CN1199338C - 一种改进的取芯钻头电机和用于获取物质芯样的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改进的取芯电机用来从钻出的井筒的侧壁上获取一芯样。本发明为取芯钻头提供相对于侧壁的可控的旋转、伸展和退回，而没有复杂定位的联动装置并且保持供用于井下的细长工具所用的空间。

Description

一种改进的取芯钻头电机 和用于获取物质芯样的方法
技术领域
本发明提供一种改进的取芯钻头电机和一种用于从钻井的侧壁获取物质芯样的方法。
背景技术
通常在地壳内钻出钻井以便获取碳氢化合物类的天然沉积物和在地质构造中夹带的其他需要的和天然存在的物质。一细长的井钻入地下并且其由钻机在表面上对准目标的地质位置。在传统的“旋转钻井”操作中，钻机旋转一钻具组，其包括各个彼此连接的钢钻管的管接头以旋转一下井装置(BHA)和一钻头，它们都连接于钻具组的下端。在钻井操作的过程中，泵送钻井流体，通常称之为钻井泥浆，并且沿着钻管的内部向下通过BHA和钻头循环，并返回表面的环状通道中。
取芯通常是通过工具切削切下物质的一内部的部分之过程。虽然一些较软的物质可以通过将一取芯样套筒直移地压入物质如土壤或沥青中来取样，但较硬的物质一般需要用旋转的取芯钻头来切削；亦即采用具有绕钻头圆周的切削端设置的切削齿之中空的圆柱形钻头。取得的芯物质通常收集在可从井筒中收回的取芯装置内。取芯一般用于排除不想要的物质部分或获取有代表性的物质样品供分析以便得到关于其物理性能的信息。取芯广泛地用于确定在矿物或石油的勘探和开发中遇到的井下地质构造的物理性能。
为获取天然存在的碳氢化合物类而钻出的井的传统的取芯采用连接于钻具组端部的取芯钻头和芯圆筒来进行。当旋转的取芯钻头穿透有价值的构造时芯被收集在芯圆筒内。这种取芯过程基本上中断了正常的钻井过程，因为必须从钻具组端部卸去钻头而代之以取芯钻头。以这种方式取芯可能是很费时间和费钱的。然而，这种方法通常对于以这种方式钻穿的所有构造都可保证获取芯样的高的成动力。
传统的侧壁旋转取芯的特征是采用一取芯钻头，其具有中空的圆柱形结构和绕一开口端的圆周接合的切削齿。取芯钻头通常在其压到井的侧壁时绕其轴线旋转。当从侧壁上切下一芯样时，芯样被容纳于由取芯钻头的内壁所限定的中空圆筒内。取芯钻头的最佳旋转速度和加在钻头上的最佳的力(将钻头推入侧壁的轴向力的大小)通常由被取芯的构造类型和由取芯钻头的物理特性来决定。
石油和其他天然存在的矿物沉积或气体往往存在于地壳内多孔的地质构造深度。有价值的构造在钻井中可以采用取芯工具来勘测以便获取有代表性的、取自邻接于有价值的构造的井壁的岩石样品。该有代表性的岩石样品通常是采用中空的圆柱形取芯钻头从构造中取的芯。通常侧壁取芯获取的岩石样品通常称之为“芯样”。芯样实际上是从井壁上取下的并收回于取芯工具内以待输送到表面。
芯样的分析和研究可以使工程师和地质学家评估重要的构造参数，例如储藏量(孔隙度)、构成构造的岩石的流动潜力(渗透度)、可获取的存在于构造中的碳氢化合物类或矿物的组分，以及岩石的残余水饱和度。这些评估值对其后的设计和充分完整的程序的实施是决定性的，该程序使得可以开采各选定的构造和区域，而这些构造和区域是根据由芯样得到的数据说明在经济上是有吸引力来决定的。
若干获取芯样的取芯工具和方法已用于传统的侧壁取芯。通常有两种取芯方法和装置，即旋转取芯和冲击取芯。本发明的目的在于旋转取芯，由于获取的芯样的优质这是更优选的方法。
侧壁的旋转取芯通常涉及将中空的圆柱形取芯钻头的开口的和露出的圆周切削头压到井壁上并旋转取芯钻头以促使在前端进行切削。取芯工具在有价值的区域或构造借助靠近井壁定向的旋转芯钻头保护而不受井壁的影响。取芯钻头远离取芯工具轴线并朝着井壁方向径向向外展开。
取芯钻头通常通过一可延长的轴或机械联动装置连接于取芯电机。该轴或联动装置朝着侧壁方向轴向推进旋转取芯钻头以使取芯钻头的切削头接触侧壁。取芯钻头通过排除圆柱形切削区域内的岩石穿入侧壁。取芯钻头的圆周切削头具有许多齿并且往往镶嵌有硬质合金、钻石或其他具有用于切削岩石的高级硬度的材料。
在进行切削芯样的过程中圆柱形芯样被容纳于取芯钻头的内部。在得到要求的长度的芯样以后，芯样通过在取芯钻头的开口的切削头内断开留下的连结(径向截面)而脱离构造岩石。芯钻头和其中的芯样通过将用于将取芯钻头延伸到其展开的位置的轴或联动装置退回而被收回于取芯工具内。收回的芯样可以从取芯钻头中排入取芯工具内以便可以使用取芯钻头来在同一或不同的深度获取以后的样品。
旋转取芯是优选的获取芯样的方法，因为芯样保持其流动和储藏的性能而没有包含在冲击取芯法中的断裂和凝结。然而，有效的旋转取芯法要求有效地使用有限的空间。因为为了获取一传统的侧壁芯样需要许多部件和机械的操作，传统的旋转侧壁取芯存在许多与可利用的井下之有限的空间相关的问题。当成功地将井钻到较深的构造时，并且当从表面位置的正确的垂直定位一步一步地得到定向的井筒时，这些井必定变得更为细长，从而为传统的取芯装置的安装、展开和操作提供不大的空间。
虽然有利的是获取像从侧壁能够得到的那样大的有代表性的样品，但存在一些实际限制使获取较大芯样既困难又费钱。芯样的长度受限于取芯钻头的冲程或行程。也就是说，从取芯钻头的切削齿开始接触侧壁的时间起，进入侧壁的最大轴向位移由取芯工具的机械特性决定。
现有技术的取芯工具的机械结构由几个不同的参数规定。为了进行切削，旋转取芯钻头必须采用包括在取芯工具内的某种轻便的机械动力源使之在其轴线上旋转。旋转取芯工具中的芯钻头的电机一般是由高压油驱动的液压电机，该高压油由电驱动的泵产生。电驱动的液压油泵由通过导电缆提供给电机的电力驱动，该电机用来下降、上升和控制取芯工具并大致确定其在井筒内的位置。取芯钻头的旋转一般通过将取芯钻头利用一机械联动装置连接于液压电机来实现。并且，在取芯钻头展开时其必须从取芯工具壳体内向外延伸到外面的侧壁，然后在取芯钻头的旋转过程中进一步延伸进入侧壁以便切削芯样。最后，在芯样的切削完成以后，取芯钻头和包含在其内的芯样必须被缩进取芯工具内。如果采用同一取芯钻头要获取其他以后的芯样，该岩样必须从取芯钻头中排出并储藏在取芯工具内以后输送到表面。所有的机械装置、液压电机、从电机至取芯钻头用于旋转和延伸钻头的机械联动装置和取芯钻头本身都必须“储藏”在它们在细长取芯工具壳体内的固定结构中直到该工具处于接近侧壁中有价值的区域为止。使用时，取芯工具必须为取芯钻头提供需要的转速以及伸展和以便成功地获取芯样。机械的和尺寸的问题是相当大的，而本发明为获取芯样提供一种更有效的和紧凑的装置与方法。
此外，现有技术中的取芯装置通常在机械上是很复杂的并因而在操作过程中易出现种种的故障，使它们在井下环境中是很不可靠的。因此，许多石油公司由于它们在获取侧壁芯样方面的成动力往往很低而不愿采用。
这里需要一种装置，其可以伸展取芯钻头并施加力通过取芯钻头强压到侧壁上、在获取芯样以后将取芯钻头缩进取芯工具内并且在切削芯样的全过程中以要求的角速度旋转取芯钻头。这里需要一种装置，其可以延伸、退回和旋转取芯钻头而没有复杂的占据宝贵的空间的机械联动装置，亦即需要一种有效“封装的”装置，其在固定的未展开的位置时在取芯工具内部占据不大的空间。这里需要一种改进的取芯电机，其非常紧凑使得在单个的取芯工具内可以采用两个或更多个取芯电机以获取多个样品。
本发明对在细长井筒的有限的空间环境中的传统的侧壁取芯的问题提供一种解法。芯样在其未损坏的状态下的收回和分析提供有价值的地质信息，其对石油公司的地质学家来说强有力地改善其分析和作出决断。
发明内容
本发明提供一种改进的取芯电机，其实际上是两个电机，一个旋转电机和一个推进电机，一起工作来控制取芯钻头的旋转、钻头上的负载(weight-on-bit)和伸展或退回。旋转电机包括一旋转定子、一旋转转子和一旋转转子套筒。推进电机类似地包括一推进定子、一推进转子和一推进转子套筒。这两个电机各自结合于专门设计的驱动轴，该驱动轴可在其端部连接于一取芯钻头。该驱动轴设计成可由旋转电机的操作使其旋转并由推进电机的操作使其伸展和退回。驱动轴和取芯钻头朝侧壁方向的伸展，以及驱动轴和取芯钻头以后的向取芯工具内部的退回，通过相对于旋转电机的速度改变推进电机的速度来实现。这种设计可以极有效地在一单个井下取芯工具内部封装一个或多个该改进的取芯电机。
附图说明
图1示出改进的取芯电机在其未展开的位置时的侧剖视图；
图2示出改进的取芯电机在其部分地展开的位置时的侧剖视图；
图3示出驱动轴的结构的透视图，该驱动轴具有轴向轴槽和叠置在形成于其间的轴齿上面的螺纹；
图4示出旋转转子套筒的结构的透视剖视图，该转子套筒具有内齿，该内齿设计成滑动地接合驱动轴的外表面上的轴槽；
图5示出推进转子套筒的结构的透视剖视图，该转子套筒具有内螺纹，该内螺纹设计成接合布置在各轴槽之间的驱动轴的外表面上的轴齿上的螺纹。
具体实施方式
图1和2是本发明的取芯工具10的一优选的实施方案的剖视图，该取芯工具10分别处于未展开的和部分地展开的结构。部分地展开的结构用来表示驱动轴44和取芯钻头18已部分地从取芯工具10中向外延伸向它们的展开位置，该展开位置与侧壁芯样的取芯相关。
取芯设备10包括两个分开的或独立的电机，它们被相互协作地控制，一旋转电机用于旋转驱动轴44和一推进电机用于在驱动轴44旋转时使其轴向移动，其轴向位移或者向着取芯的侧壁(图1和2中的右边方向)或者从侧壁退回以缩进取芯工具10内。在取芯过程中旋转驱动轴44所需要的动力将可能超过将驱动轴44延伸入构造内所需要的动力。因此，很可能旋转电机将比推进电机大并将产生比推进电机的大的动力。旋转电机包括一旋转定子24、一旋转转子22和一旋转转子套筒23，每个都绕一公共中心轴线17同心地布置。旋转定子24一般包括电导线缠绕的绕组以便在电流通过旋转定子24的绕组时在旋转转子22上感生电磁矩。旋转转子22同心地布置在旋转定子24的内部并且应该定位成与旋转定子24闭合地电磁联通而不与旋转定子24接触。旋转定子24与旋转转子22之间的这种精密的间距关系可以按任何传统的方式包括将定子和转子安装在一共用的结构或壳体12内来保持。虽然旋转定子24相对于壳体12是固定的，但旋转转子22绕一中心轴线旋转并且通过轴承或衬套安装或固定在壳体12上。
图4为旋转转子套筒23的透视剖视图，该旋转转子套筒23具有径向向内延伸的套筒齿145，这些套筒齿145与图3中所示的驱动轴44的相应的轴槽45相接合或配合。旋转转子套筒23是一中空的圆柱套筒，其内径等于或稍大于驱动轴44的外径，并且当将旋转转子套筒23容纳在驱动轴44上时，径向向内向着旋转转子套筒23的中空中心方向延伸的套筒齿145滑动地容纳在驱动轴44的轴槽45内。旋转转子套筒23优选地结合于或固定于旋转转子22上。或者，旋转转子套筒23和旋转转子22可以是一整体部件而使旋转转子套筒23形成在旋转转子22的内表面上。在任一方式中，旋转转子套筒23都具有设有齿的面向内部的表面。
再参照图1和2，推进电机具有类似于旋转电机的结构。具体地说，推进电机包括一推进定子34、一推进转子32和一推进转子套筒33，每个都绕一公共中心轴线17同心地布置。推进定子34一般包括电导线缠绕的绕组以便在电流通过推进定子34的绕组时在推进转子32上感生电磁力。推进转子32同心地布置在推进定子34的内部并且应该定位成与推进定子34闭合地电磁联通而不与推进定子34接触。定子与转子之间的这种精密的间距关系可以按任何传统方式包括将定子和转子安装在一共用的结构或壳体12内来保持。虽然定子相对于壳体12是固定的，但转子绕一中心轴线转动或旋转并因而通过轴承或衬套安装或固定在壳体上。
图5为推进转子套筒33的透视剖视图，该推进转子套筒33具有形成在径向向内的内表面上的螺纹146，该螺纹146与形成在图3中所示的驱动轴44的轴齿48的外表面上的相应的螺纹相配合。推进转子套筒33和结合的推进转子32通过在推进定子34中应用控制的电流64绕驱动轴44旋转。推进转子套筒33优选地结合于或固定于推进转子32上。或者，推进转子套筒33和推进转子32可以是一整体部件而使推进转子套筒33形成在推进转子32的内表面上。在任一方式中，推进转子套筒都具有设有螺纹的面向内部的表面。
旋转转子套筒23和推进转子套筒33结合于专门设计的驱动轴44上，该驱动轴44用来旋转取芯钻头18和将钻头上的负载施加于取芯钻头18上。单独示于图3中的驱动轴44具有轴线17并可以在其钻头端47连接于取芯钻头18。驱动轴44具有带有多个轴槽45的外表面，该轴槽45沿驱动轴44的长度延伸，优选地从钻头端47延伸到或大致延伸到驱动轴44的排料端49。这些轴槽45优选地是纵向的并平行于驱动轴44的轴线17，但它们可以是绕轴线17的螺旋形的。与确切的轴槽设计无关，轴槽45设计成与在具有共同轴线17的旋转转子套筒23中的相应的内部套筒齿145相结合。槽和齿的结合应该能够从转子套筒齿145向轴槽45传递一径向力，而又便于套筒齿145相对于轴槽45的轴向滑动。例如，根据推进转子套筒33的旋转所确定的，当驱动轴44从其完全缩进的、图1中所示的未展开的位置前进到中间的、图2中所示的部分地展开的位置并继续前进到相对于驱动轴44的完全轴向伸展的完全展开的位置时，旋转转子套筒23优选地设计成连续旋转驱动轴44。
驱动轴44的外表面还设有多个螺纹46，这些螺纹叠置在各轴槽45之间沿驱动轴44的长度形成的轴齿48上面。这些螺纹46可以设置有任何的螺距、深度或间距，但应该考虑到螺纹46的螺距将影响位置控制的程度和在取芯时推进电机能够传给取芯钻头18的钻头上的负载。推进转子套筒33和驱动轴44上的螺纹的结合应该能够将一轴向的或往复的力传到驱动轴44上。
当电流通过旋转定子24的绕组时，一力矩机电地施加于旋转转子22和其结合的旋转转子套筒23上，从而使这些部件绕轴线17旋转。驱动轴44的旋转由驱动旋转转子套筒23的旋转来实现，旋转转子套筒23旋转驱动轴44并将动力传给取芯钻头18。驱动轴44的转速可由通向旋转定子24的电流61独立地和精确地控制。
当电流通过推进定子34时，一力矩机电地施加于推进转子32和其结合的推进转子套筒33上，从而使这些部件绕轴线17旋转以使驱动轴44轴向延伸、保持或退回。驱动轴44的轴向或往复的运动通过以不等于旋转转子套筒23的角速度的角速度旋转推进转子32和其结合的推进转子套筒33来实现。推进转子套筒33和在推进转子套筒33的径向内表面上形成的螺纹146的旋转通过该螺纹146与加工在驱动轴44上的轴齿48上面的配合螺纹的接合来轴向移动驱动轴44。推进转子套筒33的转向和其上的螺纹的结构(右旋或左旋)决定驱动轴44的轴向运动。推进转子32和推进转子套筒33的旋转(以不等于旋转转子套筒23的角速度的角速度)或者使驱动轴44和其结合的取芯钻头18向侧壁方向(向图1中右边)前进或者将取芯钻头18退回到其在取芯设备10内(向图1中左边)的固定的未展开的位置。
为获取一芯样，取芯工具10必须在取芯钻头18旋转时可控地将取芯钻头18推向并进入侧壁以切削芯样。因此，旋转转子套筒23中的套筒齿145(或至少一个键或销)必须保持与驱动轴44的轴槽或槽45机械的和旋转的接触而不管驱动轴44相对于旋转转子套筒23的轴向移动。同样，为了旋转取芯钻头18以有效地切削和获取芯样，钻头上的负载，即通过驱动轴44施加在取芯钻头18上的轴向力是必不可缺少的。因此，在推进转子套筒33的内表面上的螺纹146必须保持与驱动轴44的轴齿48上的相应的螺纹的机械接触而不管驱动轴44通过旋转转子套筒23的旋转。这些条件通过图3中所示的驱动轴44的独特设计得到满足。
驱动轴44的转速由旋转转子22和其结合的旋转转子套筒23的转速决定并与之相等。如果旋转转子套筒23和推进转子套筒33的转速相等，则推进转子套筒33的转速必定等于驱动轴44的转速。在这种操作条件下，由于旋转的推进转子套筒33相对于旋转的驱动轴44保持静止，驱动轴44将没有轴向位移。旋转的驱动轴44的轴向移动通过相对于驱动轴44的转速改变推进转子套筒33的转速来实现。在这种条件下，驱动轴44相对于推进转子套筒33的轴向位移可利用驱动轴转速Wds、推进转子套筒33的转速Wtrs并通过螺纹(在轴齿和推进转子套筒的径向内表面上)的螺距Pthreads来算出。
假定旋转轴44上的螺纹146为右旋螺纹并且旋转电机和推进转子都沿顺时针方向(从取芯设备10的取芯钻头端观察)旋转，取芯钻头18的穿透速率可以由下式来确定：
             Vcb＝Pthreads×(Wtrs-Wds)
例如，如果驱动轴的每英寸有10条螺纹(则螺纹的螺距Pthreads为0.1英寸每螺纹)、Wtrs为2005rpm(每分钟转数)和Wds为2000rpm，则由驱动轴44向着侧壁方向的推进速率决定的取芯钻头的穿透速率Vcb将为(0.1×(2005-2000))＝0.5英寸/分钟或0.0083英寸/秒。反之，如果芯样已成功地切削和获得，则驱动轴44可以通过相对于驱动轴44的转速Wds降低推进转子套筒33的转速Wtrs来缩进取芯工具10内。例如，如果Wds保持2000rpm而Wtrs降到1950rpm，则驱动轴44的退回速率将为(0.1×(1950-2000))＝-5英寸/分，或-0.0833英寸/秒(负号表示取芯钻头退回)。虽然取芯钻头的0.5英寸/分的前者穿透速率Vcb较适合于有效地切削一芯样，但-5.0英寸/分的后者退回速率是为将取芯钻头18缩进取芯工具10内的更合适的速度。一个单向电机通过相对彼此改变推进转子套筒33和旋转转子套筒23的转速可以提供驱动轴44和其连接的取芯钻头18的伸展和退回。对于给定的电机速度，取芯工具10可以改型成利用另外的螺纹部件来改变伸展和退回的速度以便定制取芯过程的动力性以适合构造的物理性质。虽然提供的附图示出优选的实施方案，其具有推进定子34、推进转子32和邻近驱动轴44的排料端或“内侧”端49的推进转子套筒33，以及旋转定子24、旋转转子22和邻近驱动轴44的取芯钻头18或“外侧”端的旋转转子套筒23，但这两组紧密相关的和相互作用的部件可以是相反的。
以上讨论说明了为有效地操作本发明所需要的精度。在取芯过程中0.5英寸/分的穿透速率通过将Wtrs提高到和控制到仅比Wds高5rpm来达到，其差别只有0.25％。为能够精确地控制电流61和64以达到这个控制水平可利用各种装置。旋转转子检测器25和推进转子检测器35分别“计算”旋转转子22和推进转子32的转数。旋转转子检测器25和推进转子检测器35可以用磁式、光式、电子式或机械式或这些的某种组合方式检测各自的转子的位置。旋转转子检测器25和推进转子检测器35可以检测安装在各个被检测的转子上的一发送应答器，并且检测出的旋转转子位置的信号62和检测出的推进转子位置的信号63传给微处理器60。微处理器60算出旋转转子22和推进转子32的转速，并自动调节旋转定子电流61和推进转子电流64以保持要求的取芯钻头的转速Wcb(其等于驱动轴44的转速Wds)和要求的取芯钻头的穿透速率Vcb。
驱动轴44可以包括各种结构。在其基本的结构中，各轴槽45和螺旋螺纹46加工在驱动轴44的分开的外面部分上。在这种结构中，轴槽45可以位于驱动轴44上邻近其邻近取芯钻头18的钻头端的位置，而螺旋螺纹46可以位于驱动轴44上邻近其在钻头18对面的排料端49的位置。在一更复杂的结构中，螺旋螺纹46可以叠置在形成于各轴槽45之间的轴齿48上面，如图3中所示。各轴槽45可以轴向地与驱动轴44的轴线17对中(即无限大的节距)，或者它们可以是绕驱动轴44的轴线17的螺旋形。应该理解，具有螺旋轴槽45和相应的套筒齿145的实施方案，与轴齿48上的螺旋螺纹46接合推进转子套筒33的内部上的相应的螺纹146的方案组合起来，实际上是在驱动轴44的外部上将第一组螺纹叠加在第二组螺纹上。一组螺纹接合推进转子套筒33的内部上的相应的螺纹组，而第二组螺纹接合旋转转子套筒23的内部上的相应的螺纹组。当然，当采用这种方法时，在两组螺纹的深度和螺距方面必须有足够的差值以便防止干涉并增进与驱动轴44的独立的相互作用。
本发明为取芯工具提供改进的封装效能。取芯工具可以包括本发明的多个取芯电机或取芯模块，全部都定位在单个取芯工具的内部。这些取芯模块可以同时使用或依次使用以便从不同的深度获取芯样。为了控制的目的，各取芯模块在取芯工具内可以彼此用电连接。每一取芯模块可具有一唯一的电子地址，从而能够独立地控制每一取芯模块而与其他的取芯模块无关。
在单个取芯工具内部采用多个取芯电机或取芯模块，可以去掉在现有技术的取芯工具中为了排出从取芯钻头中收回的芯样所用的复杂的芯样排料机构。本发明提供一种取芯模块，其可以将芯样收回于驱动轴44的中空内部之中，该中空内部用作收回的芯样的储藏室。收回的芯样可以在表面上从该取芯模块中排出。附加的部件，例如芯套筒，可以布置在驱动轴44的内部以隔离和保护芯样免受侵蚀或损坏，否则在旋转过程中由驱动轴44的内壁可能造成这种侵蚀或损坏。
本发明不打算说明在取芯钻头18已穿透侧壁到达其穿透的极点以后，打断切削的芯样以脱离其留下的与构造的接合的步骤。该芯样可以通过取芯钻头18相对于构造的移动脱离构造而断开。一旦芯样被断开而脱离构造，可以将其收回于带有取芯钻头18的取芯工具10内。
本发明还可以包括用于停止驱动轴44的轴向移动的电子装置或物理装置以便消除由于驱动轴44过度的移动而使驱动轴不希望地脱离任一转子套筒的可能性。这样的用于停止的装置可以包括控制器的程序设计以跟踪作为由两转子/套筒产生的相对转数的函数的驱动轴44的位置。或者，用于停止的装置可以包括在驱动轴44、旋转转子套筒23或推进转子套筒33上形成的机械构件，其在物理上防止驱动轴44的不希望的推进或轴向前进。一个实例可以是在驱动轴44的排料端49处消除或“填塞”驱动轴44的外表面上的一小部分齿，如图3中所示。这种结构在取芯电机10的操作过程中为防止驱动轴44偶而脱离推进套筒33提供一可靠的装置。
“电机”的意义，如在本文中所用的术语，包括一种消耗电能并产生机械能的装置，但不限于此种，并且其可以包括一个以上的定子与一个以上的转子相结合的布置用以转动、旋转或操作一个以上的机械输出构件。“槽”的意义，如在本文中所用的术语，包括螺纹、凸脊、导向件、沟槽和通道，但不限于这些。“齿”的意义，如在本文中所用的术语，包括凸脊、螺纹、沟槽和通道，但不限于这些。
虽然以上所述是针对本发明的优选的实施方案，但可以设想出其他的和进一步的实施方案而并不脱离其基本的范围，并且其范围由附属的权利要求决定。

Claims (16)

1.一种侧壁取芯设备，其包括：
一旋转电机，其具有一旋转定子和一带有一个或多个内齿的旋转转子；
一推进电机，其具有一推进定子和一带有内螺纹的推进转子；以及
一管状驱动轴，其具有一轴线、一可连接于一取芯钻头上的钻头端，和一带有一个或多个叠加有一组螺纹的纵向槽的外表面，其特征在于，一个或多个纵向槽分别与旋转转子的一个或多个相对应的内齿相配合，而驱动轴的外螺纹与推进转子的内螺纹相配合。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，
旋转定子机电地接合旋转转子并使其绕管状驱动轴的轴线旋转，从而将受控的角位移传给旋转转子；
其中，推进定子机电地接合推进转子并使其绕管状驱动轴的轴线旋转，从而将受控的角位移传给推进转子；以及
其中，管状驱动轴的钻头端通过旋转转子相对于推进转子的受控的有差别的角位移可以在管状驱动轴的旋转过程中可控地轴向延伸和退回。
3.如权利要求1所述的设备，其还包括一控制器用以控制旋转电机和推进电机的转速。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，一个或多个纵向槽平行于驱动轴的轴线。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，旋转转子的一个或多个内齿设置在一单独的旋转转子套筒上。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，推进转子的内螺纹设置在一单独的推进转子套筒上。
7.一种侧壁取芯设备，其包括：
一旋转电机，其具有一旋转定子和一旋转转子；
一推进电机，其具有一推进定子和一推进转子；以及
一管状驱动轴，其具有一轴线、一可连接于一取芯钻头上的钻头端和一外表面，其特征在于，旋转转子旋转地结合于驱动轴的外表面，而其中推进转子既旋转地又轴向地结合于驱动轴的外表面。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，旋转转子以槽和齿的关系旋转地结合于该外表面。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，推进转子借助螺纹接合既旋转地又轴向地结合于该外表面。
10.如权利要求7所述的设备，其特征在于，旋转转子直接邻近于推进转子。
11.一种用于实现侧壁取芯的设备，其包括：
一用于产生第一转矩的旋转电机；
一用于产生第二转矩的推进电机；
一管状轴；
用于将第一转矩转变为所述轴绕其轴线的旋转的装置；以及
用于将第二转矩转变为所述轴沿其轴线的移动的装置。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述旋转电机包括一管状旋转定子和一管状旋转转子用以将第一转矩施加于所述轴上的旋转转换装置。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述推进电机包括一推进定子和一推进转子用以将第二转矩施加于所述轴上的移动转换装置。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，旋转转换装置包括一连接于旋转转子的旋转转子套筒，该旋转转子套筒具有从其内表面向内延伸的齿用以与在所述管状轴的外表面上形成的槽相接合。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，移动转换装置包括一推进转子套筒，该推进转子套筒具有在其内表面上形成的螺纹用以与在所述管状轴的外表面上形成的附加的螺纹相接合。
16.一种在侧壁取芯操作的过程中移动和旋转取芯钻头的方法，其包括以下步骤：
将一取芯钻头连接于在井下工具中布置的管状构件的一端；
将井下工具定位在邻近一构造侧壁的井筒内；
利用绕管状构件同心地定位在井下工具内的管状旋转电机诱发该管状构件的旋转；
利用绕管状构件同心地定位在井下工具内的管状推进电机诱发该管状构件移动从而将取芯钻头推入构造侧壁内；以及
利用该管状推进电机诱发该管状构件的移动从而将取芯钻头退出构造侧壁。
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