CN117328808A - 具有智能温控装置的热机碎岩钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的具有智能温控装置的热机碎岩钻具，属于地下资源勘探与能源开发设备技术领域，所述热机碎岩钻具包括内管总成和外管总成，内管总成中的阀堵控流装置设计阀堵周期性上下往复运动，使冲洗液通道间歇性开启及关闭，形成脉冲式冲洗液，配合碎岩全过程钻头工作周期进行冷却，实现阀堵控流对摩擦热温度的智能调控。内管总成中的智能温控装置设计压鼻式温度传感器配合智能温度控制器对摩擦热温度有效传递与智能控制；实现摩擦热温度低于设定停止温度，智能加热升温，避免摩擦热温度过低辅助碎岩效果差，摩擦热温度高于设定停止温度，智能制冷降温，避免温度过高孔底烧钻事故的发生，保证最优温度范围内钻具的绿色低碳智能钻进。
Description
技术领域
本发明属于地下资源勘探与能源开发设备技术领域，具体地，涉及具有智能温控装置的热机碎岩钻具。
背景技术
摩擦热-机械碎岩技术(热-机碎岩技术)是借助钻头钻进岩石过程中产生摩擦热来辅助机械碎岩的一种方法。钻头与岩石相互摩擦，产生摩擦热使岩石温度升高，钻井液流经岩石表面迅速冷却，产生热交换作用。此时，岩石内部产生极大热冲击应力，强度降低，辅助碎岩。其中，摩擦热产生的温度变化是影响碎岩效果的最关键因素。温度过低会使岩石内部裂纹开展过慢，热能无法辅助碎岩，温度过高会使钻具产生热损伤，发生孔底烧钻事故。
现有专利CN109798073A公开了一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具，该钻具以孕镶金刚石胎体为磨削材料配合摩擦元件进行碎岩，有效地解决了硬岩钻进的问题，但未对摩擦热产生的温度进行监控，无法控制热机碎岩钻具钻进中温度变化。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明目的是提供具有智能温控装置的热机碎岩钻具，该钻具创新设计阀堵控流装置和智能温控装置，提出阀堵周期性往复运动对冲洗液的控流，形成脉冲式冲洗液冷却钻头，摩擦热温度上下限的智能温度控制，实现深部复杂条件地下资源勘探与能源开发热机碎岩钻具，在最优温度范围内的绿色低碳智能钻进。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：具有智能温控装置的热机碎岩钻具，包括内管总成和外管总成，所述内管总成设置在外管总成的内部；所述内管总成包括捞矛头、张簧、弹卡、弹卡架和弹卡套，所述捞矛头下部设置张簧，所述张簧下部设置弹卡，张簧下部两端分别锚固于弹卡两板，所述弹卡下部设置弹卡架，弹卡架外部设置弹卡套，弹卡套为底部带有螺纹的圆管，弹卡套上端配合弹卡设置为斜面，弹卡套中间对称设有导流孔，弹卡套下端管壁内侧设有凹槽；所述外管总成包括外管、弹卡室、座环、扶正环和热-机碎岩钻头，外管至少有两节，所有节段自上而下顺序通过螺纹连接组装为一个整体，外管总成上部设置与弹卡适配的弹卡室，外管总成中部设置用于配合悬挂环的座环，外管总成下部设置用于对内管进行导向的扶正环，所述热-机碎岩钻头位于外管总成的最下端，热-机碎岩钻头与外管螺纹相连；所述内管总成还包括阀堵控流装置和智能温控装置，其中阀堵控流装置设置在弹卡套内部，智能温控装置设置在阀堵控流装置的下部；
所述阀堵控流装置包括拉杆、导流管、阀堵连接弹性销、导流管座、第一钢球压紧弹簧、阀堵、双层单动阀堵座、第二钢球压紧弹簧和悬挂环，拉杆上端锚固在弹卡架底部，拉杆两侧对称设置带有导流孔的导流管，导流管上端焊接在所述弹卡架底部，导流管下端焊接于导流管座，导流管座与阀堵是一体式加工件与拉杆通过阀堵连接弹性销相连，第一钢球压紧弹簧绕设在阀堵上，第一钢球压紧弹簧的上下两端分别焊接于导流管座与双层单动阀堵座，双层单动阀堵座外层固定镶嵌于弹卡套的凹槽中，双层单动阀堵座外层固定不动，双层单动阀堵座外层与内层之间设有滑动轨道，双层单动阀堵座内层能够相对于外层滑动，双层单动阀堵座下部设置第二钢球压紧弹簧，第二钢球压紧弹簧放置于芯轴内侧的环槽内，第二钢球压紧弹簧上端与双层单动阀堵座的内层底端焊接，悬挂环嵌套入弹卡套与芯轴螺纹连接处的下部，并位于芯轴外侧；
所述智能温控装置包括芯轴、芯轴座、弹簧销、智能温度控制器、单珠芯轴、调节螺母、调节接头、内管、卡簧、挡圈、压鼻式温度传感器、卡簧座、导线、导线通道和供电电源，芯轴上部外侧设有螺纹，芯轴上部与弹卡套底部螺纹连接，芯轴上部内侧设有用于放置第二钢球压紧弹簧的环槽，芯轴下部设置有芯轴座，芯轴轴身设有导流孔，芯轴座内部具有用于容置智能温度控制器和单珠芯轴的空间，设置在芯轴座内的单珠芯轴通过弹簧销与芯轴连接，单珠芯轴的底部设有钢珠，供电电源用于向智能温度控制器供电，智能温度控制器根据压鼻式温度传感器向其传输的信号，完成对摩擦热温度上下限的控制；芯轴座下部通过调节螺母与调节接头连接，调节接头下部螺纹连接内管，内管下部螺纹连接卡簧座，卡簧套入卡簧座内部上方，压鼻式温度传感器与挡圈压扣安装在卡簧座内部下方，用于连接智能温度控制器与压鼻式温度传感器的导线铺设于导线通道中。
进一步，所述智能温度控制器具有模式一和模式二两种温度控制模式，模式一为加热升温控制模式，设置启动温度＜停止温度，即设定模式一停止温度是岩石低温下限值，当钻进过程中摩擦热温度即启动温度低于设定停止温度，将进行加热升温；模式二为制冷降温控制模式，设置启动温度＞停止温度，即设定模式二停止温度是岩石钻进高温上限值，当钻进过程中摩擦热温度即启动温度高于设定停止温度，将进行制冷降温。
进一步，所述的具有智能温控装置的热机碎岩钻具，钻孔深度＜2000米时，采用电池作为供电电源，钻孔深度≥2000米时，采用涡轮式发电机作为供电电源。
其中，采用电池作为供电电源时，所述电池设置在芯轴座内部，电池下部通过销钉连接智能温度控制器上部，同时，在电池和智能温度控制器连接处设置有环氧垫圈，导线通道开设在内管管壁上。
其中，采用涡轮式发电机作为供电电源时，在芯轴壁和芯轴座壁上均设有导线通道，芯轴内部为中空结构，所述涡轮式发电机设置在所述中空结构内，涡轮式发电机外边缘设有硅胶密封圈，通过硅胶密封圈与芯轴内部挤压，完成涡轮式发电机定位，且开设在芯轴轴身上的导流孔位于涡轮式发电机下方。
进一步，所述热-机碎岩钻头包括孕镶金刚石胎体、限位孔、水口和陶瓷摩擦元件，其中陶瓷摩擦元件包括陶瓷摩擦元件本体、限位块和V型弹片，孕镶金刚石胎体下端设置水口，孕镶金刚石胎体内部设置陶瓷摩擦元件，且通过限位孔完成陶瓷摩擦元件定位；陶瓷摩擦元件本体内部对称设置限位块，限位块连接V型弹片，限位块通过压缩V型弹片实现对限位块出限位孔的控制。
所述V型弹片配合限位块对陶瓷摩擦元件的限位设定，使得陶瓷摩擦元件表面高于孕镶金刚石胎体表面4mm。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
阀堵控流装置设计阀堵周期性上下往复运动，使冲洗液通道间歇性开启及关闭，形成脉冲式冲洗液，配合碎岩全过程钻头工作周期进行冷却，实现阀堵控流对摩擦热温度的智能调控。
智能温控装置设计压鼻式温度传感器配合智能温度控制器对摩擦热温度有效传递与智能控制；实现摩擦热温度(启动温度)低于设定停止温度，智能加热升温，避免摩擦热温度过低辅助碎岩效果差，摩擦热温度(启动温度)高于设定的停止温度，智能制冷降温，避免温度过高孔底烧钻事故的发生，保证最优温度范围内钻具的绿色低碳智能钻进。
进一步的有益效果为：
热-机碎岩钻头通过V型弹片完成陶瓷摩擦元件高于孕镶金刚石胎体表面4mm的设计，保证摩擦热辅助碎岩的第一步。设计以“陶瓷摩擦元件-孕镶金刚石胎体-水口-孕镶金刚石胎体”为工作单元，形成“加热阶段-稳定温度破碎阶段-冷却阶段-破碎阶段”的碎岩过程；使得上一周期碎岩为下一周期提供较高的初始温度，工作单元的设计与单个陶瓷摩擦元件相比，整体提升孔底岩石作用面的温度差及热冲击效应，使碎岩效果优化，钻进效率提升。
针对不同孔深提出两种不同的低碳环保供电方案。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1是智能温控装置采用方案一时对应的具有智能温控装置的热机碎岩钻具剖视图；
图2为图1的智能温控装置采用方案一放大剖视图；
图3是智能温控装置采用方案二时对应的具有智能温控装置的热机碎岩钻具剖视图；
图4为图3的智能温控装置采用方案二放大剖视图；
图5是本发明提出的具有智能温控装置的热机碎岩钻具中阀堵控流装置剖视图；
图6是本发明提出的具有智能温控装置的热机碎岩钻具中热-机碎岩钻头剖视图；
图7是本发明提出的具有智能温控装置的热机碎岩钻具中热-机碎岩钻头俯视图；
图8是图6中Ⅰ处的局部陶瓷摩擦元件放大透视图；
图中各标记如下：1-内管总成；2-外管总成；11-捞矛头；12-张簧；13-弹卡；14-弹卡架；15-弹卡套；16-阀堵控流装置；17-智能温控装置；21-外管；22-弹卡室；23-座环；24-扶正环；25-热-机碎岩钻头；161-拉杆；162-导流管；163-阀堵连接弹性销；164-导流管座；165-第一钢球压紧弹簧；166-阀堵；167-双层单动阀堵座；168-第二钢球压紧弹簧；169-悬挂环；171-芯轴；172-芯轴座；173-弹簧销；174-智能温度控制器；175-单珠芯轴；176-调节螺母；177-调节接头；178-内管；179-卡簧；180-挡圈；181-压鼻式温度传感器；182-卡簧座；183-导线；184-导线通道；185-电池；186-销钉；187-环氧垫圈；188-硅胶密封圈；189-涡轮式发电机；251-孕镶金刚石胎体；252-限位孔；253-水口；254-陶瓷摩擦元件；2541-陶瓷摩擦元件本体；2542-限位块；2543-V型弹片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程和元件并没有详细叙述。
如图1至图8所示，具有智能温控装置的热机碎岩钻具包括内管总成1和外管总成2，所述内管总成1设置在外管总成2的内部；所述内管总成1包括捞矛头11、张簧12、弹卡13、弹卡架14、弹卡套15、阀堵控流装置16和智能温控装置17，所述捞矛头11下部设置张簧12，所述张簧12下部设置弹卡13，张簧12下部两端分别锚固于弹卡13两板，所述弹卡13下部设置弹卡架14，弹卡套15为底部带有螺纹的圆管，弹卡套15上端配合弹卡13设置为斜面，弹卡套15中间对称设有导流孔，弹卡套15下端管壁内侧设有凹槽；所述弹卡架14下部设置阀堵控流装置16，弹卡架14和阀堵控流装置16均设置在弹卡套15内部，所述阀堵控流装置16下部连接智能温控装置17。
所述阀堵控流装置16包括拉杆161、导流管162、阀堵连接弹性销163、导流管座164、第一钢球压紧弹簧165、阀堵166、双层单动阀堵座167、第二钢球压紧弹簧168和悬挂环169，拉杆161上端锚固在弹卡架14底部，拉杆161两侧对称设置带有导流孔的导流管162，导流管162上端焊接在所述弹卡架14底部，导流管162下端焊接于导流管座164，导流管座164与阀堵166是一体式加工件与拉杆161通过阀堵连接弹性销163相连；第一钢球压紧弹簧165绕设在阀堵166上，第一钢球压紧弹簧165的上下两端分别焊接于导流管座164与双层单动阀堵座167，双层单动阀堵座167的外层固定镶嵌于弹卡套15的凹槽中，双层单动阀堵座167外层固定不动，双层单动阀堵座167的外层与内层之间设有滑动轨道，双层单动阀堵座167的内层能够相对于外层滑动，双层单动阀堵座167的下部设置第二钢球压紧弹簧168，第二钢球压紧弹簧168放置于芯轴171内侧的环槽内，第二钢球压紧弹簧168上端与双层单动阀堵座167的内层底端焊接，悬挂环169嵌套入弹卡套15与芯轴171螺纹连接处的下部，并位于芯轴171外侧。
所述智能温控装置17根据不同钻孔深度提出两种供电方案；
方案一：对于浅钻(钻孔深度＜2000米)，智能温控装置17包括芯轴171、芯轴座172、弹簧销173、智能温度控制器174、单珠芯轴175、调节螺母176、调节接头177、内管178、卡簧179、挡圈180、压鼻式温度传感器181、卡簧座182、导线183、导线通道184、电池185、销钉186和环氧垫圈187，其中智能温度控制器174采用Rockson智能温度控制器，型号：WK1；压鼻式温度传感器181采用Asmik Pt100压鼻式温度传感器，型号：MIK-WZP；芯轴171上部与弹卡套15底部螺纹连接，芯轴171上部内侧设有用于放置第二钢球压紧弹簧168的环槽，芯轴171下部设置有芯轴座172；芯轴171轴身设有导流孔，改变冲洗液流向不浸入芯轴座172；芯轴座172内部具有用于容置智能温度控制器174、单珠芯轴175以及电池185的封闭空间；设置在芯轴座172内的单珠芯轴175通过弹簧销173与芯轴171连接，单珠芯轴175的底部设有钢珠，电池185与智能温度控制器174均对称设置在单珠芯轴175两侧；其中，单珠芯轴175底部的钢珠能够提供弯曲和偏移角度的转动，使单珠芯轴175更加灵活地安装和取出，便于芯轴座172内部电池185以及智能温度控制器174的维修和更换；电池185作为供电电源用于给智能温度控制器174供电，智能温度控制器174通过压鼻式温度传感器181传输的信号，实现对摩擦热温度上下限的智能控制；电池185下部通过销钉186连接在智能温度控制器174上部，销钉186保证连接定位稳定性，同时，在电池185和智能温度控制器174连接处设置有环氧垫圈187，环氧垫圈187用于保证介电性能和耐热性；芯轴座172下部通过调节螺母176与调节接头177连接，调节接头177下部螺纹连接内管178；内管178下部螺纹连接卡簧座182，卡簧179套入卡簧座182内部上方，压鼻式温度传感器181与挡圈180压扣安装在卡簧座182内部下方；内管178管壁上设置导线通道184，智能温度控制器174下部与压鼻式温度传感器181连接的导线183铺设于导线通道184中，导线183用于压鼻式温度传感器181与智能温度控制器174的信号传输。
方案二：对于中深钻、深钻以及超深钻(钻孔深度≥2000米)，智能温控装置17包括芯轴171、芯轴座172、弹簧销173、智能温度控制器174、单珠芯轴175、调节螺母176、调节接头177、内管178、卡簧179、挡圈180、压鼻式温度传感器181、卡簧座182、导线183、导线通道184、硅胶密封圈188和涡轮式发电机189，其中涡轮式发电机189采用Waterlily涡轮式发电机；芯轴171上部与弹卡套15底部螺纹连接，芯轴171上部内侧设有用于放置第二钢球压紧弹簧168的环槽，芯轴171的下部设置有芯轴座172，芯轴171内部为中空结构，内部中空结构设有涡轮式发电机189，涡轮式发电机189外边缘设有硅胶密封圈188，通过硅胶密封圈188与芯轴171内部挤压，完成涡轮式发电机189定位；位于涡轮式发电机189下部的芯轴171轴身设有导流孔，改变冲洗液流向不浸入芯轴座172；芯轴座172内部具有用于容置智能温度控制器174与单珠芯轴175的封闭空间；设置在芯轴座172内单珠芯轴175通过弹簧销173与芯轴171连接，单珠芯轴175的底部设有钢珠，单珠芯轴175两侧对称设置智能温度控制器174；其中，单珠芯轴175底部的钢珠能够提供弯曲和偏移角度的转动，使单珠芯轴175更加灵活地安装和取出，便于芯轴座172内部智能温度控制器174的维修和更换；在冲洗液的作用下，涡轮式发电机189通过水力发电作为供给电源给智能温度控制器174供电，实现深部钻进时，无需频繁提钻更换电池185，绿色环保的供电模式；智能温度控制器174通过压鼻式温度传感器181传输的信号，实现对摩擦热温度上下限的智能控制；在芯轴171壁和芯轴座172壁上均设有导线通道184，满足涡轮式发电机189与智能温度控制器174之间连接的导线183铺设于导线通道184内；芯轴座172下部通过调节螺母176与调节接头177连接，调节接头177下部螺纹连接内管178，内管178下部螺纹连接卡簧座182，卡簧179套入卡簧座182内部上方，压鼻式温度传感器181与挡圈180压扣安装在卡簧座182内部下方；内管178侧壁上设置导线通道184，智能温度控制器174下部与压鼻式温度传感器181的连接导线183铺设于导线通道184中，导线183用于压鼻式温度传感器181与智能温度控制器174的信号传输。
所述外管总成2包括外管21、弹卡室22、座环23、扶正环24和热-机碎岩钻头25，外管21至少有两节，所有节段自上而下顺序螺纹连接组装为一个整体，外管总成2上部设置弹卡室22，配合弹卡13进入弹卡室22完成弹卡13定位，外管总成2中部设置座环23，座环23与悬挂环169位置对应且座环23嵌套在外管21内侧；其中，悬挂环169外径大于座环23内径1mm，满足当弹卡13进入弹卡室22完成定位时，悬挂环169与座环23座落接触，保证钻具的单动性能和通水性能。外管总成2下部设置扶正环24，扶正环24用于内管178的导向，保证岩芯进入卡簧座182和内管178。热-机碎岩钻头25位于外管总成2最下端，与其上部外管21螺纹相连。
所述热-机碎岩钻头25包括孕镶金刚石胎体251、限位孔252、水口253和陶瓷摩擦元件254；陶瓷摩擦元件254包括陶瓷摩擦元件本体2541、限位块2542和V型弹片2543，其中陶瓷摩擦元件本体2541采用氮化硅Si3N4制得，摩擦系数：0.2(空气)；0.3(真空)；孕镶金刚石胎体251下端设置水口253，孕镶金刚石胎体251内部设置陶瓷摩擦元件254，通过限位孔252完成定位。陶瓷摩擦元件本体2541内部对称设置限位块2542，限位块2542连接V型弹片2543，限位块2542通过压缩V型弹片2543实现对限位块2542出限位孔252的控制。
本发明的工作原理和过程：
本发明提出的具有智能温控装置的热机碎岩钻具设计用于深部复杂条件资源勘探与能源开发绳索取芯钻进钻采中，绳索取芯钻进的钻具能同时保证取芯和内管总成1在钻杆柱中升降。当本发明提供的具有智能温控装置的热机碎岩钻具的内管总成1在钻杆柱内由冲洗液向下压送时，张簧12控制弹卡13向外张开一定角度，并沿钻杆内壁向下滑动。第一钢球压紧弹簧165、第二钢球压紧弹簧168处于自然伸长状态，阀堵166与双层单动阀堵座167外层接触，阀堵166处于关闭位置。冲洗液由内管总成1和钻杆柱的环状间隙流通，直至弹卡13板面贴附于弹卡室22，完成定位。此时，悬挂环169与座环23接触座落，内管总成1和钻杆柱的环状间隙通道堵塞，泵压表压力明显升高，表明内管总成1已到达外管总成2中的预定位置。
由于内管总成1和钻杆柱的环状间隙通道堵塞迫使冲洗液流向改变，由导流管162上的导流孔向下流至阀堵166关闭位置，冲洗液通道又一次堵塞。此时，冲洗液压力作用在阀堵166与双层单动阀堵座167外层接触关闭位置。而双层单动阀堵座167外层固定不动，则冲洗液压力将推动阀堵166向下运动，阀堵166打开，冲洗液通道开启冲洗液流入芯轴171。双层单动阀堵座167内层沿滑动轨道向下运动，压缩设置在其下端的第二钢球压紧弹簧168。导流管座164与阀堵166是一体式加工件，阀堵166向下运动同时带动导流管座164向下压缩第一钢球压紧弹簧165。
冲洗液通道开启使阀堵166受到冲洗液压力减小，即向下运动的力减小，而第一钢球压紧弹簧165和第二钢球压紧弹簧168均处于压缩状态，恢复自然伸长状态则会对阀堵166产生向上的弹力，即向上运动的力增大。当阀堵166受到向上弹力大于向下压力时，即合力作用力向上时，其运动方向将会发生改变，阀堵166将向上运动，再一次回到与双层单动阀堵座167外层接触关闭位置，冲洗液通道再一次关闭，继而重复上述过程。阀堵166在冲洗液压力以及第一钢球压紧弹簧165、第二钢球压紧弹簧168的弹力作用下，进行周期性上下往复运动，使冲洗液通道间歇性的开启及关闭，冲洗液以脉冲形式流至孔底，形成脉冲式冲洗液，周期性冷却热-机碎岩钻头25，实现了阀堵166运动对冲洗液的控流，如图5。
在冲洗液流入芯轴171后，本发明针对深部复杂条件不同钻孔深度，提出两种不同的低碳环保供电方案。对于浅钻(钻孔深度＜2000米)，智能温控装置17的供电方案采用方案一，如图1和图2，冲洗液流入芯轴171直接从芯轴171轴身导流孔流出，改变冲洗液流向，保证芯轴座172内部的密闭性，同时避免了冲洗液温度对智能温度控制器174精度的干扰；芯轴座172内部容置智能温度控制器174、单珠芯轴175以及电池185，单珠芯轴175底部的钢珠能够提供弯曲和偏移角度的转动，使单珠芯轴175更加灵活地安装和取出，便于芯轴座172内部电池185以及智能温度控制器174的维修和更换。电池185作为供电电源用于给智能温度控制器174供电，智能温度控制器174通过压鼻式温度传感器181传输的信号，实现对摩擦热温度上下限的智能控制。
对于中深钻、深钻以及超深钻(钻孔深度≥2000米)，智能温控装置17的供电方案采采用方案二，如图3和图4，冲洗液流入芯轴171后，水力带动涡轮式发电机189发电，完成对智能温度控制器174的供电，实现了深部钻进时，无需频繁更换电池185，绿色环保的供电模式。随后冲洗液继续向下流动，从芯轴171轴身导流孔流出，改变冲洗液流向，保证芯轴座172内部的密闭性，同时避免了冲洗液温度对智能温度控制器174精度的干扰。芯轴座172内部容置智能温度控制器174与单珠芯轴175。单珠芯轴175底部的钢珠能够提供弯曲和偏移角度的转动，使单珠芯轴175更加灵活地安装和取出，便于芯轴座172内部智能温度控制器174的维修和更换。智能温度控制器174通过压鼻式温度传感器181传输的信号，实现对摩擦热温度上下限的智能控制。
压扣安装于卡簧座182底部的压鼻式温度传感器181将热-机碎岩钻头25与孔底接触产生的温度实时传输到智能温控装置17中，如图6。智能温度控制器174将对摩擦热温度上下限进行智能调控。智能温度控制器174具有两种温度控制模式，当温度过低时，采用模式一，加热升温控制，参数设置启动温度＜停止温度，即设定模式一停止温度是此种岩石低温下限值，当钻进过程中摩擦热温度(启动温度)低于设定停止温度，将进行加热升温，避免摩擦热温度过低辅助碎岩效果差；当温度过高时，采用模式二，制冷降温控制，参数设置启动温度＞停止温度，即设定模式二停止温度是此种岩石钻进高温上限值，当钻进过程中摩擦热温度(启动温度)高于设定停止温度，将进行制冷降温，避免温度过高孔底烧钻事故发生，实现摩擦热辅助碎岩最优温度范围下钻具的智能钻进。
冲洗液从芯轴171轴身导流孔流出后，流至热-机碎岩钻头25，热-机碎岩钻头25在钻机给进装置的轴向作用力及脉冲式冲洗液压力的合力作用下，碎岩钻进，其工作面如图7，按照钻进时的旋转方向(图中箭头所指方向为旋转方向)，本发明设计以“陶瓷摩擦元件254-孕镶金刚石胎体251-水口253-孕镶金刚石胎体251”为一个工作单元，对称设置了四个工作单元。由V型弹片2543配合限位块2542对陶瓷摩擦元件254的限位设定，使得陶瓷摩擦元件254表面高于孕镶金刚石胎体251表面4mm，保证了在碎岩工作时，陶瓷摩擦元件254先与岩石相互摩擦，优先产生摩擦热辅助碎岩的第一步，提高岩石表面温度，如图8。孕镶金刚石胎体251破碎岩石，稳定岩石表面温度，随后，脉冲式冲洗液经水口253冷却，使岩石表面出现温度差，产生热冲击效应，加速岩石裂纹的扩展，最后，孕镶金刚石胎体251对热冲击弱化后的岩石进行破碎，形成了“加热阶段-稳定温度破碎阶段-冷却阶段-破碎阶段”的碎岩过程。此过程不仅破碎表层岩石，且为破碎层下部的岩石提供一个相对较高的初始温度，使得下一周期碎岩过程更快地达到最高温度值。
当捞取岩芯时，打捞器通过捞矛头11、弹卡13以及阀堵连接弹性销163向上提拉阀堵166，此时，第一钢球压紧弹簧165和第二钢球压紧弹簧168均因受到向上的拉力处于压缩状态，两者产生弹力作用在阀堵166上，推动阀堵166上行，直至阀堵166超过双层单动阀堵座167关闭位置，给冲洗液打开一条下泄通道，一部分冲洗液由此下泻，减小冲洗液对孔壁的抽吸作用和打捞阻力。
Claims (7)
1.具有智能温控装置的热机碎岩钻具，包括内管总成(1)和外管总成(2)，所述内管总成(1)设置在外管总成(2)的内部；所述内管总成(1)包括捞矛头(11)、张簧(12)、弹卡(13)、弹卡架(14)和弹卡套(15)，所述捞矛头(11)下部设置张簧(12)，所述张簧(12)下部设置弹卡(13)，张簧(12)下部两端分别锚固于弹卡(13)两板，所述弹卡(13)下部设置弹卡架(14)，弹卡架(14)外部设置弹卡套(15)，弹卡套(15)为底部带有螺纹的圆管，弹卡套(15)上端配合弹卡(13)设置为斜面，弹卡套(15)中间对称设有导流孔，弹卡套(15)下端管壁内侧设有凹槽；所述外管总成(2)包括外管(21)、弹卡室(22)、座环(23)、扶正环(24)和热-机碎岩钻头(25)，外管(21)至少有两节，所有节段自上而下顺序螺纹连接组装为一个整体，外管总成(2)上部设置与弹卡(13)适配的弹卡室(22)，外管总成(2)中部设置用于配合悬挂环(169)的座环(23)，外管总成(2)下部设置用于对内管(178)进行导向的扶正环(24)，所述热-机碎岩钻头(25)位于外管总成(2)的最下端，热-机碎岩钻头(25)与外管(21)螺纹相连；其特征在于，所述内管总成(1)还包括阀堵控流装(16)和智能温控装置(17)，其中阀堵控流装置(16)设置在弹卡套(15)内部，智能温控装置(17)设置在阀堵控流装置(16)的下部；
所述阀堵控流装置(16)包括拉杆(161)、导流管(162)、阀堵连接弹性销(163)、导流管座(164)、第一钢球压紧弹簧(165)、阀堵(166)、双层单动阀堵座(167)、第二钢球压紧弹簧(168)和悬挂环(169)，拉杆(161)上端锚固在弹卡架(14)底部，拉杆(161)两侧对称设置带有导流孔的导流管(162)，导流管(162)上端焊接在所述弹卡架(14)底部，导流管(162)下端焊接于导流管座(164)，导流管座(164)与阀堵(166)是一体式加工件与拉杆(161)通过阀堵连接弹性销(163)相连，第一钢球压紧弹簧(165)绕设在阀堵(166)上，第一钢球压紧弹簧(165)的上下两端分别焊接于导流管座(164)与双层单动阀堵座(167)，双层单动阀堵座(167)外层固定镶嵌于弹卡套(15)的凹槽中，双层单动阀堵座(167)外层固定不动，双层单动阀堵座(167)外层与内层之间设有滑动轨道，双层单动阀堵座(167)内层能够相对于外层滑动，双层单动阀堵座(167)下部设置第二钢球压紧弹簧(168)，第二钢球压紧弹簧(168)放置于芯轴(171)内侧的环槽内，第二钢球压紧弹簧(168)上端与双层单动阀堵座(167)的内层底端焊接，悬挂环(169)嵌套入弹卡套(15)与芯轴(171)螺纹连接处的下部，并位于芯轴(171)外侧；
所述智能温控装置(17)包括芯轴(171)、芯轴座(172)、弹簧销(173)、智能温度控制器(174)、单珠芯轴(175)、调节螺母(176)、调节接头(177)、内管(178)、卡簧(179)、挡圈(180)、压鼻式温度传感器(181)、卡簧座(182)、导线(183)、导线通道(184)和供电电源，芯轴(171)上部外侧设有螺纹，芯轴(171)上部与弹卡套(15)底部螺纹连接，芯轴(171)上部内侧设有用于放置第二钢球压紧弹簧(168)的环槽，芯轴(171)下部设置有芯轴座(172)，芯轴(171)轴身设有导流孔，芯轴座(172)内部具有用于容置智能温度控制器(174)和单珠芯轴(175)的空间，设置在芯轴座(172)内的单珠芯轴(175)通过弹簧销(173)与芯轴(171)连接，单珠芯轴(175)的底部设有钢珠，供电电源用于向智能温度控制器(174)供电，智能温度控制器(174)根据压鼻式温度传感器(181)向其传输的信号，完成对摩擦热温度上下限的控制；芯轴座(172)下部通过调节螺母(176)与调节接头(177)连接，调节接头(177)下部螺纹连接内管(178)，内管(178)下部螺纹连接卡簧座(182)，卡簧(179)套入卡簧座(182)内部上方，压鼻式温度传感器(181)与挡圈(180)压扣安装在卡簧座(182)内部下方，用于连接智能温度控制器(174)与压鼻式温度传感器(181)的导线(183)铺设于导线通道(184)中。
2.根据权利要求1所述的具有智能温控装置的热机碎岩钻具，其特征在于：所述智能温度控制器(174)具有模式一和模式二两种温度控制模式，模式一为加热升温控制模式，设置启动温度＜停止温度，即设定模式一停止温度是岩石低温下限值，当钻进过程中摩擦热温度即启动温度低于设定停止温度，将进行加热升温；模式二为制冷降温控制模式，设置启动温度＞停止温度，即设定模式二停止温度是岩石钻进高温上限值，当钻进过程中摩擦热温度即启动温度高于设定停止温度，将进行制冷降温。
3.根据权利要求1所述的具有智能温控装置的热机碎岩钻具，其特征在于：钻孔深度＜2000米时，采用电池(185)作为供电电源，钻孔深度≥2000米时，采用涡轮式发电机(189)作为供电电源。
4.根据权利要求3所述的具有智能温控装置的热机碎岩钻具，其特征在于：采用电池(185)作为供电电源时，所述电池(185)设置在芯轴座(162)内部，电池(185)下部通过销钉(186)连接智能温度控制器(174)上部，同时，在电池(185)和智能温度控制器(174)连接处设置有环氧垫圈(187)，导线通道(184)开设在内管(178)管壁上。
5.根据权利要求3所述的具有智能温控装置的热机碎岩钻具，其特征在于：采用涡轮式发电机(189)作为供电电源时，在芯轴(171)壁和芯轴座(172)壁上均设有导线通道(184)，芯轴(171)内部为中空结构，所述涡轮式发电机(189)设置在所述中空结构内，涡轮式发电机(189)外边缘设有硅胶密封圈(188)，通过硅胶密封圈(188)与芯轴(171)内部挤压，完成涡轮式发电机(189)定位，且开设在芯轴(171)轴身上的导流孔位于涡轮式发电机(189)下方。
6.根据权利要求1所述的具有智能温控装置的热机碎岩钻具，其特征在于：所述热-机碎岩钻头(25)包括孕镶金刚石胎体(251)、限位孔(252)、水口(253)和陶瓷摩擦元件(254)，其中陶瓷摩擦元件(254)包括陶瓷摩擦元件本体(2541)、限位块(2542)和V型弹片(2543)，孕镶金刚石胎体(251)下端设置水口(253)，孕镶金刚石胎体(251)内部设置陶瓷摩擦元件(254)，且通过限位孔(252)完成陶瓷摩擦元件(254)定位；陶瓷摩擦元件本体(2541)内部对称设置限位块(2542)，限位块(2542)连接V型弹片(2543)，限位块(2542)通过压缩V型弹片(2543)实现对限位块(2542)出限位孔(252)的控制。
7.根据权利要求6所述的具有智能温控装置的热机碎岩钻具，其特征在于：所述V型弹片(2543)配合限位块(2542)对陶瓷摩擦元件(254)的限位设定，使得陶瓷摩擦元件(254)表面高于孕镶金刚石胎体(251)表面4mm。
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