CN211201821U - 冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具 - Google Patents

Abstract

冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，属于地质钻探设备领域，包括超高压储气罐、减压阀、气动潜孔锤及单动双管取心钻具，气动潜孔锤位于钻杆和单动双管取心钻具之间，钻杆、气动潜孔锤及单动双管取心钻具自上而下顺次同轴连接，超高压储气罐设置在钻杆内部，并通过通气管路连接至位于钻杆下部的减压阀；本实用新型提出的取心钻具以超高压储气罐代替空压机并置于钻具内，超高压储气罐内气体通过减压阀向气动潜孔锤供气，驱动活塞往复运动，冲击单动双管取心钻具，并结合电动回转机构，实现冲击回转取心钻进，破碎冰下基岩并完成取心，采用本实用新型的取心钻具所实施的气动潜孔锤钻进工艺，可有效解决冰下硬、脆、碎、漏等复杂基岩钻进取心难题。

Description

冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具

技术领域

本实用新型属于地质钻探设备领域，具体涉及一种冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具。

背景技术

南极大陆的冰下基岩岩心，无论是对南极大陆地质构造及成因的相关领域研究，还是对冰川的形成以及运动的研究，甚至对全球的气候变化研究都有重大意义和社会价值，是现代极地研究的主要目标之一。极地地质钻探计划获得的成就令人瞩目，冰盖钻探技术日益成熟，但时至今日仍然没有相对成熟的冰下基岩岩心钻取工艺。在钻至冰岩界面时，由于基岩强度高于冰层，若以常规孔内回转钻进工艺钻取冰下基岩岩心，需要在冰心钻进基础上提高钻压，考虑到铠装电缆的承受能力，通常最大钻压即为钻具的自重，且钻压过大会对反扭矩***提出更高要求，故难以满足金刚石回转钻进所需的钻进参数，另外，基岩岩性复杂，钻进过程可能会面临憋钻、烧钻的风险，因此现有铠装电缆悬吊式机电钻难以继续向下钻进。

实用新型内容

针对现有孔内金刚石回转钻进技术在钻至冰下基岩时，因受反扭***承受能力及钻具自重所能施加的钻压范围等因素限制，无法继续有效破碎基岩，获取岩心的问题，本实用新型的目的是提出一种冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，采用超高压储气罐代替空压机，超高压储气罐中的空气在钻具内部通过减压阀，对低耗风量超短型气动潜孔锤进行供气，驱动气动潜孔锤的活塞往复运动，冲击单动双管取心钻具，并结合电动回转机构，实现冲击回转取心钻进，以获取冰下基岩岩心。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，其特征在于，包括：超高压储气罐、减压阀、气动潜孔锤及单动双管取心钻具，所述气动潜孔锤位于钻杆和单动双管取心钻具之间，钻杆、气动潜孔锤及单动双管取心钻具自上而下顺次同轴连接，所述超高压储气罐设置在钻杆内部，并通过通气管路连接至位于钻杆下部的减压阀；所述气动潜孔锤包括潜孔锤外缸、逆止阀、配气座、潜孔锤内缸及活塞，潜孔锤外缸的上端与钻杆螺纹连接，潜孔锤外缸的下端通过花键套与单动双管取心钻具外管花键连接，逆止阀、配气座及潜孔锤内缸设置在潜孔锤外缸内部，其中逆止阀安装在配气座上，逆止阀通过空气通道与减压阀连通，配气座安装在潜孔锤内缸上端，配气座的两侧设置有呈轴向布置的气体通道；潜孔锤内缸侧壁下部开设有径向进气孔，同时潜孔锤内缸内壁上设置有内环槽；活塞置于潜孔锤内缸内部；所述单动双管取心钻具包括冲击接头、轴承、心轴、岩心管接头、钢球、单动双管取心钻具外管、岩心管及钻头，冲击接头的上部与潜孔锤外缸螺纹连接，冲击接头的下端与单动双管取心钻具外管螺纹连接；单动双管取心钻具外管与位于其下方的钻头螺纹连接，单动双管取心钻具外管和钻头同轴设置，轴承套设在心轴上并于冲击接头内部间隙配合；心轴与岩心管接头螺纹连接，岩心管接头内部设置有空气通道；钢球置于岩心管接头的空气通道内；岩心管设置在单动双管取心钻具外管内部，且与单动双管取心钻具外管同轴布置，岩心管与岩心管接头螺纹连接。

进一步，所述钻头上设置有柱状硬质合金齿。

进一步，所述钻头的直径为135mm。

进一步，所述气动潜孔锤的直径为89mm。

进一步，所述超高压储气罐的内径为80mm。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：本实用新型提出了一种冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，通过设置在钻杆内部的超高压储气罐供气以驱动气动潜孔锤工作，钻进过程不需要大型空压机设备；与已有金刚石钻头回转式冰下基岩钻进***兼容互补，无需钻杆或软管连接；气动潜孔锤对钻压范围要求低，可依靠钻具自重满足钻进要求，无需对已有的反扭矩***进行改进。采用本实用新型提出的取心钻具所实施的气动潜孔锤钻进工艺，可有效解决冰下硬、脆、碎、漏等复杂基岩钻进取心难题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型实施例中提出的冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具的结构示意图。

图中各标记如下：1-超高压储气罐、2-减压阀、3-潜孔锤外缸、4-逆止阀、5-配气座、6-潜孔锤内缸、7-活塞、8-冲击接头、9-轴承、10-心轴、11-岩心管接头、12-钢球、13-单动双管取心钻具外管、14-岩心管、15-钻头。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。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，不应以此限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，包括超高压储气罐1、减压阀2、气动潜孔锤及单动双管取心钻具，所述气动潜孔锤位于钻杆和单动双管取心钻具之间，钻杆、气动潜孔锤及单动双管取心钻具自上而下顺次同轴连接，所述超高压储气罐1设置在钻杆内部，并通过通气管路连接至位于钻杆下部的减压阀2；所述气动潜孔锤包括潜孔锤外缸3、逆止阀4、配气座5、潜孔锤内缸6及活塞7，潜孔锤外缸3位于钻杆下方并与钻杆螺纹连接，潜孔锤外缸3的下端通过花键套与单动双管取心钻具外管13花键连接，逆止阀4、配气座5及潜孔锤内缸6设置在潜孔锤外缸3内部，其中逆止阀4安装在配气座5上，逆止阀4通过空气通道与减压阀2连通，配气座5安装在潜孔锤内缸6上端，配气座5的两侧设置有呈轴向布置的气体通道；潜孔锤内缸6侧壁下部开设有径向进气孔，同时潜孔锤内缸6内壁上设置有内环槽；活塞7置于潜孔锤内缸6内部；所述单动双管取心钻具包括冲击接头8、轴承9、心轴10、岩心管接头11、钢球12、单动双管取心钻具外管13、岩心管14及钻头15，冲击接头8的上部与潜孔锤外缸3螺纹连接，冲击接头8的下端与单动双管取心钻具外管13螺纹连接；单动双管取心钻具外管13与钻头15进行螺纹连接，从而使冲击接头8承受气动潜孔锤产生的冲击以及电动回转机构所产生的扭矩，并传递给单动双管取心钻具外管13，进而传递到钻头15，实现破碎岩石进行取心钻进；轴承9套设在心轴10上并于冲击接头8内部间隙配合，通过轴承9实现岩心管14与单动双管取心钻具外管13的单动功能，心轴10与岩心管接头11螺纹连接，岩心管接头11内部设置有空气通道；钢球12置于岩心管接头11的空气通道内；岩心管14设置在单动双管取心钻具外管13内部，且与单动双管取心钻具外管13同轴布置，岩心管14与岩心管接头11螺纹连接；钻头15上设置有柱状硬质合金齿。

冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具的工作过程及原理为：

本实用新型考虑极地钻探在钻至极地冰下基岩时，碎岩效率降低，提出以超高压储气罐1代替空压机在孔内对气动潜孔锤进行供气，驱动气动潜孔锤工作，并结合已有悬挂机构和电动回转机构，实施冲击回转取心钻进技术，进而破碎极地冰下基岩并获取基岩岩心。

在地表利用微型便携式空压机通过增压机构对超高压储气罐1进行充填压缩气体，超高压储气罐1在孔外充气时，采用微型便携式空压机和增压机构，配套设备体积小、重量轻、功率低。对于钻头15直径为135mm的单动双管取心钻具，配直径89mm气动潜孔锤，通过参数优化，可以实现3.5m³/min低耗风量；气动潜孔锤取心钻进，机械钻速按6m/h计，钻进1m需要10min，总耗风体积35m³(1个大气压)；目前国内超高压容器压力已能实现1000MPa以上。1个大气压条件下的35m³空气，存储在1000MPa孔内超高压储气罐1中，体积只有3.5L。超高压储气罐1的内径80mm，则超高压储气罐1的高度小于0.4m。综上分析可知，冰下基岩钻进1m，通过超高压储气罐1供气，从而实现钻进过程中无空压机完成气动潜孔锤取心钻进工作。

正常钻进时，压缩气体从超高压储气罐1中经通气管路到达减压阀2处，经过减压阀2后的压缩气体进入气动潜孔锤内部，推开逆止阀4进入逆止阀4所在的上端空气室，沿配气座5两侧轴向气体通道经潜孔锤内缸6上的径向进气孔，进入活塞7下半部分外周与潜孔锤内缸6的内壁之间的环向空间形成的前气室，此时活塞7上端面与潜孔锤内缸6所形成的后气室处于排气状态，活塞7在压缩气体的作用下做回程运动。如图1所示，由于活塞7具有直径略大于上下两端直径的中端环面结构，直至活塞7中端环面进入潜孔锤外缸3，活塞7位移使其下端至下部两侧径向进气孔处时封闭进气通道，使压缩气体与前后气室空气通道都隔绝，活塞7在已有的惯性和前后气室内压缩气体膨胀做功的推动下继续回程运动。这时后气室排气结束，处于被压缩状态。活塞7做减速运动继续回程，潜孔锤内缸6内壁上设置有内环槽，当活塞7上环面越过潜孔锤内缸6内环槽下棱线后，后气室开始进压缩气体，致使活塞7继续减速最终停止并开始换向进入冲程阶段。此时前气室处位于下端的两侧径向排气孔已打开，活塞7上端在后气室不断进入压缩气体作用下向下运动，阻力最小，加速度最大。当活塞7上环面降至潜孔锤内缸6内环槽下棱线以下时，压缩气体停止进入，活塞7依靠惯性和后气室内气体膨胀做功力继续下冲，前气室由排气状态逐渐转入压缩状态，抵消一部分活塞7下冲力。而后，前气室进气通道打开，开始进入压缩气体，后气室也由膨胀状态转为排气状态，活塞7进一步减速，直至冲击冲击接头8，冲击接头8将力传递到带有柱状硬质合金齿的钻头15上。同时在图1所示整套钻具之上连接现有应用在极地钻探领域上的铠装电缆悬吊***以及反扭回转***，由电动回转机构带动钻具回转，并通过轴承9实现单动双管取心钻具外管13转动而岩心管14不转，一方面保护岩心管14内岩心，提高岩心采取率，另一方面完成冲击与回转的结合，有效破碎基岩并获取岩心。

驱动气动潜孔锤工作后的气体可从气动潜孔锤到达单动双管取心钻具时可通过设置在心轴10两侧的排气通道到达孔底进行清洗冷却。钻进时岩心管14内进入岩心后，钢球12所在处为空气的单向通道，岩心管14内部空气推开位于岩心管接头11的空气通道处的钢球12，沿岩心管接头11内设置的空气通道进入岩心管14与单动双管取心钻具外管13之间的环状空间到达孔底。

Claims (5)

1.冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，其特征在于，包括：超高压储气罐(1)、减压阀(2)、气动潜孔锤及单动双管取心钻具，所述气动潜孔锤位于钻杆和单动双管取心钻具之间，钻杆、气动潜孔锤及单动双管取心钻具自上而下顺次同轴连接，所述超高压储气罐(1)设置在钻杆内部，并通过通气管路连接至位于钻杆下部的减压阀(2)；所述气动潜孔锤包括潜孔锤外缸(3)、逆止阀(4)、配气座(5)、潜孔锤内缸(6)及活塞(7)，潜孔锤外缸(3)的上端与钻杆螺纹连接，潜孔锤外缸(3)的下端通过花键套与单动双管取心钻具外管(13)花键连接，逆止阀(4)、配气座(5)及潜孔锤内缸(6)设置在潜孔锤外缸(3)内部，其中逆止阀(4)安装在配气座(5)上，逆止阀(4)通过空气通道与减压阀(2)连通，配气座(5)安装在潜孔锤内缸(6)上端，配气座(5)的两侧设置有呈轴向布置的气体通道；潜孔锤内缸(6)侧壁下部开设有径向进气孔，同时潜孔锤内缸(6)内壁上设置有内环槽；活塞(7)置于潜孔锤内缸(6)内部；所述单动双管取心钻具包括冲击接头(8)、轴承(9)、心轴(10)、岩心管接头(11)、钢球(12)、单动双管取心钻具外管(13)、岩心管(14)及钻头(15)，冲击接头(8)的上部与潜孔锤外缸(3)螺纹连接，冲击接头(8)的下端与单动双管取心钻具外管(13)螺纹连接；单动双管取心钻具外管(13)与位于其下方的钻头(15)螺纹连接，单动双管取心钻具外管(13)和钻头(15)同轴设置，轴承(9)套设在心轴(10)上并于冲击接头(8)内部间隙配合；心轴(10)与岩心管接头(11)螺纹连接，岩心管接头(11)内部设置有空气通道；钢球(12)置于岩心管接头(11)的空气通道内；岩心管(14)设置在单动双管取心钻具外管(13)内部，且与单动双管取心钻具外管(13)同轴布置，岩心管(14)与岩心管接头(11)螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，其特征在于：所述钻头(15)上设置有柱状硬质合金齿。

3.根据权利要求1所述的冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，其特征在于：所述钻头(15)的直径为135mm。

4.根据权利要求1所述的冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，其特征在于：所述气动潜孔锤的直径为89mm。

5.根据权利要求1所述的冰下复杂基岩冲击回转钻进取心钻具，其特征在于：所述超高压储气罐(1)的内径为80mm。

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