CN110500057A - 一种带内螺旋双管岩心取心钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿产资源采集领域，特别是涉及一种带内螺旋双管岩心取心钻具，其包括接头、外管、传动导流块、内管以及钻头，其中，接头呈管状；外管与接头对接；传动导流块设置于外管内且靠近接头设置；内管通过传动导流块套设于外管内且内管和外管能够相对转动，内管的内表面上设置有螺旋导向条；钻头呈管状且对接安装于外管的自由端上，钻头封堵外管与内管之间的环形腔且钻头上开设有连通环形腔与外界环境的排流孔。并且，传动导流块上开设有连通接头的内部与环形腔的导流孔，传动导流块上还开设有连通内管的内部与外界环境的排水孔。内管的螺旋导向条对岩心有向上的输送力，从而有效地解决了岩心在钻管内卡堵的问题。

Description

一种带内螺旋双管岩心取心钻具

技术领域

本发明涉及矿产资源采集领域，特别是涉及一种带内螺旋双管岩心取心钻具。

背景技术

海洋是人类的巨大宝库，蕴藏着大量的资源，除海水中氢、氧、氯、钠、镁、钙、钾、金、铀、溴、碘等80多种元素外，海底矿产资源亦极为丰富。富钴结壳主要分布在1000～3000m深度的海山或海台的顶部和斜坡上；热液多金属的硫化物主要分布在水深2600m的活动洋脊顶部。富钴结壳和热液多金属的硫化物等海底矿产资源的资源调查中，需要采集取样。

在热液多金属的硫化物等松散易碎地层钻进中，传统的单动双管钻具取心时，松散破碎的岩心极易堵在岩心管内，一旦出现卡堵易造成岩心只在钻头处磨损，岩心无法进入内管，还易损坏钻头和其内部组件。传统的单动双管钻具提取岩心时是靠卡簧夹断岩心然后提取岩心。而对于松散破碎地层，卡簧无法发挥其作用，卡簧处也容易被岩心卡堵。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种带内螺旋双管岩心取心钻具，旨在解决现有取心钻具易卡堵的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的带内螺旋双管岩心取心钻具包括：

接头，所述接头呈管状；

外管，所述外管与所述接头对接；

传动导流块，所述传动导流块设置于所述外管内且靠近所述接头设置；

内管，所述内管通过所述传动导流块套设于所述外管内且所述内管和所述外管能够相对转动，所述内管的内表面上设置有螺旋导向条；以及

钻头，所述钻头呈管状且对接安装于所述外管的自由端上，所述钻头封堵所述外管与所述内管之间的环形腔且所述钻头上开设有连通所述环形腔与外界环境的排流孔；

其中，所述传动导流块上开设有连通所述接头的内部与所述环形腔的导流孔，所述传动导流块上还开设有连通所述内管的内部与外界环境的排水孔。

优选地，所述传动导流块包括基板、设置于所述基板一侧面上的安装环以及设置于所述安装环内的行星齿轮组，所述基板固定安装于所述外管内，所述内管的一端通过所述行星齿轮组转动安装于所述安装环内。

优选地，所述行星齿轮组包括内齿圈、与所述内齿圈同轴设置的太阳齿轮、转动安装于所述基板上的行星架以及通过行星架设置于所述内齿圈与所述太阳齿轮之间的多个行星齿轮，所述行星齿轮分别与所述内齿圈、所述太阳齿轮啮合，所述内齿圈固定安装于所述安装环内，所述内管固定安装于所述太阳齿轮上。

优选地，所述基板的边缘开设有导流槽，所述导流槽与所述外管配合形成所述导流孔；

和/或，所述排水孔的数量为多个，且多个所述排水孔间隔分布于所述安装环上，所述外管上开设有与所述排水孔对应连通的连通孔。

优选地，所述螺旋导向条的内径大于或等于所述钻头的内径。

优选地，所述外管的外表面上设置有扩孔器，所述钻头通过所述扩孔器安装于所述外管上。

优选地，所述排流孔的数量为多个，且多个所述排流孔沿所述钻头的周向间隔分布于所述钻头的管壁内；

和/或，所述排流孔包括引流段和排流槽，所述引流段的延伸方向与所述钻头的轴向平行且连通所述环形腔与所述排流槽，所述排流槽分布于所述钻头的自由端面且沿所述钻头的径向延伸至所述钻头的外表面。

另外，本发明还提供一种带内螺旋双管岩心取心钻具，其包括：

接头，所述接头呈管状；

外管，所述外管与所述接头对接；

固定导流块，所述固定导流块固定设置于所述外管内且靠近所述接头设置；

内管，所述内管固定安装于所述固定导流块上且套设于所述外管内，所述内管的内表面上设置有螺旋导向条；以及

钻头，所述钻头呈管状且对接安装于所述外管的自由端上，所述钻头封堵所述外管与所述内管之间的环形腔且所述钻头上开设有连通所述环形腔与外界环境的排流孔；

其中，所述固定导流块上开设有连通所述接头的内部与所述环形腔的导流孔，所述固定导流块上还开设有连通所述内管的内部与外界环境的排水孔。

优选地，所述带内螺旋双管岩心取心钻具还包括阻挡环，所述阻挡环设置于所述内管与所述钻头之间，以能够防止进入所述内管内的岩心掉出。

优选地，所述阻挡环包括卡设于所述内管与所述钻头之间的卡接环和设置于所述卡接环上的多瓣阻挡瓣，多瓣所述阻挡瓣沿所述卡接环的周向间隔分布，且多瓣所述阻挡瓣的自由端在所述内管内相互靠拢。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：首先，内管内部设有螺旋导向条，螺旋旋向与钻具旋转方向形成向上的输送方向；例如当螺旋方向为顺时针方向，钻具顺时针转动时，内管的螺旋导向条对岩心有向上的输送力，从而有效地解决了岩心在钻管内卡堵的问题。

其次，从接头导入的冲洗液，经过传动导流块或固定导流块的导流孔分流后，进入内管和外管之间的环形腔中，再经过钻头的排流孔从钻头刀具中间流出，由于钻头中间存在导流孔，冲洗液由内向钻头外周边冲洗，以提升钻具的钻探效率。内管通过传动导流块与外管转动连接或固定导流块与外管刚性连接，岩心进入内管后，内管的水通过排水孔排出钻具外，以提升单次取心时岩心的有效含量，也能保证岩心的完整性。其中，导流孔与排水孔互不相通各自起作用，导流孔是连通接头与内管和外管之间的夹层，排水孔是连通内管与钻具的外部，从而得到优化的导流和排水策略，以适应不同的取心工况。

附图说明

图1为本发明的一种带内螺旋双管岩心取心钻具的剖视示意图；

图2为图1中的带内螺旋双管岩心取心钻具的上部的剖视放大示意图；

图3为图1中的带内螺旋双管岩心取心钻具的下部的剖视放大示意图；

图4为图1中的带内螺旋双管岩心取心钻具的内管的剖视示意图；

图5为本发明的另一种带内螺旋双管岩心取心钻具的剖视示意图；

图6为图5中的带内螺旋双管岩心取心钻具的上部的剖视放大示意图；

图7为图5中的行星齿轮组的放大示意图。

【附图标记说明】

100、101：带内螺旋双管岩心取心钻具；1：接头；2：固定导流块；21、81：基板；22、82：安装环；23：导流孔；24：排水孔；3：外管；31：环形腔；4：内管；41：螺旋导向条；5：扩孔器；6：阻挡环；61：卡接环；62：阻挡瓣；7：钻头；71：排流孔；711：引流段；712：排流槽；8：传动导流块；83：内齿圈；84：太阳齿轮；85：行星齿轮。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明提供一种带内螺旋双管岩心取心钻具100，其包括接头1、外管3、固定导流块2、内管4以及钻头7，其中，接头1呈管状；外管3与接头1对接；固定导流块2固定设置于外管3内且靠近接头1设置；内管4固定安装于固定导流块2上且套设于外管3内，内管4的内表面上设置有螺旋导向条41；钻头7呈管状且对接安装于外管3的自由端上，钻头7封堵外管3与内管4之间的环形腔31且钻头7上开设有连通环形腔31与外界环境的排流孔71。并且，固定导流块2上开设有连通接头1的内部与环形腔31的导流孔23，固定导流块2上还开设有连通内管4的内部与外界环境的排水孔24。其中，外管3、固定导流块2与内管4相互为固定安装，可以跟随取心设备进行整体驱动并使外管3与内管4做同步转动。

首先，内管4内部设有螺旋导向条41，螺旋旋向与带内螺旋双管岩心取心钻具100旋转方向形成向上的输送方向；例如当螺旋方向为顺时针方向(参见图4)，带内螺旋双管岩心取心钻具100顺时针转动时，内管4的螺旋导向条41对岩心有向上的输送力，从而有效地解决了岩心在钻管内卡堵的问题。或者，当螺旋导向条41的螺旋方向为逆时针方向，带内螺旋双管岩心取心钻具100逆时针转动时，内管4的螺旋导向条41对岩心也有向上的输送力。

其次，从接头1导入的冲洗液，经过固定导流块2的导流孔23分流后，进入内管4和外管3之间的环形腔31中，再经过钻头7的排流孔71从钻头7中流出，由于钻头7上存在导流孔23，冲洗液由内向钻头7的外周边冲洗，以提升钻具的钻探效率。内管4通过固定导流块2与外管3刚性连接，岩心进入内管4后，内管4的水通过固定导流块2的排水孔24排出钻具外，以提升单次取心时岩心的有效含量，也能保证岩心的完整性。其中，固定导流块2上的导流孔23与排水孔24互不相通各自起作用，导流孔23是连通接头1与内管4和外管3之间的夹层，排水孔24是连通内管4与钻具的外部，从而得到优化的导流和排水策略，以适应不同的取心工况。

为了更好地提升获得岩心，并防止进入内管4内的岩心再次掉出，带内螺旋双管岩心取心钻具100还可以包括阻挡环6，如图1和图3所示，阻挡环6设置于内管4与钻头7之间，以能够防止进入内管4内的岩心掉出。其中，阻挡环6具体沿轴线方向卡设于内管4的下端面和钻头7内的环状阶梯面之间，受到了上下挤压固定，从而保证安装的稳定性，而不会在取心工作的高速旋转过程中脱落。

其中，再次参见图3，阻挡环6可以包括卡设于内管4与钻头7之间的卡接环61和设置于卡接环61上的多瓣阻挡瓣62，多瓣阻挡瓣62沿卡接环61的周向间隔分布，且多瓣阻挡瓣62的自由端在内管4内相互靠拢。阻挡瓣62沿弧线延伸形成花瓣状结构，且多瓣阻挡瓣62在内管4内朝上部延伸，共同形成花苞形状。当岩心从钻头7进入时，会从下向上挤压阻挡瓣62，而使花苞形状的多瓣阻挡瓣62呈打开状态，当岩心通过阻挡瓣62的阻碍后，多瓣阻挡瓣62又重新恢复到花苞形状，从而可以防止进入内管4内的岩心再次掉出，以提高岩心取心的效率，也能够提升岩心取心的完整性。

进一步地，如图2所示，固定导流块2包括基板21以及设置于基板21一侧面上的安装环22，内管4的一端安装于安装环22内。其中，基板21的周缘可以适配地卡设安装于外管3内，或者固定导流块2与外管3也可以为一体成型。在优选的实施方式中，位于基板21下侧的安装环22内设置有内螺纹，内管4的上端与安装环22螺纹连接，接头1的下端也设置有外螺纹，而外管3的上端可以与接头1的下端螺纹连接。或者，在其他实施方式中，内管4的上端与安装环22或者外管3的上端可以与接头1的下端，还可以通过紧固件连接或者焊接等。

此外，基板21的边缘开设有导流槽，导流槽与外管3配合形成导流孔23(参见图2)，其中，导流孔23的数量可以为至少一个，且多个导流孔23间隔分布；同时，排水孔24的数量也可以为多个，且多个排水孔24间隔分布于安装环22上，外管3上开设有与排水孔24对应连通的连通孔。其中，在带内螺旋双管岩心取心钻具100的与轴线垂直的投影平面上，导流孔23不会与排水孔24重合，以防止冲洗液的流路与内管4的排水流路相互干涉，从而使冲洗液的流路与内管4的排水流路完全相互独立。

另外，如图3所示，螺旋导向条41的内径大于或等于钻头7的内径。内管4内部的螺旋导向条41形成的内径不小于钻头7的切削内径，如图3中的标尺，d1≥d2。如此设置可以使带内螺旋双管岩心取心钻具100在旋转过程中，减小由螺旋导向条41反馈的向下的反作用力，且内管4内有足够的空间容纳已经进入内管4内的岩心，以使得已经进入内管4内的岩心会更小程度地挤压正在从钻头7进入内管4的岩心，从而减少岩心从钻头7进入内管4内的阻碍，而且，钻头7的内径较小，还能够在一定程度上防止已经进入内管4内的岩心再次掉出来。

再次参见图2，外管3的外表面上设置有扩孔器5，钻头7通过扩孔器5安装于外管3上，可以使钻头7的安装更加牢固。而且，扩孔器5配合钻头7使用时能够修正钻孔的孔径，以防钻头7磨损而导致钻孔直径缩小时更换的新钻头7下不到孔底或被挤坏。此外，扩孔器5还能够起到稳定和扶正带内螺旋双管岩心取心钻具100的作用。

进一步地，再次参见图3，在优选的实施方式中，排流孔71的数量为多个，且多个排流孔71沿钻头7的周向间隔分布于钻头7的管壁内。通过多个排流孔71在带内螺旋双管岩心取心钻具100旋转过程中同时向岩心喷射冲洗液，可以减少钻头7在钻孔过程中的卡滞，以提升带内螺旋双管岩心取心钻具100的钻探效率。

其中，排流孔71可以包括引流段711和排流槽712，引流段711的延伸方向与钻头7的轴向平行且连通环形腔31与排流槽712，排流槽712分布于钻头7的自由端面且沿钻头7的径向延伸至钻头7的外表面。引流段711能够将从接头1引入并流经环形腔31的冲洗液导向排流槽712，引流段711的延伸方向为竖直向下(参照图3的方位)，不再设置弯道，从而可以使冲洗液的流动更加顺畅。而排流槽712为半开放的结构形式，即，冲洗液可以从钻头7的底部向下喷出，也可以沿钻头7的径向向外侧面喷出，在带内螺旋双管岩心取心钻具100高速旋转过程中的离心力的作用下，两个方向喷出的冲洗液会形成连续的螺旋的喷雾，从而提升对岩心的冲洗效果。

以下将以外管3、固定导流块2与内管4为固定安装方式为例，对本发明的带内螺旋双管岩心取心钻具100的工作过程进行详细描述，来进一步说明本发明的技术方案。

首先，将带内螺旋双管岩心取心钻具100通过接头1安装于取心设备上，取心设备再驱动带内螺旋双管岩心取心钻具100进行整体旋转(内管4和外管3同步旋转)并逐渐移动至靠近岩心；当钻头7靠近岩心时，开始从接头1向钻头7通入冲洗液，冲洗液会喷向岩心，帮助钻头7进行岩心钻孔。

然后，被钻头7捕获的岩心会冲破阻挡环6的阻挡进入内管4内，并在螺旋导向条41的向上输送力的作用下，逐渐向上输送，直至到达固定导流块2的附近，而岩心所带的水可以从排水孔24排出至外管3外。持续进行上述动作，直至岩心填满内管4内，之后取心设备向上提升，取下带内螺旋双管岩心取心钻具100，完成岩心取心工作。

进一步地，如图5和图6所示，本发明还提供另一种带内螺旋双管岩心取心钻具101，具体地，其包括接头1、外管3、传动导流块8、内管4以及钻头7，其中，接头1呈管状；外管3与接头1对接；传动导流块8设置于外管3内且靠近接头1设置；内管4通过传动导流块8套设于外管3内且内管4和外管3能够相对转动，内管4的内表面上设置有螺旋导向条41；钻头7呈管状且对接安装于外管3的自由端上，钻头7封堵外管3与内管4之间的环形腔31且钻头7上开设有连通环形腔31与外界环境的排流孔71。并且，传动导流块8上开设有连通接头1的内部与环形腔31的导流孔(与带内螺旋双管岩心取心钻具100的导流孔23相同)，传动导流块8上还开设有连通内管4的内部与外界环境的排水孔(与带内螺旋双管岩心取心钻具100的排水孔24相同)。其中，外管3与内管4相互为转动安装，可以使驱动机构通过多层级的连接管分别连接外管3或内管4，以使外管3与内管4能够相对转动。需要注意的是，本发明提供的一种带内螺旋双管岩心取心钻具100所具备的所有的结构和效果与另一种带内螺旋双管岩心取心钻具101的结构和效果基本相同，其区别仅仅在于固定导流块2与传动导流块8的结构和工作原理不同。

其中，再次参见图6，传动导流块8可以包括基板81、设置于基板81一侧面上的安装环82以及设置于安装环82内的行星齿轮组(未标示)，基板81固定安装于外管3内，内管4的一端通过行星齿轮组转动安装于安装环82内。由于行星齿轮组内部的各部件可以相对转动，将外管3与内管4分别安装于行星齿轮组的不同内部部件上，也可以使外管3与内管4实现相对转动。此外，在其他的实施方式中，还可以用轴承或其他可行的机构来代替行星齿轮组。当外管3与内管4相互为转动安装时，可以使驱动机构通过多层级的连接管分别连接外管3或内管4，以使外管3与内管4能够相对转动。

具体地，在优选的实施方式中，如图7所示，行星齿轮组包括内齿圈83、与内齿圈83同轴设置的太阳齿轮84、转动安装于基板上的行星架以及通过行星架设置于内齿圈83与太阳齿轮84之间的多个行星齿轮85，行星齿轮85分别与内齿圈83、太阳齿轮84啮合，内齿圈83固定安装于安装环82内，内管4固定安装于太阳齿轮84上。在行星齿轮组中，太阳齿轮84和内齿圈83能够基于不同的转速旋转，从而实现外管3与内管4的不同转速旋转，以提升带内螺旋双管岩心取心钻具101的取心效率。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于，所述带内螺旋双管岩心取心钻具包括：

接头，所述接头呈管状；

外管，所述外管与所述接头对接；

传动导流块，所述传动导流块设置于所述外管内且靠近所述接头设置；

内管，所述内管通过所述传动导流块套设于所述外管内且所述内管和所述外管能够相对转动，所述内管的内表面上设置有螺旋导向条；以及

钻头，所述钻头呈管状且对接安装于所述外管的自由端上，所述钻头封堵所述外管与所述内管之间的环形腔且所述钻头上开设有连通所述环形腔与外界环境的排流孔；

其中，所述传动导流块上开设有连通所述接头的内部与所述环形腔的导流孔，所述传动导流块上还开设有连通所述内管的内部与外界环境的排水孔。

2.如权利要求1所述的带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于：所述传动导流块包括基板、设置于所述基板一侧面上的安装环以及设置于所述安装环内的行星齿轮组，所述基板固定安装于所述外管内，所述内管的一端通过所述行星齿轮组转动安装于所述安装环内。

3.如权利要求2所述的带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于：所述行星齿轮组包括内齿圈、与所述内齿圈同轴设置的太阳齿轮、转动安装于所述基板上的行星架以及通过行星架设置于所述内齿圈与所述太阳齿轮之间的多个行星齿轮，所述行星齿轮分别与所述内齿圈、所述太阳齿轮啮合，所述内齿圈固定安装于所述安装环内，所述内管固定安装于所述太阳齿轮上。

4.如权利要求2所述的带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于：所述基板的边缘开设有导流槽，所述导流槽与所述外管配合形成所述导流孔；

和/或，所述排水孔的数量为多个，且多个所述排水孔间隔分布于所述安装环上，所述外管上开设有与所述排水孔对应连通的连通孔。

5.如权利要求1-4中任一项所述的带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于：所述螺旋导向条的内径大于或等于所述钻头的内径。

6.如权利要求1-4中任一项所述的带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于：所述外管的外表面上设置有扩孔器，所述钻头通过所述扩孔器安装于所述外管上。

7.如权利要求1-4中任一项所述的带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于：所述排流孔的数量为多个，且多个所述排流孔沿所述钻头的周向间隔分布于所述钻头的管壁内；

和/或，所述排流孔包括引流段和排流槽，所述引流段的延伸方向与所述钻头的轴向平行且连通所述环形腔与所述排流槽，所述排流槽分布于所述钻头的自由端面且沿所述钻头的径向延伸至所述钻头的外表面。

8.一种带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于，所述带内螺旋双管岩心取心钻具包括：

接头，所述接头呈管状；

外管，所述外管与所述接头对接；

固定导流块，所述固定导流块固定设置于所述外管内且靠近所述接头设置；

内管，所述内管固定安装于所述固定导流块上且套设于所述外管内，所述内管的内表面上设置有螺旋导向条；以及

钻头，所述钻头呈管状且对接安装于所述外管的自由端上，所述钻头封堵所述外管与所述内管之间的环形腔且所述钻头上开设有连通所述环形腔与外界环境的排流孔；

其中，所述固定导流块上开设有连通所述接头的内部与所述环形腔的导流孔，所述固定导流块上还开设有连通所述内管的内部与外界环境的排水孔。

9.如权利要求8所述的带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于：所述带内螺旋双管岩心取心钻具还包括阻挡环，所述阻挡环设置于所述内管与所述钻头之间，以能够防止进入所述内管内的岩心掉出。

10.如权利要求9所述的带内螺旋双管岩心取心钻具，其特征在于：所述阻挡环包括卡设于所述内管与所述钻头之间的卡接环和设置于所述卡接环上的多瓣阻挡瓣，多瓣所述阻挡瓣沿所述卡接环的周向间隔分布，且多瓣所述阻挡瓣的自由端在所述内管内相互靠拢。