CN112252971A - 一种花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置将取心打捞部件和偏心导向部件相结合，利用内、外偏心环控制电机控制内外偏心环进行不同组合得到不同的偏心距，花键作为关节点，使岩心外管一端到花键部位弹性变化范围内产生一定程度的弯曲，进而实现取心钻头的定向造斜，然后测量探管对周围地质情况进行勘探，然后根据勘探情况，进行再一次的定向造斜，通过多次造斜，实现对钻孔轴线的精准控制，同时取心打捞部件可随时进行取心打捞，真实的反应地下沿线的地质情况。如将其应用于超长距离大深埋隧道工程地质勘察中，可将设备布置在隧道出入口处，由此避免了设备在复杂地形情况下的搬迁，可大幅度减少传统工程地质勘察钻孔工作量。

Description

一种花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置
技术领域
本发明涉及一种花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，属于工程地质勘察器械领域。
背景技术
在岩土工程地质勘察中，工程地质勘探手段主要有钻探、井探、槽探、洞探、航空工程地质调查测绘等，其中，地质钻探是岩土工程勘察的主要方法。对于一些大深埋长距离的地下工程(如隧道工程等)，传统的垂直孔地质钻探装置由钻具总成和取心打捞总成组成，钻具总成穿过上部覆盖层，达到隧道轴线所在地层，再将取心点沿隧道轴线间隔布置，再通过取心钻具在取心点钻取岩心，然后通过连线法预估出沿线地质断面情况，由于这种装置只能获得沿轴线间隔的岩心，从而该装置不能真实、全面反映隧道围岩的地质特征，而且特殊场合如海平面上、地表建筑物密集区、地址倾滑区等情况复杂，利用垂直孔对地质情况进行勘探时，实施起来又比较困难。且目前的水平定向钻进技术虽然可以精准导向控向，但没有设置取心打捞总成，从而不能获取岩心。
因此，需要一种适合于大埋深的超长距离水平定向钻沿隧道轴线获取地层信息的综合勘察方法来满足上述需求，真实的反应地下沿线的地质情况，而且避免了设备在复杂地形情况下的搬迁，能以较少的钻进入射点、较短的钻进轨迹，取得较大的有效信息量，再与传统的垂直或倾斜钻进取芯方式相结合使用，则可在绝大多数场合下满足工程勘察地质岩心钻探工作的需要。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，该装置可以控制钻进能以较少的钻进入射点、较短的钻进轨迹，取得大量的有效取心点，再与传统的垂直或倾斜钻进取芯方式相结合使用，真实的反应地下沿线的地质情况，该设备可用于大埋深的超长距离水平定向钻进，绝大多数场合下满足工程勘察地质岩心钻探工作的需要。
实现本发明目的的技术方案为，一种花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，至少包括外壳、岩心外管、岩心内管和取心打捞部件，岩心外管和岩心内管安装在外壳内部，所述岩心外管与外壳之间设有偏心导向部件，偏心导向部件包括内偏心环、外偏心环和花键，内偏心环内径与岩心外管外壁严密贴合，内偏心环外壁与外偏心环严密贴合，外偏心环通过外偏心环法兰连接设在所述外壳内壁上的外偏心环控制电机，内偏心环通过内偏心环法兰连接设在外壳内壁上的内偏心环控制电机，内、外偏心环可与岩心外管相对转动，使岩心外管相对外偏心环的偏心距改变；
花键用于充当内、外偏心环弯曲岩心外管和岩心内管时的关节点，花键位于岩心外管上且在内、外偏心环的左端。
对上述技术方案的进一步改进为：外壳上设有膨胀橡胶，膨胀橡胶包括活塞密封圈和活塞，活塞密封圈与外壳内壁严密贴合，活塞上设有卡固块，外壳设有与卡固块对应通孔。
且所述岩心外管与所述岩心内管之间设有套管。
且取心打捞部件包括绳索打捞装置、轴承座、测量探管、卡簧座和取心钻头。
且绳索打捞装置和轴承座设在套管内部，测量探管和岩心卡簧分别设于岩心内管两端的内部，轴承座两端均设有轴承，轴承座通过两端的轴承连接绳索打捞装置和测量探管，卡簧座与取心钻头之间设有岩心卡簧。
且取心钻头安装在岩心外管一端且暴露在外壳的外部。
且外壳与岩心外管之间设有调心滚子轴承，调心滚子轴承的外圈与外壳内壁贴合，调心滚子轴承的内圈与岩心外管的外圆贴合，调心滚子轴承设于内、外偏心环与取心钻头之间。
由上述技术方案可知：本发明提供的花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置将取心打捞部件、偏心导向部件相结合，利用内、外偏心环控制电机控制内外偏心环进行不同组合得到不同的偏心距，花键作为关节点，使岩心外管一端到花键部位产生弹性变化范围内产生一定程度的弯曲，进而实现取心钻头的定向造斜，然后测量探管对周围地质情况进行勘探，然后根据勘探情况，进行再一次的定向造斜，通过多次造斜，实现对钻孔轴线的精准控制，同时取心打捞部件可随时进行取心打捞，真实的反应地下沿线的地质情况。
本装置的花键既可以传递钻管自身的扭矩，又具有造斜功能。
本装置采用外壳、岩心外管、套管和岩心内管四层管，套管承受岩心外管在铰接处产生的弯曲荷载，使岩心内管更好的钻进取心，同时可保护岩心内管，增加岩心内管的使用寿命。
如将其应用于超长距离大深埋隧道工程地质勘察中，可将设备布置在隧道出入口处，由此避免了设备在复杂地形情况下的搬迁，可大幅度减少传统工程地质勘察钻孔工作量，降低工程成本。
附图说明
图1为本发明的花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置的结构示意图；
图2为本发明的内、外偏心环零偏置状态下的结构示意图；
图3为图2状态下岩心外管、套管、岩心内管和花键的结构示意图；
图4为本发明的内、外偏心环最大偏置状态下的结构示意图；
图5为图4状态下岩心外管、套管、岩心内管和花键的结构示意图；
图中：1、绳索打捞装置；2、轴承；3、轴承座；4、轴承；5、测量探管；6、膨胀橡胶；7、卡固块；8、外偏心环控制电机；9、外偏心环法兰；10、外偏心环；11、花键；12、内偏心环；13、内偏心环法兰；14、内偏心环控制电机；15、调心滚子轴承；16、外壳；17、岩心外管；18、套管；19、岩心内管；20、卡簧座；21、岩心卡簧；22、取心钻头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，包括外壳16、岩心外管17、岩心内管19和取心打捞部件，岩心外管17和岩心内管19安装在外壳16内部，所述岩心外管17与外壳16之间设有偏心导向部件，偏心导向部件包括内偏心环12、外偏心环10和花键11，内偏心环12内径与岩心外管17外壁严密贴合，内偏心环12外壁与外偏心环10严密贴合，外偏心环10通过外偏心环法兰9连接设在外壳16内壁上的外偏心环控制电机9，内偏心环12通过内偏心环法兰13连接设在外壳16内壁上的内偏心环控制电机14；
花键11用于充当内、外偏心环12、10弯曲岩心外管17和岩心内管19时的关节点，花键1117位于岩心外管上且在内、外偏心环12、10的左端。
且外壳16上设有膨胀橡胶6，膨胀橡胶6包括活塞密封圈和活塞，活塞密封圈与外壳内壁严密贴合，活塞上设有卡固块7，外壳16设有与卡固块7对应通孔。当给膨胀橡胶6一定的压力时，膨胀橡胶6膨胀，塞密封圈向外推出，卡固块7顶出外壳16，伸出部分抵住井壁，使外壳16不随岩心外管17一起转动，利用内、外偏心环12、10进行导向。当钻具导向完成后，调整偏心机构直零偏置位置，然后对膨胀橡胶6释压，卡固块7收缩直外壳16处。
且岩心外管17与岩心内管19之间设有套管18，用来承受岩心外管17在花键11处产生的弯曲荷载，以方便岩心内管19钻进取心。
且取心打捞部件包括绳索打捞装置1、轴承座3、测量探管5、卡簧座20和取心钻头22。
且绳索打捞装置和轴承座3设在套管18内部，测量探管5和岩心卡簧21分别设于岩心内管19两端的内部，轴承座3两端均设有轴承2、4，轴承座3通过两端的轴承2、4连接绳索打捞装置1和测量探管5，卡簧座20与取心钻头22之间设有岩心卡簧21。
且取心钻头22安装在岩心外管17一端且暴露在外壳16的外部。
外壳16与岩心外管17之间设有调心滚子轴承15，调心滚子轴承15的外圈与外壳16内壁贴合，调心滚子轴承15的内圈与岩心外管17的外圆贴合，调心滚子轴承15设于内、外偏心环12、10与取心钻头22之间，调心滚子轴承15作为偏心机构导向用的支点。
钻进时，当岩心内管19中有岩心时，在摩擦力的作用下，使绳索打捞装置1不随外管转动。
参考图2至3，当内偏心环12与外偏心环10偏心方向相反时，偏心距相互抵消，此时为零偏置状态，为零偏置时岩心外管17、套管18和岩心内管19的钻进状态。
参考图4至5当内偏心环12与外偏心环10偏心方向相同时，和偏心距最大，为两倍的偏心距，内、外偏心环产生最大位移，偏心距最大时岩心外管17、套管18和岩心内管19在铰接处的弯曲状态，岩心外管在铰接处的弯曲荷载由套管18承受，从而可以减小或防止岩心内管19弯曲，保证岩心19内管顺利取心。
本设备工作原理为在钻进过程中，利用测量探管5按照一定的钻进间隔测量出钻孔倾角和方位角，当需要造斜钻进或取出岩心时，当给膨胀橡胶6一定的压力时，膨胀橡胶6膨胀，塞密封圈向外推出，卡固块7顶出外壳16，伸出部分抵住井壁，使外壳16不随岩心外管17一起转动，用内外偏心环控制电机14通过法兰13直接驱动内外偏心环12，将岩心外管以调心滚子轴承为转动支点，以花键11作为活动关节点转动一定的角度，以实现岩心外管17方位角度的偏置，进行导向钻进。
在利用内、外偏心环对取心钻具进行导向时，当外偏心环控制电机8不工作时，内偏心环控制电机14通过法兰13控制内偏心环12旋转，岩心外管17在内偏心环12的偏置作用下绕转动支点即调心滚子轴承14产生一定的偏摆角度，导致岩心外管17在弹性变化范围内产生一定程度的弯曲，并用套管18承受其弯曲荷载，进而实现岩心内管19的顺利取心。
当内偏心环控制电机14不工作时，内偏心环12无动力转动。此时外偏心环控制电机8驱动外偏心环10转动，岩心外管16在外偏心环的偏置作用下绕转动支点即调心滚子轴承15产生一定的偏摆角度，导致岩心外管15在弹性变化范围内产生一定程度的弯曲，并用套管18承受其弯曲荷载，进而实现内管总成的顺利取心。
当外偏心环10和内偏心环12同时旋转时，能实现岩心外管17在偏心机构处的偏置位移从零到两倍的偏心距连续调节。外偏心环绕O点旋转，内偏心环绕O1点旋转，O2为内偏心环偏心孔的中心即岩心外管的中心线所在截面的位置，当外偏心环10和内偏心环12的偏心方向相同时，合偏心距最大，为两倍的偏心距，偏心机构产生最大偏心位移，此时，岩心外管17、套管18和岩心内管19的弯曲状态如图5所示，其中套管用来承受岩心外管在花键处的弯曲荷载，其弯曲的程度由内外偏心环的和偏心距与偏心机构到调心滚子轴承15的距离所决定。当外偏心环10和内偏心环12方向相反时，O点与O2点重合，偏心距相互抵消，可实现图2所示的零偏置状态，此时，如图3所示，岩心外管17、套管18和岩心内管19均为水平或垂直钻进状态。
在钻进过程中，当岩心内管19充满岩心时，用绳索打捞装置将内管总成提升上来，取出岩心后，继续将岩心内管19投入到套管17内。当定向取心装置造斜完成或取心完成时，释放膨胀橡胶6内的泵压，卡固块7缩至外壳上，定向取心装置继续钻进。

Claims (7)

1.一种花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，至少包括外壳、岩心外管、岩心内管和取心打捞部件，岩心外管和岩心内管安装在外壳内部，其特征在于：所述岩心外管与外壳之间设有偏心导向部件，偏心导向部件包括内偏心环、外偏心环和花键，内偏心环内径与岩心外管外壁严密贴合，内偏心环外壁与外偏心环严密贴合，外偏心环通过外偏心环法兰连接设在所述外壳内壁上的外偏心环控制电机，内偏心环通过内偏心环法兰连接设在外壳内壁上的内偏心环控制电机，内、外偏心环可与岩心外管相对转动，使岩心外管相对外偏心环的偏心距改变；
花键用于充当内、外偏心环弯曲岩心外管和岩心内管时的关节点，花键位于岩心外管上且在内、外偏心环的左端。
2.根据权利要求1所述的花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，其特征在于：所述外壳上设有膨胀橡胶，膨胀橡胶包括活塞密封圈和活塞，活塞密封圈与所述外壳内壁严密贴合，活塞上设有卡固块，所述外壳设有与卡固块对应通孔。
3.根据权利要求1所述的花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，其特征在于：所述岩心外管与所述岩心内管之间设有套管。
4.根据权利要求1所述的花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，其特征在于：所述取心打捞部件包括绳索打捞装置、轴承座、测量探管、卡簧座和取心钻头。
5.根据权利要求1或4所述的花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，其特征在于：所述绳索打捞装置和轴承座设在套管内部，测量探管和岩心卡簧分别设于岩心内管两端的内部，轴承座两端均设有轴承，轴承座通过两端的轴承连接绳索打捞装置和测量探管，卡簧座与取心钻头之间设有岩心卡簧。
6.根据权利要求1或4所述的花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，其特征在于：所述取心钻头安装在所述岩心外管一端且暴露在所述外壳的外部。
7.根据权利要求1或4所述的花键式水平定向钻进工程地质勘察控向装置，其特征在于：所述外壳与所述岩心外管之间设有调心滚子轴承，调心滚子轴承的外圈与外壳内壁贴合，调心滚子轴承的内圈与岩心外管的外圆贴合，调心滚子轴承设于所述内、外偏心环与所述取心钻头之间。
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