CN108505946A - 雪层钻进用可变径热熔钻头 - Google Patents

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    • E21B7/14—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling

Abstract

本发明公开了一种雪层钻进用可变径热熔钻头，包括有第一加热块、第二加热块、芯体和连接芯杆，其中第一加热块和第二加热块设置有数块，第一加热块和第二加热块交错设在芯体的周圈，连接芯杆穿设在芯体的中间部位，连接芯杆的下端固连有芯体固定块，第一加热块的内侧壁上枢接有第一连杆，第一连杆的上端通过销轴枢接在芯体的上部，第二加热块的内侧壁上枢接有第二连杆，第二连杆的上端通过销轴也枢接在芯体的上部，第一加热块的下部通过销轴枢接在芯体固定块的压杆上，有益效果：结构简单，工作可靠。并且该钻头基于模块化的设计，方便更换损毁部件，提高了钻具的可靠性，降低了制作和维护成本。

Description

雪层钻进用可变径热熔钻头
技术领域
本发明涉及一种热熔钻头，特别涉及一种雪层钻进用可变径热熔钻头。
背景技术
目前，南极大陆被厚厚的冰盖所覆盖，这个巨厚的冰盖是由积雪经过常年的堆积压实作用而形成的。从冰盖表面至地表以下60m～120m的深度范围内，降雪并没有完全固结成冰，而是形成密实的粒雪层。目前，热熔钻进技术已经广泛应用在南极冰层钻井中。热熔钻头在钻进致密的冰层时，产生的融水无法漏失，进而会发生扩孔使所形成的钻孔略大于热熔钻头的直径。而在粒雪层钻进时，由于融化产生的融水全部漏失到周围雪层的空隙中，所以不会发生扩孔现象，形成的钻孔直径和热熔钻头的直径几乎相同。这样在上提和下放热熔钻具的过程中很容易导致卡钻事故。
发明内容
本发明的目的是为了解决在粒雪层钻进时容易导致卡钻事故的问题而提供的一种雪层钻进用可变径热熔钻头。
本发明提供的雪层钻进用可变径热熔钻头包括有第一加热块、第二加热块、芯体和连接芯杆，其中第一加热块和第二加热块设置有数块，第一加热块和第二加热块交错设在芯体的周圈，连接芯杆穿设在芯体的中间部位，连接芯杆的下端固连有芯体固定块，第一加热块的内侧壁上枢接有第一连杆，第一连杆的上端通过销轴枢接在芯体的上部，第二加热块的内侧壁上枢接有第二连杆，第二连杆的上端通过销轴也枢接在芯体的上部，第一加热块的下部通过销轴枢接在芯体固定块的压杆上，第二加热块的下端为自由端，第一加热块和第二加热块的相邻侧壁的弧度相应，第一加热块和第二加热块能够紧密进行贴合。
第一加热块和第二加热块的材质均为紫铜，其中第一加热块内插设有第一加热棒和第二加热棒，第一加热棒插设有两根，第二加热棒插设在两根第一加热棒之间，第一加热棒的长度大于第二加热棒的长度，第二加热块内插设有一根第二加热棒。
芯体为圆锥形，芯体外侧面的弧度与第一加热块和第二加热块的内侧面弧度相应，第一加热块和第二加热块交错围设在芯体的周圈组成的形状也为圆锥形。
第一加热块内侧壁上枢接的第一连杆为L型。
第一连杆和第二连杆的上部均开设有滑槽，第一连杆和第二连杆与芯体相枢接的销轴插设在滑槽内，销轴能够在滑槽内滑动，第一连杆上滑槽的长度大于第二连杆上滑槽的长度。
连接芯杆的上部穿设在固定挡盘的中间部位，固定挡盘固连在外管的内腔中，连接芯杆的顶端固定在滑动挡盘上，滑动挡盘设在固定挡盘的上方，滑动挡盘能够在外管的内腔中进行滑动。
本发明的工作原理：
当热熔钻头向下热熔钻进时，钻头始终与孔底接触，此时钻头表面为完整的圆锥形，钻头张开并保持始终大于钻具外管的直径进行钻进，因此钻孔直径大于钻具外管直径。
当完成热熔钻进需要提钻时，钻具外管在地表设备提拉作用下首先向上运动，并带动固定挡盘和芯体同步向上运动，此时滑动挡盘、连接芯杆和芯体固定块由于自重作用保持静止，同时芯体上与第一加热块和第二加热块连接的销轴将沿着第一连杆和第二连杆上的滑槽进行滑动，此时第一加热块和第二加热块在自重作用下也保持静止。由于第二连杆上的滑槽较第一连杆上的滑槽短，因此芯体上的连接销轴在向上运动时，首先到达第二连杆滑槽的上限位，并通过第二连杆带动第二加热块开始向上运动，迫使第二加热块本体脱离第一加热块本体，并向内收拢。芯体继续向上运动，当芯体上沿与第一连杆“L”端接触后，迫使第一连杆以销轴为铰点发生转动，此时由于滑动挡盘、连接芯杆和芯体固定块仍在自重作用下保持静止，因此第一加热块上部将在第一连杆作用下向内收缩，直至第一加热块上部接触芯体，或者滑动挡盘接触固定挡盘为止。此时热熔钻头为收缩状态，外径将小于钻具外管直径，因此在整个上提过程中钻具不会发生卡钻事故。
当热熔钻头下放至孔底开始钻进时，三个张开的第一加热块首先接触孔底产生阻力停止向下运动，与之相连的芯体固定块、连接芯杆和滑动挡盘随之停止下放。但钻具外管和与之相连的固定挡盘以及芯体继续向下运动。第二连杆连同悬吊着的第二加热块一起跟着向下运动，直到第二加热块的侧斜面和已经停止运动的第一加热块的侧斜面接触，这时，第一加热块的上表面和第二加热块的上表面齐平。此刻，芯体的上表面依然高于第一加热块的上表面，依然可以自由下放。芯体继续下行，直到芯体外表面与第一加热块和第二加热块内表面完全贴合，促使第一加热块和第二加热块紧密贴合。同时，由于第一加热块是沿底部的固定销轴转动向外张开，当第一加热块底部内台阶接触芯体固定块下表面时，第一加热块将停止向外张开，因此第一加热块和第二加热块在芯体外表面和芯体固定块下表面共同作用下将组成完整圆锥形热熔钻头。
本发明的有益效果：
本发明提供的雪层钻进用可变径热熔钻头解决了雪层热熔钻头钻进过程中易于卡堵的难题，通过设计组合式可变径热熔钻头，实现了雪层热熔钻头直径在钻进和提升两种状态下的自动切换，对促进热熔钻进技术和极地研究的发展具有重要作用。本发明只依靠钻具自身的重力和提钻时的提拉力，仅凭借内部结构联动即可实现钻头直径的变化，结构简单，工作可靠。并且该钻头基于模块化的设计，方便更换损毁部件，提高了钻具的可靠性，降低了制作和维护成本。
附图说明
图1为本发明所述钻头整体结构爆炸示意图。
图2为本发明所述第一加热块结构示意图。
图3为本发明所述第二加热块结构示意图。
图4为本发明所述芯体固定块结构示意图。
1、第一加热块 2、第二加热块 3、芯体 4、连接芯杆
5、芯体固定块 6、第一连杆 7、销轴 8、第二连杆 9、压杆
10、第一加热棒 11、第二加热棒 12、滑槽 13、固定挡盘
14、滑动挡盘 15、外管。
具体实施方式
请参阅图1至图4所示：
本发明提供的雪层钻进用可变径热熔钻头包括有第一加热块1、第二加热块2、芯体3和连接芯杆4，其中第一加热块1和第二加热块2设置有数块，第一加热块1和第二加热块2交错设在芯体3的周圈，连接芯杆4穿设在芯体1的中间部位，连接芯杆4的下端固连有芯体固定块5，第一加热块1的内侧壁上枢接有第一连杆6，第一连杆6的上端通过销轴7枢接在芯体1的上部，第二加热块2的内侧壁上枢接有第二连杆8，第二连杆8的上端通过销轴7也枢接在芯体1的上部，第一加热块1的下部通过销轴7枢接在芯体固定块5的压杆9上，第二加热块2的下端为自由端，第一加热块1和第二加热块2的相邻侧壁的弧度相应，第一加热块1和第二加热块2能够紧密进行贴合。
第一加热块1和第二加热块2的材质均为紫铜，其中第一加热块1内插设有第一加热棒10和第二加热棒11，第一加热棒10插设有两根，第二加热棒11插设在两根第一加热棒10之间，第一加热棒10的长度大于第二加热棒11的长度，第二加热块2内插设有一根第二加热棒11。
芯体3为圆锥形，芯体3外侧面的弧度与第一加热块1和第二加热块2的内侧面弧度相应，第一加热块1和第二加热块2交错围设在芯体3的周圈组成的形状也为圆锥形。
第一加热块1内侧壁上枢接的第一连杆6为L型。
第一连杆6和第二连杆8的上部均开设有滑槽12，第一连杆6和第二连杆8与芯体3相枢接的销轴7插设在滑槽12内，销轴7能够在滑槽12内滑动，第一连杆6上滑槽12的长度大于第二连杆8上滑槽12的长度。
连接芯杆4的上部穿设在固定挡盘13的中间部位，固定挡盘13固连在外管15的内腔中，连接芯杆4的顶端固定在滑动挡盘14上，滑动挡盘14设在固定挡盘13的上方，滑动挡盘14能够在外管15的内腔中进行滑动。
本发明的工作原理：
当热熔钻头向下热熔钻进时，钻头始终与孔底接触，此时钻头表面为完整的圆锥形，钻头张开并保持始终大于钻具外管的直径进行钻进，因此钻孔直径大于钻具外管直径。
当完成热熔钻进需要提钻时，钻具外管15在地表设备提拉作用下首先向上运动，并带动固定挡盘13和芯体3同步向上运动，此时滑动挡盘14、连接芯杆4和芯体固定块5由于自重作用保持静止，同时芯体3上与第一加热块1和第二加热块2连接的销轴7将沿着第一连杆6和第二连杆8上的滑槽12进行滑动，此时第一加热块1和第二加热块2在自重作用下也保持静止。由于第二连杆8上的滑槽12较第一连杆6上的滑槽12短，因此芯体3上的连接销轴7在向上运动时，首先到达第二连杆8滑槽12的上限位，并通过第二连杆8带动第二加热块2开始向上运动，迫使第二加热块2本体脱离第一加热块1本体，并向内收拢。芯体3继续向上运动，当芯体3上沿与第一连杆6的“L”端接触后，迫使第一连杆6以销轴7为铰点发生转动，此时由于滑动挡盘14、连接芯杆4和芯体固定块5仍在自重作用下保持静止，因此第一加热块1上部将在第一连杆6作用下向内收缩，直至第一加热块1上部接触芯体3，或者滑动挡盘14接触固定挡盘13为止。此时热熔钻头为收缩状态，外径将小于钻具外管直径，因此在整个上提过程中钻具不会发生卡钻事故。
当热熔钻头下放至孔底开始钻进时，三个张开的第一加热块1首先接触孔底产生阻力停止向下运动，与之相连的芯体固定块5、连接芯杆4和滑动挡盘14随之停止下放。但钻具外管15和与之相连的固定挡盘13以及芯体3继续向下运动。第二连杆8连同悬吊着的第二加热块2一起跟着向下运动，直到第二加热块2的侧斜面和已经停止运动的第一加热块1的侧斜面接触，这时，第一加热块1的上表面和第二加热块2的上表面齐平。此刻，芯体3的上表面依然高于第一加热块1的上表面，依然可以自由下放。芯体3继续下行，直到芯体3外表面与第一加热块1和第二加热块2内表面完全贴合，促使第一加热块1和第二加热块2紧密贴合。同时，由于第一加热块1是沿底部的固定销轴7转动向外张开，当第一加热块1底部内台阶接触芯体固定块5下表面时，第一加热块1将停止向外张开，因此第一加热块1和第二加热块2在芯体3外表面和芯体固定块5下表面共同作用下将组成完整圆锥形热熔钻头。

Claims (6)

1.一种雪层钻进用可变径热熔钻头，其特征在于：包括有第一加热块、第二加热块、芯体和连接芯杆，其中第一加热块和第二加热块设置有数块，第一加热块和第二加热块交错设在芯体的周圈，连接芯杆穿设在芯体的中间部位，连接芯杆的下端固连有芯体固定块，第一加热块的内侧壁上枢接有第一连杆，第一连杆的上端通过销轴枢接在芯体的上部，第二加热块的内侧壁上枢接有第二连杆，第二连杆的上端通过销轴也枢接在芯体的上部，第一加热块的下部通过销轴枢接在芯体固定块的压杆上，第二加热块的下端为自由端，第一加热块和第二加热块的相邻侧壁的弧度相应，第一加热块和第二加热块能够紧密进行贴合。
2.根据权利要求1所述的一种雪层钻进用可变径热熔钻头，其特征在于：所述的第一加热块和第二加热块的材质均为紫铜，其中第一加热块内插设有第一加热棒和第二加热棒，第一加热棒插设有两根，第二加热棒插设在两根第一加热棒之间，第一加热棒的长度大于第二加热棒的长度，第二加热块内插设有一根第二加热棒。
3.根据权利要求1所述的一种雪层钻进用可变径热熔钻头，其特征在于：所述的芯体为圆锥形，芯体外侧面的弧度与第一加热块和第二加热块的内侧面弧度相应，第一加热块和第二加热块交错围设在芯体的周圈组成的形状也为圆锥形。
4.根据权利要求1所述的一种雪层钻进用可变径热熔钻头，其特征在于：所述的第一加热块内侧壁上枢接的第一连杆为L型。
5.根据权利要求1所述的一种雪层钻进用可变径热熔钻头，其特征在于：所述的第一连杆和第二连杆的上部均开设有滑槽，第一连杆和第二连杆与芯体相枢接的销轴插设在滑槽内，销轴能够在滑槽内滑动，第一连杆上滑槽的长度大于第二连杆上滑槽的长度。
6.根据权利要求1所述的一种雪层钻进用可变径热熔钻头，其特征在于：所述的连接芯杆的上部穿设在固定挡盘的中间部位，固定挡盘固连在外管的内腔中，连接芯杆的顶端固定在滑动挡盘上，滑动挡盘设在固定挡盘的上方，滑动挡盘能够在外管的内腔中进行滑动。
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