CN112252972A - 一种偏心环式水平定向取心钻具及其控向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种偏心环式水平定向取心钻具控向装置，包括岩心外管和岩心内管，所述岩心内管置于所述岩心外管中，所述岩心外管外壁上设置有偏心机构，所述偏心机构包括内、外偏心环及控制电机。本发明还提供了一种安装有上述控向装置的偏心环式水平定向取心钻具，包括外壳、外壳卡固装置、以及在外壳内部的外管总成和内管总成，所述内管总成从左至右依次设置有绳索打捞装置、弹卡机构、单动机构、定向测量装置和岩心内管。本发明提供的控向装置可实现对取心钻具的导向控制，使其轴迹得到精准控制；本发明提供的取心钻具能结合水平定向钻机进行各种造斜段和水平段的连续取心。

Description

一种偏心环式水平定向取心钻具及其控向装置
技术领域
本发明涉及一种偏心环式水平定向取心钻具及其控向装置，属于岩土工程勘察技术领域。
背景技术
工程钻探是目前常用的一种地质勘探手段，是在通过工程地质测绘对地面基本情况有了初步的了解后，为进一步探明地下隐伏地质现象，了解地质现象的空间变化规律而运用的方法。工程钻探也是为了勘探矿床、地层构造、土壤性质等，利用钻机向地下钻孔，取出土壤或岩心供分析研究的一种勘察方法，主要目的是从钻孔中取得岩芯、土样进行物理性质分析从而判断其地基基础是否满足工程建设的承载重力和稳定性。
目前，主要采用垂直钻孔取样勘查手段对一些不规则的特殊沉积矿床进行勘查评估，这很难准确获得该矿区的勘探评估报告，即使在特殊情况下设计定向孔进行勘查取样，也没有形成一套完整的钻进和取心方案，造斜后采用常规回转钻进取心极容易发生孔内事故，严重时导致钻孔报废。且对于一些大深埋长距离的地下工程(如隧道、地铁等)，传统的垂直孔地质钻探，需要穿过上部覆盖层，才能达到隧道轴线所在地层，并且，需要将钻孔点沿轴线间隔布置，然后通过连线法才能预估出沿线地质断面情况，但这并不能真实、全面反映隧道围岩的地质特征，而且设备需要经常搬迁，非常不便，因此，需要一种超长距离大埋深的水平定向勘察方法来满足上述需求。
水平定向钻技术目前广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等柔性管线铺设施工中，水平定向钻是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点。
而工程钻探中常规配套绳索取心的钻具主要有双动双管、单动双管以及适合在松散、破碎等困难地层中取心的三层管取心钻具和无泵反循环取心钻具及喷射式反循环取心钻具等。传统的绳索取心钻具虽然能够连续取心，但只能进行垂直孔取心钻进，而传统的定向钻技术虽然可以通过造斜精准的控制钻进轴迹，但不能获取岩心。
如能将水平定向钻技术运用到水平超长距离大埋深的地质勘探中，就可以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心方式相结合使用，则可在绝大多数场合下满足地质岩心钻探工作的需要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种偏心环式水平定向取心钻具及其控向装置，该控向装置可实现对取心钻具的导向控制，使其轴迹得到精准控制；该钻具能结合水平定向钻机进行各种造斜段和水平段的连续取心。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种偏心环式水平定向取心钻具控向装置，包括岩心外管和岩心内管，所述岩心内管置于所述岩心外管中，所述岩心外管外壁上设置有偏心机构，所述偏心机构包括内偏心环及其控制电机和外偏心环及其控制电机，所述内偏心环的内壁通过轴承安装在所述岩心外管的外壁上，所述内偏心环的外壁通过轴承安装在所述外偏心环的内壁上，所述内、外偏心环分别与各自的控制电机连接，所述内外偏心环皆由各自的控制电机直接驱动。
对上述方案的进一步改进是：
在所述岩心内管的左端设置有定向测量装置。
在所述偏心机构的右边设置有调心滚子轴承，所述调心滚子轴承内壁与岩心外管外壁相配合。
一种安装有上述控向装置的偏心环式水平定向取心钻具，至少包括外壳、外壳卡固装置、以及在外壳内部的外管总成和内管总成，所述内管总成从左至右依次设置有绳索打捞装置、弹卡机构、单动机构、定向测量装置和岩心内管；
所述外管总成包括岩心外管、偏心机构和取心钻头；
所述偏心机构安装在岩心外管外壁上，在所述外壳卡固装置右边。
对上述方案的进一步改进是：
在所述偏心机构的右边设置有调心滚子轴承，所述调心滚子轴承外壁固定在所述外壳内壁上，所述调心滚子轴承内壁与岩心外管外壁相配合。
所述的外壳卡固装置包括膨胀橡胶和卡固块，所述膨胀橡胶固定在所述外壳的内壁上，所述卡固块在所述膨胀橡胶的外侧，所述外壳在所述卡固块对应的位置开有天窗。
所述单动机构包括轴承和轴承座。
所述定向测量装置为测量探管。
由本发明的技术方案可知，本发明的偏心环式水平定向钻具控向装置通过内外偏心环的不同组合得到不同的偏心距，通过定向测量装置对钻孔进行测量，且以调心滚子轴承作为转动支点，对取心钻头进行导向控制，并实现对钻孔轴迹的精准控制。本发明的偏心环式水平定向取心钻具与水平定向钻机和绳索取心装置配套，利用水平定向钻技术对超长距离的地下工程进行水平定向钻孔，同时利用绳索取心装置完成连续取心。当将其应用于超长距离大深埋隧道地质勘察中时，可将该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频繁搬迁，增强生产安全性并降低了劳动强度，该技术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。
附图说明
图1是本发明取心钻具的结构示意图。
图2是卡固装置的结构示意图。
图3是偏心机构在极大偏置状态下的结构示意图。
图4是偏心机构在零偏置状态下的结构示意图。
图中：1.绳索打捞装置，2.轴承A，3.轴承座，4.轴承B，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.内偏心环，12.内偏心环法兰，13.内偏心环控制电机，14.第一调心滚子轴承，15.外壳，16.岩心外管，17.岩心内管，18.卡簧座，19.岩心卡簧，20.取心钻头，21.第二调心滚子轴承。
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、3和4所示，本发明实施例的偏心环式水平定向取心钻具控向装置包括：岩心外管16和岩心内管17，所述岩心内管17置于所述岩心外管16中，所述岩心外管16外壁上设置有偏心机构，所述岩心内管17的左端设置有定向测量装置。所述偏心机构的右边设置有第一调心滚子轴承14，所述第一调心滚子轴承14内壁与岩心外管16外壁相配合。所述偏心机构包括内偏心环11和外偏心环10，内偏心环11的内壁通过第二调心滚子轴承21安装在岩心外管16的外壁上，内偏心环11外壁通过轴承安装在外偏心环10的内壁上，外偏心环10左端通过外偏心环法兰9与外偏心环控制电机8连接，内偏心环11右端通过内偏心环法兰12与内偏心环控制电机13连接，内、外偏心环皆由各自的控制电机直接驱动。
如图1所示，本发明实施例的偏心环式水平定向取心钻具包括：外壳、外壳卡固装置、以及在外壳内部的外管总成和内管总成。
所述内管总成从左至右依次设置有绳索打捞装置1、弹卡机构、单动机构、测量探管5、岩心内管17、岩心卡簧19和卡簧座18；所述单动机构包括轴承A2、轴承B4和轴承座3，钻进时，当岩心内管17中有岩心时，在摩擦力的作用下，使单动机构右边的装置不随外管转动。
所述外管总成包括包括岩心外管16，偏心机构，第一调心滚子轴承14和取心钻头20；所述偏心机构为上述偏心环式水平定向取心钻具控向装置实施例中的偏心机构，其安装在岩心外管16外壁上，在所述外壳卡固装置右边。偏心机构的外偏心环10的外壁通过轴承固定在外壳15的内壁上；内、外偏心环的控制电机皆固定在外壳15内壁上，第一调心滚子轴承14外壁也固定在外壳15内壁上，其内壁与岩心外管16外壁相配合，在偏心机构的右边，作为偏心机构导向用的支点。
所述的外壳卡固装置包括膨胀橡胶6和卡固块7，将膨胀橡胶6利用配件固定在外壳15的内壁上，卡固块7在膨胀橡胶6的外侧，外壳15在卡固块7的位置开有天窗。如图2(a)所示，当给膨胀橡胶6一定的压力时，膨胀橡胶6膨胀，卡固块7被膨胀橡胶6顶出外壳15，伸出部分抵住井壁，使外壳15不随岩心外管16一起转动，利用偏心机构进行导向。如图2(b)所示，当钻具导向完成后，调整偏心机构至零偏置位置，然后释压，膨胀橡胶6收缩，卡固块7收缩至外壳15处。
如图3(a)所示，当内偏心环11与外偏心环10偏心方向相同时，和偏心距最大，为2e，偏心机构产生最大位移，图3(b)为和偏心距最大时岩心外管16的弯曲状态，其弯曲的程度由内外偏心环的和偏心距与偏心机构到第一调心滚子轴承14的距离所决定。
如图4(a)所示，当内偏心环11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，图4(b)为零偏置时岩心外管16的钻进状态。
本发明的工作原理如下：在利用水平定向钻对地下超长距离沿线地质情况进行勘察时，本发明装置与水平定向钻机和绳索取心装置配套，可对超长距离的地下工程进行水平定向钻孔，同时完成取心。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，先对膨胀橡胶6施加以特定的泵压，使膨胀橡胶6膨胀，将卡固块7顶出，伸出部分抵住井壁，使外壳15不随岩心外管16一起转动，用内外偏心环控制电机通过法兰直接驱动内外偏心环，将岩心外管16以第一调心滚子轴承14为转动支点，进行导向钻进。
在利用偏心环对取心钻具进行导向时，其控向装置定向造斜共有如下三种工作方式：
(1)当外偏心环控制电机8不工作时，内偏心环控制电机13通过内偏心环法兰12控制内偏心环11旋转，岩心外管16在内偏心环11的偏置作用下绕转动支点即第一调心滚子轴承14产生一定的偏摆角度，导致岩心外管16在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。
(2)当内偏心环控制电机13不工作时，内偏心环11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第一调心滚子轴承14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，进而实现取心钻头的定向造斜。
(3)当外偏心环10和内偏心环11同时旋转时，能实现岩心外管15在偏心机构处的偏置位移从零到两倍的偏心距连续调节。如图3(a)所示，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11的偏心方向相同时，合偏心距最大，为2e，偏心机构产生最大偏心位移，此时，岩心外管16的弯曲状态如图3(b)所示，其弯曲的程度由内外偏心环的和偏心距与偏心机构到第一调心滚子轴承14的距离所决定。当外偏心环10和内偏心环11方向相反时，O点与O2点重合，偏心距相互抵消，可实现图4(a)所示的零偏置状态，此时，如图4(b)所示，岩心外管16为水平或垂直钻进状态。
在钻进过程中，当岩心内管17充满岩芯时，用绳索打捞装置1将内管总成包括单动机构、定向测量探管5和岩心内管17提升出来，取出岩芯后，继续将内管总成投入到岩心外管16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15上，如图2(b)所示，定向取心装置继续钻进。
本发明的偏心环式水平定向取心钻具及其控向装置，通过偏心机构对取心钻头实现定向造斜，其偏心机构的结构简单，通过三种不同的工作方式实现对取心钻头从零到两倍的偏心距的连续调节，且以调心滚子轴承为支点，利用定向测量装置，实现对钻具轴迹的精准控制，并结合绳索取心技术，与水平定向钻机相结合，实现了对各种造斜段和水平段的连续取心，本发明的装置非常适用于水平超长距离大埋深的地质勘探工作。

Claims (8)

1.一种偏心环式水平定向取心钻具控向装置，包括岩心外管和岩心内管，其特征在于：所述岩心内管置于所述岩心外管中，所述岩心外管外壁上设置有偏心机构，所述偏心机构包括内偏心环及其控制电机和外偏心环及其控制电机，所述内偏心环的内壁通过轴承安装在所述岩心外管的外壁上，所述内偏心环的外壁通过轴承安装在所述外偏心环的内壁上，所述内、外偏心环分别与各自的控制电机连接，所述内外偏心环皆由各自的控制电机直接驱动。
2.根据权利要求1所述的偏心环式水平定向取心钻具控向装置，其特征在于：在所述岩心内管的左端设置有定向测量装置。
3.根据权利要求1所述的偏心环式水平定向取心钻具控向装置，其特征在于：在所述偏心机构的右边设置有调心滚子轴承，所述调心滚子轴承内壁与岩心外管外壁相配合。
4.一种安装有权利要求1所述的控向装置的偏心环式水平定向取心钻具，至少包括外壳、外壳卡固装置、以及在外壳内部的外管总成和内管总成，其特征在于：所述内管总成从左至右依次设置有绳索打捞装置、弹卡机构、单动机构、定向测量装置和岩心内管；
所述外管总成包括岩心外管、偏心机构和取心钻头；
所述偏心机构安装在岩心外管外壁上，在所述外壳卡固装置右边。
5.根据权利要求4所述的偏心环式水平定向取心钻具，其特征在于：在所述偏心机构的右边设置有调心滚子轴承，所述调心滚子轴承外壁固定在所述外壳内壁上，所述调心滚子轴承内壁与岩心外管外壁相配合。
6.根据权利要求4所述的偏心环式水平定向取心钻具，其特征在于：所述的外壳卡固装置包括膨胀橡胶和卡固块，所述膨胀橡胶固定在所述外壳的内壁上，所述卡固块在所述膨胀橡胶的外侧，所述外壳在所述卡固块对应的位置开有天窗。
7.根据权利要求4所述的偏心环式水平定向取心钻具，其特征在于：所述单动机构包括轴承和轴承座。
8.根据权利要求4所述的偏心环式水平定向取心钻具，其特征在于：所述定向测量装置为测量探管。
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