CN112145079B - 一种定向取芯工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种定向取芯工具，包括外壳、钻头、下支点轴承组件、偏心组件、上悬臂轴承组件和芯轴，芯轴为中空结构，所述芯轴穿过偏心组件且两端分别与下支点轴承组件和上悬臂轴承组件连接，上悬臂轴承组件远离芯轴的一端与钻杆连接，下支点轴承组件远离芯轴的一端与钻头连接；下支点轴承组件包括壳体、定子机构、转子机构、第一支撑件、第二支撑件和驱动轴，所述壳体为空心柱状结构，所述驱动轴穿过壳体且输出端与钻头连接，而远离钻头的一端与芯轴连接，第一支撑件设置在驱动轴和壳体之间，第二支撑件设置在第一支撑件和壳体之间，所述定子机构与转子机构配合设置，且安装在第一支撑件和驱动轴之间。本发明能够完成定向取芯钻进作业。

Description

一种定向取芯工具
技术领域
本发明涉及地质勘探技术领域的定向取芯工具，具体涉及一种定向取芯工具。
背景技术
定向取芯工具可根据预定轨迹实现定向钻进，同时连续不断地获取岩芯样品，可用于超前地质勘探领域。应用定向取芯工具可减小隧道建设风险，及时查出问题围岩和地下水位置，还可为海底隧道等长大隧道的可行性研究、设计和施工等提供有效的数据支撑。
现有的定向取芯工具多为指向钻头式工具，将偏心机构直接或间接偏置连接在钻头的主轴上，使其弯曲来控制钻头方向。然而，指向钻头式定向工具结构复杂，其轴承组件要求径向安装空间大且会限制芯轴的倾斜，无法将芯轴的倾斜完全传递到钻头，严重降低取芯钻进效率，无法适应地质勘探领域取芯作业环境，且因采用油润滑，需要严格的密封系统，结构复杂。
专利号为CN101586440B的发明专利公开了一种指向式旋转导向钻井工具，它包括一两端通透的中空外壳，外壳通过其上端的母扣与一空心钻铤相连通；外壳下端内插设有一空心芯轴，芯轴上部的杯状端口紧贴在外壳内壁上，紧挨杯状端口的芯轴上部外壁上由上至下依次环套固定有一上浮动密封总成和一支撑芯轴用的上浮动轴承；芯轴贯穿一安装固定在外壳内壁上的偏心机构；芯轴下端伸出外壳外，依次与一空心旋转头和一钻头相连接；外壳下端空腔内紧贴芯轴的外壁上由下至上依次环套有一下密封总成和一下固定轴承，下密封总成和下固定轴承均固定连接外壳的内壁和芯轴。但该发明所用下固定轴承限制了芯轴的倾斜，无法将芯轴的倾斜完全传递到钻头。且该轴承采用油润滑形式，对密封要求严格。
专利号为EP1308599A2的发明专利公开了一种支持定向钻孔的防旋转装置，包括了一种支点轴承组件，由1个调心滚子轴承和2个推力调心滚子轴承组成，用于支撑旋转钻井轴，并允许钻头在任何期望的方向上倾斜并且相对自由地旋转。但该发明所述轴承组件要求较大的径向安装空间，且受地质取芯直径限制，其导向系统复杂，尚不能适应地质取芯作业环境。此外，该支点轴承组件采用油润滑形式，其密封系统非常复杂。
综上所述，急需一种定向取芯工具以解决现有技术中存在的轴承组件限制了芯轴倾斜、径向安装空间大以及密封系统复杂的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种定向取芯工具，具体技术方案如下：
一种定向取芯工具，包括外壳、钻头、下支点轴承组件、偏心组件、上悬臂轴承组件和芯轴，所述钻头设置在所述外壳的端部，所述下支点轴承组件、偏心组件、上悬臂轴承组件和芯轴均设置在所述外壳中，所述芯轴为中空结构，所述芯轴穿过所述偏心组件且两端分别与下支点轴承组件和上悬臂轴承组件连接，所述上悬臂轴承组件远离芯轴的一端与钻杆连接，所述下支点轴承组件远离芯轴的一端与钻头连接；
所述下支点轴承组件包括壳体、定子机构、转子机构、第一支撑件、第二支撑件和驱动轴，所述壳体为空心柱状结构，所述驱动轴穿过所述壳体且输出端与钻头连接，而远离钻头的一端与芯轴连接，所述驱动轴用于将定向取芯工具产生的扭矩传递至钻头，所述第一支撑件设置在所述驱动轴和壳体之间，所述第二支撑件设置在所述第一支撑件和壳体之间，所述定子机构与转子机构配合设置，且安装在所述第一支撑件和驱动轴之间。
优选的，在所述壳体上与所述第一支撑件接触的位置设有一号凹球面，对应的，在所述第一支撑件上设有与一号凹球面匹配的一号凸球面，所述一号凸球面与一号凹球面之间间隙配合设置。
优选的，在所述第二支撑件上与所述第一支撑件接触的位置设有二号凹球面，对应的，在所述第一支撑件上设有与二号凹球面匹配的二号凸球面，所述二号凸球面与二号凹球面之间间隙配合设置。
优选的，所述一号凸球面设置在定子机构的一侧，所述二号凸球面设置在转子机构的一侧。
优选的，所述定子机构包括定子基体和一号PDC滚子，所述定子基体为空心主体结构且与所述第一支撑件连接，所述一号PDC滚子的数量为多个且环向活动设置在所述定子基体上。
优选的，所述转子机构包括转子基体和二号PDC滚子，所述转子基体为空心主体结构且与所述驱动轴连接，所述二号PDC滚子的数量为多个且环向活动设置在所述转子基体上。
优选的，所述定子基体与所述第一支撑件间的连接形式包括销传动或键传动或多边形传动。
优选的，所述转子基体与所述驱动轴间的连接形式包括销传动或键传动或多边形传动。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明所述下支点轴承组件中，定子机构与转子机构配合设置，用于旋转和支撑芯轴，所述驱动轴用于将定向取芯工具产生的扭矩传递至钻头，在所述第一支撑件上分别设有与一号凹球面、二号凹球面匹配的一号凸球面、二号凸球面，所述一号凸球面与一号凹球面之间以及所述二号凸球面与二号凹球面之间间隙配合设置，使所述第一支撑件在驱动轴作用下在壳体内能够任意方向上转动，实现芯轴倾斜的功能。所述芯轴通过所述驱动轴与钻头连接，进而实现钻头在任意方向倾斜，以改变钻头的钻进方向，完成定向取芯钻进作业。此外，所述第一支撑件对定子机构和转子机构具有支撑作用，提高了定向取芯工具的整体稳定性。
(2)本发明中所述一号PDC(聚晶金刚石复合片)滚子和二号PDC滚子均为平面推力轴承，比起传统的调心滚子轴承和推力调心滚子轴承，需要的径向安装空间小，可承受一定轴向力，有利于减小取芯钻头的作业面积，大幅提高钻进效率。此外，一号PDC滚子和二号PDC滚子均为平面推力轴承，能够在泥浆环境中正常工作，只需要采用钻井液冷却和润滑，不需要复杂的密封系统，大大简化了定向取芯工具的结构。
(3)本发明中所述偏心组件用于压弯芯轴产生径向位移。所述偏心组件到下支点轴承组件的距离和偏心组件到上悬臂轴承组件的距离比例越小，使芯轴产生越大的挠度，从而实现更大的倾斜角度。所述上悬臂轴承组件用于固定支撑芯轴，避免芯轴的弯曲传递到钻杆。
(4)本发明中所述下支点轴承组件能够承受一定推力，结构简单，装配方便，且可允许芯轴高速旋转，提高了钻头旋转切削破岩效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1的定向取芯工具钻进作业时的结构示意图，其中(a)图为直线钻进作业图，(b)图为定向钻进作业图；
图2是图1中下支点轴承组件的整体结构示意图；
图3是图2中下支点轴承组件的剖视图；
图4是图2中第一支撑件的结构示意图；
图5是图3中定子机构的结构示意图；
图6是图3中转子机构的结构示意图；
其中，1、外壳，2、钻头，3、下支点轴承组件，3.1、壳体，3.1.1、一号凹球面，3.2、定子机构，3.2.1、定子基体，3.2.2、一号PDC滚子，3.3、转子机构，3.3.1、转子基体， 3.3.2、二号PDC滚子，3.4、第一支撑件，3.4.1、一号凸球面，3.4.2、二号凸球面，3.5、第二支撑件，3.5.1、二号凹球面，3.6、驱动轴，4、偏心组件，5、上悬臂轴承组件，6、芯轴，01、钻杆，02、孔壁。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图1，一种定向取芯工具，包括外壳1(图1中外壳1的指示位置为外壳1的凸起部分)、钻头2、下支点轴承组件3、偏心组件4、上悬臂轴承组件5和芯轴6，所述钻头2设置在所述外壳1的端部，所述下支点轴承组件3、偏心组件4、上悬臂轴承组件5 和芯轴6均设置在所述外壳1中，所述芯轴6为中空结构，所述芯轴6穿过所述偏心组件 4且两端分别与下支点轴承组件3和上悬臂轴承组件5连接，所述上悬臂轴承组件5远离芯轴6的一端与钻杆01连接，所述下支点轴承组件3远离芯轴6的一端与钻头2连接；
参见图2-6，所述下支点轴承组件3包括壳体3.1、定子机构3.2、转子机构3.3、第一支撑件3.4、第二支撑件3.5和驱动轴3.6，参见图2-3，所述壳体3.1为空心柱状结构，所述驱动轴3.6穿过所述壳体3.1且输出端与钻头2连接，而远离钻头2的一端与芯轴6连接，所述驱动轴3.6用于将定向取芯工具产生的扭矩传递至钻头2，所述第一支撑件3.4为筒状结构，且环向设置在所述驱动轴3.6和壳体3.1之间，参见图3，所述第二支撑件3.5 为筒状结构，且环向设置在所述第一支撑件3.4和壳体3.1之间，所述定子机构3.2与转子机构3.3配合设置，且安装在所述第一支撑件3.4和驱动轴3.6之间，用于旋转和支撑芯轴 6。
参见图3，在所述壳体3.1上与所述第一支撑件3.4接触的位置设有一号凹球面3.1.1，对应的，在所述第一支撑件3.4上设有与一号凹球面3.1.1匹配的一号凸球面3.4.1，所述一号凸球面3.4.1与一号凹球面3.1.1之间间隙配合设置。
参见图3，在所述第二支撑件3.5上与所述第一支撑件3.4接触的位置设有二号凹球面 3.5.1，对应的，在所述第一支撑件3.4上设有与二号凹球面3.5.1匹配的二号凸球面3.4.2，所述二号凸球面3.4.2与二号凹球面3.5.1之间间隙配合设置。
参见图3，所述一号凸球面3.4.1设置在定子机构3.2的一侧，所述二号凸球面3.4.2 设置在转子机构3.3的一侧。
在所述第一支撑件3.4上分别设有与一号凹球面3.1.1、二号凹球面3.5.1匹配的一号凸球面3.4.1、二号凸球面3.4.2，所述一号凸球面3.4.1与一号凹球面3.1.1之间以及所述二号凸球面3.4.2与二号凹球面3.5.1之间间隙配合设置，使所述第一支撑件3.4在驱动轴 3.6作用下在壳体3.1内能够任意方向上转动，实现芯轴6倾斜的功能。所述芯轴6通过所述驱动轴3.6与钻头2连接，进而实现钻头2在任意方向倾斜，以改变钻头2的钻进方向，完成定向取芯钻进作业。此外，所述第一支撑件3.4对定子机构3.2和转子机构3.3具有支撑作用，提高了定向取芯工具的整体稳定性。
参见图5，所述定子机构3.2包括定子基体3.2.1和一号PDC滚子3.2.2，所述定子基体3.2.1为空心主体结构且与所述第一支撑件3.4连接，所述一号PDC滚子3.2.2的数量为多个且环向活动设置在所述定子基体3.2.1上。
参见图6，所述转子机构3.3包括转子基体3.3.1和二号PDC滚子3.3.2，所述转子基体3.3.1为空心主体结构且与所述驱动轴3.6连接，所述二号PDC滚子3.3.2的数量为多个且环向活动设置在所述转子基体3.3.1上。
所述定子基体3.2.1与所述第一支撑件3.4间的连接形式包括销传动或键传动或多边形传动。
所述转子基体3.3.1与所述驱动轴3.6间的连接形式包括销传动或键传动或多边形传动。
所述一号PDC滚子3.2.2和二号PDC滚子3.3.2均为平面推力轴承，比起传统的调心滚子轴承和推力调心滚子轴承，需要的径向安装空间小，可承受一定轴向力，有利于减小取芯钻头2的作业面积，大幅提高钻进效率。此外，一号PDC滚子3.2.2和二号PDC滚子 3.3.2均为平面推力轴承，能够在泥浆环境中正常工作，只需要采用钻井液冷却和润滑，不需要复杂的密封系统，大大简化了定向取芯工具的结构。
实施例1中所述下支点轴承组件3能够承受一定推力，结构简单，装配方便，且可允许芯轴6高速旋转，提高了钻头2旋转切削破岩效率。所述偏心组件4用于压弯芯轴6产生径向位移。所述偏心组件4到下支点轴承组件3的距离和偏心组件4到上悬臂轴承组件 5的距离比例越小，使芯轴6产生越大的挠度，从而实现更大的倾斜角度。所述上悬臂轴承组件5用于固定支撑芯轴6，避免芯轴6的弯曲传递到钻杆01。
参见图1的 (b)，实施例1在定向取芯钻进时，首先，调整所述偏心组件4，偏心组件4 压弯芯轴6，使得芯轴5在偏心组件4位置处发生径向位移。此时，所述上悬臂轴承组件 5用于固定支撑芯轴6，避免芯轴6的弯曲传递到钻杆01，而在所述下支点轴承组件3处，芯轴6的弯曲将传递到钻头2，即钻头1随着芯轴6的弯曲产生侧向倾角。钻头2产生侧向倾角后，所述定向取芯工具将扭矩传递至钻杆01，钻杆01将扭矩传递至芯轴6，通过下支点轴承组件3再将扭矩传递至钻头1，从而实现定向取芯工具的旋转切削功能。
实施例1在定向取芯钻进时，钻井液流入钻杆01内部，依次经过上悬臂轴承组件5、芯轴6和下支点轴承组件3，在钻头2处流出，到达孔底后返回，沿着定向取芯工具的外壳1和孔壁02之间流出。
参见图1的 (a)，实施例1所述的定向取芯工具也可用于直线钻进作业。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种定向取芯工具，其特征在于，包括外壳、钻头、下支点轴承组件、偏心组件、上悬臂轴承组件和芯轴，所述钻头设置在所述外壳的端部，所述下支点轴承组件、偏心组件、上悬臂轴承组件和芯轴均设置在所述外壳中，所述芯轴为中空结构，所述芯轴穿过所述偏心组件且两端分别与下支点轴承组件和上悬臂轴承组件连接，所述上悬臂轴承组件远离芯轴的一端与钻杆连接，所述下支点轴承组件远离芯轴的一端与钻头连接；
所述下支点轴承组件包括壳体、定子机构、转子机构、第一支撑件、第二支撑件和驱动轴，所述壳体为空心柱状结构，所述驱动轴穿过所述壳体且输出端与钻头连接，而远离钻头的一端与芯轴连接，所述驱动轴用于将定向取芯工具产生的扭矩传递至钻头，所述第一支撑件设置在所述驱动轴和壳体之间，所述第二支撑件设置在所述第一支撑件和壳体之间，所述定子机构与转子机构配合设置，且安装在所述第一支撑件和驱动轴之间。
2.根据权利要求1所述的定向取芯工具，其特征在于，在所述壳体上与所述第一支撑件接触的位置设有一号凹球面，对应的，在所述第一支撑件上设有与一号凹球面匹配的一号凸球面，所述一号凸球面与一号凹球面之间间隙配合设置。
3.根据权利要求2所述的定向取芯工具，其特征在于，在所述第二支撑件上与所述第一支撑件接触的位置设有二号凹球面，对应的，在所述第一支撑件上设有与二号凹球面匹配的二号凸球面，所述二号凸球面与二号凹球面之间间隙配合设置。
4.根据权利要求3所述的定向取芯工具，其特征在于，所述一号凸球面设置在定子机构的一侧，所述二号凸球面设置在转子机构的一侧。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的定向取芯工具，其特征在于，所述定子机构包括定子基体和一号PDC滚子，所述定子基体为空心主体结构且与所述第一支撑件连接，所述一号PDC滚子的数量为多个且环向活动设置在所述定子基体上。
6.根据权利要求5所述的定向取芯工具，其特征在于，所述转子机构包括转子基体和二号PDC滚子，所述转子基体为空心主体结构且与所述驱动轴连接，所述二号PDC滚子的数量为多个且环向活动设置在所述转子基体上。
7.根据权利要求5所述的定向取芯工具，其特征在于，所述定子基体与所述第一支撑件间的连接形式包括销传动或键传动或多边形传动。
8.根据权利要求6所述的定向取芯工具，其特征在于，所述转子基体与所述驱动轴间的连接形式包括销传动或键传动或多边形传动。
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