CN2188128Y - 一种扩孔翼式不提钻换钻头绳冲钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种扩孔翼式不提钻换钻头 绳冲钻具，该钻具综合了多种钻探工艺方法的优越 性，钻具中主钻头执行先导主破碎，副钻头为四翼异 形金刚石钻头，担负破碎、扩孔任务。钻具中配有双 作用式液动冲击器，所产生的高频冲击载荷同时作用 于主、副钻头上，加速破碎岩石。本钻具可以在不提 升钻杆柱的情况下实现钻头的更换、岩心的采集及钻 具的检修。适用于坚硬、打滑及破碎地层深孔取心钻 探。

Description

本实用新型涉及一种适用于深孔钻探的扩孔翼式不提钻换钻头绳冲钻具（详称扩孔翼式不提钻换钻头绳索取心冲击回转钻具）。

不提钻换钻头绳索取心钻进技术的问世，是对传统钻进方法的一种有力冲击，它既可以在不提升钻杆柱的情况下采集岩心，也可不提升钻杆柱而实现钻头的更换，从而大大地减少了因采集岩心和更换钻头所需的辅助时间，大大地提高了钻进效率，并从根本上改善了工人的劳动强度及工作环境，特别是钻进深孔时其优越性尤为显著。

尽管不提钻换钻头绳索取心钻进技术具有许多的优越性，但它也存在着钻头底唇面积大的突出问题，以φ75口径为例，其付钻头张开时外径为φ75.5mm、而主钻头内径与φ56普通双管钻头内径一致为φ40mm，因此钻头所需克取岩石截面积为3220mm²，而普通75绳索取心钻具克取岩石截面积仅为2532mm²，前者大大高于后者，在相同的钻压下作用于岩石单位面积上的压力也就小于后者，对克取岩石极为不利，直接影响着钻进效率的提高，尤其在坚硬、“打滑”地层中钻进问题更加突出。这个问题的存在，制约着不提钻换钻头绳索取心钻进技术的发展和进一步推广使用。而冲击回转钻进技术正是改变碎岩机理，提高钻进效率的最好钻进方法之一，据有关资料介绍，在坚硬、“打滑”地层中，冲击回转的钻进效率比普通绳索取心钻进效率可提高约30％。因此，本发明就是将冲击回转钻进技术结合到不提钻换钻头绳索取心钻进技术中去，扬其长、避其短，是一种具有工业实用性的岩心钻探孔内机具。

本发明成功地将不提钻换钻头、绳索取心、冲击回转三项先进的钻探技术结合于一体，国内外尚无此先例。不提钻换钻头的研究工作在一些国家已进行了很多年，取得了较大的进展，我国对不提钻换钻头的研究也取得了一定的进展，一些单位的不提钻换钻头钻具在实验室试验和野外试钻中都已获得成功。不提钻换钻头的种类比较多，就扩孔翼式、可收缩钻具而言，根据其扩孔翼的张敛方式，可分为铰链式和楔顶式两大类。铰链式扩孔翼钻具主要采用铰链方式控制扩孔翼的收缩和张开，这种方式具有结构简单和张敛灵活的特点，但由于铰链部分强度较低，难以满足硬岩取心钻进时大扭矩钻进的需求；而楔顶式扩孔翼钻具尽管在强度上有所加强，但却存在着结构复杂、零件加工困难、动作可靠性差的缺点。针对以上问题，本发明的付钻头张敛机构结合两类钻具之特点，采用机械式楔顶来实现付钻头的扩张与收敛，改善了付钻头的受力状态。而付钻头又是通过铰链方式与付钻头架相联，确保了付钻头张敛的可靠性。为使冲击器在深孔中保持良好的冲击性能，本发明的冲击器为双作用式液动冲击器。

以下将结合附图详细说明本实用新型的具体结构和工作原理。

图1、图2、图3、图4、图5为本实用新型组装图（张开状态）。

本钻具主要由外管总成和内管总成组成。

外管总成接在钻杆柱的下端，正常情况下不需将其提升至地表。外管总成包括变丝接头（1）、弹卡挡头（2）、弹卡室（14）、外管（25）、导向环（33）和定位传扭端管（37）。变丝接头（1）上端为钻杆螺纹，可直接与钻杆柱联接，弹卡室（14）和弹卡挡头（2）与内管总成中的弹卡板（13）构成弹卡机构，限制了内管总成的上窜。定位传扭端管（37）是本钻具的关键零件，它既要限制付钻头（40）的外张，同时还担负着导向定位和传递扭矩的作用。

内管总成可用绳索打捞器打捞至地表，实现岩心的采取、钻具的检修和主、付钻头的更换。内管总成主要由以下几个机构组成：打捞机构、弹卡机构、冲击器、付钻头张敛机构及下端的单动双管机构。

打捞机构见图1，由捞矛头（3）、滑套（4）、弹性销（5）、轴承（6）、垫圈（7）、弹簧（8）、拉杆（9）组成。下入打捞器捞住捞矛头（3）后向上提拉，带动拉杆（9）压缩弹簧（8）上移，弹性销（5）从滑套（4）的内孔中露出，捞矛头可在±90°范围内转动，确保采集岩心时捞矛头与打捞器同轴，避免因脱卡而产生砸伤人员事故。轴承（6）的作用是避免打捞过程中钢丝绳的打扭现象。打捞器脱卡后在弹簧（8）的张力作用下拉杆（9）复位，弹性销（5）回到滑套（4）内孔中，限制了捞矛头（3）的转动，使其始终处于垂直状态，确保了下次打捞的成功。

弹卡机构见图1、图2，由上回收管（10）、弹卡架（11）、张簧（12）、弹卡板（13）、弹性销（15）、（17）、弹卡座（16）组成。当内管总成到达预定位置时，弹卡板（13）在张簧（12）的张力作用下张开进入弹卡室（14）的室腔内，在弹卡挡头（2）下端面的阻挡下防止了内管总成的上窜。打捞时打捞器捞住捞矛头（3）上提，滑套（4）、上回收管（10）随之上行，在上回收管（10）开槽下端斜面的作用下迫使弹卡板（13）回收，实现脱卡，内管总成便可通过钻杆柱内被提升至地表。

冲击器为双作用式液动冲击器，它通过弹卡架（11）与上部弹卡机构相联，见图2、图3。主要由缓冲垫（18）、阀壳（19）、活阀（20）、阀座（21）、冲锤（22）、上活塞壳（23）、锤壳（24）、下活塞壳（26）、节流环（27）、两个O型密封圈（28）、铁砧六方轴（29）、六方轴套（30）、调程垫圈（32）组成。当冲洗液经弹卡架（11）下端四个水孔进入冲击器内后，并经活阀（20）和冲锤（22）内孔至节流环（27）上端，由于节流环（27）上的节流孔过水断面突然减小，而使冲击器内腔液体压力升高，活阀（20）和冲锤（22）的上、下活塞面积均不相同，下活塞面积均大于上活塞面积，这便产生了压力差，在压力差作用下，活阀（20）和冲锤（22）同时向上运动，活阀（20）上行至上死点后停止运动，而冲锤（22）继续上行直至与活阀（20）下端面接触为止，此时由于冲锤（22）和活阀（20）的端面接触而将水路突然关闭，在活阀（20）腔内的液压骤然升高而形成水锤，在强大水锤作用下又使活塞（20）和冲锤（22）同时向下运动，活阀（20）下行至下死点后停止运动，而冲锤（22）依靠其自重及惯性继续下行冲击铁砧六方轴（29），实现第一次冲击。冲锤（22）脱离活塞阀（20）后，水路畅通，水锤作功完毕，又开始第二次循环，周尔复始。六方轴套（30）与铁砧六方轴（29）的六方配合防止了冲击能量通过锤壳（24）等传到内管总成上部及钻杆柱而被消耗掉。锤壳（24）下端有两个呼吸孔，既可消除冲锤（22）在上、下运动中所受到的抽吸阻尼作用，又可清除进入冲锤（22）与锤壳（24）间环隙内的沙粒，使下活塞壳（26）与冲锤（22）头部的密封结构不致被磨损。冲锤（20）上下端分别与上活塞壳（23）和下活塞壳（26）间的密封均为螺旋密封型式，根据所要达到密封效果的赶油方向而设计密封槽的旋向，利用阀座（21）和调程垫圈（32）可分别调节活阀（20）和冲锤（22）的行程，以保证冲击器获得良好的技术性能。

付钻头张敛机构是本实用新型钻具的关键机构，见图3、见图4，此机构除了确保付钻头（40）的可靠张敛外，还要保证钻进压力、扭矩及冲击功的有效传递。该机构主要由导向环（33）、悬挂环（34）、付钻头架（35）、下回收管（36）、定位传扭端管（37）、付钻头座（38）、销（39）、付钻头（40）、导滑楔块（41）组成，图中所示付钻头（40）为张开状态，内管总成下放时付钻头（40）处于收拢状态，当悬挂环（34）座落到定位传扭端管（37）上端台阶时，内管总成到达预定位置，上部弹卡板（13）张开。当主钻头（58）（见图5）接触孔底后，由于钻柱重力通过弹卡板（13）施加到内管总成上，使付钻头架（35）以上部分跟随外管总成向下运动。付钻头（40）沿导滑楔块（41）斜面逐渐张开，并进入定位传扭端管（37）下端的花键槽内，张开至设计直径后受定位传扭端管（37）的限制，付钻头（40）不能继续扩张，此时付钻头（40）在导滑楔块（41）的楔顶力和定位传扭端管（37）的限张力作用下被死死地卡在二者之间，实现了付钻头（40）的张扩。下回收管（36）外设计有外花键，下端为向下箭头形；定位传扭端管（37）上部设计有与之相配的内花键，上端为向上箭头形。当下回收管（36）到达定位传扭端管（37）上端时，依靠箭头斜面的导向作用。实现瞄向定位。定位传扭端管（37）下部设计有与上部花键同向的内花键，保证付钻头（40）张开后准确进入定位传扭端管（37）的花键槽内。导向环（33）起对中导向作用。付钻头（40）依靠销（39）连接在付钻头架（35）上，销（39）与副钻头架（35）为很松的配合，付钻头（40）张开至工作位置时，由于付钻头座（38）、定位传扭端管（37）、导滑楔块（41）对付钻头的作用力，销（39）处于悬空状态，因而付钻头（40）的强度不受销强度的影响而消弱。钻进完毕，提升钻柱及外管总成，并通过悬挂环（34）带动内管总成付钻头（40）以上部分上行，其下部则由于自身重量、岩心重量和卡簧（56）与岩心的摩擦力作用而相对于上部作下行运动，导滑楔块（41）下行给付钻头（40）脱卡，继续下行至下回收管（36）开槽上端斜面接触付钻头（40）背部斜面并压迫其回收，此时下入打捞器即可将内管总成从钻杆柱内提出。

单动双管机构见图4、图5，由变丝接头（44）、外岩心管（45）、卡瓦（46）、轴承（47）、轴承罩（48）、调程垫圈（49）、轴（50）、螺母（51）、单动接头（52）、内岩心管（53）、内管短接（54）、扩孔器（55）、卡簧（56）、卡簧座（57）、主钻头（58）构成，其结构同于常规单动双管钻具，在此不作详述。

钻进过程中，钻进扭矩通过钻杆柱传递给外管总成后并通过定位传扭端管（37）下端的花键槽与付钻头（40）侧面的配合而使付钻头（40）获得钻进扭矩，付钻头（40）又依靠其侧壁带动下回收管（36）转动，并通过导滑楔块（41）、外岩心管（45）、扩孔器（55），将扭矩传递到主钻头（58）上。钻进压力的传递也是通过钻杆柱传递给外管总成后并通过定位传扭端管（37）端部传递给付钻头（40），然后再经过导滑楔块（41）、外岩心管（45）、扩孔器（55）传递给主钻头（58）。由冲锤（22）撞击铁贴六方轴（29）而产生的冲击功则通过铁贴六方轴（29）、变丝接头（31）、付钻头架（35）、付钻头座（38）传递到付钻头（40）上。然后相同地经过导滑楔块（41）、外岩心管（45）、扩孔器（55）将冲击功传递到主钻头（58）上。铁砧六方轴（29）和六方套（30）的六方滑动配合防止了冲击功的上传，使冲击功有效地传递到付钻头（40）和主钻头（58）上。

本钻具工作原理正确，结构合理，易于加工，使用方便，维修简单，同时结构参数易于调整，从而保证具有良好的技术性能，该钻具的使用，可大大地提高时间利用率和提钻间隔，特别是在复杂、破碎地层中钻进，减少了提升钻杆柱的次数，减轻工人的劳动强度，保证了钻孔质量，增加经济效益。

Claims (3)

1、一种扩孔翼式不提钻换钻头绳冲钻具，其特征在于：当主钻头(58)未接触孔底时整个内管总成通过悬挂环(34)悬挂在定位传扭端管(37)上，下回收管(36)以下各零件的重量通过下回收管(36)上部槽口的斜面作用在付钻头(40)的背部使付钻头(40)处于收拢状态。当主钻头(58)接触孔底后，由于钻柱压力通过弹卡挡头(2)和弹卡板(13)传递到内管总成上部而使付钻头架(35)带动付钻头(40)等跟随外管总成下行，下回收管(36)上部槽口的斜面脱离付钻头(40)背部，而在导滑楔块(41)锥面的作用下，付钻头(40)扩张，并进入定位传扭端管(37)下端的花键槽内，付钻头(40)张开至设计尺寸后受到定位传扭端管(37)的限制不能再扩张，此时付钻头(40)受到定位传扭端管(37)、付钻头座(38)、导滑楔块(41)及下回收管(36)几个方向力量的作用处于稳定状态，可实施碎岩扩孔工作。

2、根据权利要求1所述的一种扩孔翼式不提钻换钻头绳冲钻具，其特征在于：付钻头（40）张敛机构变丝接头（31）的上、下端通过螺纹分别与铁砧六方轴（29）和付钻头架（35）连接，付钻头座（38）装入付钻头架（35）侧面上的矩形槽中，其下端与付钻头（40）为圆柱面接触，保证由冲击器产生的冲击功通过铁砧六方轴（29）、变丝接头（31）、付钻头架（35）、付钻头座（38）有效地传递给付钻头（40）。导滑楔块（41）通过螺纹与下回收管（36）和外岩心管（45）连接，它可带动下回收管（36）和外岩心管（45）在付钻头架（35）上滑动，实现付钻头（40）的张敛。钻进时，冲击功通过付钻头（40）传递给导滑楔块（41），再经过外岩心管（45）、扩孔器（55）传递给主钻头（58）。

3、根据权利要求1所述的一种扩孔翼式不提钻换钻头绳冲钻具，其特征在于：付钻头（40）张敛机构的付钻头（40）靠圆柱销（39）挂在付钻头架（35）上，在付钻头（40）张开和收敛动作中，圆柱销（39）作为付钻头（40）的转轴，保证了付钻头（40）的张敛可靠性。而在钻进过程中，圆柱销（39）处于悬空状态，大大地增加了付钻头（40）张敛机构处的强度。

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