CN85200563U - 定位张敛式不提钻换钻头钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种用于岩心钻探钻孔内的装置。它是针对已有技术方案中存在的结构缺陷，采用新的结构方案设计制造出的结构简单、性能可靠、具有工业实用性的扩孔翼楔面张敛式不提钻换钻头钻具，达到了无需起下钻便可随时对钻孔内的服役钻头进行直接观察或更换的目的。本装置的要点是，具有灵活可靠的张敛机构、瞄向定位装置、密封报讯装置和报警功能。通过实施本发明，能在岩心钻探中免除为检查或更换钻头所需要的大量起下钻工序，增加纯钻时间，减轻体力劳动，并保护钻孔孔壁。

Description

本发明是一种用于岩心钻探钻孔内的装置。

在传统的岩心钻探中，为了采集岩心和检查、更换钻头，必须将钻孔内全部钻杆提升至地表（称之为起下钻作业），这是一项十分频繁、耗时和体力劳动繁重的辅助作业。自绳索取心钻进技术出现后，无须升降钻杆便可采集岩心；但为了检查和更换钻头，起下钻作业仍是不可避免的。钻孔愈深，岩石愈硬，则起下钻作业对钻探工作及其效率的不利影响愈显著。

在钻探工程的技术领域内，无需从钻孔内提升出钻杆就能更换钻头，是人们试图摆脱    传统的换钻头作业方式的长期愿望；但直到六十年代后期，才提出了具体设想，开始探索其可能性。之后不久，美国、日本、澳大利亚、苏联等国开始陆续出现了不提钻换钻头的各种技术方案。最初出现的是一些用于石油钻探和大口径钻探的方案；用于地质勘探小口径岩心钻探的技术方案是1970年前后相继提出的。就其实现换钻头的方式而论，现有技术中，已有的方案分全面迭缩式、两级扩孔翼张敛式（包括铰链式、楔面张敛式、弹簧片张敛式等）和连续链节式等几类，而每一类中又包含多种结构型式。直到目前将近二十年，尽管耗资巨大，但要么是失败，要么是正在研制和试验，总之还没有一种型式的不提钻换钻头钻具在哪一国成功地实施于工业钻探。这是由于，无论何种型式的不提钻换钻头钻具，都需要有一个特殊的钻头和一套十分复杂而又必须十分可靠的机构来实现自锁性的张敛伸缩这一特定动作，并具备完善的钻压和扭矩传递功能；而这一切，又是在地表以下岩层中的钻孔内进行，钻孔内工作环境极端恶劣，空间倍受限制，并且无法直接观测到工作中的钻具。因此，其技术困难程度是极大的。

当今，试图用于地质勘探小口径岩心钻探的不提钻换钻头钻具，有一种技术方案是扩孔翼楔面张敛式，如美国专利3955633（1976年）该钻具因结构复杂、机械加工困难、张敛机构不灵活、可靠性差、扩孔翼部位漏水量过大、瞄向定位不够准确和有效、扩孔翼结构不适当、钻具工作时颤动严重以及机构强度不足等一系列实用性和根本性的结构缺陷，未能投入工业应用。

本发明的任务就是针对上述钻具存在的问题，提出新的技术方案，设计制造出一种适合于地质勘探小口径金刚石岩心钻探用的具有工业实用性的扩孔翼楔面张敛式不提钻换钻头钻具，它无需起下钻便可在每个绳索取心回次对服役钻头进行直接检查、观测或更换。通过实施本发明的技术方案，在岩心钻探中，将免除为更换或检查钻头所需要的大量起下钻工序。

图1a，1b，1c，1d，1e，1f，1g是本钻具组装后处于收敛状态（投捞状态）的分段正视图；

图1a，图2b，2c，2d，2e，图1f，1g是本钻具组装后处于张开状态（钻进状态）的分段正视图；

图3是图2c中A－A线剖面；

图4是副钻头9的轴测示意图；

图5是图2c中C－C线剖面；

图6是图2c中B－B线剖面；

图7是图1c中D－D线剖面；

图8是图1d中E－E线剖面；

图9是图2d中G－G线剖面；

图10是图1d中F－F线剖面；

图11是图1d中H－H线剖面；

图12是钻头架30上半部的局部轴测示意图；（上端螺纹未画出）

图13是钻头架30的局部轴测剖视示意图（上端螺纹未画出）

图14是定位端管17的剖视图；

图15是图4中副钻头9的I－I线剖面放大图；

图16是图4中副钻头9的J－J线剖面放大图。

本发明分打捞部分和非打捞部分，前者称为主钻具，后者称为副钻具。如图1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g所示，副钻具只包括定位端管17、上外管18和密封环19。其它部分统属主钻具。副钻具用螺纹连接在钻杆柱的最下端，它只在起钻时才被提升至地表。定位端管17是副钻具的主体，它是一个上半部有外螺纹的圆形短管，下半部的端面和外圆面分别敷有薄层的金刚石66或敷设其它耐磨材料，在它的内壁有箭形的特殊矩形内花键52，键齿的箭形端22是朝上的，箭头沿圆周非均布排列。定位端管内壁下端，均布着四个梯形传扭槽24，传扭槽同花键齿的方位是一致的。密封环19的一端呈内倒锥形，它装在上外管18内。主钻具悬挂在定位端管内花键的箭形端22上，它在每个绳索取心回次都要被捞出到地表。主钻具中限位接头45以下的部分是通用的单动双层岩心管机构和主钻头20，执行对岩石的先导主破碎；上部装有异形的四单元组合式副钻头9，即所说的扩孔翼，担负对岩石的扩孔破碎任务。副钻头9上部断面是梯形的，在其内侧有喙形凸钩38；顶端开有一个独头槽27，下端有尾肩34和尾部斜槽56，如图4所示。副钻头插在钻头架窗孔下端的十字槽32内，它可以借助张敛轴楔面8和53的上下位移实现张开或收敛，并可将扭矩和钻压从副钻头传递给主钻具，保证主钻头20以承受钻压的状态同副钻具一起转动。主钻头20和副钻头9的更换和装卸，是借助绳索取心打捞器，将处于收敛状态的主钻具从钻杆内提捞到地面后实现的。

钻头架30是一个两端有内螺纹的管子，中部沿圆周均布着四个纵向的矩形窗孔，外圆上部有四齿特殊矩形外花键21，花键的下端是对称的箭头形，键槽与矩形窗孔37方位一致；钻头架30的上端同悬挂接头50用螺纹连接，下端同限位接头45用螺纹连接。限位接头45内放置的限位器7由限位压盖28用螺纹压紧。

矛头1可借助铰链2和装有弹簧4的球头套58，沿绕滑座3在200°圆周角范围内灵活转动，并可借助弹簧4相对保持直立或偏转两种稳定状态；57为弹簧座垫；矛头1直立是为了供打捞器捕捞，偏转是为了在地面操作时安全、方便，保证不发生脱勾危险。缓冲管55内的压缩弹簧54能够缓解捕捞时的碰撞冲击力，51为弹簧垫片。缓冲管55用弹簧销59同上端的滑座3连接，下端通过引流杆60同张敛轴47用螺纹连接。报讯阀5是一个沿外圆开有若干独头竖槽10的圆形套，它依靠缓冲管55紧压在引流杆60上；61为阀垫。张敛轴47是空心的，用以通过液流；其上端外圆面上开有四个竖槽48；中部有每组为四个楔面的上下两组楔面8和53，其下组楔面53的顶端皆设有喙形凸钩14，楔面下端的楔角顶部被截面65所截，呈倒形四棱截锥状，旨在与钻头架的十字槽32的中心孔相适应。张敛轴47的中下部有开槽的十字翼49，同钻头架的十字槽32相适应。

报讯阀5受水力驱使，在泵压逐渐上升至峰值时，由图1b、1c的闭塞位置快速下移；同时，张敛轴47的尾端6克服限位器7的弹力向下移动，从而凭借楔面8和53迫使副钻头9向外张开，伸出钻头架窗孔37之外。报讯阀5开始下移的瞬间，泵压峰值显示的大小，可根据需要，通过调节限位器7的弹力进行调整。当矛头1和阀5抵达图1a、2b、2c的开启位置后，张敛轴的十字翼下端面43抵触限位器压盖的顶面44（如图2c、2d、2e），副钻头9也张开至图2c、2d的极限工作位置；同时报讯阀5的独头竖槽10同悬挂接头50的内腔11沟通，使液路开启，泵压显示突然下降，从而向地面指示副钻头已经到位，处于钻进状态。同上述过程相反，矛头1被打捞器捕捞后向上提拉时，用弹簧销62销接在张敛轴下部十字翼49上的四个收敛爪12随之上移，进入对应的副钻头尾部斜槽56内，斜面13、喙形凸钩面14相继接触副钻头尾部斜槽56和凸钩面38，迫使副钻头9向内收敛，进入钻头架的矩形窗孔37内；同时，张敛轴尾端6又脱出限位器7，相对保持在最高位置（如图1a、1b、1c、1d、1e），从而副钻头9又从图2c、2d的钻进状态回复到图1c、1d的投捞状态。收敛爪12是一个具有单向斜面13的凿形物，其横断面为矩形。限位器7是一个圆形的、上部开有很多圆梳齿的帽状物，梳齿15靠其抱紧弹力能限定张敛轴47的位移，防止其自由下落，借以使主钻具能相对保持上述张开或收敛两种状态；其弹力的大小可通过增减调节圈16进行调节。限位压盖28的外螺纹如果因震动发生回松，会导致副钻头9收敛后限位失灵，收敛状态无法保持稳定；紧固销钉29则可固紧限位压盖28，防止上述现象发生。座垫63可以调整限位器7的位置高度。

副钻头9张开动作的瞄向定位，是靠钻头架的下箭形外花键21同定位端管的上箭形内花键52所构成的花键副，以及副钻头的梯形端23同定位端管17的梯形槽24所构成的梯形啮合副来完成的。前者是凭借重力，利用箭形花键副的螺旋导向作用进行初瞄定向，旨在使副钻头9同梯形槽24的方位基本一致；后者是在副钻头9张开的同时，通过梯形啮合的矫正作用进行微瞄矫向，最后使梯形啮合副两者达到完全一致的啮合状态，从而保证副钻头准确地进入图2c、2d的工作位置。初瞄定向后，可能存在不大于1毫米的方位偏差，而梯形啮合的微瞄矫向则可使该偏差间隙得到十分有效的定位矫正。梯形啮合副同时也是传扭副，定位端管借助梯形槽24将扭矩传递给副钻头9，它可以保证存在配合间隙的花键副不承受钻进扭矩，使花键副保持最佳导向功能。

悬挂接头50是一个外圆下部有凸台和外螺纹的圆管，其上部内径小，下部内径大，它的凸台25的下平面可靠地悬挂在内花键的箭形端22上，主钻具不会因此脱开副钻具而掉入钻孔内。

舌闩26闩在副钻头顶端的独头槽27内，旨在防止因梯形槽24的端面异常磨损后可能导致的副钻头脱落的技术事故。64是固定舌闩的销钉。

钻头架30沿圆周开有四个供副钻头9张敛出入的矩形窗孔37，因而这是扭矩传递的最薄弱环节。为此，窗孔的棂架31采用内加强凸筋70，并且，该结构上的所有空间直角都代之以空间圆角67和68，因而有效地提高了钻头架30的承扭能力，使之足以承受钻进时的交变扭转载荷而不致遭到破坏。

钻头架30的窗口下部，其内孔断面是十字槽形的，足够深的十字槽32形成的上顶面33可为副钻头尾肩34提供良好的双轨滑道，使副钻头9的张敛动作灵活可靠，不会遇到卡塞或阻碍。

张敛轴47上的四个竖槽48、十字翼49及下楔面的截面65，它们的外廓形状分别是用以适应上述内加厚的棂架31和十字槽32的。

引流杆60的外圆环形槽内的密封圈35与悬挂接头50的内壁所构成的密封副，限位压盖28的内壁环形槽内的密封圈36与张敛轴尾端6的外圆面所构成的密封副，可分别密封液流的泄漏通道。其次，密封环19与上外管18的内壁及悬挂接头50的外壁分别构成的密封副，既可保证副钻具的规定泄漏，又能保证到达钻孔底部的液量不少于总液量的70％；并且当液流的正常通路发生堵塞时，能立刻出现比正常泵压高出30千克／厘米²以上的泵压显示。密封圈35、36用橡胶或其它弹性材料制成，密封环19用金属材料制成。

副钻头的喙形凸钩面38同张敛轴47的凸钩面14相对应，因此在张敛轴47上移的过程中，副钻头9可以实现上端和下端同时充分收敛而不致出现打捞故障。

副钻头的外侧曲面上敷有金刚石层，该曲面不是由单一的圆弧面39和圆锥弧面40组成，而是在其两侧分别有一个曲率半径很小的相当于倒圆的圆弧面41和圆锥弧面42与上述两个面相接，组成复合曲面；其作用是有效地改善金刚石胎体的边沿在破碎岩石时的受力状态，使胎体层不发生剥落。

图1e、1f、1g中的限位接头45以下部分，统属于单动双层岩心管机构，它在结构上同现今通用的普通双管钻具没有实质性差异，无需详细介绍。

本发明提供的具有工业实用性的不提钻换钻头钻具，实现了在地质勘探小口径金刚石岩心钻探中不起下钻便可在每个绳索取心回次对服役钻头进行直接检查、观测或更换的目的。本发明可减少岩心钻探中的辅助作业时间，增加纯钻时间，为提高钻探效率提供了必要条件；另外，可减除起下钻作业导致的繁重体力劳动，并能避免起下钻工序对钻孔孔壁和钻探工作造成的各种不良后果。

本发明中，张敛轴楔面8和53的楔角较小，故产生的径向分力大，易于克服张敛阻力；喙形凸钩14和38能帮助副钻头9充分收敛；十字槽端面33为副钻头9的张敛提供了良好的双轨滑道；紧固销钉29可防止收敛状态失控。由于上述结构特点，本发明解决了已有技术中张敛机构不灵活、动作不可靠的根本缺陷。

本发明具有健全的瞄向定位装置，其箭形花键副和梯形啮合副可进行两次瞄向，克服偏差，达到准确可靠的定位；同时，内花键的箭形端22沿园周非均布排列，可避免瞄向定位的偶然性。本发明具有三个密封副，能防止液流的过量泄漏，还能在到位判断出现错误或正常液路出现堵塞时向地面发出泵压报警；报讯阀5可向地面显示泵压信号，以指示副钻头9的到位情况，阀5的形状尚可保证水力能有效驱动张敛轴。由于采用了以上结构，本发明克服了已有技术中无瞄向装置、活栓定位存在偶然性、无密封报警装置和不能向地面指示到位情况等缺点。

本发明同已有技术相比，结构简单，工作可靠，易于机械加工和操作、实施；全部零件（不包括单动双层岩心管机构）仅30多个，无需机械技术工人，在3－5分钟内就能拆卸或组装完毕。

本发明中钻头架30的窗棂31采用内加强凸筋70，并设园角67和68；定位端管17利用其梯形传扭槽24将扭矩直接传递给副钻头9，故钻头架矩形窗孔37以上的部位不承受扭力。由于上述结构特点，本发明解决了已有技术中钻头架承扭强度不足的问题。

本发明中钻头架30的矩形窗孔顶部有舌闩26向下伸进窗孔，用来防止副钻头脱落，避免了已有技术中副钻头可能落入钻孔内的危险。

本发明中，报讯阀的独头竖槽能保证缓冲管55与悬挂接头50同心；箭形花键副和梯形啮合副可以保证主钻具与副钻具同心。因此，本发明可以避免已有技术中因不同心引起的钻具颤动，防止钻具非正常破坏以及由此引起的钻孔弯曲。

本发明中采用四单元组合式副钻头，较之已有技术，它能减轻各单元块承扭和破碎岩石的负担，延长其寿命。

Claims (12)

1、一种用于岩心钻探钻孔内的不提钻换钻头钻具，它有一个管状的钻头架，其管壁上开着几个纵向的矩形窗孔，窗孔内装有可以张敛的组合式副钻头，副钻头的尾部插在窗孔下端的内槽里；钻头架内套装着一个具有上下两组楔面的空心的张敛轴，它受水力驱使，可以同连接在上部的矛头一起向下移动，此时，其楔面能使副钻头从钻头架的窗孔内张开伸出；向上提拉张敛轴时，同张敛轴连接成一体的收敛爪又能迫使副钻头收敛，并进入钻头架的窗孔内；钻头架下端有一个用螺纹连接着的靠压盖压紧的圆梳齿限位器，可限制张敛轴自由下落；钻头架上端连接着一个外缘有台肩的管形悬挂接头，可将钻头架悬挂在另一个管子的内壁上。张敛轴上部的矛头伸出悬挂接头，供打捞器捕捞。副钻头上端罩着一个短管，副钻头张开时，其上端的弧面抵靠短管内壁。钻头架下端连接着岩心钻探用的单动双层岩心管和金刚石钻头。本发明的特征是该钻具具有能保证张敛动作可靠的钻头架、张敛轴和副钻头，并有瞄向定位装置和密封、报讯、报警装置、限位器固紧装置。

2、按照权利要求1所述的钻具，其特征在于所说钻头架管壁沿圆周均布四个窗孔，各窗孔顶部有一个防止副钻头脱落的舌闩，向下伸进窗孔。所说窗孔的窗棂内壁有加强的凸筋。窗孔下部的内孔断面是深十字槽形的，副钻头张敛时可在该十字深槽的顶端面的双轨滑道上自由滑动。窗孔的四角以及窗棂与十字槽顶端面的交接处均为圆角或倒角。所说钻头架的矩形窗孔以上的部位不承受扭矩。

3、按照权利要求1或2所述的钻具，其特征在于所说张敛轴的上端外圆面上开有四个竖槽，与钻头架的内加强凸筋相适应。所说的张敛轴外圆面中部有每组为四个的上下两组楔面，与钻头架的四个矩形窗孔相对应。其下组楔面的顶端皆设有喙形凸钩，下端楔角顶部被截，呈倒形四棱截锥状，旨在与钻头架的十字槽中心孔相适应。张敛轴靠下的部位有开槽的十字翼，同钻头架的十字槽相配合。

4、按照权利要求2或3所述的钻具，其特征在于所说副钻头的上部有一喙形凸钩，与张敛轴的喙形凸钩相吻合。所说的副钻头顶端面开有一个独头槽，钻头架上的舌闩可以伸进槽内，防止副钻头脱落。所说副钻头外侧曲面的两侧有倒圆。

5、按照权利要求1或2所述的钻具，其特征在于所说的瞄向定位装置是通过由钻头架的箭形外花键与定位端管的箭形内花键构成的箭形花键副进行初次瞄向定位和导向。花键副采用四齿特殊矩形花键；所说的箭形外花键位于钻头架上部，键齿的箭形端是朝下的，沿圆周均布；键槽沿圆周布置，同钻头架的矩形窗孔方位一致；所说的箭形内花键位于定位端管下端，箭齿的箭形端是朝上的，花键本身沿圆周均布排列，但箭头沿圆周非均布排列；所说的箭形花键副，可以借助重力和箭形端的螺旋导向作用，使钻头架的矩形窗孔与定位端管下端的梯形传扭槽方位基本一致。

6、按照权利要求4或5所述的钻具，其特征在于瞄向定位装置中，借助由副钻头的梯形端与定位端管的梯形传扭槽构成的梯形啮合副进行微瞄矫向，并用作传递扭矩；所说梯形端是指副钻头的上部，其断面为梯形；梯形传扭槽位于定位端管内花键的下端，借助梯形侧面的矫向作用，使副钻头的梯形端准确进入传扭槽内，达到密合状态；所说的传递扭矩，是通过梯形啮合将扭矩由定位端管传递给副钻头。

7、按照权利要求5或6所述的钻具，其特征在于所说的定位端管是一个上半部有外螺纹的圆形短管，下半部的端面和外圆面分别镀有薄层的金刚石或敷设其它耐磨材料。

8、按照权利要求1所述的钻具，其特征在于有三个密封装置：引流杆外圆环形槽内的密封圈与悬挂接头内壁构成的密封副，限位压盖内壁环形槽内的密封圈与张敛轴下端外圆面构成的密封副，密封环分别与上外管内壁及悬挂接头外壁构成的密封副。前两个密封副完全密封液流，后一个密封副保证液流有规定数量的泄漏。所说的密封圈用橡胶或其它弹性材料制成；密封环用金属材料制成，上端呈内倒锥形。

9、按照权利要求1或7所述的钻具，其特征在于所说悬挂接头是一个外圆下部有凸台的圆管，紧靠外螺纹的凸台下平面是悬挂面，它可以悬挂在定位端管内花键的箭形端上。

10、按照权利要求1所述的钻具，其特征在于具有由报讯阀组成的泵压报讯装置，该报讯阀是一个沿外圆开有若干独头竖槽的圆形套，它可以上下移动，使液路闭塞或开启，从而产生泵压变化，向地面指示副钻头的到位情况；所说的若干竖槽能保证悬挂接头与报讯阀同心。所说的三个密封装置，还可以在正常液路发生堵塞时，向地面发出泵压报警。

11、按照权利要求1所述的钻具，其特征在于限位接头的螺纹面上有一个水平方向的螺孔，借助固紧销钉可防止因震动导致限位压盖螺纹回松。

12、按照权利要求1所述的钻具，其特征在于所说的收敛爪的横断面是矩形的。

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