CN112211580A - 一种定向取芯钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向取芯钻具，包括：钻头、与钻头相连的中心轴和套设于中心轴外周部的外管，外管与中心轴间隙配合；与外管相连、用于调整中心轴的挠曲程度的偏置组件；与外管相连、用于在预设压力的钻井液作用下抵紧孔壁的封隔器；分别设于封隔器两端的密封装置，密封装置可径向浮动，以在调整中心轴时，使封隔器的两端始终与中心轴密封。当需要定向钻孔时，利用偏置组件来调整中心轴的挠曲程度，此时密封装置随中心轴的径向位置改变而径向浮动，使中心轴带动钻头调整倾斜角度，达到定向钻进目的；钻头旋转时，通过密封装置密封封隔器的两端，确保封隔器内钻井液的压力，使封隔器抵紧孔壁，防止外管和偏置组件转动，锁止钻头的倾斜方向。

Description

一种定向取芯钻具

技术领域

本发明涉及地质勘探定向取芯设备技术领域，更具体地说，涉及一种定向取芯钻具。

背景技术

在地质勘探过程中，为了研究所勘探的地质岩石层的情况，通常希望采用定向钻进设备来获取特定位置的地质岩心样品。

然而，现有技术中的定向钻进设备，如螺杆钻具，仅适用于钻孔，无法完成取芯，而现有技术中的取芯设备，如绳索取芯钻具，仅适用于直孔的钻进取芯，而对于定向钻孔取芯，则由于其不具有纠偏功能而无法应用。

因此，如何提供一种具有钻孔轨迹纠偏功能的定向取芯钻具，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种定向取芯钻具，其具有钻孔轨迹纠偏功能。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种定向取芯钻具，包括：

钻头、与所述钻头相连的中心轴和套设于所述中心轴外周部的外管，所述外管与所述中心轴间隙配合；

与所述外管相连、用于调整所述中心轴的挠曲程度的偏置组件；

与所述外管相连、用于在预设压力的钻井液作用下抵紧孔壁的封隔器；

分别设于所述封隔器两端的密封装置，所述密封装置可径向浮动，以在调整所述中心轴时，使所述封隔器的两端始终与所述中心轴密封。

优选地，所述封隔器的两端分别设有安装槽，所述密封装置包括：

可径向浮动的设于所述安装槽内的密封套；

设于所述密封套和所述中心轴之间的第一密封件。

优选地，所述密封套与所述中心轴间隙配合。

优选地，所述第一密封件包括至少两个形成组合密封的密封圈。

优选地，所述封隔器的两端分别设有联轴器，所述联轴器内设有台阶端面；

所述外管包括分别与两个所述联轴器相连的延伸管和悬臂轴承，所述延伸管和所述悬臂轴承的端面分别与两个所述联轴器的所述台阶端面一一对应的相对设置，以形成所述安装槽。

优选地，所述密封套与所述台阶端面之间设有第二密封件；和/或，所述密封套分别与所述延伸管和所述悬臂轴承的端面之间设有第三密封件。

优选地，所述封隔器包括壳体以及关于所述壳体对称设置的压力垫和引导支撑板，所述壳体设有用于供所述压力垫在所述钻井液作用下凸出所述壳体以压紧孔壁的让位孔。

优选地，所述压力垫的内侧设有膨胀橡胶，所述膨胀橡胶在所述钻井液作用下膨胀，使所述压力垫凸出所述让位孔。

优选地，所述引导支撑板设有用于卡住孔壁的肋条。

优选地，所述壳体为内壁和外壁偏心的圆筒。

本发明提供的定向取芯钻具，工作过程中，当钻孔轨迹需要纠偏时，利用偏置组件来调整中心轴的挠曲程度，进而使中心轴带动钻头调整倾斜角度，从而达到调节钻头钻进方向的目的；同时，在钻头旋转切削过程中，通过密封装置来密封封隔器的两端，确保封隔器内钻井液的压力，使封隔器工作时抵紧孔壁，以此来保证外管和偏置组件的位置保持不变，达到锁止钻头的倾斜方向的目的。

由于密封装置径向可浮动，因此，在调整中心轴挠曲程度的过程中，可使密封装置随着中心轴的径向位置变化而径向浮动，以确保封隔器与中心轴之间始终具有密封性。

也即，该定向取芯钻具具有纠偏功能，同时，利用径向可浮动的密封装置来保证封隔器两端的密封性，确保封隔器工作所需的液体压力，达到锁止钻头倾斜方向的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例所提供的定向取芯钻具的结构示意图；

图2为图1中A的局部示意图；

图3为图2中B的局部示意图。

图1至图3中的附图标记如下：

1为钻头、2为中心轴、3为偏置组件、4为封隔器、41为安装槽、42为联轴器、43为壳体、44为压力垫、45为引导支撑板、46为膨胀橡胶、5为密封装置、51为密封套、52为第一密封件、53为第二密封件、54为第三密封件、61为延伸管、62为悬臂轴承、63为距离管、7为支点轴承、8为锁止机构、9为钻杆、91为钻杆连接管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种定向取芯钻具，其具体具有纠偏功能。

请参考图1-图3，图1为本发明具体实施例所提供的定向取芯钻具的结构示意图；图2为图1中A的局部示意图；图3为图2中B的局部示意图。

本发明提供一种定向取芯钻具，主要包括钻头1、中心轴2、外管、偏置组件3、封隔器4以及密封装置5等。

具体地，钻头1与中心轴2固定连接，以当动力扭矩传递至中心轴2时，通过中心轴2带动钻头1旋转切削；同时，通过调整中心轴2的挠曲程度来调节钻头1的钻进方向。

外管套设于中心轴2的外周部，并且外管与中心轴2之间具有一定的间隙，也即，两者间隙配合。

偏置组件3用于调整中心轴2的挠曲程度，以使中心轴2带动钻头1改变倾斜角度，从而可使该定向取芯钻具在钻进过程中定向钻进。

其中，偏置组件3与外管相连，外管对偏置组件3起到固定和支撑的作用，以保证偏置组件3的位置。

封隔器4与外管相连，用于在预设压力的钻井液作用下抵紧孔壁，也即，在钻头1旋转工作过程中，通过封隔器4抵紧孔壁，来防止外管转动，从而保证偏置组件3的位置固定不变，以锁止与中心轴2连接的钻头1的倾斜方向，避免影响钻头1的钻进方向。

密封装置5的数量为两个，两个密封装置5分别设于封隔器4的两端，以密封封隔器4的两端，避免封隔器4内的钻井液的压力泄露。

需要说明的是，密封装置5可径向浮动，以在偏置组件3调整中心轴2的挠曲程度时，使密封装置5可随着中心轴2的径向位置改变而径向浮动，从而使封隔器4的两端始终与中心轴2密封。

由此可以看出，本发明提供的定向取芯钻具，工作过程中，当钻孔轨迹需要纠偏时，利用偏置组件3来调整中心轴2的挠曲程度，进而使中心轴2带动钻头1调整倾斜角度，从而达到调节钻头1钻进方向的目的，使该定向取芯钻具在钻进过程中能够根据设计要求定向钻进；同时，在钻头1旋转切削过程中，通过密封装置5来密封封隔器4的两端，确保封隔器4内钻井液的压力，使封隔器4工作时抵紧孔壁，以此来保证外管和偏置组件3的位置保持不变，达到锁止与中心轴2连接的钻头1倾斜方向的目的。

由于密封装置5径向可浮动，因此，在调整中心轴2挠曲程度的过程中，可使密封装置5随着中心轴2的径向位置改变而径向浮动，以确保封隔器4与中心轴2之间始终具有密封性。

也即，该定向取芯钻具具有纠偏功能，同时，利用径向可浮动的密封装置5来保证封隔器4两端的密封性，确保封隔器4工作所需的液体压力，达到锁止与中心轴2连接的钻头1倾斜方向的目的。

需要说明的是，本发明对偏置组件3的具体结构以及偏置组件3与外管的具体连接方式不做限定，例如，偏置组件3具有偏心部，通过旋转偏置组件3，使偏心部的位置发生变化，进而使偏心部抵在中心轴2同一圆周的不同位置处，使中心轴2在径向上产生位移，达到调整中心轴2挠曲程度的目的。

偏置组件3可以与外管可拆卸连接，例如，通过螺钉或销轴将偏置组件3锁紧在外管上。当需要调整中心轴2的挠曲程度时，拆除螺钉或销轴，以便旋转偏置组件3；当旋转到位后，再通过螺钉或销轴锁紧偏置组件3即可。

另外，本领域技术人员可以理解的是，中心轴2为中空结构，预设压力的钻井液可从中心轴2的内孔中通过；同时，中心轴2对准封隔器4的位置设有贯穿其侧壁的通孔，以使钻井液从中心轴2的内孔流入封隔器4，使封隔器4在预设压力钻井液的作用下抵紧孔壁。

进一步地，本发明对密封装置5的具体结构不做限定，在上述实施例的基础之上，封隔器4的两端分别设有安装槽41，密封装置5包括密封套51和第一密封件52，密封套51安装于安装槽41内，且安装槽41的内径大于密封套51的外径，以使密封套51可在安装槽41内径向浮动，可以理解的是，密封套51与安装槽41之间的径向间隙需要满足偏置组件3最大偏心度的需求，也即，能够适应中心轴2最大挠曲程度的调整需求。

同时，密封套51套设于中心轴2上，且第一密封件52设于密封套51和中心轴2之间，以确保密封套51与中心轴2之间的密封性。

为了减小密封套51和中心轴2的磨损，在上述实施例的基础之上，密封套51与中心轴2间隙配合。

也即，密封套51的内径大于中心轴2的外径，以使密封套51与中心轴2之间具有一定的间隙，避免中心轴2旋转时与密封套51之间产生摩擦，因此，可减小密封套51和中心轴2的磨损。

为了提高第一密封件52的密封效果，在上述实施例的基础之上，第一密封件52包括至少两个形成组合密封的密封圈。

可以理解的是，组合密封的密封效果更好，使该密封装置5更适合泥浆环境。

如图3所示，第一密封件52包括O型密封圈和L型密封圈，L型密封圈的一个直角边与中心轴2贴合接触，且该直角边朝向中心轴2的一侧设有多个凹槽，以形成迷宫槽密封。

考虑到第一密封件52的限位问题，优选地，在上述实施例的基础之上，密封套51设有第一凹槽，用于设置第一密封件52，对第一密封件52起到限位作用。

考虑到安装槽41的具体形成方式，在上述实施例的基础之上，封隔器4的两端分别设有联轴器42，联轴器42内设有台阶端面；外管包括分别与两个联轴器42相连的延伸管61和悬臂轴承62，延伸管61和悬臂轴承62的端面分别与两个联轴器42的台阶端面一一对应的相对设置，以形成安装槽41。

也就是说，封隔器4的两端分别通过联轴器42与延伸管61和悬臂轴承62固定连接，用于安装密封套51的安装槽41由延伸管61的端面和联轴器42内的台阶端面(或者悬臂轴承62的端面和联轴器42内的台阶端面)共同形成。

考虑到联轴器42分别与延伸管61和悬臂轴承62连接的方便性，优选地，封隔器4的两端的联轴器42分别与延伸管61和悬臂轴承62螺纹连接。

如图3所示，延伸管61设有外螺纹，联轴器42设有内螺纹，延伸管61与联轴器42螺纹连接后，即形成一个安装槽41。

进一步地，考虑到径向密封性，在上述实施例的基础之上，密封套51与台阶端面之间设有第二密封件53；和/或，密封套51分别与延伸管61和悬臂轴承62的端面之间设有第三密封件54。

也就是说，密封套51与台阶端面之间通过第二密封件53实现两者之间的径向密封；密封套51与延伸管61或悬臂轴承62之间通过第三密封件54实现两者之间的径向密封。

本发明对第二密封件53和第三密封件54的具体结构不做限定，例如，第二密封件53和第三密封件54分别优选为O型密封圈。

另外，本发明对第二密封件53和第三密封件54的具体设置方式不做限定，例如，优选地，在上述实施例的基础之上，密封套51的两端分别设有第二凹槽和第三凹槽，第二凹槽和第三凹槽分别用于设置第二密封件53和第三密封件54，对第二密封件53和第三密封件54起到限位作用。

可以理解的是，第二凹槽和第三凹槽的径向宽度大于对应的第二密封件53和第三密封件54的最大尺寸，以满足密封套51的径向浮动。

当然，也可以在延伸管61和悬臂轴承62的端面设置用于安装第三密封件54的凹槽；同时，在台阶端面设置用于安装第二密封件53的凹槽。

需要说的是，本发明对封隔器4的具体结构及其工作原理不做具体限定，只要封隔器4工作时，能够抵紧孔壁，避免外管转动即可。

作为一种优选实施例，在上述实施例的基础之上，封隔器4包括壳体43以及关于壳体43对称设置的压力垫44和引导支撑板45，壳体43设有用于供压力垫44在钻井液作用下凸出壳体43以压紧孔壁的让位孔。

也就是说，工作时，当封隔器4内充满预设压力的钻井液时，钻井液对压力垫44施加压力，使压力垫44对准让位孔的部位凸出让位孔，与孔壁接触，使压力垫44压紧在孔壁上。

此时，可以理解的是，在孔壁对压力垫44的反作用力下，使引导支撑板45卡住孔壁，进而在压力垫44和引导支撑板45的共同作用下，使封隔器4的位置固定，避免其旋转。

为了使压力垫44更好的凸出于让位孔，在上述实施例的基础之上，压力垫44的内侧设有膨胀橡胶46，膨胀橡胶46在钻井液作用下膨胀，使压力垫44凸出让位孔。

也就是说，当预设压力的钻井液自中心轴2的通孔流入膨胀橡胶46与中心轴2之间时，在钻井液的作用下，使膨胀橡胶46膨胀，进而在膨胀橡胶46的挤压作用下，使压力垫44凸出让位孔。

为了提高引导支撑板45卡住孔壁的牢固性，在上述实施例的基础之上，引导支撑板45设有用于卡住孔壁的肋条。

也就是说，在孔壁对压力垫44的反作用力下，使肋条卡入孔壁内，使引导支撑板45牢固的卡住孔壁。

优选地，肋条为硬质合金材质的肋条。

进一步地，为了保证在中心轴2旋转工作的过程中，使壳体43的轴线与中心轴2的轴线共线，在上述实施例的基础之上，壳体43为内壁和外壁偏心的圆筒。

也就是说，壳体43的内壁的轴线与其外壁的轴线偏心。

可以理解的是，当压力垫44凸出于让位孔后，在孔壁对压力垫44的反作用力下，将使壳体43的轴线朝远离压力垫44的方向偏移一定距离，因此，将壳体43设为偏心的圆筒，以利用壳体43的偏心量来补偿壳体43轴线的偏移距离，确保在中心轴2旋转工作的过程中，使壳体43的轴线与中心轴2的轴线共线。

需要说明的是，在上述各个实施例中，本发明对外管的具体结构并不做限定，如图1所示，外管包括距离管63、延伸管61和悬臂轴承62，偏置组件3设于距离管63和延伸管61之间，延伸管61和悬臂轴承62分别与封隔器4的两端固定连接。

另外，如图1所示，优选地，钻头1通过支点轴承7与中心轴2固定连接。

可以理解的是，支点轴承7的外圈与距离管63相连。

进一步优选地，中心轴2远离钻头1的一端与锁止机构8的固定部相连，锁止机构8包括运动部件，运动部件可选择的与悬臂轴承62的外圈相连。

当运动部件与悬臂轴承62的外圈相连时，外管随着中心轴2的转动而转动；当运动部件不与悬臂轴承62的外圈相连时，可切断外管的动力，外管不转动，仅中心轴2转动。

优选地，锁止机构8与钻杆9之间设有钻杆连接管91，也即，锁止机构8通过钻杆连接管91实现其与钻杆9的连接。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的定向取芯钻具进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种定向取芯钻具，其特征在于，包括：

钻头(1)、与所述钻头(1)相连的中心轴(2)和套设于所述中心轴(2)外周部的外管，所述外管与所述中心轴(2)间隙配合；

与所述外管相连、用于调整所述中心轴(2)的挠曲程度的偏置组件(3)；

与所述外管相连、用于在预设压力的钻井液作用下抵紧孔壁的封隔器(4)；

分别设于所述封隔器(4)两端的密封装置(5)，所述密封装置(5)可径向浮动，以在调整所述中心轴(2)时，使所述封隔器(4)的两端始终与所述中心轴(2)密封。

2.根据权利要求1所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述封隔器(4)的两端分别设有安装槽(41)，所述密封装置(5)包括：

可径向浮动的设于所述安装槽(41)内的密封套(51)；

设于所述密封套(51)和所述中心轴(2)之间的第一密封件(52)。

3.根据权利要求2所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述密封套(51)与所述中心轴(2)间隙配合。

4.根据权利要求2所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述第一密封件(52)包括至少两个形成组合密封的密封圈。

5.根据权利要求2所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述封隔器(4)的两端分别设有联轴器(42)，所述联轴器(42)内设有台阶端面；

所述外管包括分别与两个所述联轴器(42)相连的延伸管(61)和悬臂轴承(62)，所述延伸管(61)和所述悬臂轴承(62)的端面分别与两个所述联轴器(42)的所述台阶端面一一对应的相对设置，以形成所述安装槽(41)。

6.根据权利要求5所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述密封套(51)与所述台阶端面之间设有第二密封件(53)；和/或，所述密封套(51)分别与所述延伸管(61)和所述悬臂轴承(62)的端面之间设有第三密封件(54)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述封隔器(4)包括壳体(43)以及关于所述壳体(43)对称设置的压力垫(44)和引导支撑板(45)，所述壳体(43)设有用于供所述压力垫(44)在所述钻井液作用下凸出所述壳体(43)以压紧孔壁的让位孔。

8.根据权利要求7所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述压力垫(44)的内侧设有膨胀橡胶(46)，所述膨胀橡胶(46)在所述钻井液作用下膨胀，使所述压力垫(44)凸出所述让位孔。

9.根据权利要求7所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述引导支撑板(45)设有用于卡住孔壁的肋条。

10.根据权利要求7所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述壳体(43)为内壁和外壁偏心的圆筒。

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