CN114658379B - 定向取芯钻具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向取芯钻具，包括连接装置、驱动轴、取芯器和安装于所述驱动轴前端的钻头，所述驱动轴后端与所述连接装置扭矩传递连接，还包括用于测量钻进轨迹参数的测量装置，所述测量装置与所述取芯器固定连接；所述取芯器能够轴向从所述连接装置处活动至所述钻头处。在该定向取芯钻具中，在使用时，其中测量装置能够跟随取芯器一同进出，而在进入之后，测量装置可以测量钻进轨迹参数，而其中的取芯器能够取芯，以使得可以钻进过程中取芯，且可以随时监测钻进轨迹参数。可同时进行定向钻进、连续取芯、随钻测量操作，减少了定向取芯工序和测量工序，增加了钻进效率。本发明还公开了一种定向取芯钻具使用方法。

Description

定向取芯钻具及其使用方法

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，更具体地说，涉及一种定向取芯钻具，还涉及一种定向取芯钻具使用方法。

背景技术

定向取芯钻具可根据预定轨迹实现定向钻进，同时连续不断地获取岩芯样品，可用于超前地质勘探领域。定向取芯钻具的应用可减小隧道建设风险，及时查出问题围岩、地下水位置，为海底隧道等长大隧道可行性研究、设计和施工等重大工程决策提供有效的数据支撑。

现有的定向取芯技术主要是采用螺杆钻具进行定向钻孔，不取芯，到达设计取芯位置后，再采用常规取芯钻具进行取芯钻进。该方法取芯长度有限，取芯钻进轨迹不可控，获取的地质信息有限，而且操作复杂，钻进效率低。

现有定向钻进中的随钻测量技术主要用在螺杆钻具上，采用泥浆脉冲技术，无法取芯。现有取芯中的测量技术主要利用测斜仪，可测得钻进轨迹参数(方位角、井斜角)，不能进行随钻测量，测量效率低，也无法测得钻具的工具面角参数。当钻进路径轨迹偏离预计轨迹时，工具面角参数是定向取芯钻具的精准调向的主要依据。

具体如中国公开专利CN111337025A公开了适用于长距离水平取芯钻机的定位定向仪孔内定位方法。该发明结合长距离水平取芯钻机的工作特点，合理规划了取芯器的工作模式，充分利用定位定向仪保存的全部测量数据，构建逆向测量数据序列，基于非完整约束卡尔曼滤波器进行正向、逆向自主导航定位，结合零速修正对定位误差进行抑制校正，并利用正向、逆向自主导航定位误差特性的差异互补性，以平均定位结果作为钻进路径轨迹，提高了定位精度。但该方法无法测得钻具的工具面参数，当钻进路径轨迹偏离预计轨迹时，工具面参数是定向取芯钻具的精准调向的主要依据。

如中国公开专利CN111364976A公开了一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置及系统，在钻机停机时，将装置本体伸入至钻杆内，通过测斜仪对井斜角、方位角和工具面参数进行测量，若干个位置检测单元和标记件配合，以对钻头斜面相对于安装节的转动角度进行检测，同时通过自转角度检测单元对安装节的自转角度进行检测，通过钻头斜面相对于安装节的转动角度和安装节的自转角度得到钻头斜面相对于井口实际转动角度，从而使得作业人员根据该角度控制斜面方向以进行精准调向。但该方法非随钻测量，测量工序较多，测量效率较低。

如中国公开专利CN111764855A公公开了一种近水平连续定向取心超前地质探查系统与方法，利用测斜取芯钻具进行钻孔轨迹测斜、岩芯采取、随钻纠斜钻具供电与控制；利用随钻纠斜钻具进行钻孔轨迹调控，确保取芯钻孔沿设计轨迹延伸；利用泥浆泵、送水器、绞车、水平水力输送装置和水平水力打捞装置进行测斜取芯钻具近水平打捞和下放，实现岩芯快速提取和连续采取。但该方法仅能测量钻孔倾角、方位角等轨迹参数，无法测得钻具的工具面参数，无法为定向取芯钻具的精准调向提供足够依据。

由上，可以看出，上述定向取芯钻具在使用时，步骤会比较繁琐，使用起来会非常不方便。

综上所述，如何有效地解决定向取芯钻具使用不方便的问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种定向取芯钻具，该定向取芯钻具可以有效地解决定向取芯钻具使用不方便的问题，本发明的第二个目的是提供一种定向取芯钻具使用方法。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种定向取芯钻具，包括连接装置、驱动轴、取芯器和安装于所述驱动轴前端的钻头，所述驱动轴后端与所述连接装置扭矩传递连接，还包括用于测量钻进轨迹参数的测量装置，所述测量装置与所述取芯器固定连接；所述取芯器能够轴向从所述连接装置处活动至所述钻头处。

在该定向取芯钻具中，在使用时，先下放定向取芯钻具的连接装置、钻头以及驱动轴，然后初始设置测量装置，设置好启动采集的延时时间和测量时间间隔，将自动开始测量。然后再下放测量装置和取芯器，定点测斜。然后开始定向取芯钻进，当岩心充满取芯器，停止取芯钻进，然后定点测斜，以获取测量数据。在该定向取芯钻具中，在使用时，其中测量装置能够跟随取芯器一同进出，而在进入之后，测量装置可以测量钻进轨迹参数，而其中的取芯器能够取芯，以使得可以钻进过程中取芯，且可以随时监测钻进轨迹参数。可同时进行定向钻进、连续取芯、随钻测量操作，减少了定向取芯工序和测量工序，增加了钻进效率。综上所述，该定向取芯钻具能够有效地解决定向取芯钻具使用不方便的问题。

优选地，所述测量装置包括能够测量方位角、井斜角以及工具面角参数的测斜仪。

优选地，还包括固定连接于所述连接装置后端的钻杆和套设于所述测量装置外侧且相固定的密封活塞，所述密封活塞外缘与所述钻杆内壁贴合且之间滑动配合。

优选地，所述测量装置在所述密封活塞的后侧开设有通水孔，所述测量装置的内部具有将所述通水孔导入的液体向前导向所述钻头的流道。

优选地，所述测量装置包括螺旋引鞋，所述连接装置包括的螺旋引套，所述螺旋引套与所述螺旋引鞋相配合以进行周向定位。

优选地，所述连接装置包括套设于所述螺旋引套外侧的壳体，所述螺旋引套与所述壳体之间通过定位孔进行焊接连接。

优选地，所述测量装置的后端具有矛头。

优选地，还包括转动时能够带动所述驱动轴弯曲的偏置组件。

优选地，还包括外壳和锁定组件，所述锁定组件连接在所述连接装置与所述外壳之间且可选地是否传递扭矩，所述偏置组件位于所述驱动轴与所述外壳之间且固定安装于所述外壳上。

为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种定向取芯钻具使用方法，该定向取芯钻具使用方法如下步骤：下放上述任一种所述的定向取芯钻具；通过所述定向取芯钻具的测量装置定点测斜；开始定向取芯钻进；停止定向取芯钻进后通过所述定向取芯钻具的测量装置定点测斜，然后打捞所述定向取芯钻具的测量装置和取芯器。由于上述的定向取芯钻具具有上述技术效果，所以该定向取芯钻具的使用方法也应具有相应的技术效果。

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为本发明实施例提供的定向取芯钻具的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的连接装置与测量装置的连接结构示意图；

图3为本发明实施例提供的定向取芯钻具随钻测量方法的流程示意图。

附图中标记如下：

1.测量装置；2.钻杆；3.连接装置；4.锁定组件；5.上部轴承；6.驱动轴；7.取芯器；8.偏置组件；9.外壳；10.下部轴承；11.钻头；101.矛头；102.密封活塞；103.测斜仪；104.螺旋引鞋；105.水孔；301.螺旋引套；302.壳体；303.定位孔。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种定向取芯钻具，以有效地解决定向取芯钻具使用不方便的问题。

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。

请参阅图1-图3，图1为本发明实施例提供的定向取芯钻具的结构示意图；图2为本发明实施例提供的连接装置与测量装置的连接结构示意图；图3为本发明实施例提供的定向取芯钻具随钻测量方法的流程示意图。

在一种具体实施例中，本实施例提供了一种定向取芯钻具，具体的，该定向取芯钻具包括连接装置3、驱动轴6、钻头11和测量装置1。

其中驱动轴6连接在钻头11与连接装置3之间，以在钻头11与连接装置3之间传递扭矩。具体的，驱动轴6的前端与钻头11固定连接，且之间同轴设置，而后端与连接装置3扭矩传递连接，之间可以直接或间接连接，其中扭矩传递连接如键连接、固定连接等。以使得连接装置3能够将扭矩传递至驱动轴6，进而传递至钻头11。其中连接装置3，用于与钻杆2连接，以可以接收钻杆2传递过来的扭矩，具体的连接装置3可以作为钻杆2的一部分结构，也可以是两者进行固定连接，或者其他的扭矩传递连接。

其中取芯器7能够轴向从所述连接装置3处活动至所述钻头11处，从能够从钻头11接收岩芯。其中取芯器7在使用时，一般都是穿设驱动轴6设置的，以使得前端延伸至钻头11处。

其中测量装置1与取芯器7固定连接，以使得两者能够一同轴向进出。其中测量装置1一般为测斜仪103，当然也可以是其它测量部件。具体的，优选其中测量装置1用于测量钻进轨迹参数，钻进轨迹参数为如参数中的一种或多种甚至全部：方位角、井斜角以及工具面角参数。优选测量装置1主要包括能够测量方位角、井斜角以及工具面角参数的测斜仪103。其中测量装置1与取芯器7固定连接，如可采用螺纹连接、螺钉连接、销连接等。

在该定向取芯钻具中，在使用时，先下放定向取芯钻具的连接装置3、钻头11以及驱动轴6，然后初始设置测量装置1，设置好启动采集的延时时间和测量时间间隔，将自动开始测量。然后再下放测量装置和取芯器，定点测斜。然后开始定向取芯钻进，当岩心充满取芯器7，停止取芯钻进，然后定点测斜，以获取测量数据。在该定向取芯钻具中，在使用时，其中测量装置1能够跟随取芯器7一同进出，而在进入之后，测量装置1可以测量钻进轨迹参数，而其中的取芯器7能够取芯，以使得可以钻进过程中取芯，且可以随时监测钻进轨迹参数。可同时进行定向钻进、连续取芯、随钻测量操作，减少了定向取芯工序和测量工序，增加了钻进效率。综上所述，该定向取芯钻具能够有效地解决定向取芯钻具使用不方便的问题。

进一步的，优选还包括固定连接于所述连接装置3后端的钻杆2，钻杆2给连接装置3传递扭矩，而连接装置3将扭矩传递至驱动轴6，进而传递至钻头11。

为了更方便在使用时，能够推动测量装置1以及取芯器7进入到钻头11附近，优选还包括套设于所述测量装置1外侧且相固定的密封活塞102，密封活塞102外缘与所述钻杆2内壁贴合且之间滑动配合。以在使用时，主要有两个功能：一是，可以通过液送的方式将测量装置1下放到特定位置，具体的，在使用时，将测量装置1和取芯器7放入至钻杆2中，然后注入高压液体，高压液体会作用在密封活塞102的后侧，以形成对密封活塞102的推力，又因为密封活塞102与测量装置1相对固定，进而带动测量装置1前进；二是，能够对测量装置1起到扶正作用，以保证连接装置3与测量装置1之间的对接，其中对接是指周向定位对接，这是因为密封活塞102外缘与所述钻杆2内壁贴合且之间滑动配合，所以密封活塞102在前进移动过程中，能够保证密封活塞102的轴线与钻杆2的轴线保持一致。

对应的，因为需要导入液体进入至钻头11端面处，为了引导液体流动，此处优选测量装置1在所述密封活塞102的后侧开设有通水孔105，所述测量装置1的内部具有将所述通水孔105导入的液体向前导向所述钻头11的流道。当然也可以直接在密封活塞102上开设通水孔，但是不利于保证密封活塞2的强度。需要说明的是，虽然在密封活塞102前侧可以具有由通水孔105导入的液体，但是压力会降低，所以依然能够产生推力。另外一方面，可以是使通水孔105上设置有压力控制阀，当压力大于某值时，该阀才会打开，从而保证密封活塞有足够的推力。其中流道可以依次经过测量装置1，以及经过驱动轴6与取芯器7之间的间隙。

其中测量装置1与连接装置3之间需要进行周向定位，可以通过定位键槽进行定位。但是定位键槽很难对接，基于此，此处优选测量装置1包括螺旋引鞋104，所述连接装置3包括的螺旋引套301，所述螺旋引套301与所述螺旋引鞋104相配合以进行周向定位。在进行轴向组装时，螺旋引鞋104先与螺旋引套301对接，然后在螺旋引套301的引导下，螺旋引鞋104逐渐完成周向定位。其中螺旋引鞋104结构可以为螺旋凸起，绕设在测量装置1的外侧，如绕设在测斜仪103外侧，而螺旋引套301为螺旋型凹槽，且与螺旋凸起配合，即螺旋凸起位于螺旋凹槽中，沿着螺旋方向滑动配合。

具体的，为了方便安装上述结构，此处优选连接装置3包括套设于所述螺旋引套301外侧的壳体302，所述螺旋引套301与所述壳体302之间通过定位孔303进行焊接连接。

其中，为了方便取出测量装置1，此处优选，所述测量装置的后端具有矛头101，矛头101用以与打捞器连接，可使用钢丝绳回拉功能取出测量装置1和取芯器7。其中矛头101主要是一个锥形头。

进一步的，为了方便进行调节，此处优选还包括转动时能够带动所述驱动轴6弯曲的偏置组件8。其中偏置组件的结构，可以根据需要进行设置，主要设置与驱动轴6相配合的偏心孔，以当偏心孔绕非自身轴线转动时，形成偏转，进而带动驱动轴6径向偏移。在使用时，在偏置组件8的前后两侧，即在驱动轴6的前后两端分别设置上部轴承5和下部轴承10。

为了方便驱动偏置组件8转动，可以将偏置组件8固定安装于外壳9上，其中外壳9套设驱动轴6上，而外壳9与连接装置3之间设置有锁定组件4，所述锁定组件4连接在所述连接装置3与所述外壳9之间且可选地是否传递扭矩，如需要钻头11偏转时，此时可以使锁定组件4两端联动，以使得连接装置3的扭矩能够传递至外壳9，以带动外壳9转动，而外壳9转动，带动偏置组件8转动，而偏置组件8转动，能够带动驱动轴6径向偏移，以使得驱动轴6弯曲，进而实现径向调整。其中锁定组件4如同离合器，可以通过外力控制两端之间是否传递扭矩，其具体结构可以参考现有技术离合器结构。另外需要说明的是，其中驱动轴6与连接装置3扭矩传递连接，主要是连接装置3用于驱动驱动轴6绕自身轴线转动，具体为，驱动轴6后端与连接装置3固定连接，且驱动轴6后端的中心轴线与连接装置3的轴线位于同一直线上。

具体的，可以先结合附图说明一种实施例中定向取芯钻具的主要结构。如附图1，一种定向取芯装置包括测量装置1、无磁钻杆2、钻杆连接组件3、锁定组件4、上部轴承5、驱动轴6、取芯器7、偏置组件8、外壳9、下部轴承10、钻头11。外壳9与驱动轴6之间布有上部轴承5和下部轴承10，外壳9与驱动轴6之间可发生相对旋转。下部轴承10允许驱动轴6发生倾斜。偏置组件8的功能为使驱动轴6弯曲，具体结构可为内偏心环和外偏心环，偏置组件8的偏心量可通过旋转内/外偏心环在一定范围内调节，从而控制驱动轴6的弯曲程度和弯曲方向。驱动轴6与钻头11连接，传递钻压和扭矩给钻头11，带动钻头11对岩石进行旋转切削。取芯器7与测量装置1固定连接，连接方式可采用螺纹连接、螺钉连接、销连接等，位于钻具内部。锁定组件4用于控制外壳9是否与钻杆连接组件3一起旋转。当注入冲洗液时，外壳9与钻杆连接组件3脱开，钻杆连接组件3旋转，外壳9不旋转。当停止注入冲洗液时，外壳9与钻杆连接组件3连接，此时，两者一起旋转。具体结构未示出。

如附图2说明测量装置1和钻杆连接组件3的结构。测量装置包括矛头101、密封活塞102、测斜仪103、螺旋引鞋104、通水孔105。矛头101用以与打捞器连接，可使用钢丝绳回拉功能取出测量装置1和取芯器7。密封活塞102位于无磁钻杆2和测斜仪103之间，材质为橡胶件，有二个功能：通过液送的方式将测量装置1下放到特定位置；对测量装置1的螺旋引鞋104起到扶正作用，保证螺旋引套301与螺旋引鞋104对中。测斜仪103位于无磁钻杆2内部，可测得方位角、井斜角、工具面角参数。螺旋引鞋104用以与螺旋引套301配合，该螺旋形状保证了每次下放后，测量装置1与钻杆连接组件3的相对位置一致。通水孔105用以通过冲洗液，当测量装置1到位后，冲洗液经过水孔105流入测量装置1内部流道，再流出至钻头11端面。

钻杆连接组件3包括螺旋引套301、壳体302、定位孔303。螺旋引套301与螺旋引鞋104配合，螺旋引套301通过定位孔303以焊接的方法与壳体302固定连接。

基于上述实施例中提供的定向取芯钻具，本发明还提供了一种定向取芯钻具使用方法，该定向取芯钻具使用方法包括如下步骤：下放上述任一种所述的定向取芯钻具；通过所述定向取芯钻具的测量装置定点测斜；开始定向取芯钻进；停止定向取芯钻进后通过所述定向取芯钻具的测量装置定点测斜，然后打捞所述定向取芯钻具的测量装置和取芯器。该定向取芯钻具使用方法的有益效果请参考上述实施例。

如附图3，一种定向取芯钻具随钻测量方法，具体步骤如下：

步骤1001：下放定向取芯钻具的连接装置3、钻头11以及驱动轴6，还一般包括钻杆2、锁定组件4等，但除测量装置1和取芯7外，以后测量前，还需要对测量装置1进行初始设置。另外，需要考虑在孔外通过调整偏置组件8的偏心量使钻头11发生一定角度的偏斜，再将定向取芯装置缓慢送入孔内。

步骤1002：初始设置测量装置。设置好启动采集的延时时间和测量时间间隔，将自动开始测量。

步骤1003：下放测量装置和取芯器。连接测量装置1和取芯器7，将其放入钻杆2中，注入冲洗液，通过密封活塞102送其到达特定位置。

步骤1004：定点测斜。到位后，静止10-20s，获得第一个准确的测量数据。

步骤1005：开始定向取芯钻进。首先注入冲洗液，此时外壳9与钻杆连接组件3脱开，旋转钻杆连接组件3，外壳9将不旋转。再给钻杆2施加扭矩和钻压，开始定向取芯钻进。

步骤1006：停止定向取芯钻进。当岩心充满取芯器7，先停止给钻杆2施加扭矩和钻压，再停止注入冲洗液，此时外壳9与钻杆连接组件3连接。若旋转钻杆连接组件3，两者一起旋转，可用于调整钻头11倾斜方向。

步骤1007：定点测斜。静止10-20s，获得第二个准确的测量数据。

步骤1008：打捞测量装置和取芯器。利用打捞器打捞测量装置的矛头101，通过钢丝绳回拉，并在无磁钻杆2内暂停多次，可测得更多个准确的测量数据。拉至孔口后，取出测量装置1和取芯器7，并倒出岩芯。

步骤1008：读取测量数据并处理。读取方位角、井斜角、工具面角数据，并对数据进行处理获取钻进轨迹和钻头的倾斜方向。比较预计钻进轨迹和实际钻进轨迹，确定需要调整的钻头倾斜方向角度大小。

步骤1010：调整定向取芯钻具方向。根据需调整的角度，旋转钻杆，此时整个钻具一同旋转，钻头倾斜方向调整到所需方向，可通过再次测量确认钻进方向是否正确。

步骤1011：判断是否结束钻进。若是，则停止钻进，若否，重复步骤1002-步骤1010。

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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种定向取芯钻具，包括连接装置(3)、驱动轴(6)、取芯器(7)和安装于所述驱动轴(6)前端的钻头(11)，所述驱动轴(6)后端与所述连接装置(3)扭矩传递连接，其特征在于，还包括用于测量钻进轨迹参数的测量装置(1)，所述测量装置(1)与所述取芯器(7)固定连接；所述取芯器(7)能够轴向从所述连接装置(3)处活动至所述钻头(11)处；所述测量装置(1)包括能够测量方位角、井斜角以及工具面角参数的测斜仪(103)；还包括固定连接于所述连接装置(3)后端的钻杆(2)和套设于所述测量装置(1)外侧且相固定的密封活塞(102)，所述密封活塞(102)外缘与所述钻杆(2)内壁贴合且之间滑动配合；所述测量装置(1)在所述密封活塞(102)的后侧开设有通水孔(105)，所述测量装置(1)的内部具有将所述通水孔(105)导入的液体向前导向所述钻头(11)的流道；所述通水孔(105)上设置有压力控制阀。

2.根据权利要求1所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述测量装置(1)包括螺旋引鞋(104)，所述连接装置(3)包括的螺旋引套(301)，所述螺旋引套(301)与所述螺旋引鞋(104)相配合以进行周向定位。

3.根据权利要求2所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述连接装置(3)包括套设于所述螺旋引套(301)外侧的壳体(302)，所述螺旋引套(301)与所述壳体(302)之间通过定位孔(303)进行焊接连接。

4.根据权利要求3所述的定向取芯钻具，其特征在于，所述测量装置(1)的后端具有矛头(101)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的定向取芯钻具，其特征在于，还包括转动时能够带动所述驱动轴(6)弯曲的偏置组件(8)。

6.根据权利要求5所述的定向取芯钻具，其特征在于，还包括外壳(9)和锁定组件(4)，所述锁定组件(4)连接在所述连接装置(3)与所述外壳(9)之间且可选地是否传递扭矩，所述偏置组件(8)位于所述驱动轴(6)与所述外壳(9)之间且固定安装于所述外壳(9)上。