CN114278242A - 一种取心钻具的插接式岩心管机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种取心钻具的插接式岩心管机构，涉及地质岩心钻探取心设备技术领域，包括断心机构、组合式插接半合岩心管组和单向阀机构；所述组合式插接半合岩心管组一端卡接于所述断心机构的弹性插接卡簧座内，另一端卡接于弹性插接安装头内，所述弹性插接安装头远离所述组合式插接半合岩心管组的一端固定卡接有所述单向阀机构。本发明提供的取心钻具的插接式岩心管机构，简化了地表出心操作，提升了岩心管机构的快速拆装性能，有效减少了辅助时间的使用，进一步提升钻具使用效率。

Description

一种取心钻具的插接式岩心管机构

技术领域

本发明涉及地质岩心钻探取心设备技术领域，特别是涉及一种取心钻具的插接式岩心管机构。

背景技术

为掌握地下地质情况，通常通过钻探取心的方式直接获得真实可靠的地下岩层资料，采用的取心钻具主要包括单动双管取心钻具和绳索取心钻具，而绳索取心钻具事实上也是一种特殊类型的单动双管取心钻具。

地质岩心钻探取心目前以绳索取心钻具为主，绳索取心钻具一般应用于小口径钻探施工中，并且，应用深度不会太深，目前世界上最深的以绳索取心工艺实施的钻孔为5422.7米，国内为4007.01米。而在科学钻探、石油钻井、复杂地层钻探等大口径、深孔与特深孔取心时，基本采用单动双管钻具，获取的岩心直径更大，地质资料更丰富，达到兼顾钻探效率和岩心采取质量的目的。

地表出心钻具操作效率越高，取心钻探施工效率将会得到有效提升，进而节约施工成本。但结合发表的专利、论文和生产实践发现，单动双管取心钻具或绳索取心钻具的地表出心操作流程仍不够便捷，主要包括：

（1）岩心管两端螺纹连接，上卸扣繁琐，并且，岩心管与卡簧座螺纹被含岩粉的冲洗液污损后，螺纹清理时间长，尤其是卡簧座内螺纹，很难有效清理，强力连接时，易造成螺纹破损，致使岩心管与卡簧座失效，增加使用成本；

（2）松散、破碎等易堵心地层取心钻进时，岩心与岩心管之间极易卡死，岩心难以快速取出，需要的辅助时间长，通常需要猛烈敲击岩心管，造成损伤，影响正常使用；

因此，应结合钻具实际使用情况，进一步开展岩心管机构设计优化，提高其地表出心操作效率，进而有效减少辅助时间使用、提升钻探施工效率、降低施工成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种取心钻具的插接式岩心管机构，以解决上述现有技术存在的问题，简化地表出心操作，提升岩心管机构的快速拆装性能，有效减少辅助时间的使用，进一步提升钻具使用效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种取心钻具的插接式岩心管机构，包括断心机构、组合式插接半合岩心管组和单向阀机构；所述组合式插接半合岩心管组一端卡接于所述断心机构的弹性插接卡簧座内，另一端卡接于弹性插接安装头内，所述弹性插接安装头远离所述组合式插接半合岩心管组的一端固定卡接有所述单向阀机构。

可选的，所述组合式插接半合岩心管组包括至少两个通过双向弹性插接接头串行连接的组合式插接半合岩心管；所述组合式插接半合岩心管外壁上对称开设有两个环形结构的卡槽；所述组合式插接半合岩心管包括第一管部和第二管部，所述第一管部两端的径向截面均为圆环状结构，所述第一管部两端之间与所述第二管部卡接，且所述第一管部两端之间与所述第二管部卡接后的径向截面的轴向投影与所述第一管部两端的径向截面的轴向投影重合。

可选的，所述双向弹性插接接头两端对称设置有多个卡爪，所述弹性插接卡簧座与所述组合式插接半合岩心管组连接的一端设置有多个所述卡爪，所述弹性插接安装头与所述组合式插接半合岩心管组连接的一端设置有多个所述卡爪；所述卡爪内侧设有与所述卡槽固定卡接的凸起，所述卡爪外侧末端设有限位部。

可选的，所述弹性插接卡簧座上套设有第一弹簧，所述双向弹性插接接头上套设有第二弹簧，所述弹性插接安装头上套设有第三弹簧；所述第一弹簧一端与所述弹性插接卡簧座上的弹簧定位部抵接，另一端与套设于所述弹性插接卡簧座上的限位环抵接；所述第二弹簧两端分别与套设于所述双向弹性插接接头上的两个限位环抵接；所述第三弹簧一端与所述弹性插接安装头上的弹簧定位部抵接，另一端与套设于所述弹性插接安装头上的限位环抵接；套设于所述弹性插接卡簧座上的限位环一端与所述弹性插接卡簧座的卡爪外侧末端的限位部抵接；套设于所述双向弹性插接接头上的两个限位环一端分别与所述双向弹性插接接头上的两个卡爪外侧末端的限位部抵接；套设于所述弹性插接安装头上的限位环一端与所述弹性插接安装头上的卡爪外侧末端的限位部抵接。

可选的，所述断心机构包括拦卡簧和所述弹性插接卡簧座；所述拦卡簧包括内部设有防滑槽的弹性环状开口钢圈，所述弹性环状开口钢圈内部开槽处上端均匀铆接有多个拦簧片，所述拦簧片下部与所述弹性环状开口钢圈内部开槽处固定铆接，所述拦簧片上部为平滑的向内弯折结构；所述拦卡簧可拆卸地设置于所述弹性插接卡簧座内。

可选的，所述弹性环状开口钢圈内侧均匀开设有多个阶梯纹，所述弹性环状开口钢圈内壁上开设有多个轴向通槽，所述轴向通槽与所述阶梯纹垂直；所述弹性环状开口钢圈下端内侧为锥度导向，用于引导岩心进入。

可选的，所述单向阀机构包括钢球座、单动接头和钢球；所述单动接头的开口端固定螺纹连接于所述弹性插接安装头远离所述组合式插接半合岩心管组的一端，所述钢球座固定螺纹连接于所述单动接头开口端内，所述钢球活动设置于所述钢球座位于所述单动接头内的一端，所述钢球座内开设有流通通道；所述单动接头位于所述弹性插接安装头外部的一端侧壁上开设有两个与所述流通通道连通的通孔，所述钢球能够阻挡所述流通通道与所述通孔的流通。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的取心钻具的插接式岩心管机构，通过组合式插接半合岩心管的快速插接与锁死结构设计，使地表出心操作更便捷，零件的拆装更高效，使用可靠性更高；组合式插接半合岩心管采用两半式设计，零件的径向与轴向限位可靠性高，尤其适用于松散、破碎等易堵心地层的使用，提高地表出心操作效率；完整地层钻进，适合长回次取心时，可通过增加组合式插接半合岩心管和双向弹性插接接头的数量，增加岩心管的总长度，同时配合适合长度的钻具外管，可快速提升回次进尺长度，有效减少提、下钻的频率，减少辅助时间的使用，提高钻探施工使用效率。组合式插接半合岩心管和双向弹性插接接头之间的相互配合尺寸设计一致，有效提升了零件的互换性，提高了零件的重复利用性能，更有利于降低施工成本，提高钻探效率。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明取心钻具的插接式岩心管机构的结构示意图；

图2为本发明弹性插接卡簧座结构示意图；

图3为本发明双向弹性插接接头结构示意图；

图4为本发明弹性插接安装头结构示意图；

图5为本发明组合式插接半合岩心管结构示意图；

图6为本发明组合式插接半合岩心管俯视示意图；

图7为本发明拦卡簧结构示意图；

图8为本发明拦卡簧俯视示意图；

图9为本发明断心机构断心过程各零件相对位置变化示意图；

图10为本发明单向阀机构闭合状态示意图；

图11为本发明单向阀机构打开状态示意图；

图12为本发明取心钻具的插接式岩心管机构拆卸过程示意图；

其中，100-取心钻具的插接式岩心管机构、1-弹性插接卡簧座、2-拦卡簧、3-限位环、4-组合式插接半合岩心管、401-第一管部、402-第二管部、5-双向弹性插接接头、6-弹性插接安装头、7-单动接头、8-钢球座、9-第一弹簧、10-第二弹簧、11-第三弹簧、12-钢球、13-卡爪、14-拦簧片、15-岩心。

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。

本发明的目的是提供一种取心钻具的插接式岩心管机构，以解决上述现有技术存在的问题，简化地表出心操作，提升岩心管机构的快速拆装性能，有效减少辅助时间的使用，进一步提升钻具使用效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

术语解释：

取心钻进技术：利用钻探设备，通过对取心钻具施加压力与回转扭矩，获取地下岩矿心的技术方法。

取心钻具：通过加压与回转，钻取、容纳岩心，并将岩心携带至地表的钻探工具。

单动双管取心钻具：由外管总成和内管总成组成，在取心钻进过程中，外管带动钻头回转并切削岩石，内管不转动（相对岩心静止），避免了钻具转动而产生的摩擦振动对岩矿心的机械破碎，能够获得较好的岩心采取质量，该类型钻具采用全面提钻的方式完成地表出心与岩心存储。

绳索取心钻具：是一种特殊类型的单动双管取心钻具，其内管总成与外管总成可分离，取心操作与常规单动双管钻具不同，可不提出钻头、钻具外管和钻杆从孔底取出岩心。内管总成由地表经钻杆投内部投送至孔底，回次钻进结束后，利用绳索绞车通过钢丝绳将打捞器下放至孔底打捞内管总成，从钻杆内将内管总成及岩心打捞至地面进行取心。

冲洗液：钻进过程中，用来冷却钻头、排除岩粉、保护岩心、保护孔壁、传递动力及平衡地层压力的流体。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种取心钻具的插接式岩心管机构100，包括断心机构、组合式插接半合岩心管组和单向阀机构；组合式插接半合岩心管组一端卡接于断心机构的弹性插接卡簧座内，另一端卡接于弹性插接安装头内，弹性插接安装头远离组合式插接半合岩心管组的一端固定卡接有单向阀机构。

具体的，组合式插接半合岩心管组包括至少两个通过双向弹性插接接头串行连接的组合式插接半合岩心管；如图5和6所示，组合式插接半合岩心管4外壁上对称开设有两个环形结构的卡槽；组合式插接半合岩心管4包括第一管部401和第二管部402，图6中的虚线部分即为第一管部401和第二管部402的切割线，第一管部401两端的径向截面均为圆环状结构，第一管部401两端之间与第二管部402卡接，且第一管部401两端之间与第二管部402卡接后的径向截面的轴向投影与第一管部401两端的径向截面的轴向投影重合。组合式插接半合岩心管4采用线切割工艺分成两部分，组合式插接半合岩心管端部未进行线切割，安装时，对两部分组合后的组合式插接半合岩心管4实现良好的导向作用，进而实现快速安装。组合后的组合式插接半合岩心管4两端分别连接弹性插接卡簧座1、双向弹性插接接头5或弹性插接安装头6，如图2、图3和图4所示，双向弹性插接接头5两端对称设置有多个卡爪13，弹性插接卡簧座1与组合式插接半合岩心管组连接的一端设置有多个卡爪13，弹性插接安装头6与组合式插接半合岩心管组连接的一端设置有多个卡爪13；卡爪13内侧设有与卡槽固定卡接的凸起，卡爪13外侧末端设有限位部。弹性插接卡簧座1、双向弹性插接接头5和弹性插接安装头6的内径实现组合式插接半合岩心管4的径向限位，弹性插接卡簧座1、双向弹性插接接头5和弹性插接安装头6的卡爪13与组合式插接半合岩心管4两端卡槽配合，实现零件间的轴向限位。弹性插接卡簧座1上套设有第一弹簧9，双向弹性插接接头5上套设有第二弹簧10，弹性插接安装头6上套设有第三弹簧11；第一弹簧9一端与弹性插接卡簧座1上的弹簧定位部抵接，另一端与套设于弹性插接卡簧座1上的限位环3抵接；第二弹簧10两端分别与套设于双向弹性插接接头5上的两个限位环3抵接；第三弹簧11一端与弹性插接安装头6上的弹簧定位部抵接，另一端与套设于弹性插接安装头6上的限位环3抵接；套设于弹性插接卡簧座1上的限位环3一端与弹性插接卡簧座1的卡爪13外侧末端的限位部抵接；套设于双向弹性插接接头5上的两个限位环3一端分别与双向弹性插接接头5上的两个卡爪13外侧末端的限位部抵接；套设于弹性插接安装头6上的限位环3一端与弹性插接安装头6上的卡爪13外侧末端的限位部抵接。弹性插接卡簧座1、双向弹性插接接头5和弹性插接安装头6材料为65Mn，经过合理的热处理，加工好外形后，线切割割缝，实现各卡爪13的内外张开及回弹。装配时，施加径向压力，使上述零件各卡爪13向内收缩，将第一弹簧9、第二弹簧10、第三弹簧11及四个限位环3按图1顺序安装即可，第一弹簧9、第二弹簧10、第三弹簧11预压缩安装。施加推力推动限位环3压缩第一弹簧9、第二弹簧10、第三弹簧11，解除上述三个零件各卡爪13的限位，将组合式插接半合岩心管4两端插入，释放四个限位环3，在第一弹簧9、第二弹簧10、第三弹簧11弹力的作用，推动各自限位环3复位，完成各卡爪13的限位，简单的操作实现组合式插接半合岩心管4的快速拆装。双向弹性插接接头5上包括第二弹簧10和两个限位环3，在第二弹簧10弹力的作用下，保持两个限位环3的锁定位置，限定双向弹性插接接头5各卡爪13的位置。

断心机构由弹性插接卡簧座1与拦卡簧2配合取心钻头完成断心操作。如图7和8所示，拦卡簧2下部钢圈为65Mn弹性材料，开口处理，上部拦簧片14为弹性材质，起到阻挡块状岩心脱落的目的；拦卡簧2包括内部设有防滑槽的弹性环状开口钢圈，弹性环状开口钢圈内部轴向通槽上均匀铆接有多个拦簧片14，拦簧片14下部与弹性环状开口钢圈内壁固定铆接，拦簧片14上部为平滑的向内弯折结构；拦卡簧2可拆卸的设置于弹性插接卡簧座1内。弹性环状开口钢圈内侧均匀开设有多个阶梯纹，弹性环状开口钢圈内壁上开设有多个轴向通槽，轴向通槽与阶梯纹垂直，弹性环状开口钢圈下端内侧为锥度导向，用于引导岩心进入。如图9所示，首先为下钻，开始钻进状态，然后为岩心15满管或堵心后准备提钻，最后为上提钻具，钻头接触卡簧座底部，拦卡簧2受力向内收拢，抱紧并拉断岩心状态，具体的，岩心15完整时，拦卡簧2下部弹性环状开口钢圈发挥主要作用，钢圈内部设计有防滑槽，可增大摩擦力，有效抱紧岩心，此时拦卡簧2相对于岩心静止；上提钻杆、钻具，取心钻头上移，钻头内台阶接触弹性插接卡簧座底部，带动拦卡簧2向内收缩，抱紧并拉断岩心15，断心拉力由钻机提供，拉力经钻杆、外管总成、取心钻头、弹性插接卡簧座1、拦卡簧2传递至岩心，弹性插接卡簧座1下部倒角锥度与钻头内台阶锥度保持一致，提高弹性插接卡簧座1在断心时的受力性能。提钻时，拦卡簧2下部弹性环状开口钢圈一直处于抱紧岩心状态，有效防止岩心脱落。

岩心15松散、破碎时，拦卡簧2上部的拦簧片14发挥主要作用，松散、破碎地层岩心穿过拉簧片后，拦簧片14闭合将松散、破碎岩心托住，防止提钻时岩心15脱落。

如图10和图11所示，单向阀机构包括钢球座8、单动接头7和钢球12；单动接头7的开口端固定螺纹连接于弹性插接安装头6远离组合式插接半合岩心管组的一端，钢球座8固定螺纹连接于单动接头7开口端内，钢球12活动设置于钢球座8位于单动接头7内的一端，钢球座8内开设有流通通道；单动接头7位于弹性插接安装头6外部的一端侧壁上开设有两个与流通通道连通的通孔，钢球12能够阻挡流通通道与通孔的流通。单向阀机构作用主要包括以下三个方面，一是下放钻具过程中，钢球12受冲洗液推力向上移动，单向阀打开，冲洗液可通过组合式插接半合岩心管内部经单向阀和单动接头通孔，进入内管总成与外管总成之间的环状间隙，向上运动至钻杆内部，减轻钻具下放的阻力。二是取心钻进过程中，岩心逐渐进入组合式插接半合岩心管内部，组合式插接半合岩心管上部积存的冲洗液向上推动钢球，冲洗液通过单动接头通孔向上排出，降低岩心入管阻力。三是上提钻具过程中，单向阀机构处于闭合状态，防止冲洗液进入组合式插接半合岩心管内部，冲刷、冲散、冲掉钻获的岩心，保证岩心采取质量。

如图12所示，本发明装置拆卸过程为：一只手向左滑动弹性插接卡簧座1上的限位环3，解除弹性插接卡簧座1各卡爪13限位，另一只手握住弹性插接卡簧座1下部，保持双手相对位置不变，向左滑动弹性插接卡簧座1，卡爪13向外张开，逐渐与组合式插接半合岩心管4卡槽脱离，继续向左滑动，直至弹性插接卡簧座1与组合式插接半合岩心管4脱离，同样原理，一只手向右滑动双向弹性插接接头5上左侧限位环，解除卡爪13限位，另一只手向左拔出组合式插接半合岩心管4，将组合式插接半合岩心管4沿轴向线切割平面水平放置（小块部分朝上），将小块部分向上提起，实现组合式插接半合岩心管4两部分的快速分离，相同原理实现另一组组合式插接半合岩心管4两部分的快速拆卸与分离。反向操作完成各零件的快速插接装配即可。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上所做出的的改进，本实施例中，组合式插接半合岩心管组包括一个组合式插接半合岩心管4。进一步优选的，单个组合式插接半合岩心管4的长度可以根据地层情况进行调节。若地层完整，适合长回次取心，还可通过增加组合式插接半合岩心管4和双向弹性插接接头5，增加岩心管的总长度，同时配合适合长度的钻具外管，可快速提升回次进尺长度，有效减少提、下钻的频率，减少辅助时间的使用，提高钻探施工使用效率。同时将组合式插接半合岩心管4和双向弹性插接接头5之间的相互配合尺寸设计一致，有效提升了零件的互换性，提高了零件的重复利用性能，更有利于降低施工成本，提高钻探效率。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种取心钻具的插接式岩心管机构，其特征在于：包括断心机构、组合式插接半合岩心管组和单向阀机构；所述组合式插接半合岩心管组一端卡接于所述断心机构的弹性插接卡簧座内，另一端卡接于弹性插接安装头内，所述弹性插接安装头远离所述组合式插接半合岩心管组的一端固定卡接有所述单向阀机构；所述断心机构包括拦卡簧和弹性插接卡簧座；所述组合式插接半合岩心管组包括至少两个通过双向弹性插接接头串行连接的组合式插接半合岩心管；所述单向阀机构包括钢球座、单动接头和钢球。

2.根据权利要求1所述的取心钻具的插接式岩心管机构，其特征在于：所述组合式插接半合岩心管外壁上对称开设有两个环形结构的卡槽；所述组合式插接半合岩心管包括第一管部和第二管部，所述第一管部两端的径向截面均为圆环状结构，所述第一管部两端之间与所述第二管部卡接，且所述第一管部两端之间与所述第二管部卡接后的径向截面的轴向投影与所述第一管部两端的径向截面的轴向投影重合。

3.根据权利要求2所述的取心钻具的插接式岩心管机构，其特征在于：所述双向弹性插接接头两端对称设置有多个卡爪，所述弹性插接卡簧座与所述组合式插接半合岩心管组连接的一端设置有多个所述卡爪，所述弹性插接安装头与所述组合式插接半合岩心管组连接的一端设置有多个所述卡爪；所述卡爪内侧设有与所述卡槽固定卡接的凸起，所述卡爪外侧末端设有限位部。

4.根据权利要求3所述的取心钻具的插接式岩心管机构，其特征在于：所述弹性插接卡簧座上套设有第一弹簧，所述双向弹性插接接头上套设有第二弹簧，所述弹性插接安装头上套设有第三弹簧；所述第一弹簧一端与所述弹性插接卡簧座上的弹簧定位部抵接，另一端与套设于所述弹性插接卡簧座上的限位环抵接；所述第二弹簧两端分别与套设于所述双向弹性插接接头上的两个限位环抵接；所述第三弹簧一端与所述弹性插接安装头上的弹簧定位部抵接，另一端与套设于所述弹性插接安装头上的限位环抵接；套设于所述弹性插接卡簧座上的限位环一端与所述弹性插接卡簧座的卡爪外侧末端的限位部抵接；套设于所述双向弹性插接接头上的两个限位环一端分别与所述双向弹性插接接头上的两个卡爪外侧末端的限位部抵接；套设于所述弹性插接安装头上的限位环一端与所述弹性插接安装头上的卡爪外侧末端的限位部抵接。

5.根据权利要求4所述的取心钻具的插接式岩心管机构，其特征在于：所述拦卡簧包括内部设有防滑槽的弹性环状开口钢圈，所述弹性环状开口钢圈内部开槽处上端均匀铆接有多个拦簧片，所述拦簧片下部与所述弹性环状开口钢圈内部开槽处固定铆接，所述拦簧片上部为平滑的向内弯折结构；所述拦卡簧可拆卸地设置于所述弹性插接卡簧座内。

6.根据权利要求5所述的取心钻具的插接式岩心管机构，其特征在于：所述弹性环状开口钢圈内侧均匀开设有多个阶梯纹，所述弹性环状开口钢圈内壁上开设有多个轴向通槽，所述轴向通槽与所述阶梯纹垂直；所述弹性环状开口钢圈下端内侧为锥度导向，用于引导岩心进入。

7.根据权利要求4所述的取心钻具的插接式岩心管机构，其特征在于：所述单动接头的开口端固定螺纹连接于所述弹性插接安装头远离所述组合式插接半合岩心管组的一端，所述钢球座固定螺纹连接于所述单动接头开口端内，所述钢球活动设置于所述钢球座位于所述单动接头内的一端，所述钢球座内开设有流通通道；所述单动接头位于所述弹性插接安装头外部的一端侧壁上开设有两个与所述流通通道连通的通孔，所述钢球能够阻挡所述流通通道与所述通孔的流通。

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