CN113565433A - 一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具 - Google Patents
一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具，包括有岩屑室、水泵、驱动电机、电磁冲击系统、钻具外管和钻头，其中岩屑室装配在水泵的上部，岩屑室的出液口对应水泵的进液口设置，驱动电机设在水泵的下部，驱动电机下部的驱动轴连接有空心转轴，空心转轴由驱动电机驱使进行转动，空心转轴的底部与电磁冲击系统相连接，电磁冲击系统由空心转轴驱使进行工作，空心转轴和电磁冲击系统均装配在钻具外管的内腔中，空心转轴与钻具外管之间通过减速器相连接，钻具外管的底部与钻头相连接，有益效果：增加了电磁冲击系统，有效弥补了传统铠装电缆式电动机械钻具因钻压、扭矩不足而无法钻进岩层的缺点，降低了碎岩难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁冲击回转钻具，特别涉及一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具。
背景技术
目前，南极冰下基岩样品对研究南极大陆地质构造、冰川动力学及气候变化具有重要意义，采用钻探技术获取冰下基岩样品是上述研究的必要手段。然而，受极地恶劣气候及地表环境影响，极地钻探难度较大，现有的铠装电缆电动机械钻具主要用于冰层钻进，重量轻、功率低，冰下基岩层钻进时，难以提供足够的钻压、扭矩，导致钻进效率低且极易发生卡钻等孔内复杂事故，而且难以取得质量良好的样品。
发明内容
本发明的目的是为了解决铠装电缆式电动机械钻具钻进冰下基岩地层时，由于钻压低、扭矩小而导致的进尺困难、效率低的问题，而提供的一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具。
本发明提供的极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具包括有岩屑室、水泵、驱动电机、电磁冲击系统、钻具外管和钻头，其中岩屑室装配在水泵的上部，岩屑室的出液口对应水泵的进液口设置，驱动电机设在水泵的下部，驱动电机下部的驱动轴连接有空心转轴，空心转轴由驱动电机驱使进行转动，空心转轴的底部与电磁冲击系统相连接，电磁冲击系统由空心转轴驱使进行工作，空心转轴和电磁冲击系统均装配在钻具外管的内腔中，空心转轴与钻具外管之间通过减速器相连接，钻具外管的底部与钻头相连接，空心转轴转动过程中驱使钻具外管带动钻头进行转动。
岩屑室的顶部还连接有反扭装置，反扭装置的上部连接有壳体，壳体内设置有电子元件仓、滑环和电缆终端，滑环和电缆终端设在电子元件仓的上部，电缆终端与壳体顶端的铠装电缆相连接，电缆终端、电子元件仓和驱动电机均由铠装电缆提供电力。
岩屑室为套管结构，其中岩屑室上部的套管内腔中设置有过滤管，过滤管的出液口对应水泵的进液口设置，岩屑室上部套管的侧壁上开设有第一进液通道，水泵和驱动电机装配在岩屑室下部的套管内腔中，驱动电机与套管内侧壁之间设置有第一输液通道。
电磁冲击系统包括有感应室和冲击室，其中感应室设在冲击室的上部，感应室内设置有第一隔离壳体，第一隔离壳体内设置有扇环形磁铁，扇环形磁铁通过磁铁基体与钻具外管相固连，磁铁基体上开设有第二输液通道，扇环形磁铁内装配有线圈，线圈的顶部与空心转轴的底端相连接，线圈能够在空心转轴的带动下与空心转轴进行同步转动，线圈的下部设置有换向器，冲击室内设置有第二隔离壳体，第二隔离壳体上部的内腔中设置有电磁铁，电磁铁的顶端与换向器的下端相连接，第二隔离壳体的下部设置有导轨，导轨通过导杆连接有冲锤，冲锤在导杆的带动下能够沿导轨进行上下滑动，冲锤的顶部装配有永磁铁，永磁铁的顶端对应电磁铁的底部进行设置，冲锤向下运动过程中能够对钻具外管底部的钻头进行冲击，空心转轴的上下均开设有第二进液通道，钻头内设置有冲洗喷嘴，冲洗喷嘴分别与钻具外管下部的内腔以及钻孔相连通。
线圈为铜质多匝线圈，线圈缠绕在由硅钢片叠制而成的铁心上，扇环形磁铁及永磁铁均采用高渗磁感应密度的强磁铁。
岩屑室上部套管侧壁上的第一进液通道、驱动电机与套管内侧壁之间的第一输液通道、空心转轴上下的第二进液通道、空心转轴的内腔、磁铁基体上的第二输液通道、钻头内的冲洗喷嘴、钻具外管的内腔和钻具与钻孔内壁之间的空隙在水泵的带动下形成为输液循环通道。
钻具外管的底部通过花键套与钻头相连接，其中花键套的内侧壁上开设有滑槽，对应滑槽位置的钻头上装配有滑轨，钻头通过滑轨插设在滑槽内，钻头能够在滑槽内进行上下移动。
上述的水泵、驱动电机、钻头、减速器、反扭装置、电子元件仓、电缆终端、铠装电缆、扇环形磁铁、线圈、换向器和永磁铁均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
在极地钻探过程中当钻遇冰下基岩层时，利用铠装电缆将本发明提供的极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具下放至孔底，先启动水泵，使孔内钻井液处于循环状态，然后启动驱动电机，驱动电机驱动空心转轴通过减速器带动钻具外管转动，钻具外管通过花键套带动钻头转动切削孔底岩石。同时感应室内铜质线圈被空心转轴带动而高速转动，在扇环形磁铁磁场力作用下，产生交变感应电流，产生的交变电流通过导线传输至换向器，转化为直流电流，然后传至冲击室内的电磁铁电流接口处，使电磁铁产生磁性，对冲锤上部永磁铁产生排斥力，实现对钻头的冲击。磁铁基体、扇环形磁铁与钻具外管通过螺接相固连并与钻具外管同步转动，磁铁基体、扇环形磁铁转过半圈的行程时，扇环形磁铁产生的磁场极性发生转变，从而使感应电流的方向发生变化，冲击室内电磁铁磁性发生转变，对冲锤上部永磁铁产生吸引力而使冲锤向上运动，完成一个冲击周期，由此达成冲击回转碎岩的目的。通过改变转速能够改变冲锤冲击频率及冲击力的大小，实现不同硬度的岩层钻进。
钻进产生的岩屑随钻井液经钻具外管与孔壁之间的环隙上返到达岩屑室附近时，通过岩屑室上部套管侧壁上的第一进液通道进入岩屑室，岩屑被岩屑室上部套管内腔中的过滤管阻隔滞留在岩屑室内，而钻井液在水泵抽吸作用下，进入水泵并被泵送至驱动电机与套管内侧壁之间的第一输液通道下行，进入空心转轴上下的第二进液通道及空心转轴的内腔后经由磁铁基体上的第二输液通道及钻具外管下部的内腔到达钻头，最后经钻头内的冲洗喷嘴水眼以一定的速度喷出，清洗孔底并携带新产生的岩屑上返，形成循环。
本发明的有益效果：
本发明提供的极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具，相较于传统的铠装电缆式电动机械钻具，增加了电磁冲击系统，有效弥补了传统铠装电缆式电动机械钻具因钻压、扭矩不足而无法钻进岩层的缺点，降低了碎岩难度。同时，本发明提出的电磁式冲击回转钻进系统，采用电磁力控制冲击系统工作，具有响应快、精度高、冲击结构不易损坏等优点，相较于传统的冲击回转钻具，其冲击结构简单可靠，能够避免冲击机构卡死、排除故障困难等问题。通过改变转速即可改变冲击频率及冲击力的大小，实现不同硬度岩层的高效钻进。本发明提供的整套系统紧凑、轻便，操作简单，可靠性高，钻进速度快，辅助时间短，适于极地冰下基岩钻进。
附图说明
图1为本发明所述的电磁冲击回转钻具整体结构示意图。
图2为本发明所述的感应室结构示意图。
图3为本发明所述的感应室断面俯视图。
图4为本发明所述的冲击室结构示意图。
图5本发明所述的钻头结构示意图。
图6为本发明所述的花键套结构示意图。
图7为本发明所述的钻头与花键套组合结构示意图。
上图中的标注如下：
1、岩屑室 2、水泵 3、驱动电机 4、钻具外管 5、钻头
6、空心转轴 7、减速器 8、反扭装置 9、壳体 10、电子元件仓
11、滑环 12、电缆终端 13、铠装电缆 14、过滤管 15、第一进液通道
16、第一输液通道 17、感应室 18、冲击室 19、第一隔离壳体
20、扇环形磁铁 21、磁铁基体 22、第二输液通道 23、线圈 24、换向器
25、第二隔离壳体 26、电磁铁 27、导轨 28、导杆 29、冲锤
30、永磁铁 31、第二进液通道 32、冲洗喷嘴 33、花键套
34、滑槽 35、滑轨36、钻孔。
具体实施方式
请参阅图1至图7所示：
本发明提供的极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具包括有岩屑室1、水泵2、驱动电机3、电磁冲击系统、钻具外管4和钻头5，其中岩屑室1装配在水泵2的上部，岩屑室1的出液口对应水泵2的进液口设置，驱动电机3设在水泵2的下部，驱动电机3下部的驱动轴连接有空心转轴6，空心转轴6由驱动电机3驱使进行转动，空心转轴6的底部与电磁冲击系统相连接，电磁冲击系统由空心转轴6驱使进行工作，空心转轴6和电磁冲击系统均装配在钻具外管4的内腔中，空心转轴6与钻具外管4之间通过减速器7相连接，钻具外管4的底部与钻头5相连接，空心转轴6转动过程中驱使钻具外管4带动钻头5进行转动。
岩屑室1的顶部还连接有反扭装置8，反扭装置8的上部连接有壳体9，壳体9内设置有电子元件仓10、滑环11和电缆终端12，滑环11和电缆终端12设在电子元件仓10的上部，电缆终端12与壳体9顶端的铠装电缆13相连接，电缆终端12、电子元件仓10和驱动电机3均由铠装电缆13提供电力。
岩屑室1为套管结构，其中岩屑室上部的套管内腔中设置有过滤管14，过滤管14的出液口对应水泵2的进液口设置，岩屑室1上部套管的侧壁上开设有第一进液通道15，水泵2和驱动电机3装配在岩屑室1下部的套管内腔中，驱动电机3与套管内侧壁之间设置有第一输液通道16。
电磁冲击系统包括有感应室17和冲击室18，其中感应室17设在冲击室18的上部，感应室17内设置有第一隔离壳体19，第一隔离壳体19内设置有扇环形磁铁20，扇环形磁铁20通过磁铁基体21与钻具外管4相固连，磁铁基体21上开设有第二输液通道22，扇环形磁铁20内装配有线圈23，线圈23的顶部与空心转轴6的底端相连接，线圈23能够在空心转轴6的带动下与空心转轴6进行同步转动，线圈23的下部设置有换向器24，冲击室18内设置有第二隔离壳体25，第二隔离壳体25上部的内腔中设置有电磁铁26，电磁铁26的顶端与换向器24的下端相连接，第二隔离壳体25的下部设置有导轨27，导轨27通过导杆28连接有冲锤29，冲锤29在导杆28的带动下能够沿导轨27进行上下滑动，冲锤29的顶部装配有永磁铁30，永磁铁30的顶端对应电磁铁26的底部进行设置，冲锤29向下运动过程中能够对钻具外管4底部的钻头5进行冲击，空心转轴6的上下均开设有第二进液通道31，钻头5内设置有冲洗喷嘴32，冲洗喷嘴32分别与钻具外管4下部的内腔以及钻孔36相连通。
线圈23为铜质多匝线圈，线圈23缠绕在由硅钢片叠制而成的铁心上，扇环形磁铁20及永磁铁30均采用高渗磁感应密度的强磁铁。
岩屑室1上部套管侧壁上的第一进液通道15、驱动电机3与套管内侧壁之间的第一输液通道16、空心转轴6上下的第二进液通道31、空心转轴6的内腔、磁铁基体21上的第二输液通道22、钻头5内的冲洗喷嘴32、钻具外管4的内腔和钻具与钻孔36内壁之间的空隙在水泵2的带动下形成为输液循环通道。
钻具外管4的底部通过花键套33与钻头5相连接，其中花键套33的内侧壁上开设有滑槽34，对应滑槽34位置的钻头5上装配有滑轨35，钻头5通过滑轨35插设在滑槽34内，钻头5能够在滑槽34内进行上下移动。
上述的水泵2、驱动电机3、钻头5、减速器7、反扭装置8、电子元件仓10、电缆终端12、铠装电缆13、扇环形磁铁20、线圈23、换向器24和永磁铁30均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
在极地钻探过程中当钻遇冰下基岩层时，利用铠装电缆13将本发明提供的极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具下放至孔底，先启动水泵2，使孔内钻井液处于循环状态，然后启动驱动电机3，驱动电机3驱动空心转轴6通过减速器7带动钻具外管4转动，钻具外管4通过花键套33带动钻头5转动切削孔底岩石。同时感应室17内铜质线圈23被空心转轴6带动而高速转动，在扇环形磁铁20磁场力作用下，产生交变感应电流，产生的交变电流通过导线传输至换向器24，转化为直流电流，然后传至冲击室18内的电磁铁26电流接口处，使电磁铁26产生磁性，对冲锤29上部永磁铁30产生排斥力，实现对钻头5的冲击。磁铁基体21、扇环形磁铁20与钻具外管4通过螺接相固连并与钻具外管4同步转动，磁铁基体21、扇环形磁铁20转过半圈的行程时，扇环形磁铁20产生的磁场极性发生转变，从而使感应电流的方向发生变化，冲击室18内电磁铁26磁性发生转变，对冲锤29上部永磁铁30产生吸引力而使冲锤29向上运动，完成一个冲击周期，由此达成冲击回转碎岩的目的。通过改变转速能够改变冲锤29冲击频率及冲击力的大小，实现不同硬度的岩层钻进。
钻进产生的岩屑随钻井液经钻具外管4与孔壁之间的环隙上返到达岩屑室1附近时，通过岩屑室1上部套管侧壁上的第一进液通道15进入岩屑室1，岩屑被岩屑室1上部套管内腔中的过滤管14阻隔滞留在岩屑室1内，而钻井液在水泵2抽吸作用下，进入水泵2并被泵送至驱动电机3与套管内侧壁之间的第一输液通道16下行，进入空心转轴6上下的第二进液通道31及空心转轴6的内腔后经由磁铁基体21上的第二输液通道22及钻具外管4下部的内腔到达钻头5，最后经钻头5内的冲洗喷嘴32水眼以一定的速度喷出，清洗孔底并携带新产生的岩屑上返，形成循环。
Claims (7)
1.一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具，其特征在于：包括有岩屑室、水泵、驱动电机、电磁冲击系统、钻具外管和钻头，其中岩屑室装配在水泵的上部，岩屑室的出液口对应水泵的进液口设置，驱动电机设在水泵的下部，驱动电机下部的驱动轴连接有空心转轴，空心转轴由驱动电机驱使进行转动，空心转轴的底部与电磁冲击系统相连接，电磁冲击系统由空心转轴驱使进行工作，空心转轴和电磁冲击系统均装配在钻具外管的内腔中，空心转轴与钻具外管之间通过减速器相连接，钻具外管的底部与钻头相连接，空心转轴转动过程中驱使钻具外管带动钻头进行转动。
2.根据权利要求1所述的一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具，其特征在于：所述的岩屑室的顶部还连接有反扭装置，反扭装置的上部连接有壳体，壳体内设置有电子元件仓、滑环和电缆终端，滑环和电缆终端设在电子元件仓的上部，电缆终端与壳体顶端的铠装电缆相连接，电缆终端、电子元件仓和驱动电机均由铠装电缆提供电力。
3.根据权利要求1所述的一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具，其特征在于：所述的岩屑室为套管结构，其中岩屑室上部的套管内腔中设置有过滤管，过滤管的出液口对应水泵的进液口设置，岩屑室上部套管的侧壁上开设有第一进液通道，水泵和驱动电机装配在岩屑室下部的套管内腔中，驱动电机与套管内侧壁之间设置有第一输液通道。
4.根据权利要求1所述的一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具，其特征在于：所述的电磁冲击系统包括有感应室和冲击室，其中感应室设在冲击室的上部，感应室内设置有第一隔离壳体，第一隔离壳体内设置有扇环形磁铁，扇环形磁铁通过磁铁基体与钻具外管相固连，磁铁基体上开设有第二输液通道，扇环形磁铁内装配有线圈，线圈的顶部与空心转轴的底端相连接，线圈能够在空心转轴的带动下与空心转轴进行同步转动，线圈的下部设置有换向器，冲击室内设置有第二隔离壳体，第二隔离壳体上部的内腔中设置有电磁铁，电磁铁的顶端与换向器的下端相连接，第二隔离壳体的下部设置有导轨，导轨通过导杆连接有冲锤，冲锤在导杆的带动下能够沿导轨进行上下滑动，冲锤的顶部装配有永磁铁，永磁铁的顶端对应电磁铁的底部进行设置，冲锤向下运动过程中能够对钻具外管底部的钻头进行冲击，空心转轴的上下均开设有第二进液通道，钻头内设置有冲洗喷嘴，冲洗喷嘴分别与钻具外管下部的内腔以及钻孔相连通。
5.根据权利要求4所述的一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具，其特征在于：所述的线圈为铜质多匝线圈，线圈缠绕在由硅钢片叠制而成的铁心上，扇环形磁铁及永磁铁均采用高渗磁感应密度的强磁铁。
6.根据权利要求1或3或4所述的一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具，其特征在于：所述的岩屑室上部套管侧壁上的第一进液通道、驱动电机与套管内侧壁之间的第一输液通道、空心转轴上下的第二进液通道、空心转轴的内腔、磁铁基体上的第二输液通道、钻头内的冲洗喷嘴、钻具外管的内腔和钻具与钻孔内壁之间的空隙在水泵的带动下形成为输液循环通道。
7.根据权利要求1所述的一种极地冰下基岩用铠装电缆式电磁冲击回转钻具，其特征在于：所述的钻具外管的底部通过花键套与钻头相连接，其中花键套的内侧壁上开设有滑槽，对应滑槽位置的钻头上装配有滑轨，钻头通过滑轨插设在滑槽内，钻头能够在滑槽内进行上下移动。
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2021
- 2021-09-03 CN CN202111029408.8A patent/CN113565433B/zh active Active
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| CN113565433B (zh) | 2022-04-22 |
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