能力c)冲洗液不流经钻头内径，由底喷水眼到达孔底，不冲刷岩芯。因此，孔底更干净，钻头寿命更长，岩芯采取率和原状性更高。

本发明提供的绳索取芯钻具，实际应用时，根据地层更换钻头卡簧座510可装配成为隔水喷反绳索取芯工具、普通喷反绳索取芯工具、普通绳索取芯工具，完成三种钻进。

(一)喷反取芯内管总成配隔水钻头800和隔水卡簧座510实现隔水喷反绳索钻进；用于松软易冲蚀的土层、砂层、泥包卵砾石地层，破碎地层，取芯率达到95％-100％，保持很好的原状性。

(二)喷反取芯内管总成配普通钻头和普通卡簧座510，既能实现普通喷反绳索钻进，用于松软易冲蚀的土层、砂层、泥包卵砾石地层，取芯率达到80％-90％，破碎地层90％-100％；基岩地层取芯率达到100％。

(三)普通取芯内管总成配普通钻头和普通卡簧座510用于完整基岩钻进，取芯率达到95-100％。

定型样机更换钻进方式时，只需换常用更换件钻头、卡簧座510，更加方便；因为普通取芯内管总成更轻，通水面积更大，投放打捞阻力更小，更方便机台使用。

本发明采用的上述绳索取芯、孔底喷射反循环等技术，能够适应大深度孔钻探及钻遇复杂地层，可降低能耗和工人劳动强度，减少辅助工作时间；提高采芯频率和岩矿芯采取率，提高钻探效率，解决频繁起下钻造成的纯钻时间率低、劳动强度大问题；可提高孔壁的完好度，解决护壁困难问题，充分发挥绳索钻进技术的优越性，提高我国绳索钻探技术应用水平，为工程地质勘查和固体矿产勘查野外钻探施工提供新型钻具，有较大的研究意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种绳索取芯钻具总成，包括钻进外管总成以及设置在所述钻进外管总成内部的取芯内管总成，其特征在于，所述取芯内管总成包括矛头机构、弹卡定位机构、单动导正过流机构、喷反及泄流机构、岩芯卡取机构；所述矛头机构与弹卡定位机构连接，所述弹卡定位机构位于所述钻进外管总成的弹卡室内，所述单动导正过流机构分别连接所述弹卡定位机构和所述岩芯卡取机构，所述喷反及泄流机构设置在所述单动导正过流机构和岩心卡取机构之间，所述岩芯卡取机构用以连接钻头；

所述单动导正过流机构包括联动轴、第一轴承机构、上密封机构、单动轴、第二轴承机构和下密封机构；

所述联动轴一端具有与所述弹卡定位机构连接的弹卡钳架，所述联动轴远离弹卡钳架的一端具有导正芯轴，所述导正芯轴外部连接第一轴承机构，所述单动轴一端通过上密封机构与所述联动轴的导正芯轴套接，所述单动轴的轴身通过第二轴承机构与所述第一轴承机构连接，并且，所述第二轴承机构与所述单动轴的轴身之间设置下密封机构；

所述喷反及泄流机构包括喷射接头、喷嘴、承喷器、喷距调整垫、分水接头、内管接头和内管；

所述喷射接头设置在所述钻进外管总成的喷射室内，并且所述喷射接头与所述单动轴远离弹卡室的一端相连接，所述喷嘴设置在喷射接头内，所述喷射接头具有喷射孔，所述喷射孔远离喷嘴的一端口设置上泄流阀，所述承喷器与分水接头一端连接，所述分水接头另一端通过内管接头与所述内管连接，所述分水接头具有能够与内管和外管之间的间隙连通的排水孔以及吸水孔，所述内管接头具有内管流道，所述内管流道与所述分水接头的吸水孔的进水口之间设置下泄流阀，所述喷距调整垫设置在所述承喷器和所述分水接头之间。

2.根据权利要求1所述的绳索取芯钻具总成，其特征在于，所述矛头机构包括矛头体、导正弹簧、导正套和回收管；所述回收管内沿轴向设置用于容纳导正套的导正腔，所述导正套设置在所述导正腔内，所述导正套一端具有限位体，所述导正弹簧套接在所述导正套上，且所述导正弹簧两端分别接触所述导正腔和限位体，所述矛头体与所述导正套的榫头通过销轴连接。

3.根据权利要求1所述的绳索取芯钻具总成，其特征在于，所述弹卡定位机构包括弹卡钳、张簧和调整垫；所述弹卡钳通过卡钳销与所述单动导正过流机构连接；所述张簧嵌入对合的两片弹卡钳之间，

所述弹卡钳可卡接于所述钻进外管总成的弹卡室内，所述钻进外管总成内部轴向具有用以对弹卡钳限位的弹卡挡和悬挂环，所述悬挂环两侧分别设置调整垫。

4.根据权利要求1所述的绳索取芯钻具总成，其特征在于，所述联动轴中部外径面设置为锥面悬挂台，所述悬挂台下方与钻进外管总成的座环之间设置悬挂密封圈。

5.根据权利要求1所述的绳索取芯钻具总成，其特征在于，还包括报信机构，所述报信机构包括报信调整垫、报信簧和报信环，所述报信调整垫及所述报信簧套接在所述联动轴的导正芯轴上，所述报信环设置在所述外管接头与钻进外管总成的外管之间。

6.根据权利要求1所述的绳索取芯钻具总成，其特征在于，还包括扶正环，所述扶正环设置在所述内管与所述外管之间。

7.根据权利要求1所述的绳索取芯钻具总成，其特征在于，所述岩芯卡取机构包括卡簧座和卡簧，所述卡簧座与所述内管连接，所述卡簧套接在卡簧座内。

8.根据权利要求7所述的绳索取芯钻具总成，其特征在于，所述卡簧座内径自上至下依次包括一段圆柱管扣和两段圆锥面，位于上部圆锥面的锥度采用1：10的卡簧锥度，下部圆锥面锥度比所述上部圆锥面增加1.5度-2度；所述卡簧外径包括两段圆锥面组成，所述圆锥面的上部锥度采用常用1：10卡簧锥度，下部锥度比上部锥度增加1.5度-2度。

9.根据权利要求8所述的绳索取芯钻具总成，其特征在于，还包括隔水钻头，所述隔水钻头上部与装配在外管上的扩孔器连接，所述隔水钻头内部台阶与所述卡簧座采用间隙配合。

10.根据权利要求9所述的绳索取芯钻具总成，其特征在于，所述隔水钻头底唇面为双梯齿型，所述隔水钻头的水口为顺时针螺旋形；钻头胎体内开水眼直通所述水口。