CN115822488A - 水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置，包括依次可拆卸连接的上连接部件、中部核心运动部件和下连接部件，上连接部件用于与打捞器连接，下连接部件用于与捞矛机构连接，中部核心运动部件包括电路板、调节机构、电动机、电源单元和传感器，电源单元由发电机发电并为电路板、电动机、调节机构和传感器供电，电路板根据传感器的检测信号控制电动机的正反转，电动机驱动所述调节机构与钻杆内壁的啮合或分离，调节机构在与钻杆内壁啮合时给予取心管反推力使取心管突破受卡位置继续向下运动。本发明辅助取心管下放，解决取心管在定向钻进过程中无法顺利投放、易受卡的问题，大大提高绳索取心的适用性和作用效率。

Description

水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置

技术领域

本发明涉及绳索取心技术领域，具体的说，是一种水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置。

背景技术

岩心是最直观、最可靠的反映地下岩石特征的宝贵资料，通过对岩心的分析和研究可获得很多重要信息。基于目前国内外对钻进所需开挖空间少、对地面影响小、施工迅速、工期短等要求，水平、正负斜向等定向钻进得到广泛应用。利用垂直钻进勘察深埋隧洞位置处地质条件所需的钻进进尺长、技术难度大、成本高、工期长，尤其在遇到复杂地质条件时，难度成倍数增加，而在半山腰合适位置处通过水平定向钻进的方式可大大减小钻进进尺，极大地降低难度、成本、工期等因素。而地质钻探取心中，利用绳索取心可有效减少深孔钻进提下钻辅助作业时间，提高钻进效率和经济性，同时对破碎、水敏、高地应力等复杂地质条件取心也有显著效果。在上述钻进方法实施过程中，易出现以下问题：1)取心管向下运动的动力来自钻井液传递的水动力，受到横截面积的影响，取心管对钻井液水动力利用率较低；2)由于钻进方向并非垂直，取心管的自重无法提供足够下放动力，同时与管壁的摩擦会产生水平向阻力；3)同理，取心管与钻杆内壁间接触产生摩擦，加之过程中岩屑作用，增大阻力的同时损伤取心管与钻杆、降低其使用寿命；由于上述情况的产生，定向钻进，水平、正负斜向钻进中常出现取心管下降速率较低甚至无法下放至底部的情况，导致无法正常勘察钻进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置，用于解决现有技术中定向钻进，水平、正负斜向钻进中常出现取心管下降速率较低甚至无法下放至底部的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置，包括依次可拆卸连接的上连接部件、中部核心运动部件和下连接部件，所述上连接部件用于与打捞器连接，所述下连接部件用于与取心管捞矛机构连接，所述中部核心运动部件包括电路板、调节机构、电动机、电源单元和用于检测取心管的速度和位移的传感器，所述电源单元由发电机发电并为所述电路板、电动机、调节机构和传感器供电，所述电路板用于根据所述传感器的检测信号控制所述电动机的正反转，所述电动机用于驱动所述调节机构实现调节机构与钻杆内壁的啮合或分离，所述调节机构在与钻杆内壁啮合时给予取心管反推力使取心管突破受卡位置继续向下运动。

所述电源单元包括发电机和蓄电池，所述发电机的发电机叶片设置在所述中部核心运动部件外壳上开设的通孔中，所述通孔设置有滤网和密封流通管道，所述密封流通管道用于将钻井液流出；所述中部核心运动部件内设安装板，所述蓄电池、电路板、发电机和电动机放置在所述安装板上，所述蓄电池分别与所述发电机、电动机、电路板电连接。

所述调节部件包括滑块、滑轨、上连杆、爬行齿轮、下连杆、限位器和微型电动机，所述电动机的转轴连接内齿轮，所述内齿轮通过所述安装板上开设的通孔与所述滑块连接，所述内齿轮用于将电动机的转动转换为所述滑块的直线运动，所述滑块与滑轨滑动连接，所述滑块与对称设置的所述上连杆、爬行齿轮和下连杆以及滑轨构成曲柄连杆机构，所述限位器设置在滑轨上，当滑块下移时，爬动齿轮在上连杆和下连杆的带动下向外伸出，下连杆达到限位器限定位置过程中，爬动齿轮与钻杆内壁啮合；所述调节机构还包括用于驱动所述爬行齿轮的微型电动机，所述微型电动机与所述蓄电池、电路板电连接，当爬动齿轮与钻杆内壁啮合时，微型电动机带动齿轮转动，给予取心管反推力使取心管突破受卡位置；所述滑轨的下端固定在第三连接件上，所述第三连接件用于连接中部核心运动部件与所述下连接部件。

所述传感器包括速度传感器和位移传感器，所述速度传感器和位移传感器安装在所述中部核心运动部件的外壳内壁。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明能够辅助取心管下放，解决取心管在定向钻进特别是水平钻进过程中无法顺利投放、易受卡的问题，大大提高绳索取心的适用性和作用效率。

(2)本发明利用钻井液给予发电机叶片动力进行发电，并存储在蓄电池中，通过蓄电池给各个用电设备，以及给电路板供电，解决了由于钻井较深、下放时间较长的电池续航问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中部核心运动部件的结构示意图；

图3为图2中A-A的俯视图；

图4为本发明中下连接部件的示意图；

图5为本发明中上连接部件的示意图；

其中，1-上连接部件；2-中部核心运动部件；3-下连接部件；4-发电机；5-电动机；6-电路板；7-蓄电池；8-内齿轮；9-传感器；11-捞矛头；12-第一连接件；21-第二连接件；22-安装板；23-第三连接件；24-调节机构；31-第四连接件；32-打捞钩；41-发电机叶片；42-滤网；121-第一内螺纹；241-滑块；242-上连杆；243-下连杆；244-爬行齿轮；245-微型电动机；246-限位器；247-滑轨；321-第二内螺纹。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1-5所示，一种水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置，包括依次可拆卸连接的上连接部件1、中部核心运动部件2和下连接部件3，其中，所述上连接部件1包括捞矛头11和第一连接部件12，捞矛头11用于与打捞器连接，第一连接件12设置有第一内螺纹121，用于与中部核心运动部件2的第二连接部件21螺纹连接；第二连接件21的腔体内设置有安装板22，安装板22上放置有电路板6、电动机5和电源单元，电动机5通过安装板22上开设的通孔驱动连接调节机构24，调节机构24位于安装板22下面，调节机构24的下端固定连接第三连接件23，第三连接件23设置有内螺纹，用于与下连接部件3的第四连接件31螺纹连接，第三连接件31连接打捞钩32，打捞钩32设置有第二内螺纹321，用于与取心管捞矛机构螺纹连接；中部核心运动部件2的外壳上设有用于检测取心管的速度和位移的传感器9，所述电源单元由发电机4发电并为所述电路板6、电动机5、调节机构24和传感器9供电，所述电路板6用于根据所述传感器9的检测信号控制所述电动机5的正反转，所述电动机5用于驱动所述调节机构24实现调节机构24与钻杆内壁的啮合或分离，所述调节机构24在与钻杆内壁啮合时给予取心管反推力使取心管突破受卡位置继续向下运动。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述电源单元包括发电机4和蓄电池7，所述发电机4的发电机叶片41设置在所述中部核心运动部件2外壳上开设的通孔中，所述通孔设置有滤网42和密封流通管道，所述密封流通管道用于将钻井液流出，使钻井液的动能通过发电机叶片41后转换为电能，并存储在蓄电池7中，且流过发电机叶片41的钻井液顺着密封流通管道流出，不影响中部核心运动部件2中的其他部件造成影响；所述中部核心运动部件2内设安装板22，所述蓄电池7、电路板6、发电机4和电动机5放置在所述安装板上22，所述蓄电池7分别与所述发电机4、电动机5、电路板6电连接。

例如，发电机4可选用28V直流发电机，对24V蓄电池进行直流充电，蓄电池对直流电动机供电，蓄电池7经过电路板上的稳压模块后给控制芯片和传感器9供电，传感器9采集的信号输入控制芯片，控制芯片输出信号控制电路板上的电磁继电器模块的断开和闭合，实现控制电动机供/断电以及正反转。控制芯片还可以通过集成在电路板6上的无线模块，向地面上的接收装置发送信号。电路板6上的控制开关可以采用遥控开关，由地面上人员进行操控。控制部分采用现有技术，再此不做赘述。

实施例3：

在实施例2的基础上，结合图2所示，所述调节部件24包括滑块241、滑轨247、上连杆242、爬行齿轮244、下连杆243、限位器246和微型电动机245，所述电动机5的转轴连接内齿轮8，所述内齿轮8通过所述安装板22上开设的通孔与所述滑块241连接，所述内齿轮8用于将电动机5的转动转换为所述滑块241的直线运动，所述滑块241与滑轨247滑动连接，所述滑块241与对称设置的所述上连杆242、爬行齿轮244和下连杆243以及滑轨247构成曲柄连杆机构，所述限位器246设置在滑轨247上，当滑块241下移时，爬动齿轮244在上连杆242和下连杆243的带动下向外伸出，下连杆243达到限位器246限定位置过程中，爬动齿轮244与钻杆内壁啮合；所述爬行齿轮244由微型电动机245驱动，所述微型电动机245与所述蓄电池7、电路板6电连接，当爬动齿轮244与钻杆内壁啮合时，微型电动机245带动齿轮转动，给予取心管反推力使取心管突破受卡位置；所述滑轨247的下端固定在第三连接件23上，所述第三连接件23用于连接中部核心运动部件2与所述下连接部件3。

所述传感器9包括速度传感器和位移传感器，所述速度传感器和位移传感器安装在所述中部核心运动部件2的外壳内壁。

当电路板6的控制开关闭合后，传感器9检测取心管的运动速度并输入给控制芯片，如若遇到取心管受卡，运动速度小于控制芯片24中的设定值时，控制芯片输出信号使电动机5所在回路的电磁继电器闭合，电动机5驱动滑块241沿滑轨247向下移动，爬行齿轮244在上连杆242、下连杆243的带动下向钻杆内壁处扩张，当两侧下连杆回转至180°即限位器246限定位置时，爬动齿轮244伸出距离达到最大，在爬行齿轮244的伸出过程中实现与钻杆内壁紧密接触，爬动齿轮244的齿嵌入钻杆内壁4，形成稳定啮合。同时控制芯片控制微型电动机245所在回路的电磁继电器闭合，蓄电池7为微型电动机245供电，微型电动机245工作并带动爬行齿轮244回转。取心管在爬行齿轮244与钻杆内壁的啮合反推力作用下突破受卡位置，继续向下运动。取心管脱卡后，控制芯片接收传感器的信号(速度值大于设定阈值)传递至电动机5，电动机5反方向运动并带动滑块216向上运动，回收上连杆242、下连杆243以及爬行齿轮244，最后断开控制开关，投放装置恢复非工作状态。

上述步骤为一次投放装置辅助工作流程，若一次流程作用后未能成功将取心管脱困，控制芯片在固定循环间隔后采集传感器信号(速度值小于设定阈值)会发出第二次指令，重复上述步骤。

位移传感器采用电容接近式开关，在地面设定目标监测距离，当取心管顺利投放至孔底时，位移传感器检测到钻杆内壁上附着的特殊材料，并产生信号输入控制芯片，控制芯片接收信号后发出指令断开电动机5所在回路的电磁继电器，此后滑块218将不会向下运动放出爬动齿轮244。

本发明取心管脱困的原理是利用爬动齿轮与钻杆内壁不断啮合形成连续反推力，利用机械能量对抗取心管在定向钻进中产生的阻碍取心管运动的能量。利用爬行齿轮的尖齿(其材料硬度大于取心管)嵌入钻杆管内壁形成啮合，确保取心管的顺利下放。爬行齿轮上附有防水耐高压微型电动机，通电后可驱动爬行齿轮旋转，从而带动取心管向下运动。利用钻井液流过发电机叶片实现钻井液动、势能至发电机电能的转换，转换所得电能储存至蓄电池中，为个用电器件供电。依靠传感器监测工作环境状况，实现自动控制取心管移动速度。发电机最外部即投放装置外壳处设有滤网拦截钻井液中悬浮的颗粒，避免损伤发电机叶片；机械控制直接与钻井液接触，可利用钻井液润滑、冷却曲柄连杆机构及爬行齿轮，拥有较长的寿命、较好的工作状态。由于曲柄连杆机构的存在，爬行齿轮可完成在一定范围内与钻杆内壁的啮合，即本投放装置拥有较好的广谱性；由于上连接部件、中间核心运动部件和下连接部件可拆卸连接，可通过改变上连接部件、下连接部件的形态，适应市面上绝大部分取心管，具有较高的经济型、广谱性强。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (4)

1.一种水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置，其特征在于，包括依次可拆卸连接的上连接部件、中部核心运动部件和下连接部件，所述上连接部件用于与打捞器连接，所述下连接部件用于与取心管捞矛机构连接，所述中部核心运动部件包括电路板、调节机构、电动机、电源单元和用于检测取心管的速度和位移的传感器，所述电源单元由发电机发电并为所述电路板、电动机、调节机构和传感器供电，所述电路板用于根据所述传感器的检测信号控制所述电动机的正反转，所述电动机用于驱动所述调节机构实现调节机构与钻杆内壁的啮合或分离，所述调节机构在与钻杆内壁啮合时给予取心管反推力使取心管突破受卡位置继续向下运动。

2.根据权利要求1所述的水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置，其特征在于，所述电源单元包括发电机和蓄电池，所述发电机的发电机叶片设置在所述中部核心运动部件外壳上开设的通孔中，所述通孔设置有滤网和密封流通管道，所述密封流通管道用于将钻井液流出；所述中部核心运动部件内设安装板，所述蓄电池、电路板、发电机和电动机放置在所述安装板上，所述蓄电池分别与所述发电机、电动机、电路板电连接。

3.根据权利要求2所述的水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置，其特征在于，所述调节部件包括滑块、滑轨、上连杆、爬行齿轮、下连杆、限位器和微型电动机，所述电动机的转轴连接内齿轮，所述内齿轮通过所述安装板上开设的通孔与所述滑块连接，所述内齿轮用于将电动机的转动转换为所述滑块的直线运动，所述滑块与滑轨滑动连接，所述滑块与对称设置的所述上连杆、爬行齿轮和下连杆以及滑轨构成曲柄连杆机构，所述限位器设置在滑轨上，当滑块下移时，爬动齿轮在上连杆和下连杆的带动下向外伸出，下连杆达到限位器限定位置过程中，爬动齿轮与钻杆内壁啮合；所述调节机构还包括用于驱动所述爬行齿轮的微型电动机，所述微型电动机与所述蓄电池、电路板电连接，当爬动齿轮与钻杆内壁啮合时，微型电动机带动齿轮转动，给予取心管反推力使取心管突破受卡位置；所述滑轨的下端固定在第三连接件上，所述第三连接件用于连接中部核心运动部件与所述下连接部件。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的水平定向钻进绳索取心管齿轮爬行式智能快速投放装置，其特征在于，所述传感器包括速度传感器和位移传感器，所述速度传感器和位移传感器安装在所述中部核心运动部件的外壳内壁。

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