CN111636838A - 复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具，它是在现有的S95绳索取心钻具基础上改造而成，保留了原S95绳索取心钻具的铰链式矛头机构、弹卡定位机构、到位报信机构、悬挂机构、单动机构、内管保护机构、内管调节机构、内管扶正机构，对原S95钻具的岩心堵塞报信机构、单向球阀部分、内管部分、岩心提断器、钻头五个部分的结构进行了技术升级改造。本发明在内管内设置衬管封隔卡簧或发夹的夹头，避免卡簧或发夹的夹头对软弱松散岩心进入衬管的扰动和阻拦，有利于保持岩心的原状性，降低堵心几率；经过改良常规底喷钻头的水路设计，既能有效封隔冲洗液对岩心的冲刷，又能提高清洗钻头唇面岩粉效果。
Description
技术领域
本发明涉及绳索取心钻具的改进技术(钻探取心技术)，特别是一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具，可广泛应用于矿山地质、工程地质、水文地质、环境地质等勘察部门的岩心钻探。
背景技术
传统的绳索取心钻具是双管单动钻进，采用卡簧自锁方式在提动钻具时卡取岩心。对于坚硬完整或一般裂隙地层，该钻具能够满足常规地质钻探的岩心质量要求，一般岩心采取率可达到90％以上；但是，对于节理发育、松散破碎、水敏性强的复杂地层，采用该钻具取心时，要想满足岩心质量要求则是非常困难。
传统的绳索取心钻具在软弱松散地层钻进中主要存在两个问题：一是岩心提断器中的卡簧和挡圈对岩心进入内管有一定的阻碍，该处是钻进堵心、磨心的关键部位，严重影响回次进尺量、岩心采取率及钻进效率。二是钻孔冲洗液从钻具内外管总成间隙流经钻头内水槽直接冲刷岩心，导致岩心被冲蚀或失去原状性，取出的岩心样品不具有代表性，影响人们对矿产资源或地层情况的正确分析和评价。
传统的绳索取心钻进工艺以其钻进效率高、钻孔质量好等诸多优越性，在国内外得到普遍应用。人们看好绳索取心钻进工艺的优势，为解决复杂地层取心质量问题，研制出以液动锤、反循环、半合管、爪簧、拦簧、隔水钻头等不同构件组合的众多绳索取心钻具。其目的不外乎：避免冲洗液对岩心的冲刷，保护岩心的原状性；提高钻具在复杂工况条件下的单动性，避免外管回转力作用岩心容纳管磨耗岩心；降低岩心容纳管内壁的摩擦系数，减轻钻进中不断增量的岩心进入岩心容纳管的摩擦阻力；对钻具施以高频振动，解除岩心的堵、卡应力；改变冲洗液的循环方式，避免岩屑、岩块自重下沉的挤压力对岩心容纳管内壁所产生的摩擦阻力。这些不同功能、目的的绳索取心钻具，对地层条件、钻孔口径及深度具有苛刻的选择性或局限性，对钻探设备、钻孔冲洗液等技术条件附有一定的特别要求。尽管在某些钻探领域解决了一些复杂地层取心质量问题，但是未能从根本上解决岩心提断器的卡心构件对岩心进入岩心容纳管的阻碍问题。现有隔水钻头大多采用底喷式结构，虽然能有效封隔冲洗液对岩心的冲刷，但是钻头唇面克取的部分岩粉未能及时被冲洗液清除，以至于钻头发生“泥垫”现象，降低了钻进效率。总观现有复杂地层绳索取心钻具，因各自功能结构问题仍然难以得到普及应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具。该钻具是在传统的S95绳索取心钻具基础上改进而成，保留了原S95绳索取心钻具的铰链式矛头机构1、弹卡定位机构2、到位报信机构3、悬挂机构4、单动机构12、内管保护机构14、内管调节机构19、内管扶正机构35，对原S95钻具的岩心堵塞报信机构、单向球阀部分、内管部分、岩心提断器、钻头，五个部分的结构进行了技术升级改造，解决了绳索取心钻进工艺在复杂地层应用中，所谓“双隔”——“隔水”“隔卡”的关键技术问题。
本发明的技术方案：一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具，包括岩心堵塞报信机构、单向球阀部分、内管部分、岩心提断器、钻头，所述内管部分包括与调节接头20下端的内螺纹连接的中空结构的悬挂接头22，悬挂接头22下端的外螺纹连接有内管33，悬挂接头22内腔的中间固定有横板，所述横板上设置有中心孔和通水孔；所述横板的中心孔上穿有一根悬挂轴25，悬挂轴25通过其上端的防松螺母23悬挂于横板上，悬挂轴25上套有开卡弹簧24，开卡弹簧24位于悬挂轴25底端的弹簧座与所述横板间；悬挂轴25底端的弹簧座下固定有L形挂钩26，L形挂钩26的横向部分设有开口长槽，攻丝钢球27置于L形挂钩26的横向部分的开口长槽上；攻丝钢球27连接有调节螺杆28，调节螺杆28的下部螺纹连接有锥接头32，调节螺杆28上配有锁紧在锥接头32上端面的调节螺母29；所述锥接头32上部为外螺纹柱，中间为下底面直径大的圆锥体，下部为圆柱体，锥接头32的圆锥体上配有同锥度的锥接套31并由外螺纹柱上的背帽30锁紧，锥接头32的外螺纹柱上布有通水孔，通水孔与锥接头32的轴心孔相通；在内管33内腔布置有一根衬管34，所述衬管34为沿轴向开膛的壁厚≤1㎜的薄壁不锈钢管，其顶部为锥形，锥形部分压紧于锥接头32与锥接套31的圆锥部分，开膛的衬管34弹性张开后贴于内管33内壁上。
所述岩心提断器为卡簧式岩心提断器或发夹式岩心提断器。所述卡簧式岩心提断器由箍紧于衬管34下部的卡簧37(由于衬管34轴向开膛后具有一定弹性，卡簧37依靠衬管34张力和摩擦力固定，卡簧37是从衬管34下端套入)、连接于内管33下端外螺纹上的卡簧座38组成，卡簧37悬于卡簧座38内腔，卡簧37的顶端顶住内管33下端外螺纹的底端。
所述发夹式岩心提断器由发夹座43、发夹40、发夹室42、防卡套41组成；发夹座43为一环形圈，所述环形圈的外表面从上至下依次为圆柱面、倒圆锥面(下底面直径小，锥度1：2)、凸出的圆柱面(底部台阶)及底端外倒角，在发夹座43上端的圆柱面、倒圆锥面上，均布有三个以上轴向的发夹座铣槽43-1；在发夹座铣槽43-1中布置有夹尾40-1朝下夹头40-2指向轴心的发夹40；所述发夹室42为圆筒状，发夹室42的下部挤压至发夹座43底部台阶上，让发夹室42、发夹40的夹尾40-1、发夹座43三者之间成紧配合(发夹室42的外径与发夹座43底部台阶外径相等)，发夹室42的上端内螺纹与内管33下端外螺纹连接在一起；所述防卡套41为圆筒状(外径65mm，壁厚0.2～0.3mm)，箍紧于衬管34下部(由于衬管34轴向开膛后具有一定弹性，防卡套41依靠衬管34张力和摩擦力固定，防卡套41从衬管34下端套入)，发夹40的夹头40-2夹在防卡套41的外表面上，防卡套41的底端与衬管34底端平齐，衬管34底端与发夹座43顶端留有2～4mm的悬挂间隙，由调节螺杆28调整衬管34的悬挂高度；发夹座43底端与钻头39内台阶留有2～4mm的悬挂间隙，由调节接头20调整发夹座43的悬挂高度，发夹座43与钻头39内壁有环状间隙(0.6mm)。防卡套41的作用是防止衬管34与发夹40发生相对转动时，夹头40-2卡在衬管34轴向开缝内。
所述钻头39包括钻头体39-7和与之胶结一体的胎体39-9，胎体39-9底部设有六个以上均布的喷水槽39-5，喷水槽39-5深度为胎体高度的1/2，每个喷水槽39-5槽底并列有二个通水孔39-1，通水孔39-1的顶端与内外管间的环状空隙连通；在钻头体39-7外表面紧连胎体39-9的下部位还设置有下底面直径小上底面直径大的过水锥面39-2，锥度为1：23；钻头体39-7上端设有与扩孔器36下端的外螺纹连接的内螺纹；
所述喷水槽39-5是从胎体39-9底部距离胎体内壁4mm的位置向外切出的小方槽。
所述钻头39的胎体39-9唇面形状为单阶梯(现有技术)，胎体39-9上设有外水槽39-3、内水槽39-4及底水口39-6(现有技术)，外水槽39-3、内水槽39-4及底水口39-6与喷水槽39-5连通，胎体39-9均分成六个以上胎块，内水槽39-4及底水口39-6的过水断面深度较同等外径的常规钻头减小1/2，其目的不是通水，而是便于湿润岩粉从该通道排入喷水槽39-5，从而避免钻取岩粉粘糊在胎体唇面上。
所述岩心堵塞报信机构包括顶端固定于接头5上的中心轴13、套于中心轴13外并与接头5滑动配合的滑套8、与滑套8下部螺纹连接的调节螺栓10及锁定螺母11，在调节螺栓10与接头5之间的中心轴13上，从下往上套有调压垫圈9和压力弹簧7；所述压力弹簧7的参数为：弹簧丝直径d＝6.5mm，弹簧中径D＝52mm，自由高度H0＝90mm，节距P＝15.4mm，有效圈数n＝5，总圈数n1＝7.5，预压力F1＝380N，最大工作载荷F2＝1000N。
所述单向球阀部分包括弹簧套18下部的螺纹孔，调节接头20上部与弹簧套18下部的螺纹孔配合在一起，调节接头20中心通水孔的顶端配有钢球17，钢球17的顶面配有扶正弹簧座16，在扶正弹簧座16与弹簧套18下部螺纹孔的顶端之间布置有扶正弹簧15。
本发明的有益效果：
(1)在内管内设置衬管封隔卡簧或发夹的夹头，避免卡簧或发夹的夹头对软弱松散岩心进入衬管的扰动和阻拦，有利于保持岩心的原状性，降低堵心几率。
(2)选用薄壁不锈钢管制作衬管(岩心容纳管)，因其内、外壁光滑，摩擦系数小，有利于岩心在管内通行；有利于衬管相对内管旋转，减缓外管回转力作用内管对岩心的冲击力，降低岩心磨耗；有利于衬管贴在内管壁沿轴向滑动，避免卡簧或发夹的夹头因未能解封而导致采心失败。所述衬管因其壁簿，且紧贴内管壁，占据内管空间小，与其它同口径三层管钻具比较，有利于缩减钻头胎体厚度，降低钻头切削面，提高钻进速度。
(3)发夹式岩心提断器，适用于砂砾层、黏土层、煤层、断层破碎带等软弱、松散的复杂地层；发夹货源广泛、成本低廉，发夹式岩心提断器可根据钻进地层情况，临时更换发夹规格和数量，与拦簧式岩心提断器比较，更具经济性、灵活性和适用性。
(4)卡簧式岩心提断器，适用于一般性破碎地层和完整岩层。虽然其适应性与常规卡簧式岩心提断器类同，但是与发夹式岩心提断器选择使用，有利于应对复杂多变地层的取心问题，提高钻具的普适性能。
(5)在内管内设置的挂钩等部件，既可以悬挂衬管并转动，又便于衬管取出和退心操作，进而避免操作过程中对衬管和岩心样品的伤害。
(6)岩心堵塞报信机构，可以通过增减调压垫圈数量，调节压力弹簧的预压力，还可以根据岩心磨损情况，通过更换不同弹性能力的压力弹簧来适应地层变化的需要，有利于避免正常钻进时，间隙性发出错误的岩心堵塞信号，或岩心堵管时未发出岩心堵塞信号，从而误判孔内钻进情况，导致采心失败，或无症状岩心磨耗。
(7)在单向球阀上端增设扶正弹簧和扶正弹簧座，有利于防止斜孔钻进时，钢球在重力和离心力作用下跳动，导致单向球阀闭水不严，冲洗液从调节接头内孔进入衬管冲刷岩心。
(8)经过改良常规底喷钻头的水路设计，既能有效封隔冲洗液对岩心的冲刷，又能提高清洗钻头唇面岩粉效果。
(9)本发明实施效果，选用1.35m长的衬管,选用发夹式岩心提断器和孕镶金刚石阶梯底喷钻头清水钻进，在某矿区断层破碎带地层中试验16回次，进尺18.03m，平均机械钻速1.64m·h-1，平均回次进尺1.07m，最低岩心采取率86.67％，平均岩心采取率94.68％；选用1.70m长的衬管,选用卡簧式岩心提断器和孕镶金刚石阶梯底喷钻头清水钻进，在某勘查区白垩纪粉砂岩的破碎地层中试验14回次，进尺20.46m，平均机械钻速2.32m·h-1，平均回次进尺1.46m，最低岩心采取率91.19％，平均岩心采取率97.90％。
附图说明
图1是本发明的结构示意图(岩心提断器为卡簧式)。
图2是本发明的卡簧式岩心提断器与相邻件的结构示意图。
图3是图2中A-A剖示图。
图4是图2中卡簧的结构示意图。
图5是本发明的发夹式岩心提断器及其相邻件的结构示意图。
图6是图5中B-B剖示图。
图7是图5中发夹的结构示意图。
图8是图5中发夹座的结构示意图。
图9是本发明钻头的结构示意图(沿图10中C-O-C旋转剖示图)。
图10是图9的仰视图。
图11是组装本发明的发夹式岩心提断器的发夹装配器的结构示意图。
图12是图11中D-D剖示图(俯视)。
图13是本发明退岩心时退心板安装在衬管上端锥接头螺纹柱上的状态图。
图14是通过引套安装本发明的发夹式岩心提断器的防卡套的示意图。
图15是拆卸本发明衬管时使用的衬管取出器的结构示意图。
附图中：1-铰链式矛头机构，2-弹卡定位机构，3-到位报信机构，4-悬挂机构，5-接头，6-弹性销，7-压力弹簧，8-滑套，9-调压垫圈，10-调节螺栓(螺柱)，11-锁定螺母，12-单动机构(轴承及轴承座)，13-中心轴，14-内管保护机构，15-扶正弹簧，16-扶正弹簧座，17-钢球，18-弹簧套，19-内管调节机构，20-调节接头，21-外管，22-悬挂接头，23-防松螺母，24-开卡弹簧，25-悬挂轴，26-挂钩，27-攻丝钢球，28-调节螺杆，29-调节螺母，30-背帽(螺帽)，31-锥接套，32-锥接头，33-内管，34-衬管，35-内管扶正机构(扶正环)，36-扩孔器；
37-卡簧，37-1-卡簧外槽，37-2-卡簧切口，37-3-卡簧开口，37-4-三角螺纹；
38-卡簧座；
39-钻头，39-1-通水孔，39-2-过水锥面，39-3-外水槽，39-4-内水槽，39-5-喷水槽，39-6-底水口，39-7-钻头体，39-8-保径材料，39-9-胎体；
40-发夹，40-1-夹尾(更宽端)，40-2-夹头(尖端)；
41-防卡套；
42-发夹室；
43-发夹座，43-1-发夹座铣槽；
44-推力球轴承，45-螺母，46-支撑盘，47-支撑板，48-托盘，49-压盘，50-支撑垫圈，51-定位套，52-丝杆，53-退心板，54-引套，55-卡瓦，56-卡块，57-压力杆，58-顶力杆，59-顶力管，60-插销。
图中箭头表示运动方向或视图投影方向。
具体实施方式
本发明是在现有的S95绳索取心钻具基础上改造而成，保留了原S95绳索取心钻具的铰链式矛头机构1、弹卡定位机构2、到位报信机构3、悬挂机构4、单动机构12、内管保护机构14、内管调节机构19、内管扶正机构35，对原S95钻具的岩心堵塞报信机构、单向球阀部分、内管部分、岩心提断器、钻头五个部分的结构进行了技术升级改造，具体如下：
(1)岩心堵塞报信机构
参考图1，岩心堵塞报信机构包括滑套8、压力弹簧7、调压垫圈9，压力弹簧7及调压垫圈9套在中心轴13上，位于滑套8内。中心轴13上端与接头5下端销连接，中心轴13下端连接单动机构12和内管保护机构14。滑套8上端套在接头5下端，滑套8下端与调节螺栓10螺纹连接并由锁定螺母11锁紧。压力弹簧7上端顶在接头5下端，调压垫圈9置于压力弹簧7与调节螺栓10之间。压力弹簧7的参数：弹簧丝直径d＝6.5mm，弹簧中径D＝52mm，自由高度H0＝90mm，节距P＝15.4mm，有效圈数n＝5，总圈数n1＝7.5，预压力F1＝380N，最大工作载荷F2＝1000N。
(2)单向球阀部分
参考图1，单向球阀布置于弹簧套18下端的螺纹孔内，包括扶正弹簧15、扶正弹簧座16、钢球17，钢球17位于调节接头20中心通水孔的顶端，扶正弹簧座16下端顶在钢球17顶面，扶正弹簧15上端坐于弹簧套18下端的螺纹孔顶端，扶正弹簧15下端坐于扶正弹簧座16上端。弹簧套18上端与单动机构12中的轴承座螺纹连接，弹簧套18下端的螺纹孔与调节接头20上端为螺纹连接。
(3)内管部分
参考图1，所述内管部分包括与调节接头20下端的内螺纹连接的中空结构的悬挂接头22，悬挂接头22下端的外螺纹连接有内管33，悬挂接头22内腔的中间固定有横板，所述横板上设置有中心孔和通水孔；所述横板的中心孔上穿有一根悬挂轴25，悬挂轴25通过其上端的防松螺母23悬挂于横板上，悬挂轴25上套有开卡弹簧24，开卡弹簧24位于悬挂轴25底端的弹簧座与所述横板间(开卡弹簧24的工作行程和预压力由防松螺母23调节)；悬挂轴25底端的弹簧座下固定有L形(纵向正面投影)挂钩26，L形挂钩26的横向部分设有开口长槽(里侧为半圆，外侧为开口)，攻丝钢球27置于L形挂钩26的横向部分的开口长槽上；攻丝钢球27连接有调节螺杆28，调节螺杆28的下部螺纹连接有锥接头32，调节螺杆28上配有调节螺母29；所述锥接头32上部为外螺纹柱，中间为下底面直径大的圆锥体(锥度为1：6)，下部为圆柱体，锥接头32的圆锥体上配有同锥度的锥接套31并由外螺纹柱上的背帽30锁紧，锥接头32的外螺纹柱上布有通水孔，通水孔与锥接头32的轴心孔相通；在内管33中布置有一根衬管34，所述衬管34为沿轴向开膛(以衬管直径为参考，一边切开另一边不切开)的外径63mm、壁厚0.7mm的薄壁不锈钢管，其顶部为锥形，锥形部分压紧于锥接头32与锥接套31的圆锥部分，开膛的衬管34紧贴于内管33内壁上。
衬管取出器及其使用方法和退岩心过程：
参考图15，所述衬管取出器是根据杠杆受力平衡原理进行设计，包括左右半圆卡瓦55，左右半圆卡瓦55的相向端各焊一块半圆环卡块56，在左半圆卡瓦55上铰接有压力杆57，在右半圆卡瓦55上铰接有顶力管59，同时顶力杆58的一端与压力杆57铰接，另一端可在顶力管59内腔滑动，顶力管59上方沿轴向布置有若干插销孔(5～7个，孔距20～30㎜)，并在其中一个插销孔上插上一根插销60。当使用衬管取出器时，顶力杆58活动端顶在顶力管59内腔的插销60部位。卡瓦55由钢管破开两半而成。
打捞取心时，内管总成从孔内打捞上来后，用自由钳将内管33上端螺纹从悬挂接头22下端螺纹中退出，并顺直平放在基台面上。用衬管取出器的一对左右卡瓦55上的卡块56，分别卡在悬挂接头22螺纹根部和内管33上端，然后将顶力杆58插入顶力管59内，并在靠近顶力管59铰链端的第一个插销孔(右侧)中插入插销60，手握压力杆57用力往下压，迫使衬管34从内管33上端往外退。每压一次，右侧卡瓦55后退一步，接着插销60向左侧的插销孔移一位，直至锥接头32的外螺纹露出能旋上退心板53的内螺纹。
参考图13，将内管部分中的攻丝钢球27、调节螺杆28及与其连接件从L形挂钩26的开口长槽上移出，然后将退心板53中间的内螺纹与锥接头32上的外螺纹配合上，对称敲击退心板53的底面，即可把锥接头32，及与锥接套31夹紧的衬管34从内管33的上端移出；立起由锥接头32与锥接套31夹紧的衬管34，用小榔头敲击(震动)退心板53，衬管34的容纳岩心便可从衬管34底端轻易落下(衬管34底端戴有防卡套41的，需事先卸去防卡套41)。
(4)岩心提断器
岩心提断器有二种配套形式：一种是卡簧式岩心提断器，另一种是发夹式岩心提断器。
参考图2、图3、图4，所述卡簧式岩心提断器，由箍紧于衬管34下部的卡簧37(由于衬管34轴向开膛后具有一定弹性，卡簧37依靠衬管34张力和摩擦力固定，卡簧37是从衬管34下端套入的)、连接于内管33下端外螺纹上的卡簧座38组成，卡簧37悬于卡簧座38内腔中，卡簧37的顶端顶住内管33下端外螺纹的底端。
所述卡簧37内壁车有牙深0.4mm,螺距1mm的三角螺纹37-4(只是增加摩擦力，不为连接用)，卡簧37的外壁下部为圆锥面，上部位为圆柱面，圆锥面的锥度为1：6，圆锥面的底端有外倒角；卡簧37的外壁上沿轴向均布9个卡簧外槽37-1，卡簧外槽37-1上设置有卡簧切口37-2，卡簧切口37-2的高度与卡簧37圆锥面的高度相同；卡簧开口37-3的夹角为18°(指卡簧开口37-3两边在同一水平面与轴心连线的夹角)；
所述卡簧座38内腔上部为与内管33下端外螺纹连接的内螺纹，下部为锥度1：6的圆锥面，底端有外倒角。卡簧座38底端与衬管34底端平齐，调节螺杆28可调整衬管34的高度；卡簧座38底端与钻头39内台阶有2～4mm的悬挂间隙，调节接头20可调整卡簧座38的悬挂高度，卡簧座38与钻头39内壁的环状间隙为0.6mm。
参考图5、图6、图7、图8，图7中的发夹40是女性常用的一种头部饰品，在百货店或小商品超市有售；发夹40材质为65Mn弹簧钢片，厚为0.2～0.3mm；成品发夹弯曲成弧形，表面有黑色烤漆，富有一定的弹性和防锈能力。
所述发夹式岩心提断器由发夹座43、发夹40、发夹室42、防卡套41组成；所述发夹座43为一环形圈(高度30～40mm)，所述环形圈的外表面从上至下依次为圆柱面、倒圆锥面(锥度1：2)、凸出的圆柱面(底部台阶)及底端外倒角，在凸出的圆柱面以上的圆柱面、倒圆锥面上均布六个轴向的发夹座铣槽43-1；在发夹座铣槽43-1中布置有夹尾40-1朝下夹头40-2指向轴心的发夹40；所述发夹室42为圆筒状，发夹室42的下部挤压至发夹座43底部台阶上，让发夹室42、发夹40的夹尾40-1、发夹座43三者之间成紧配合(发夹室42的外径与发夹座43底部台阶外径相等)，发夹室42的上端内螺纹与内管33下端外螺纹连接在一起；所述防卡套41为圆筒状(外径65mm，壁厚0.2～0.3mm)，箍紧于衬管34下部(由于衬管34轴向开膛后具有一定弹性，防卡套41依靠衬管34张力和摩擦力固定，防卡套41从衬管34下端套入)，发夹40的夹头40-2夹在防卡套41的外表面上，防卡套41的底端与衬管34底端平齐，衬管34底端与发夹座43顶端留有2～4mm的悬挂间隙，调节螺杆28可调整衬管34的悬挂高度；发夹座43底端与钻头39内台阶有2～4mm的悬挂间隙，调节接头20可调整发夹座43的悬挂高度，发夹座43与钻头39内壁有环状间隙(0.6mm)。防卡套41的作用是防止衬管34与发夹40发生相对转动时，夹头40-2卡在衬管34轴向开缝内。
发夹装配器及发夹式岩心提断器的组装工序(不包括防卡套41)：
参考图11、图12，发夹装配器包括丝杆52、与丝杆52下端螺纹连接的托盘48，所述托盘48的顶面固定有一同轴心的定位套51，丝杆52的下端还配有锁紧托盘48的下端螺母45；在托盘48之上的丝杆52上,自下而上依次套有若干支撑垫圈50(2.5mm厚的支撑垫圈≥9个)、一个支撑板47、一个支撑盘46，支撑盘46之上的丝杆52上,自下而上套有一个推力球轴承44、配有一个中间螺母45；在中间螺母45之上的丝杆52上,自下而上套有一个压盘49、一个推力球轴承44、配有一个上端螺母45。
所述支撑盘46底面设有一同轴心的向下凸台，组装时，发夹40的夹头40-2顶在支撑盘46底面的凸台根部。
发夹式岩心提断器利用发夹装配器组装，发夹式岩心提断器的组装工序：①把托盘48套在丝杆52下端，再用下端螺母45套在丝杆52下端，并将托盘48锁紧(托盘48顶面焊接有同轴心的定位套51)；②从丝杆52上端，依次套上发夹座43、支撑垫圈50、支撑板47，发夹座43置于托盘48顶面的定位套51内，支撑垫圈50从托盘48顶面依次叠起；③按发夹40的夹尾40-1朝下，夹头40-2指向轴心的方位，把发夹40插入发夹座43上的发夹座铣槽43-1(一般均布有三至六个)中固定，根据发夹40长度调整支撑垫圈50的数量(发夹长度为45毫米时，放置9个厚度2.5mm的支撑垫圈)；④再从丝杆52上端依次套上支撑盘46、推力球轴承44，拧上中间螺母45，使发夹40稳定；⑤然后从丝杆52上端依次套上发夹室42、压盘49、推力球轴承44，戴上上端螺母45；⑥扶正发夹室42至正中位置，旋紧压盘49上的上端螺母45，强行把发夹室42挤压至发夹座43底部台阶上，让发夹室42、发夹40的夹尾40-1、发夹座43，三者之间形成紧配合；⑦松开丝杆52上的压盘49上端螺母45并退出，取出推力球轴承44、压盘49，再松开丝杆52上的支撑盘46上的中间螺母45并退出，取出推力球轴承44、支撑盘46，然后取出发夹式岩心提断器，在发夹座铣槽43-1内，注入502瞬间粘结剂即可。
发夹式岩心提断器安装到钻具上的步骤：
参考图14，①把防卡套41从衬管34底端套在衬管34上，并使防卡套41底端与衬管34底端平齐；②把引套54(引套54为漏斗状，两端一大一小，一边沿轴向剖开，可以径向自由伸缩大小)小端从发夹式岩心提断器上端插入由三至六个发夹40的夹头40-2围成的束口中；③从发夹式岩心提断器底端，一手握住引套54小端，引套54大端套在防卡套41下端，另一手握住发夹式岩心提断器，沿轴向向上推进少许，借助引套54的漏斗状曲面部位，逐渐撑开发夹40束口，使套在衬管34下端的防卡套41引入发夹式岩心提断器内；④从发夹式岩心提断器底端抽出引套54，然后拧紧内管33与发夹室42的螺纹副；⑤测量衬管34底端至发夹座43顶端的悬挂间隙，如果测量间距在2～4mm范围，则发夹式岩心提断器安装结束；如果不在这一范围，则需要从悬挂接头22下端螺纹上退出内管33，抽出锥接头32及其连接件，由调节螺杆28调整衬管34底端至发夹座43顶端的悬挂间隙；再从内管33下端退出发夹式岩心提断器，重复上述①—④安装步骤，即可完成发夹式岩心提断器的安装。
(5)钻头
参考图9、图10，所述钻头39包括钻头体39-7和与之胶结一体的胎体39-9。胎体39-9有八个喷水槽39-5(喷水槽39-5是从胎体39-9底部距离胎体内壁4mm的位置向外切出的小方槽，切入深度为胎体高度的1/2)。每个喷水槽39-5槽底并列有二个通水孔39-1，通水孔39-1的顶端与内外管间的环状空隙连通；在钻头体39-7外表面紧连胎体39-9的下部位还设置有下底面直径小上底面直径大的过水锥面39-2，锥度为1：23；钻头体39-7上端的内螺纹与扩孔器36下端的外螺纹连接。
所述钻头39的胎体唇面形状为现有技术的单阶梯，胎体39-9保留了常规绳索取心钻头的外水槽39-3、内水槽39-4及底水口39-6，外水槽39-3、内水槽39-4及底水口39-6与喷水槽39-5贯通，胎体39-9均分成八个胎块，内水槽39-4及底水口39-6的过水断面深度较同等外径的常规钻头减小1/2，其目的不是通水，而是便于湿润岩粉从该通道排入喷水槽39-5，从而避免钻取岩粉粘糊在胎体唇面上。
本发明在正常钻进时，由于岩心提断器底端与钻头体39-7内腔的环状间隙小，通水阻力大，内水槽39-4和底水口39-6易被湿润岩粉堵塞，迫使流经内外管环状空隙的冲洗液导入通水孔39-1，然后从喷水槽39-5孔口喷出；冲孔后的冲洗液携带岩粉从外水槽39-3、过水锥面39-2及钻具与孔壁的环状间隙再返回到地面，由此避开了冲洗液对钻取岩心的冲刷。
所述钻头39有二种配套类型：一种是孕镶金刚石阶梯底喷钻头，另一种是表镶聚晶阶梯底喷钻头。二种类型钻头的外形结构基本相同，只是胎体39-9镶钳的切削具(金刚石或金刚石聚晶)不同。
所述孕镶金刚石阶梯底喷钻头的选用参数：胎体硬度(HRC)30～35，金刚石粒度46～80目，金刚石浓度100％。保径材料39-8为方柱状金刚石聚晶；胎体39-9的每个胎块的内、外径上至少分布2排金刚石聚晶，每排2～3粒，规格为2mm×2mm×4mm。
所述表镶聚晶阶梯底喷钻头的胎体硬度(HRC)为20～30，金刚石聚晶(圆柱锥体)的直径为3.5mm，保径材料39-8与所述孕镶金刚石阶梯底喷钻头相同。
硬、脆、碎复杂地层，选用孕镶金刚石阶梯底喷钻头；软弱、松散复杂地层，选用表镶聚晶阶梯底喷钻头。
所述钻头39在使用中，若有数个通水孔39-1被堵，但能保证正常钻进中的冲洗液畅通，说明所述钻头39在该孔段钻进时，在给定钻进泵量条件下的通水孔39-1数量过多，冲洗液流经未堵通水孔39-1所具备的流速和势能足以有效冲洗孔底——清除所在喷水槽39-5内的岩粉。在现行施工技术条件下，为了进一步地清除被堵通水孔39-1所在喷水槽39-5及就近胎块唇面岩粉，宜对钻进泵量或钻头的通水孔39-1数量和分布状况作重新调整。调整方法是：①若被堵通水孔39-1个数大于2/3，则先疏通被堵通水孔39-1，然后在每个喷水槽39-5上用木塞堵一个通水孔39-1，钻进时宜增大上一回次给定泵量的0.5～1.0倍；②若被堵通水孔39-1个数大于1/3小于2/3，同样先疏通被堵通水孔39-1，然后在每个喷水槽39-5上用木塞堵一个通水孔39-1，只不过钻进时的泵量宜比上一回次增大0～0.5倍；③若被堵通水孔39-1个数小于1/3，疏通被堵通水孔39-1后，每间隔一个喷水槽39-5用木塞堵塞一个通水孔39-1，所需钻进泵量与上一回次保持不变。
钻孔取心的工作过程：
(1)将本发明钻具与配套绳索取心钻杆连接，通过钻机降至孔底。冲洗液在泥浆泵动力作用下进入钻杆内腔，从接头5的通水孔流出，然后进入外管21与内管33的环状间隙，经钻头39的通水孔39-1喷出。冲洗液冲刷孔底后，携带喷水槽39-4中的聚集岩粉再经钻头39的外水槽39-2及所述钻具与孔壁之间的环状间隙上返至地面。
(2)所述钻具在钻机的动力带动下回转钻进，当所述钻具配带所述卡簧式岩心提断器时，初出岩心经钻头39直接进入衬管34内(衬管34底端与卡簧座38底端平齐)；当所述钻具配带所述发夹式岩心提断器时，初出岩心经钻头39、发夹座43进入衬管34内。
(3)衬管34内的冲洗液在岩心的排挤压力作用下，依次流经锥接头32外螺纹柱上的通水孔、悬挂接头22横板上的通水孔、调节接头20内孔，顶开钢球17，进入弹簧套18下端螺纹孔，然后从旁通溢流孔排出，再次从外管21与内管33的环状间隙流向孔底。
(4)当衬管34装满岩心或发生岩心堵管时，岩心作用衬管34的轴向顶力逐渐加大后，开卡弹簧24被压缩，衬管34或衬管34带动防卡套41一起上移，卡簧37或发夹40被解封，卡簧37或发夹40在自身弹力作用下环抱岩心。
(5)当岩心对内管部分的轴向顶力克服压力弹簧7的弹力后，滑套8上移封堵接头5上的通水孔，导致泵压升高，发出岩心堵塞报警信号。
(6)根据岩心堵塞报警信号，停钻、打捞取心。压力弹簧7在提升钻具时失去岩心轴向顶力，推动内管33往下移，同时开卡弹簧24推动衬管34、卡簧37往下移。钻具在提升力作用下，卡簧37环抱岩心紧贴卡簧座38圆锥面继续往下移，致使卡簧座38顶在钻头39内台阶强力提断岩心(完整岩心)；发夹40的夹头40-2在开卡弹簧24的弹力和岩心重力作用下被迫束口提断岩心(软弱松散岩心)。
(7)卸开主杆，移开钻机，开启绳索取心绞车，从钻杆内下放用钢丝绳连接的打捞钩，把钻具的内管总成捞上地面。
(8)退心作业完成后，内管总成又从钻杆内自由投放至孔底，然后进行下一轮钻进取心。
说明书中所涉及的上、下、左、右、顶、底等方位词是以零部件位于图中位置以及零部件相互之间的位置来定义的，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
本发明实施例只提供了2种岩心提断器，还可设置成双簧一体式卡心构件等多种形式的岩心提断器。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具，包括岩心堵塞报信机构、单向球阀部分、内管部分、岩心提断器、钻头，其特征是：所述内管部分包括与调节接头(20)下端的内螺纹连接的中空结构的悬挂接头(22)，悬挂接头(22)下端的外螺纹连接有内管(33)，悬挂接头(22)内腔的中间固定有横板，所述横板上设置有中心孔和通水孔；所述横板的中心孔上穿有一根悬挂轴(25)，悬挂轴(25)通过其上端的防松螺母(23)悬挂于横板上，悬挂轴(25)上套有开卡弹簧(24)，开卡弹簧(24)位于悬挂轴(25)底端的弹簧座与所述横板间；悬挂轴(25)底端的弹簧座下固定有L形挂钩(26)，L形挂钩(26)的横向部分上设有开口长槽，攻丝钢球(27)置于L形挂钩(26)的横向部分的开口长槽上；攻丝钢球(27)连接有调节螺杆(28)，调节螺杆(28)的下部螺纹连接有锥接头(32)，调节螺杆(28)上配有锁紧在锥接头(32)上端面的调节螺母(29)；所述锥接头(32)上部为外螺纹柱，中间为下底面直径大的圆锥体，下部为圆柱体，锥接头(32)的圆锥体上配有同锥度的锥接套(31)并由外螺纹柱上的背帽(30)锁紧，锥接头(32)的外螺纹柱上布有通水孔，通水孔与锥接头(32)的轴心孔相通；在内管(33)中布置有一根衬管(34)，所述衬管(34)为沿轴向开膛的壁厚＜1㎜的薄壁不锈钢管，其顶部为锥形，锥形部分压紧于锥接头(32)与锥接套(31)的圆锥部分，开膛的衬管(34)弹性张开后贴于内管(33)内壁上。
2.根据权利要求1所述的一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具，其特征是：所述岩心提断器为卡簧式岩心提断器或发夹式岩心提断器；
所述卡簧式岩心提断器由箍紧于衬管(34)下部的卡簧(37)、连接于内管(33)下端外螺纹上的卡簧座(38)组成，卡簧(37)悬于卡簧座(38)内腔中，卡簧(37)的顶端顶住内管(33)下端外螺纹的底端；
所述发夹式岩心提断器由发夹座(43)、发夹(40)、发夹室(42)、防卡套(41)组成；所述发夹座(43)为一环形圈，所述环形圈的外表从上至下依次为圆柱面、倒圆锥面、凸出的圆柱面及底端外倒角，在所述凸出的圆柱面以上的圆柱面、倒圆锥面上均布三个以上轴向的发夹座铣槽(43-1)；在发夹座(43)上的发夹座铣槽(43-1)中布置有夹尾(40-1)朝下夹头(40-2)指向轴心的发夹(40)；所述发夹室(42)为圆筒状，发夹室(42)的下部挤压至发夹座(43)底部所述凸出的圆柱面台阶上，让发夹室(42)、发夹(40)的夹尾(40-1)、发夹座(43)三者之间成紧配合，发夹室(42)的上端内螺纹与内管(33)下端外螺纹连接在一起；所述防卡套(41)为0.2～0.3mm薄壁圆筒，箍紧于衬管(34)下部，发夹(40)的夹头(40-2)夹在防卡套(41)的外表面上，防卡套(41)的底端与衬管(34)底端平齐，衬管(34)底端与发夹座(43)顶端留有2～4mm的悬挂间隙，由调节螺杆(28)调整衬管(34)的悬挂高度；发夹座(43)底端与钻头(39)内台阶有2～4mm的悬挂间隙，由调节接头(20)调整发夹座(43)的悬挂高度，发夹座(43)与钻头(39)内壁留有0.6mm的环状间隙。
3.根据权利要求1所述的一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具，其特征是：所述钻头(39)包括钻头体(39-7)和与之胶结一体的胎体(39-9)，胎体(39-9)底部设有六个以上均布的喷水槽(39-5)，喷水槽(39-5)深度为胎体高度的1/2，每个喷水槽(39-5)槽底并列有二个通水孔(39-1)，通水孔(39-1)的顶端与内外管间的环状空隙连通；在钻头体(39-7)外表面紧连胎体(39-9)的下部位还设置有下底面直径小上底面直径大的过水锥面(39-2)，锥度为1：23；钻头体(39-7)上端设有与扩孔器(36)下端的外螺纹连接的内螺纹；
所述喷水槽(39-5)是从胎体(39-9)底部距离胎体内壁4mm的位置向外切出的小方槽。
4.根据权利要求1所述的一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具，其特征是：所述岩心堵塞报信机构包括顶端固定于接头(5)上的中心轴(13)、套于中心轴(13)外并与接头(5)滑动配合的滑套(8)、与滑套(8)下部螺纹连接的调节螺栓(10)及锁定螺母(11)，在调节螺栓(10)与接头(5)之间的中心轴(13)上从下往上套有调压垫圈(9)和压力弹簧(7)；所述压力弹簧(7)的参数为：弹簧丝直径d＝6.5mm，弹簧中径D＝52mm，自由高度H0＝90mm，节距P＝15.4mm，有效圈数n＝5，总圈数n1＝7.5，预压力F1＝380N，最大工作载荷F2＝1000N。
5.根据权利要求1所述的一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具，其特征是：所述单向球阀部分包括弹簧套(18)下部的螺纹孔，调节接头(20)上部与弹簧套(18)下部的螺纹孔配合在一起，调节接头(20)中心通水孔的顶端配有钢球(17)，钢球(17)的顶面配有扶正弹簧座(16)，在扶正弹簧座(16)与弹簧套(18)下部螺纹孔的顶端之间布置有扶正弹簧(15)。
6.根据权利要求2所述的一种复杂地层双隔自锁式三层管绳索取心钻具，其特征是：所述卡簧(37)内壁车有牙深0.4mm,螺距1mm的三角螺纹(37-4)，卡簧(37)的外壁下部为圆锥面，上部位为圆柱面，所述圆锥面的锥度为1：6，圆锥面的底端有外倒角；卡簧(37)的外壁上沿轴向均布九个以上卡簧外槽(37-1)，卡簧外槽(37-1)上设置有卡簧切口(37-2)，卡簧切口(37-2)的高度与卡簧(37)圆锥面的高度相同；卡簧开口(37-3)的夹角为18°；
所述卡簧座(38)内腔上部设有与内管(33)下端外螺纹连接的内螺纹，下部为锥度1：6的圆锥面，底端有外倒角，卡簧座(38)底端与衬管(34)底端平齐，由调节螺杆(28)调整衬管(34)的悬挂高度；卡簧座(38)底端与钻头(39)内台阶有2～4mm的悬挂间隙，由调节接头(20)调整卡簧座(38)的悬挂高度，卡簧座(38)与钻头(39)内壁留有0.6mm的环状间隙。
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