CN110821397A - 热融式井壁水平取芯钻具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热融式井壁水平取芯钻具，包括有电动机、驱动机构、弯曲机构、套管和取芯钻头，其中电动机设在套管内腔的顶部，驱动机构设在电动机的下部并与电动机相连接，驱动机构由电动机进行驱动，弯曲机构的顶端铰接在驱动机构的下部，弯曲机构插设在导向管内，弯曲机构在驱动机构的带动下能够在导向管内进行移动，导向管的出口对应套管侧壁上的导向孔位置处设置，取芯钻头铰接在弯曲机构的底端,取芯钻头能够在弯曲机构的推动下从导向孔伸出到达取冰芯位置处。有益效果：能够实现取芯工具伸入冰钻孔侧壁进行取芯钻进；热融式取芯钻头通过电线直接和地表设备相连，整套钻具的机械结构简单而易于加工，成本低。

Description

热融式井壁水平取芯钻具
技术领域
本发明涉及一种取芯钻具，特别涉及一种热融式井壁水平取芯钻具。
背景技术
目前，对于极地冰层的研究，通过在已经形成的钻孔的侧壁进行取芯来增加单次钻进可采取的样本长度，是十分重要的方法。井壁取芯技术在石油钻井领域发展较为成熟、应用较为广泛，而专用于极地钻探井壁取芯的钻具尚且没有。
Christopher J.G.，Johnson J.A.，Shturmakov A.J.等人，在原有深冰芯钻机(Deep Ice Sheet Coring Drill)的基础上，研制了深冰芯重复取芯钻具(DISC/ReplicateCoring Drill)的机械机构。该钻具结构能够从大直径主井身中进行重复取芯和斜孔钻进工作。然而，此种钻具系统复杂而昂贵，而且只能够在DISC主井身(170mm)中进行钻进工作，并不能实现伸入冰孔侧壁进行钻进取芯。
因此，需要一种井壁取芯工具，能够实现在极地钻探已形成的钻孔中，在冰层的特定深度，伸入冰孔侧壁进行取芯，针对极地冰层中有特殊价值的冰层进行取样工作，从而避免新开钻孔进行钻进，节省研究成本并优化钻进操作。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的空白，为了能够在已形成的冰层钻孔内进行水平方向的井壁取芯而提供的一种热融式井壁水平取芯钻具。
本发明提供的热融式井壁水平取芯钻具包括有电动机、驱动机构、弯曲机构、套管和取芯钻头，其中电动机设在套管内腔的顶部，驱动机构设在电动机的下部并与电动机相连接，驱动机构由电动机进行驱动，弯曲机构的顶端铰接在驱动机构的下部，弯曲机构插设在导向管内，弯曲机构在驱动机构的带动下能够在导向管内进行移动，导向管的出口对应套管侧壁上的导向孔位置处设置，取芯钻头铰接在弯曲机构的底端,取芯钻头能够在弯曲机构的推动下从导向孔伸出到达取冰芯位置处。
套管的上部设置有电动机室，电动机装配在电动机室内，套管的顶端设置有顶盖，顶盖上设置有吊环和穿线孔，套管的内腔中装配有固定块，导向管插设在固定块内，导向管通过固定块进行固定。
驱动机构是由螺杆和螺管组成，其中螺杆与电动机相连接并由电动机驱使进行转动，螺管的内侧壁上设置有与螺杆相匹配的螺纹结构，螺管螺接在螺杆上，螺杆转动过程中带动螺管进行上下运动，螺管的下部插设在导向管的上部，螺管上下运动时驱使弯曲机构在导向管内同步运动，螺管的侧壁纵向上开设有数条贯通的第一通道。
弯曲机构为单向弯曲机构，弯曲机构是由数个连接管串联组成，相邻的连接管之间相铰接，每个连接管的侧壁纵向上均开设有数条贯通的第二通道，连接管侧壁上的第二通道与螺管侧壁上的第一通道相对应。
导向管是由直管和弯曲管两部分组成，导向管的上部为直管，导向管的下部为弯曲管，导向管上部的直管部分与套管同轴，导向管下部弯曲管部分与上部直管部分的弯曲角度为90°，导向管的出口设置在套管壁上的导向孔处。
取芯钻头为热融式钻头，取芯钻头为厚壁圆筒形，取芯钻头的侧壁内沿轴向均匀设置有数个非贯通通孔，通孔的位置与弯曲机构上连接管上的第二通道的位置相对应，取芯钻头内外径和弯曲机构上的连接管内外径相同，取芯钻头的顶端与弯曲机构的底端相铰接，取芯钻头能够相对于弯曲机构进行转动。
上述的电动机和取芯钻头均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
本发明提供的热融式井壁水平取芯钻具为取芯钻头伸出套管外壁进行钻进，其中单向弯曲机构和热融式取芯钻头构成钻进工具，驱动机构和电动机组成动力结构，导向管为弯曲机构进行导向。
当电动机启动并开始旋转时，螺杆由于上下位移被限定，只能随电动机进行转动。螺管内壁通过螺纹连接螺杆，螺管下部插入导向管上部的直管部分，实现导向管对于螺管的定位和固定作用，由于这种固定作用限定了螺管的回转，当电动机正转后，螺杆旋转，动力传给螺管，使螺管在导向管上部的直管内向下移动。螺管的底端与弯曲机构的顶端相铰接，从而带动钻进工具向下移动并使取芯钻头伸出套管外壁。在热融式取芯钻头接触冰层之后，螺杆对于下方的单向弯曲机构和热融式取芯钻头提供向冰层钻进的钻压，从而开始钻进工作。
钻进结束后，电动机反转，钻进工具缩回，钻得的冰芯随钻进工具一起被带回，在经过套管侧壁上导向孔的位置时，冰芯受到径向的剪力被切断为小块，带回钻具内储存。
本发明提供的取芯钻具能够实现在极地钻探已形成的钻孔中，在冰层的特定深度，伸入冰孔侧壁进行取芯，针对极地冰层中有特殊价值的冰层，进行取样工作，从而避免新开钻孔进行钻进，节省研究成本并优化钻进操作。
本发明的有益效果：
本发明提供的热融式井壁水平取芯钻具通过导向管和单向弯曲机构，能够实现取芯工具伸入冰钻孔侧壁进行取芯钻进；热融式取芯钻头通过电线直接和地表设备相连，整套钻具的机械结构简单而易于加工，成本低；热融式取芯钻头的钻进稳定，能够有效避免在岩心钻探火药击发井壁取心和机械钻进井壁取心中常出现的岩心破碎现象；单向弯曲机构能够根据需要连接新的单向弯曲单元，来增加长度，进而获得需要的单次取芯长度。
附图说明
图1为本发明所述热融式井壁水平取芯钻具的整体结构示意图。
图2为本发明所述驱动机构结构示意图。
图3为本发明所述导向管结构示意图。
图4为本发明所述弯曲机构结构示意图。
图5为本发明所述弯曲机构上的单个连接管主视图。
图6为本发明所述弯曲机构上的单个连接管立体结构示意图。
图7为本发明所述热融式取芯钻头结构示意图。
图8为本发明所述热融式井壁水平取芯钻具的工作状态示意图。
上图中的标注如下：
1、电动机2、驱动机构3、弯曲机构4、套管5、取芯钻头
6、导向管7、导向孔8、电动机室9、顶盖10、吊环11、穿线孔
12、固定块13、螺杆14、螺管15、第一通道16、连接管
17、第二通道18、通孔。
具体实施方式
请参阅图1至图8所示：
本发明提供的热融式井壁水平取芯钻具包括有电动机1、驱动机构2、弯曲机构3、套管4和取芯钻头5，其中电动机1设在套管4内腔的顶部，驱动机构2设在电动机1的下部并与电动机1相连接，驱动机构2由电动机1进行驱动，弯曲机构3的顶端铰接在驱动机构2的下部，弯曲机构3插设在导向管6内，弯曲机构3在驱动机构2的带动下能够在导向管6内进行移动，导向管6的出口对应套管4侧壁上的导向孔7位置处设置，取芯钻头5铰接在弯曲机构3的底端，取芯钻头5能够在弯曲机构3的推动下从导向孔7伸出到达取冰芯位置处。
套管4的上部设置有电动机室8，电动机1装配在电动机室8内，套管4的顶端设置有顶盖9，顶盖9上设置有吊环10和穿线孔11，套管4的内腔中装配有固定块12，导向管6插设在固定块12内，导向管6通过固定块12进行固定。
驱动机构2是由螺杆13和螺管14组成，其中螺杆13与电动机1相连接并由电动机1驱使进行转动，螺管14的内侧壁上设置有与螺杆13相匹配的螺纹结构，螺管14螺接在螺杆13上，螺杆13转动过程中带动螺管14进行上下运动，螺管14的下部插设在导向管6的上部，螺管14上下运动时驱使弯曲机构3在导向管6内同步运动，螺管14的侧壁纵向上开设有八条贯通的第一通道15。
弯曲机构3为单向弯曲机构，弯曲机构3是由二十三个连接管16串联组成，相邻的连接管16之间相铰接，每个连接管16的侧壁纵向上均开设有八条贯通的第二通道17，连接管16侧壁上的第二通道17与螺管14侧壁上的第一通道15相对应。
导向管6是由直管和弯曲管两部分组成，导向管6的上部为直管，导向管6的下部为弯曲管，导向管6上部的直管部分与套管4同轴，导向管6下部弯曲管部分与上部直管部分的弯曲角度为90°，导向管6的出口设置在套管4壁上的导向孔7处。
取芯钻头5为热融式钻头，取芯钻头5为厚壁圆筒形，取芯钻头5的侧壁内沿轴向均匀设置有八个非贯通通孔18，通孔18的位置与弯曲机构3上连接管16上的第二通道17的位置相对应，取芯钻头5内外径和弯曲机构3上的连接管16内外径相同，取芯钻头5的顶端与弯曲机构3的底端相铰接，取芯钻头5能够相对于弯曲机构3进行转动。
上述的电动机1和取芯钻头5均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
本发明提供的热融式井壁水平取芯钻具为取芯钻头5伸出套管4外壁进行钻进，其中单向弯曲机构3和热融式取芯钻头5构成钻进工具，驱动机构2和电动机1组成动力结构，导向管6为弯曲机构3进行导向。
当电动机1启动并开始旋转时，螺杆13由于上下位移被限定，只能随电动机1进行转动。螺管14内壁通过螺纹连接螺杆13，螺管14下部插入导向管6上部的直管部分，实现导向管6对于螺管14的定位和固定作用，由于这种固定作用限定了螺管14的回转，当电动机1正转后，螺杆13旋转，动力传给螺管14，使螺管14在导向管6上部的直管内向下移动。螺管14的底端与弯曲机构3的顶端相铰接，从而带动钻进工具向下移动并使取芯钻头5伸出套管4外壁。在热融式取芯钻头5接触冰层之后，螺杆13对于下方的单向弯曲机构3和热融式取芯钻头5提供向冰层钻进的钻压，从而开始钻进工作。
钻进结束后，电动机1反转，钻进工具缩回，钻得的冰芯随钻进工具一起被带回，在经过套管4侧壁上导向孔7的位置时，冰芯受到径向的剪力被切断为小块，带回钻具内储存。
本发明提供的取芯钻具能够实现在极地钻探已形成的钻孔中，在冰层的特定深度，伸入冰孔侧壁进行取芯，针对极地冰层中有特殊价值的冰层，进行取样工作，从而避免新开钻孔进行钻进，节省研究成本并优化钻进操作。

Claims (6)

1.一种热融式井壁水平取芯钻具，其特征在于：包括有电动机、驱动机构、弯曲机构、套管和取芯钻头，其中电动机设在套管内腔的顶部，驱动机构设在电动机的下部并与电动机相连接，驱动机构由电动机进行驱动，弯曲机构的顶端铰接在驱动机构的下部，弯曲机构插设在导向管内，弯曲机构在驱动机构的带动下能够在导向管内进行移动，导向管的出口对应套管侧壁上的导向孔位置处设置，取芯钻头铰接在弯曲机构的底端,取芯钻头能够在弯曲机构的推动下从导向孔伸出到达取冰芯位置处。
2.根据权利要求1所述的一种热融式井壁水平取芯钻具，其特征在于：所述的套管的上部设置有电动机室，电动机装配在电动机室内，套管的顶端设置有顶盖，顶盖上设置有吊环和穿线孔，套管的内腔中装配有固定块，导向管插设在固定块内，导向管通过固定块进行固定。
3.根据权利要求1所述的一种热融式井壁水平取芯钻具，其特征在于：所述的驱动机构是由螺杆和螺管组成，其中螺杆与电动机相连接并由电动机驱使进行转动，螺管的内侧壁上设置有与螺杆相匹配的螺纹结构，螺管螺接在螺杆上，螺杆转动过程中带动螺管进行上下运动，螺管的下部插设在导向管的上部，螺管上下运动时驱使弯曲机构在导向管内同步运动，螺管的侧壁纵向上开设有数条贯通的第一通道。
4.根据权利要求1或3所述的一种热融式井壁水平取芯钻具，其特征在于：所述的弯曲机构为单向弯曲机构，弯曲机构是由数个连接管串联组成，相邻的连接管之间相铰接，每个连接管的侧壁纵向上均开设有数条贯通的第二通道，连接管侧壁上的第二通道与螺管侧壁上的第一通道相对应。
5.根据权利要求1所述的一种热融式井壁水平取芯钻具，其特征在于：所述的导向管是由直管和弯曲管两部分组成，导向管的上部为直管，导向管的下部为弯曲管，导向管上部的直管部分与套管同轴，导向管下部弯曲管部分与上部直管部分的弯曲角度为90°，导向管的出口设置在套管壁上的导向孔处。
6.根据权利要求1所述的一种热融式井壁水平取芯钻具，其特征在于：所述的取芯钻头为热融式钻头，取芯钻头为厚壁圆筒形，取芯钻头的侧壁内沿轴向均匀设置有数个非贯通通孔，通孔的位置与弯曲机构上连接管上的第二通道的位置相对应，取芯钻头内外径和弯曲机构上的连接管内外径相同，取芯钻头的顶端与弯曲机构的底端相铰接，取芯钻头能够相对于弯曲机构进行转动。
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