專利名稱:定位張斂式不提鉆換鉆頭鉆具的制作方法
本發(fā)明是一種用于巖心鉆探鉆孔內的裝置。
在傳統(tǒng)的巖心鉆探中，為了采集巖心和檢查、更換鉆頭，必須將鉆孔內全部鉆桿提升至地表(稱之為起下鉆作業(yè))，這是一項十分頻繁、耗時和體力勞動繁重的輔助作業(yè)。自繩索取心鉆進技術出現(xiàn)后，無須升降鉆桿便可采集巖心；但為了檢查和更換鉆頭，起下鉆作業(yè)仍是不可避免的。鉆孔愈深，巖石愈硬，則起下鉆作業(yè)對鉆探工作及其效率的不利影響愈顯著。
在鉆探工程的技術領域：
內，無需從鉆孔內提升出鉆桿就能更換鉆頭，是人們試圖擺脫 傳統(tǒng)的換鉆頭作業(yè)方式的長期愿望；但直到六十年代后期，才提出了具體設想，開始探索其可能性。之后不久，美國、日本、澳大利亞、蘇聯(lián)等國開始陸續(xù)出現(xiàn)了不提鉆換鉆頭的各種技術方案。最初出現(xiàn)的是一些用于石油鉆探和大口徑鉆探的方案；用于地質勘探小口徑巖心鉆探的技術方案是1970年前后相繼提出的。就其實現(xiàn)換鉆頭的方式而論，現(xiàn)有技術中，已有的方案分全面迭縮式、兩級擴孔翼張斂式(包括鉸鏈式、楔面張斂式、彈簧片張斂式等)和連續(xù)鏈節(jié)式等幾類，而每一類中又包含多種結構型式。直到目前將近二十年，盡管耗資巨大，但要么是失敗，要么是正在研制和試驗，總之還沒有一種型式的不提鉆換鉆頭鉆具在哪一國成功地實施于工業(yè)鉆探。這是由于，無論何種型式的不提鉆換鉆頭鉆具，都需要有一個特殊的鉆頭和一套十分復雜而又必須十分可靠的機構來實現(xiàn)自鎖性的張斂伸縮這一特定動作，并具備完善的鉆壓和扭矩傳遞功能；而這一切，又是在地表以下巖層中的鉆孔內進行，鉆孔內工作環(huán)境極端惡劣，空間倍受限制，并且無法直接觀測到工作中的鉆具。因此，其技術困難程度是極大的。
當今，試圖用于地質勘探小口徑巖心鉆探的不提鉆換鉆頭鉆具，有一種技術方案是擴孔翼楔面張斂式，如美國專利3955633(1976年)該鉆具因結構復雜、機械加工困難、張斂機構不靈活、可靠性差、擴孔翼部位漏水量過大、瞄向定位不夠準確和有效、擴孔翼結構不適當、鉆具工作時顫動嚴重以及機構強度不足等一系列實用性和根本性的結構缺陷，未能投入工業(yè)應用。
本發(fā)明的任務就是針對上述鉆具存在的問題，提出新的技術方案，設計制造出一種適合于地質勘探小口徑金剛石巖心鉆探用的具有工業(yè)實用性的擴孔翼楔面張斂式不提鉆換鉆頭鉆具，它無需起下鉆便可在每個繩索取心回次對服役鉆頭進行直接檢查、觀測或更換。通過實施本發(fā)明的技術方案，在巖心鉆探中，將免除為更換或檢查鉆頭所需要的大量起下鉆工序。
圖1a，1b，1c，1d，1e，1f，1g是本鉆具組裝后處于收斂狀態(tài)(投撈狀態(tài))的分段正視圖；圖1a，圖2b，2c，2d，2e，圖1f，1g是本鉆具組裝后處于張開狀態(tài)(鉆進狀態(tài))的分段正視圖；圖3是圖2c中A－A線剖面；圖4是副鉆頭9的軸測示意圖；圖5是圖2c中C－C線剖面；圖6是圖2c中B－B線剖面；圖7是圖1c中D－D線剖面；圖8是圖1d中E－E線剖面；圖9是圖2d中G－G線剖面；圖10是圖1d中F－F線剖面；
圖11是圖1d中H－H線剖面；圖12是鉆頭架30上半部的局部軸測示意圖；(上端螺紋未畫出)圖13是鉆頭架30的局部軸測剖視示意圖(上端螺紋未畫出)圖14是定位端管17的剖視圖；圖15是圖4中副鉆頭9的I－I線剖面放大圖；圖16是圖4中副鉆頭9的J－J線剖面放大圖。
本發(fā)明分打撈部分和非打撈部分，前者稱為主鉆具，后者稱為副鉆具。如圖1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g所示，副鉆具只包括定位端管17、上外管18和密封環(huán)19。其它部分統(tǒng)屬主鉆具。副鉆具用螺紋連接在鉆桿柱的最下端，它只在起鉆時才被提升至地表。定位端管17是副鉆具的主體，它是一個上半部有外螺紋的圓形短管，下半部的端面和外圓面分別敷有薄層的金剛石66或敷設其它耐磨材料，在它的內壁有箭形的特殊矩形內花鍵52，鍵齒的箭形端22是朝上的，箭頭沿圓周非均布排列。定位端管內壁下端，均布著四個梯形傳扭槽24，傳扭槽同花鍵齒的方位是一致的。密封環(huán)19的一端呈內倒錐形，它裝在上外管18內。主鉆具懸掛在定位端管內花鍵的箭形端22上，它在每個繩索取心回次都要被撈出到地表。主鉆具中限位接頭45以下的部分是通用的單動雙層巖心管機構和主鉆頭20，執(zhí)行對巖石的先導主破碎；上部裝有異形的四單元組合式副鉆頭9，即所說的擴孔翼，擔負對巖石的擴孔破碎任務。副鉆頭9上部斷面是梯形的，在其內側有喙形凸鉤38；頂端開有一個獨頭槽27，下端有尾肩34和尾部斜槽56，如圖4所示。副鉆頭插在鉆頭架窗孔下端的十字槽32內，它可以借助張斂軸楔面8和53的上下位移實現(xiàn)張開或收斂，并可將扭矩和鉆壓從副鉆頭傳遞給主鉆具，保證主鉆頭20以承受鉆壓的狀態(tài)同副鉆具一起轉動。主鉆頭20和副鉆頭9的更換和裝卸，是借助繩索取心打撈器，將處于收斂狀態(tài)的主鉆具從鉆桿內提撈到地面后實現(xiàn)的。
鉆頭架30是一個兩端有內螺紋的管子，中部沿圓周均布著四個縱向的矩形窗孔，外圓上部有四齒特殊矩形外花鍵21，花鍵的下端是對稱的箭頭形，鍵槽與矩形窗孔37方位一致；鉆頭架30的上端同懸掛接頭50用螺紋連接，下端同限位接頭45用螺紋連接。限位接頭45內放置的限位器7由限位壓蓋28用螺紋壓緊。
矛頭1可借助鉸鏈2和裝有彈簧4的球頭套58，沿繞滑座3在200°圓周角范圍內靈活轉動，并可借助彈簧4相對保持直立或偏轉兩種穩(wěn)定狀態(tài)；57為彈簧座墊；矛頭1直立是為了供打撈器捕撈，偏轉是為了在地面操作時安全、方便，保證不發(fā)生脫勾危險。緩沖管55內的壓縮彈簧54能夠緩解捕撈時的碰撞沖擊力，51為彈簧墊片。緩沖管55用彈簧銷59同上端的滑座3連接，下端通過引流桿60同張斂軸47用螺紋連接。報訊閥5是一個沿外圓開有若干獨頭豎槽10的圓形套，它依靠緩沖管55緊壓在引流桿60上；61為閥墊。張斂軸47是空心的，用以通過液流；其上端外圓面上開有四個豎槽48；中部有每組為四個楔面的上下兩組楔面8和53，其下組楔面53的頂端皆設有喙形凸鉤14，楔面下端的楔角頂部被截面65所截，呈倒形四棱截錐狀，旨在與鉆頭架的十字槽32的中心孔相適應。張斂軸47的中下部有開槽的十字翼49，同鉆頭架的十字槽32相適應。
報訊閥5受水力驅使，在泵壓逐漸上升至峰值時，由圖1b、1c的閉塞位置快速下移；同時，張斂軸47的尾端6克服限位器7的彈力向下移動，從而憑借楔面8和53迫使副鉆頭9向外張開，伸出鉆頭架窗孔37之外。報訊閥5開始下移的瞬間，泵壓峰值顯示的大小，可根據(jù)需要，通過調節(jié)限位器7的彈力進行調整。當矛頭1和閥5抵達圖1a、2b、2c的開啟位置后，張斂軸的十字翼下端面43抵觸限位器壓蓋的頂面44(如圖2c、2d、2e)，副鉆頭9也張開至圖2c、2d的極限工作位置；同時報訊閥5的獨頭豎槽10同懸掛接頭50的內腔11溝通，使液路開啟，泵壓顯示突然下降，從而向地面指示副鉆頭已經(jīng)到位，處于鉆進狀態(tài)。同上述過程相反，矛頭1被打撈器捕撈后向上提拉時，用彈簧銷62銷接在張斂軸下部十字翼49上的四個收斂爪12隨之上移，進入對應的副鉆頭尾部斜槽56內，斜面13、喙形凸鉤面14相繼接觸副鉆頭尾部斜槽56和凸鉤面38，迫使副鉆頭9向內收斂，進入鉆頭架的矩形窗孔37內；同時，張斂軸尾端6又脫出限位器7，相對保持在最高位置(如圖1a、1b、1c、1d、1e)，從而副鉆頭9又從圖2c、2d的鉆進狀態(tài)回復到圖1c、1d的投撈狀態(tài)。收斂爪12是一個具有單向斜面13的鑿形物，其橫斷面為矩形。限位器7是一個圓形的、上部開有很多圓梳齒的帽狀物，梳齒15靠其抱緊彈力能限定張斂軸47的位移，防止其自由下落，借以使主鉆具能相對保持上述張開或收斂兩種狀態(tài)；其彈力的大小可通過增減調節(jié)圈16進行調節(jié)。限位壓蓋28的外螺紋如果因震動發(fā)生回松，會導致副鉆頭9收斂后限位失靈，收斂狀態(tài)無法保持穩(wěn)定；緊固銷釘29則可固緊限位壓蓋28，防止上述現(xiàn)象發(fā)生。座墊63可以調整限位器7的位置高度。
副鉆頭9張開動作的瞄向定位，是靠鉆頭架的下箭形外花鍵21同定位端管的上箭形內花鍵52所構成的花鍵副，以及副鉆頭的梯形端23同定位端管17的梯形槽24所構成的梯形嚙合副來完成的。前者是憑借重力，利用箭形花鍵副的螺旋導向作用進行初瞄定向，旨在使副鉆頭9同梯形槽24的方位基本一致；后者是在副鉆頭9張開的同時，通過梯形嚙合的矯正作用進行微瞄矯向，最后使梯形嚙合副兩者達到完全一致的嚙合狀態(tài)，從而保證副鉆頭準確地進入圖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，而梯形嚙合的微瞄矯向則可使該偏差間隙得到十分有效的定位矯正。梯形嚙合副同時也是傳扭副，定位端管借助梯形槽24將扭矩傳遞給副鉆頭9，它可以保證存在配合間隙的花鍵副不承受鉆進扭矩，使花鍵副保持最佳導向功能。
懸掛接頭50是一個外圓下部有凸臺和外螺紋的圓管，其上部內徑小，下部內徑大，它的凸臺25的下平面可靠地懸掛在內花鍵的箭形端22上，主鉆具不會因此脫開副鉆具而掉入鉆孔內。
舌閂26閂在副鉆頭頂端的獨頭槽27內，旨在防止因梯形槽24的端面異常磨損后可能導致的副鉆頭脫落的技術事故。64是固定舌閂的銷釘。
鉆頭架30沿圓周開有四個供副鉆頭9張斂出入的矩形窗孔37，因而這是扭矩傳遞的最薄弱環(huán)節(jié)。為此，窗孔的欞架31采用內加強凸筋70，并且，該結構上的所有空間直角都代之以空間圓角67和68，因而有效地提高了鉆頭架30的承扭能力，使之足以承受鉆進時的交變扭轉載荷而不致遭到破壞。
鉆頭架30的窗口下部，其內孔斷面是十字槽形的，足夠深的十字槽32形成的上頂面33可為副鉆頭尾肩34提供良好的雙軌滑道，使副鉆頭9的張斂動作靈活可靠，不會遇到卡塞或阻礙。
張斂軸47上的四個豎槽48、十字翼49及下楔面的截面65，它們的外廓形狀分別是用以適應上述內加厚的欞架31和十字槽32的。
引流桿60的外圓環(huán)形槽內的密封圈35與懸掛接頭50的內壁所構成的密封副，限位壓蓋28的內壁環(huán)形槽內的密封圈36與張斂軸尾端6的外圓面所構成的密封副，可分別密封液流的泄漏通道。其次，密封環(huán)19與上外管18的內壁及懸掛接頭50的外壁分別構成的密封副，既可保證副鉆具的規(guī)定泄漏，又能保證到達鉆孔底部的液量不少于總液量的70％；并且當液流的正常通路發(fā)生堵塞時，能立刻出現(xiàn)比正常泵壓高出30千克／厘米2以上的泵壓顯示。密封圈35、36用橡膠或其它彈性材料制成，密封環(huán)19用金屬材料制成。
副鉆頭的喙形凸鉤面38同張斂軸47的凸鉤面14相對應，因此在張斂軸47上移的過程中，副鉆頭9可以實現(xiàn)上端和下端同時充分收斂而不致出現(xiàn)打撈故障。
副鉆頭的外側曲面上敷有金剛石層，該曲面不是由單一的圓弧面39和圓錐弧面40組成，而是在其兩側分別有一個曲率半徑很小的相當于倒圓的圓弧面41和圓錐弧面42與上述兩個面相接，組成復合曲面；其作用是有效地改善金剛石胎體的邊沿在破碎巖石時的受力狀態(tài)，使胎體層不發(fā)生剝落。
圖1e、1f、1g中的限位接頭45以下部分，統(tǒng)屬于單動雙層巖心管機構，它在結構上同現(xiàn)今通用的普通雙管鉆具沒有實質性差異，無需詳細介紹。
本發(fā)明提供的具有工業(yè)實用性的不提鉆換鉆頭鉆具，實現(xiàn)了在地質勘探小口徑金剛石巖心鉆探中不起下鉆便可在每個繩索取心回次對服役鉆頭進行直接檢查、觀測或更換的目的。本發(fā)明可減少巖心鉆探中的輔助作業(yè)時間，增加純鉆時間，為提高鉆探效率提供了必要條件；另外，可減除起下鉆作業(yè)導致的繁重體力勞動，并能避免起下鉆工序對鉆孔孔壁和鉆探工作造成的各種不良后果。
本發(fā)明中，張斂軸楔面8和53的楔角較小，故產(chǎn)生的徑向分力大，易于克服張斂阻力；喙形凸鉤14和38能幫助副鉆頭9充分收斂；十字槽端面33為副鉆頭9的張斂提供了良好的雙軌滑道；緊固銷釘29可防止收斂狀態(tài)失控。由于上述結構特點，本發(fā)明解決了已有技術中張斂機構不靈活、動作不可靠的根本缺陷。
本發(fā)明具有健全的瞄向定位裝置，其箭形花鍵副和梯形嚙合副可進行兩次瞄向，克服偏差，達到準確可靠的定位；同時，內花鍵的箭形端22沿園周非均布排列，可避免瞄向定位的偶然性。本發(fā)明具有三個密封副，能防止液流的過量泄漏，還能在到位判斷出現(xiàn)錯誤或正常液路出現(xiàn)堵塞時向地面發(fā)出泵壓報警；報訊閥5可向地面顯示泵壓信號，以指示副鉆頭9的到位情況，閥5的形狀尚可保證水力能有效驅動張斂軸。由于采用了以上結構，本發(fā)明克服了已有技術中無瞄向裝置、活栓定位存在偶然性、無密封報警裝置和不能向地面指示到位情況等缺點。
本發(fā)明同已有技術相比，結構簡單，工作可靠，易于機械加工和操作、實施；全部零件(不包括單動雙層巖心管機構)僅30多個，無需機械技術工人，在3－5分鐘內就能拆卸或組裝完畢。
本發(fā)明中鉆頭架30的窗欞31采用內加強凸筋70，并設園角67和68；定位端管17利用其梯形傳扭槽24將扭矩直接傳遞給副鉆頭9，故鉆頭架矩形窗孔37以上的部位不承受扭力。由于上述結構特點，本發(fā)明解決了已有技術中鉆頭架承扭強度不足的問題。
本發(fā)明中鉆頭架30的矩形窗孔頂部有舌閂26向下伸進窗孔，用來防止副鉆頭脫落，避免了已有技術中副鉆頭可能落入鉆孔內的危險。
本發(fā)明中，報訊閥的獨頭豎槽能保證緩沖管55與懸掛接頭50同心；箭形花鍵副和梯形嚙合副可以保證主鉆具與副鉆具同心。因此，本發(fā)明可以避免已有技術中因不同心引起的鉆具顫動，防止鉆具非正常破壞以及由此引起的鉆孔彎曲。
本發(fā)明中采用四單元組合式副鉆頭，較之已有技術，它能減輕各單元塊承扭和破碎巖石的負擔，延長其壽命。
權利要求
1.一種用于巖心鉆探鉆孔內的不提鉆換鉆頭鉆具，它有一個管狀的鉆頭架，其管壁上開著幾個縱向的矩形窗孔，窗孔內裝有可以張斂的組合式副鉆頭，副鉆頭的尾部插在窗孔下端的內槽里；鉆頭架內套裝著一個具有上下兩組楔面的空心的張斂軸，它受水力驅使，可以同連接在上部的矛頭一起向下移動，此時，其楔面能使副鉆頭從鉆頭架的窗孔內張開伸出；向上提拉張斂軸時，同張斂軸連接成一體的收斂爪又能迫使副鉆頭收斂，并進入鉆頭架的窗孔內；鉆頭架下端有一個用螺紋連接著的靠壓蓋壓緊的圓梳齒限位器，可限制張斂軸自由下落；鉆頭架上端連接著一個外緣有臺肩的管形懸掛接頭，可將鉆頭架懸掛在另一個管子的內壁上。張斂軸上部的矛頭伸出懸掛接頭，供打撈器捕撈。副鉆頭上端罩著一個短管，副鉆頭張開時，其上端的弧面抵靠短管內壁。鉆頭架下端連接著巖心鉆探用的單動雙層巖心管和金剛石鉆頭。本發(fā)明的特征是該鉆具具有能保證張斂動作可靠的鉆頭架、張斂軸和副鉆頭，并有瞄向定位裝置和密封、報訊、報警裝置、限位器固緊裝置。
2.按照權利要求
1所述的鉆具，其特征在于所說鉆頭架管壁沿圓周均布四個窗孔，各窗孔頂部有一個防止副鉆頭脫落的舌閂，向下伸進窗孔。所說窗孔的窗欞內壁有加強的凸筋。窗孔下部的內孔斷面是深十字槽形的，副鉆頭張斂時可在該十字深槽的頂端面的雙軌滑道上自由滑動。窗孔的四角以及窗欞與十字槽頂端面的交接處均為圓角或倒角。所說鉆頭架的矩形窗孔以上的部位不承受扭矩。
3.按照權利要求
1或2所述的鉆具，其特征在于所說張斂軸的上端外圓面上開有四個豎槽，與鉆頭架的內加強凸筋相適應。所說的張斂軸外圓面中部有每組為四個的上下兩組楔面，與鉆頭架的四個矩形窗孔相對應。其下組楔面的頂端皆設有喙形凸鉤，下端楔角頂部被截，呈倒形四棱截錐狀，旨在與鉆頭架的十字槽中心孔相適應。張斂軸靠下的部位有開槽的十字翼，同鉆頭架的十字槽相配合。
4.按照權利要求
2或3所述的鉆具，其特征在于所說副鉆頭的上部有一喙形凸鉤，與張斂軸的喙形凸鉤相吻合。所說的副鉆頭頂端面開有一個獨頭槽，鉆頭架上的舌閂可以伸進槽內，防止副鉆頭脫落。所說副鉆頭外側曲面的兩側有倒圓。
5.按照權利要求
1或2所述的鉆具，其特征在于所說的瞄向定位裝置是通過由鉆頭架的箭形外花鍵與定位端管的箭形內花鍵構成的箭形花鍵副進行初次瞄向定位和導向?；ㄦI副采用四齒特殊矩形花鍵；所說的箭形外花鍵位于鉆頭架上部，鍵齒的箭形端是朝下的，沿圓周均布；鍵槽沿圓周布置，同鉆頭架的矩形窗孔方位一致；所說的箭形內花鍵位于定位端管下端，箭齒的箭形端是朝上的，花鍵本身沿圓周均布排列，但箭頭沿圓周非均布排列；所說的箭形花鍵副，可以借助重力和箭形端的螺旋導向作用，使鉆頭架的矩形窗孔與定位端管下端的梯形傳扭槽方位基本一致。
6.按照權利要求
4或5所述的鉆具，其特征在于瞄向定位裝置中，借助由副鉆頭的梯形端與定位端管的梯形傳扭槽構成的梯形嚙合副進行微瞄矯向，并用作傳遞扭矩；所說梯形端是指副鉆頭的上部，其斷面為梯形；梯形傳扭槽位于定位端管內花鍵的下端，借助梯形側面的矯向作用，使副鉆頭的梯形端準確進入傳扭槽內，達到密合狀態(tài)；所說的傳遞扭矩，是通過梯形嚙合將扭矩由定位端管傳遞給副鉆頭。
7.按照權利要求
5或6所述的鉆具，其特征在于所說的定位端管是一個上半部有外螺紋的圓形短管，下半部的端面和外圓面分別鍍有薄層的金剛石或敷設其它耐磨材料。
8.按照權利要求
1所述的鉆具，其特征在于有三個密封裝置引流桿外圓環(huán)形槽內的密封圈與懸掛接頭內壁構成的密封副，限位壓蓋內壁環(huán)形槽內的密封圈與張斂軸下端外圓面構成的密封副，密封環(huán)分別與上外管內壁及懸掛接頭外壁構成的密封副。前兩個密封副完全密封液流，后一個密封副保證液流有規(guī)定數(shù)量的泄漏。所說的密封圈用橡膠或其它彈性材料制成；密封環(huán)用金屬材料制成，上端呈內倒錐形。
9.按照權利要求
1或7所述的鉆具，其特征在于所說懸掛接頭是一個外圓下部有凸臺的圓管，緊靠外螺紋的凸臺下平面是懸掛面，它可以懸掛在定位端管內花鍵的箭形端上。
10.按照權利要求
1所述的鉆具，其特征在于具有由報訊閥組成的泵壓報訊裝置，該報訊閥是一個沿外圓開有若干獨頭豎槽的圓形套，它可以上下移動，使液路閉塞或開啟，從而產(chǎn)生泵壓變化，向地面指示副鉆頭的到位情況；所說的若干豎槽能保證懸掛接頭與報訊閥同心。所說的三個密封裝置，還可以在正常液路發(fā)生堵塞時，向地面發(fā)出泵壓報警。
11.按照權利要求
1所述的鉆具，其特征在于限位接頭的螺紋面上有一個水平方向的螺孔，借助固緊銷釘可防止因震動導致限位壓蓋螺紋回松。
12.按照權利要求
1所述的鉆具，其特征在于所說的收斂爪的橫斷面是矩形的。
專利摘要
本實用新型是一種用于巖心鉆探鉆孔內的裝置。它是針對已有技術方案中存在的結構缺陷，采用新的結構方案設計制造出的結構簡單、性能可靠、具有工業(yè)實用性的擴孔翼楔面張斂式不提鉆換鉆頭鉆具，達到了無需起下鉆便可隨時對鉆孔內的服役鉆頭進行直接觀察或更換的目的。本裝置的要點是，具有靈活可靠的張斂機構、瞄向定位裝置、密封報訊裝置和報警功能。通過實施本發(fā)明，能在巖心鉆探中免除為檢查或更換鉆頭所需要的大量起下鉆工序，增加純鉆時間，減輕體力勞動，并保護鉆孔孔壁。
文檔編號E21B10/00GK85200563SQ85200563
公開日1986年3月26日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者薛萬成 申請人:地質礦產(chǎn)部探礦工藝研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan