一種鉆探用液壓巖心卡取裝置的制造方法

一種鉆探用液壓巖心卡取裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種鉆探用液壓巖心卡取裝置，包括隔水分動機構、導流限位機構、儲壓機構、提引注壓機構、液壓卡心機構、側噴鉆頭分動機構和密封系統，導流限位機構對接隔水分動機構，儲壓機構對接導流限位機構，提引注壓機構對接儲壓機構，液壓卡心機構對接提引注壓機構，側噴鉆頭分動機構對接液壓卡心機構。本發明可實現與雙管鉆具、繩索取心鉆具直接配合使用，實現對軟弱松散、破碎等復雜難取心地層高達100％的取芯率，此外基于液壓提供全自動三維應力卡取捆綁控制巖心，同時配合常規卡心割心裝置，具有高可靠度、高取心效率、高取心質量、高巖心采取率、適用地層廣、自動化性能好等特點。
【專利說明】
一種鉆探用液壓巖心卡取裝置
技術領域
[0001]本發明涉及鉆探取心的巖(礦)心卡取裝置，尤其涉及一種適用于軟弱松散、極破碎地層鉆探取心的巖(礦)心卡取裝置。
【背景技術】
[0002]鉆探技術作為目前唯一能從地下取出實體巖石礦物樣品的勘察技術方法，在常規固體資源勘探開發如地質鉆進、新型液氣態能源普查如油氣井鉆進、地學研究如探究地球歷史進行的科學鉆探、環境科學鉆探等，呈現出鉆探技術手段無可替代的重要作用。而當前所面對的鉆探環境已從易發掘的淺層地表向深部進發，面對的情況將是資源難發現、難發掘、海拔更高以及陸地轉向湖泊海洋，對鉆探效率和質量提出更高的要求。而真實可靠的地質資料的獲得依托于鉆探技術應對不同環境條件的能力，之前已存在的鉆探設備、技術在應對深孔復雜地層，如硬、脆、碎、漏、坍、軟弱松散易沖蝕等復雜地層鉆進取心存在很大難度。雖然目前已經有新組合鉆具、工藝工法在解決此類復雜地層鉆進效率低、巖礦心采取率低、鉆孔質量差、鉆頭壽命低、孔底事故多、鉆探成本高等問題取得一定效果，但軟弱松散、破碎等復雜地層難取心問題并未徹底根治。如何解決極破碎、軟弱地層中取心率低的問題，一直是國內、外鉆探領域亟待解決的難題。
[0003]單管無栗鉆具雖然能提高在極破碎、軟弱地層中的采心率，但因要提鉆取心，施工效率低，勞動強度大，頻繁提鉆影響孔壁穩定。囊袋多節捆綁式取心鉆具從鉆具隔水保真、巖心卡取原理方面進行改進，化整為散，對提高極破碎、軟弱等復雜地層取心效果顯著，但需進一步提高可靠性和自動化性能等。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是針對現有技術的缺陷，提供一種可提高極破碎、軟弱等復雜地層取心效率、取心質量且適用性廣、可靠性高、通用性好、自動化程度高的鉆探用液壓巖心卡取裝置。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案:一種鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:包括隔水分動機構、導流限位機構、儲壓機構、提引注壓機構、液壓卡心機構、側噴鉆頭分動機構和密封系統，導流限位機構對接隔水分動機構，儲壓機構對接導流限位機構，提引注壓機構對接儲壓機構，液壓卡心機構對接提引注壓機構，側噴鉆頭分動機構對接液壓卡心機構；
[0006]隔水分動機構包括隔水接手、懸掛環、滑套座、滑套、上下兩推力軸承、密封螺母和心軸接手；隔水接手外壁的環狀卡扣同位于外管與上擴孔器之間的懸掛環處于接觸壓緊狀態，卡扣與懸掛環之間布置橡膠密封環，卡扣上方均布通水孔，隔水接手下端與滑套座螺紋連接;滑套座依次貫穿推力軸承、滑套、推力軸承，尾部連接密封螺母，滑套座與滑套間隙配合，滑套座軸向布置貫通孔，隔水接手、密封螺母配合實現滑套及其上下兩個推力軸承的軸向限位;密封螺母的O型密封圈密封螺母與心軸接手之間的間隙，滑套外螺紋連接心軸接手上端。
[0007]導流限位機構包括心軸、懸掛接手、限位螺母、滑動密封環、彈卡架、彈簧、彈卡鉗、彈卡室、彈卡座、水路截斷環和彈性單向排氣閥；心軸軸線布置貫通孔，其上端與隔水分動機構的心軸接手螺紋連接，下端與彈卡架螺紋連接，心軸軸身布置的外花鍵與懸掛接手的內花鍵相配，懸掛接手與心軸可沿花鍵做軸向相對滑動；限位螺母固定滑動密封環于彈卡架上端，滑動密封環密封懸掛接手與彈卡架之間間隙，彈卡架下段開有環形孔，貫穿彈簧的插銷可帶動彈簧在環形孔中上下滑移，彈簧支腿插入彈卡鉗的預留孔中，彈卡鉗被插銷固定于彈卡座上端;彈卡座下段軸向設有彈性單向排氣閥，其外環與水路截斷環過盈配合;水路截斷環布置于彈卡室泄水孔處，并與彈卡室內壁緊密接觸密封泄水孔截斷水路，水路截斷環均布互不連通的軸向水路;彈卡室內環布有對應彈卡鉗的限位槽，限位槽以下均布泄水孔，彈卡室上端與懸掛接手螺紋連接，下端與儲壓機構的導流管螺紋連接。
[0008]儲壓機構包括腔頂蓋、儲壓腔、導流管、腔底蓋、彈性單向閥、儲壓彈簧和活塞;腔頂蓋軸向有半深凹槽，頂端開口底端閉合，底端有通氣孔，腔頂蓋通過凹槽內螺紋連接導流限位機構的彈卡座并對水路截斷環做軸向限位，外壁預留銷口與儲壓腔螺紋銷連接，并在接口處涂密封膠密封;導流管內壁除設置與儲壓腔外花鍵相配的內花鍵外，還設有軸向導流槽;腔底蓋與儲壓腔螺紋連接，其軸線位置裝有彈性單向閥；儲壓彈簧位于儲壓腔內，其一端連接腔底蓋，另一端連接活塞，連接方式可采用鉸接或粘結連接;活塞與儲壓腔內壁光滑緊密接觸;導流管與液壓卡心機構的底承臺連接處均布溢水孔。
[0009]提引注壓機構包括有引壓器、注壓器、帶針氣閥和底彈簧；引壓器的中空支腿穿過注壓器端部預留孔插入腔底蓋預留孔洞，并與腔底蓋焊接密封；引壓器端部、注壓器上端均設有帶針氣閥，帶針氣閥為常閉氣閥，內部壓縮彈簧頂推密封墊使氣閥處于閉合狀態，外端設有頂針，端部設置橡膠密封墊，帶針氣閥與引壓器、注壓器螺紋連接;注壓器下段均布的軸向孔分為兩類，一類與注壓器帶針氣閥連通，并貫通于底承臺預留的軸向通路，該類軸向孔與底承臺預留軸向通路接口處焊接密封，另一類不與注壓器帶針氣閥連通，為獨立單向孔，用于注壓器與底承臺固定，連接方式可采用螺紋銷或焊接連接;底彈簧一端固定于底承臺頂端面，可通過焊接、鉸接或粘結連接，另一端為自由端，底彈簧、底承臺二者共軸線。
[0010]液壓卡心機構包括底承臺、液壓膜、巖心內管、卡簧座和卡簧;巖心內管上端與導流管下端螺紋連接;底承臺內含單向閥，側壁均布溢水孔，該溢水孔與導流管溢水孔位置重合、水路連通，底承臺與導流管螺紋銷連接，接口處、溢水孔過渡處采用密封膠密封;底承臺下端臺階與液壓膜采用密封膠粘結密封，液壓膜吸附于巖心內管內壁并布置于整個巖心內管，卡簧座與巖心內管螺紋連接，卡簧座螺紋根部預留液壓膜收納空間，液壓膜沿巖心內管內壁布置至內管末端，然后經卡簧座的液壓膜收納段，再上返至巖心內管末端，液壓膜與巖心內管末端外壁凹臺段采用密封膠粘結密封后繼續向上延伸固定于卡簧座與巖心內管螺紋間；位于卡簧座收納段的液壓膜經特殊設計，在液壓作用下可形成鎖扣形式;卡簧與卡簧座楔形接觸，卡簧座無水口，末端為內凹臺階設計。
[0011]側噴鉆頭分動機構包括環帽和推力軸承，液壓卡心機構的卡簧座末端的內凹臺階坐落于推力軸承上盤，環帽、推力軸承下盤與側噴鉆頭內臺階過盈配合，環帽下端面與推力軸承上盤端面預留有間隙，環帽內環、上端面與卡簧座末端的內凹臺階預留間隙。
[0012]密封系統包含靜態密封和動態密封;靜態密封包括螺紋裝配時涂沫潤滑油，在內外螺紋根部加設橡膠密封圈，螺紋銷連接結構間進行密封膠密封，焊接密封;動態密封包括隔水接手與懸掛環間的橡膠密封環，密封螺母外圍預裝的O型密封圈、滑動密封環、水路截斷環、帶針氣閥處的橡膠密封墊、活塞。
[0013]通過各機構、結構配合協作，可實現以下功能:
[0014]1、隔水分動
[0015]鉆具裝配本液壓巖(礦)心卡取裝置后，重新下鉆，下落過程相關結構初始狀態為懸掛接手位于心軸花鍵末端，彈簧插銷位于彈卡架環形孔末端；當卡簧座坐落于側噴式鉆頭內臺階的推力軸承上時，懸掛接手停止下降，心軸沿花鍵帶動彈卡架繼續下降，相對運動終止狀態為懸掛接手位于心軸花鍵頂端，彈簧插銷位于彈卡架環形孔頂端，隔水接手同位于外管與上擴孔器之間的懸掛環處于接觸壓緊密封狀態，以上三種狀態同步發生；至此形成以隔水接手、懸掛環組成的隔水結構，與隔水接手相連的滑套座、滑套、推力軸承以及鉆頭內臺階處的推力軸承建立巖心內管的分動性能。
[0016]2、導流限位、儲壓
[0017]沖洗液經內外管間隙到達隔水接手，經隔水接手預留的通水孔進入液壓巖(礦)心卡取裝置內部，經滑套中心孔、心軸中心孔、彈卡架到達彈卡室內的水路截斷環上部;水路截斷環用于密封預留于彈卡室的泄水孔，在儲壓腔完成儲壓之前，彈卡室泄水孔是被密封的；沖洗液經水路截斷環預留的軸向水路流入導流管與儲壓腔間，經導流管內壁預留導流槽到達腔底蓋儲壓腔入口處，沖洗液推開位于腔底蓋軸線上的彈性單向閥進入儲壓腔，沖洗液推動活塞拉伸儲壓彈簧，隨著儲壓彈簧的拉伸，沖洗液壓力逐步上升;活塞上移壓縮活塞與儲壓腔之間的密閉空氣產生壓力，待空氣壓力大于彈性排氣閥外部壓力時排氣閥開始排氣以減弱活塞上行阻力，同時該排氣閥為單向閥，彈卡室聚集的沖洗液無法通過排氣閥進入儲壓腔；由于水路截斷環處過水截面改變引起沖洗液憋壓，使水路截斷環入口處的沖洗液壓力大于腔底蓋儲壓腔入口處的沖洗液壓力，隨著沖洗液充入，儲壓腔在以微小位移向底承臺滑移，同時壓縮底彈簧，底彈簧的彈力又限制儲壓腔下移，以避免由水路截斷環滑移泄水孔而引起儲壓失敗；當儲壓腔被充滿時，活塞滑至腔頂蓋處，腔頂蓋限制活塞繼續上移以避免儲壓彈簧超出彈性限度，儲壓彈簧處于彈性限度內拉伸狀態，此時水路截斷環入口處的沖洗液壓力已遠大于腔底蓋儲壓腔入口處的沖洗液壓力，底彈簧已發生壓縮，但儲壓腔下滑位移尚未帶動水路截斷環滑移彈卡室的泄水孔;儲壓完畢后水路被完全截斷，隨著沖洗液不斷在彈卡室聚集，水路截斷環入口處沖洗液壓力逐步增大推動儲壓腔繼續壓縮底彈簧，當儲壓腔下滑位移達到設計位移時，水路截斷環滑移泄水孔，同時彈卡鉗扣入彈卡室，限制水路截斷環回移，沖洗液從泄水孔重新流入內外管間隙并逐步恢復至設計鉆壓;在水路截斷環滑移泄水孔之前，腔底蓋儲壓腔入口處一直存在高壓沖洗液，腔底蓋處的彈性單向閥可能在儲壓腔內外壓差下處于打開狀態，當水路截斷環滑移泄水孔后，水路截斷環入口處沖洗液壓力隨著水路重新建立而逐步降低，位于腔底蓋儲壓腔入口處的高壓沖洗液逆流經水路截斷環軸向水路流出泄水孔進行泄壓，儲壓腔入口處壓力減少，彈性單向閥在儲壓腔內外壓差下迅速恢復閉合狀態，儲壓腔閉合環境建立;至此，沖洗液儲壓完畢。
[0018]3、提引注壓、液壓卡心
[0019]鉆進過程中，巖(礦)心逐步進入內管、液壓膜，隨巖心一起進入液壓膜的沖洗液經底承臺內的單向閥留至內外管環狀間隙；當巖心裝滿液壓膜后，停鉆撈取巖心;撈取巖心初始，巖心、內管、液壓膜、導流管、彈卡室、懸掛接手暫時靜止，隔水接手、心軸相對懸掛接手上移并拉動彈卡架使彈卡鉗脫卡，并拉動儲壓腔上移，水位截斷環重新封閉泄水孔;隔水接手、心軸繼續帶動儲壓腔上移，引壓器逐步靠近注壓器，二者氣閥接觸并逐步壓緊氣閥端面的橡膠密封墊進行水路密封，同時頂針接通二者氣閥，此時懸掛接手位于心軸花鍵末端并緊貼彈卡架并且在提鉆完畢之前一直處于此位置;儲壓腔的沖洗液經引壓器水路、帶針氣閥、注壓器水路、底承臺水路進入內管與液壓膜間隙，待高壓沖洗液充滿整個間隙并使液壓膜末端形成鎖扣形式時，位于液壓膜內的巖礦心處于三維應力控制狀態；至此，完成對巖(礦)心的液壓卡取。
[0020]地層破碎情況下，液壓膜末端的鎖扣可分離被卡緊控制的巖礦心與未進入液壓膜的巖礦心，保證順利提鉆;若地層較完整、硬度較大，則常規卡心割心裝置同時發揮作用，在液壓卡心裝置上提過程中卡簧下滑收縮，割斷巖心，打撈內管，獲取巖(礦)心。至此，完成對巖(礦)心的米取。
[0021]4、密封系統
[0022]本發明采用的密封裝置均為接觸式密封，包含靜態密封和動態密封;靜態密封包括螺紋裝配時涂沫潤滑油形成油封，在內外螺紋根部加設橡膠密封圈通過螺紋緊固擠壓墊圈實現密封，螺紋銷連接結構間進行密封膠密封，焊接密封;動態密封包括隔水接手與懸掛環間的橡膠密封環、密封螺母外圍預裝的O型密封圈、滑動密封環、水路截斷環、帶針氣閥處的橡膠密封墊、活塞。隔水接手與懸掛環間的橡膠密封環、帶針氣閥處的橡膠密封墊通過所接觸結構的相對運動擠壓實現密封;隔水接手與懸掛環間的橡膠密封環可保證儲壓前期將沖洗液全部導入液壓巖(礦)心卡取裝置內部，為儲壓提供先決條件；帶針氣閥處的橡膠密封墊保證提引注壓階段水路的密封，為液壓膜周圍提供足夠壓力、體積的沖洗液。密封螺母外圍預裝的O型密封圈、滑動密封環具有雙向密封功能，在儲壓階段避免沖洗液經推力軸承、滑套、滑套座三者間間隙、心軸與懸掛接手花鍵間間隙泄漏，影響儲壓效果;在正常鉆進階段，避免沖洗液從以上結構間間隙回流入本裝置內，擾亂沖洗液的循環水路，為儲壓完完畢后沖洗液正常循環提供保障環境。水路截斷環僅在儲壓水路轉為鉆進水路時滑出泄水孔，而在下鉆和提鉆過程中水路截斷環均封閉泄水孔，使水路截斷環的軸向水路作為沖洗液進入儲壓腔的唯一通路，為進入儲壓腔的沖洗液提供物理過濾，避免沖洗液中的大顆粒異物進入儲壓機構造成機構堵塞、磨損。儲壓腔中活塞的逐步滑移完成沖洗液儲壓，其密封效果是儲壓密閉環境實現的關鍵。密封螺母外圍預裝的O型密封圈、滑動密封環、水路截斷環、活塞與密封面緊密接觸，且相對運動范圍內各接觸面保證較好的光潔度、合適的表面粗糙度，實現機構相對滑動的低阻力流暢性及良好的密封效果雙重保障。同時要求本裝置中所有螺紋連接的螺紋旋向與鉆具回轉方向相反，采用左旋，保證鉆進過程中鉆具回轉方向始終與螺紋緊固方向一致，避免因為鉆具振動、結構間摩擦等原因使螺紋旋松。
[0023]本發明的特點如下:
[0024]1、在極破碎、軟弱松散等復雜地層的巖心鉆探中，可以有效地提高取心率，保證取心質量，將地層情況真實準確地反映到地面。
[0025]2、液壓提供全自動三維應力卡取捆綁控制巖心，利用液體的無確定形態，配合液壓膜，卡取捆綁形態可完全貼覆于巖心形狀，克服傳統卡心裝置不宜卡取破碎巖心的弊端，完全避免提鉆過程中巖心掉落，實現高達100%的巖心采取率。
[0026]3、巧妙設計花鍵行程及各機構配合，在鉆進前期進行沖洗液儲壓，儲壓完畢的同時同步完成儲壓水路向鉆進水路的轉變，彈性單向閥、帶針氣閥的配合限流為高壓沖洗液形成密封空間保壓，彈卡鉗滑移限位保證鉆進水路穩定通暢避免栗壓損失;提鉆時彈卡鉗自動脫卡、水路截斷環回位、帶針氣閥接通，高壓沖洗液經獨立水路釋放，充壓液壓膜，完成巖(礦)心包裹卡取。整個過程全自動化，操作流程與常規鉆具一致，適用性好，同時利用沖洗液作為液壓傳遞介質，循環利用，綠色環保。
[0027]4、液壓膜的特殊設計實現對巖(礦)心的密封包裹，配合側噴鉆頭優化沖洗液水路，實現對孔內巖(礦)心的強力隔水保真，極大程度上減弱甚至避免鉆探過程中沖洗液對巖(礦)心的沖蝕破壞、浸潤破壞，保證巖(礦)心的原生結構、礦物成分等。
[0028]5、心軸花鍵與彈卡架環形孔的行程差設計，實現只要隔水分動機構到位，引壓器與注壓器的帶針氣閥就處于完全分離且閉合狀態，其他各結構均處于設計位置，保證后續儲壓等功能的順利實施；同時水路截斷環僅在儲壓水路轉為鉆進水路時滑出泄水孔，而在下鉆和提鉆過程中水路截斷環均封閉泄水孔，使水路截斷環的軸向水路作為沖洗液進入儲壓腔的唯一通路，為進入儲壓腔的沖洗液提供物理過濾，避免沖洗液中的大顆粒異物進入儲壓機構造成機構堵塞、磨損，可靠性高。
[0029]6、底彈簧與儲壓彈簧二者彈性系數的特定比例關系，協調底彈簧、儲壓彈簧形變位移與儲壓進程的關系以及彈簧形變產生的彈力與栗壓之間的關系;在沖洗液儲壓期間，沖洗液在水路截斷環處過水截面變化而憋壓產生的壓力差對底彈簧的壓縮形變不足以使水路截斷環滑移泄水孔;在沖洗液儲壓完畢后，水路截斷環處沖洗液水路閉塞完全憋壓產生的壓力差可推動水路截斷環滑移泄水孔;儲壓腔內儲備的高壓沖洗液的壓力可實現對巖心內管巖(礦)心的三維應力捆綁，實現正常提鉆。
[0030]7、隔水分動機構、側噴鉆頭分動機構的配合，在本裝置完成自身功能前提的同時實現了整個裝置的分動性能，有效避免鉆進過程中鉆具回轉振動對進入巖心管巖心的機械破壞，保證取心質量。
[0031]8、側噴鉆頭分動機構的微水路設計，使少部分沖洗液流經卡簧座與環帽、環帽與推力軸承上盤、推力軸承上盤與側噴鉆頭間隙，完成對推力軸承的沖洗、潤滑，沖散沉淀于軸承處的巖粉，減少軸承磨損，保證軸承正常運轉。
[0032]9、液壓巖(礦)心卡取裝置具有獨立的密封系統，螺紋連接處的潤滑油密封、橡膠密封圈、螺紋銷連接結構間的密封膠密封、焊接密封組成的靜態密封，隔水接手與懸掛環間的橡膠密封環、密封螺母、滑動密封環、水路截斷環、帶針氣閥處的橡膠密封墊、活塞組成的動態密封，提供了本發明不同運行階段所需的密封環境。
[0033]10、液壓巖(礦)心卡取裝置同樣配備了常規卡心割心裝置，將本發明的應用范圍擴展到整個可鉆地層卡取巖(礦)心，同時也可避免液壓巖(礦)心卡取裝置與常規巖(礦)心卡取裝置間做過多切換，避免頻繁提鉆，減少非鉆進時間對效率的影響。
[0034]本發明可實現與雙管鉆具、繩索取心鉆具直接配合使用，如配合繩索取心鉆具使用，在不需增加鉆探設備和實施繩索取心鉆進工藝的前提下，實現對軟弱松散、破碎等復雜難取心地層高達100%的取芯率，此外基于液壓提供全自動三維應力卡取捆綁控制巖心，同時配合常規卡心割心裝置，將本液壓巖(礦)心卡取裝置的應用范圍擴展到整個可鉆地層取心，形成具有高可靠度、高取心效率、高取心質量、高巖心采取率、適用地層廣、自動化性能好等特點的卡取心裝置。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發明的結構不意圖；
[0036]圖2為隔水分動機構、導流限位機構的結構示意圖；
[0037]圖3為儲壓機構、提引注壓機構的結構示意圖；
[0038]圖4為液壓卡心機構、側噴鉆頭分動機構的結構示意圖；
[0039]圖5為側噴鉆頭分動機構的微水路示意圖；
[0040]圖6為儲壓腔、導流管的斷面結構示意圖；
[0041 ]圖7為引壓器的結構示意圖；
[0042]圖8為注壓器的結構示意圖；
[0043]圖9為底承臺的結構不意圖；
[0044]圖10為圖2的局部放大圖；
[0045]圖11為圖3的局部放大圖。
[0046]圖中，I為隔水接手、2為懸掛環、3為滑套座、4為滑套、5為推力軸承、6為密封螺母、7為心軸接手、8為心軸、9為懸掛接手、10為限位螺母、11為滑動密封環、12為彈卡架、13為彈簧、14為彈卡鉗、15為彈卡室、16為彈卡座、17為水路截斷環、18為彈性單向排氣閥、19為腔頂蓋、20為儲壓腔、21為導流管、22為腔底蓋、23為彈性單向閥、24為儲壓彈簧、25為活塞、26為引壓器、27為注壓器、28為帶針氣閥、29為底彈簧、30為底承臺、31為液壓膜、32為巖心內管、33為卡簧座、34為卡簧、35為環帽、36為推力軸承、37為側噴鉆頭、38為扶正環、39為下擴孔器、40為外管、41為上擴孔器、a為通水孔、b為卡扣、c為橡膠密封環、d為O型密封圈、e為環形孔、f為限位槽、g為泄水孔、h為螺紋銷、i為通氣孔、j為中空支腿、k為橡膠密封墊、L為溢水孔、m為單向閥、11為外花鍵、ο為內花鍵、口為導流槽、q為預留螺紋銷口、六為主水路、B為微水路。
【具體實施方式】
[0047]本實施例中，所述鉆探用液壓巖心卡取裝置，如圖1和圖4所示，鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:包括隔水分動機構1、導流限位機構Π、儲壓機構m、提引注壓機構IV、液壓卡心機構V、側噴鉆頭分動機構VI和密封系統，導流限位機構π對接隔水分動機構I，儲壓機構m對接導流限位機構π，提引注壓機構IV對接儲壓機構m，液壓卡心機構V對接提引注壓機構IV，側噴鉆頭分動機構VI對接液壓卡心機構V;
[0048]所述液壓卡心機構V包括底承臺30、液壓膜31、巖心內管32、卡簧座33和卡簧34;巖心內管32上端與儲壓機構I的導流管21下端螺紋連接;底承臺30內含單向閥m，側壁均布溢水孔L，該溢水孔與導流管21溢水孔位置重合、水路連通，底承臺30與導流管21螺紋銷連接，接口處、溢水孔過渡處采用密封膠密封;底承臺30下端臺階與液壓膜31采用密封膠粘結密封，液壓膜31吸附于巖心內管內壁并布置于整個巖心內管32，卡簧座33與巖心內管32螺紋連接，卡簧座33螺紋根部預留有液壓膜收納空間，位于卡簧座收納段的液壓膜31在液壓作用下可形成鎖扣形式;卡簧34與卡簧座33楔形接觸。
[0049]如圖4所示，所述液壓膜31沿巖心內管內壁布置至內管32末端，然后經卡簧座33的液壓膜收納段，再上返至巖心內管末端，液壓膜31與巖心內管32末端外壁凹臺段采用密封膠粘結密封后繼續向上延伸固定于卡簧座33與巖心內管32螺紋間；卡簧座33無水口，末端為內凹臺階結構。
[0050]參照圖2，所述隔水分動機構I包括隔水接手1、懸掛環2、滑套座3、滑套4、推力軸承5、密封螺母6和心軸接手7;隔水接手I外壁的環狀卡扣b同位于外管40與上擴孔器41之間的懸掛環2處于接觸壓緊狀態，卡扣b與懸掛環2之間布置橡膠密封環C，卡扣b上方均布通水孔a，隔水接手I下端與滑套座3螺紋連接;滑套座3依次貫穿推力軸承5、滑套4、推力軸承5，尾部連接密封螺母6，滑套座3與滑套4間隙配合，滑套座3軸向設有貫通孔，隔水接手1、密封螺母6配合實現滑套4及其上下兩個推力軸承5的軸向限位;密封螺母6的O型密封圈d密封螺母與心軸接手7之間的間隙，滑套4外螺紋連接心軸接手7上端。
[0051]參照圖2和圖10，導流限位機構Π包括心軸8、懸掛接手9、限位螺母10、滑動密封環11、彈卡架12、彈簧13、彈卡鉗14、彈卡室15、彈卡座16、水路截斷環17和彈性單向排氣閥18;心軸8軸線設有貫通孔，其上端與心軸接手7螺紋連接，下端與彈卡架12螺紋連接，心軸8軸身布置的外花鍵與懸掛接手9的內花鍵相配，懸掛接手9與心軸8可沿花鍵做軸向相對滑動；限位螺母10固定滑動密封環11于彈卡架12上端，滑動密封環11密封懸掛接手9與彈卡架12之間的間隙，彈卡架12下段開有環形孔e，貫穿彈簧13的插銷可帶動彈簧13在環形孔e中上下滑移，彈簧13支腿插入彈卡鉗14的預留孔中，彈卡鉗14被插銷固定于彈卡座16上端;彈卡座16下段軸向設有彈性單向排氣閥18，其外環與水路截斷環17過盈配合;水路截斷環17布置于彈卡室15泄水孔g處，并與彈卡室15內壁緊密接觸密封泄水孔g截斷水路，水路截斷環17均布互不連通的軸向水路;彈卡室15內環布有對應彈卡鉗14的限位槽f，限位槽f以下均布泄水孔g，彈卡室15上端與懸掛接手9螺紋連接，下端與導流管21螺紋連接。
[0052]參照圖3、圖6、圖9和圖11，儲壓機構ΙΠ包括腔頂蓋19、儲壓腔20、導流管21、腔底蓋22、彈性單向閥23、儲壓彈簧24、活塞25組成；腔頂蓋19軸向有半深凹槽，頂端開口底端閉合，底端有通氣孔i，腔頂蓋19通過凹槽內螺紋連接導流限位機構Π的彈卡座16并對水路截斷環17做軸向限位，外壁預留銷口與儲壓腔20螺紋銷h連接，并在接口處涂密封膠密封;導流管21內壁除設置與儲壓腔外花鍵η相配的內花鍵0外，還設有軸向導流槽P;腔底蓋22與儲壓腔20螺紋連接，其軸線位置裝有彈性單向閥23;儲壓彈簧24位于儲壓腔20內，其一端連接腔底蓋22，另一端連接活塞25，采用鉸接或粘結連接;活塞25與儲壓腔20內壁光滑緊密接觸;導流管21與底承臺30連接處均布溢水孔L。
[0053]參照圖3、圖7、圖8和圖9，提引注壓機構IV包括引壓器26、注壓器27、帶針氣閥28和底彈簧29;引壓器26的中空支腿j穿過注壓器27端部預留孔插入腔底蓋22預留孔洞，并與腔底蓋22焊接密封；引壓器26端部、注壓器27上端均設有帶針氣閥28，帶針氣閥為常閉氣閥，內部壓縮彈簧頂推密封墊使氣閥處于閉合狀態，外端設有頂針，端部設置橡膠密封墊k，氣閥28與引壓器26、注壓器27螺紋連接;注壓器27下段均布的軸向孔分兩類，一類與注壓器帶針氣閥連通，并貫通于底承臺30預留的軸向通路，該類軸向孔與底承臺預留軸向通路接口處焊接密封，另一類不與注壓器帶針氣閥連通，為獨立單向孔，用于注壓器27與底承臺30固定，采用螺紋銷或焊接連接;底彈簧29—端固定于底承臺30頂端面，通過焊接、鉸接或粘結連接，另一端為自由端，底彈簧、底承臺二者共軸線。
[0054]參照圖4和圖5，側噴鉆頭分動機構VI包括環帽35和推力軸承36;卡簧座33末端的內凹臺階坐落于推力軸承36上盤，環帽35、推力軸承36下盤與側噴鉆頭37內臺階過盈配合，環帽35下端面與推力軸承36上盤端面預留間隙，環帽35內環、上端面與卡簧座33末端內凹臺階預留間隙。
[0055]參照圖2、圖3、圖4、圖10和圖11，密封系統包含靜態密封和動態密封;靜態密封包括涂沫潤滑油，在內外螺紋根部加設橡膠密封圈，螺紋銷連接結構間進行密封膠密封，焊接密封;動態密封包括隔水接手與懸掛環間的橡膠密封環c、密封螺母外圍預裝的O型密封圈d、滑動密封環11、水路截斷環17、帶針氣閥處的橡膠密封墊k、活塞25。
[0056]使用方法:
[0057]由于兼具常規卡心功能，可在鉆進初始隨雙管鉆具或繩索取心鉆具一起下入鉆孔內施工;或當鉆進過程中遇極破碎、軟弱易沖蝕、松散等采心不牢地層時，將繩索取心鉆具內管總成打撈上來，換裝液壓巖心卡取裝置，配合采用側噴式鉆頭進行鉆進。
[0058]鉆具裝配液壓巖(礦)心卡取裝置，重新下鉆，各機構到位后，開始向孔內栗送沖洗液，若為繩索取心鉆具配合液壓卡取心裝置，則地表的栗壓表會有第一次壓力明顯升高(約升高5?1atm)，表明內管總成已到達指定位置;緊接著會出現第二次壓力明顯升高(相對第一次升壓峰值約升高5?1atm)，第二次升壓會出現升-停-升-停的過程，表明儲壓腔正在充壓;壓力升至第二次升壓峰值后會有第三次壓力明顯升高(相對第二次升壓峰值約升高3?5atm)，表明儲壓腔已完成充壓并開始頂推水位截斷環滑移泄水孔，隨后出現降壓至設計栗壓，說明水路已由儲壓水路轉為鉆進水路，可以開始掃孔鉆進。若為雙管鉆具配合本液壓卡取心裝置，則地表栗壓表依次出現的壓力變化過程為第一次升壓(約升高15?20atm)、第二次升壓(相對第一次壓峰值約升高3?5atm)、降壓至設計栗壓，其中第一次升壓栗壓表會出現升-停-升-停的過程，表示儲壓腔充壓過程，第二次升壓表示儲壓腔充壓完畢并開始頂推水位截斷環滑移泄水孔，降壓至設計栗壓表示水路已由儲壓水路轉為鉆進水路，可以開始掃孔鉆進。栗壓表的壓力變化由本液壓卡取心裝置中的各彈簧彈力共同確定，可根據鉆進地層軟硬程度不同，調節彈簧的彈力，避免液壓膜圍壓過大擾動破壞巖(礦)心，兼顧巖心采取率及取心質量。鉆進過程中的鉆壓、鉆速等鉆進參數均可采用與雙管鉆具或繩索取心鉆具一致的鉆進參數，但從復雜地層鉆進取心考慮，鉆壓不宜過大，一般為2?4kN，否則可能造成巖心堵塞或糊鉆，鉆速從保護破碎巖(礦)心考慮，一般在150?250rpm。鉆進過程中要嚴格注意巖(礦)心采取長度，可通過鉆進進尺控制進入液壓膜31中的巖(礦)心長度，若為繩索取心鉆具，可通過地表栗壓表壓力變化確定巖心是否裝滿巖心內管;但為保證液壓膜31對巖心內管32中巖礦心有較好的包裹作用，當鉆進進尺相對巖心內管最大取心長度差約0.05?0.1m時即可停止鉆進。提鉆取心過程中本液壓卡取心裝置的三維應力卡取捆綁巖心自動完成，故操作流程與常規鉆進一致，具體操作為雙管鉆具直接提鉆取巖(礦)心，緩慢提鉆約0.05m后稍作停頓，即可繼續提鉆;繩索取心鉆具通過打撈器撈取巖(礦)心，打撈器緩慢提升約0.05m后稍作停頓，即可繼續提升打撈器。提鉆到地面后，可根據巖(礦)心需要，或在液壓膜泄壓后將巖(礦)心取出，或泄壓后將液壓膜、巖(礦)心同時取出，由液壓膜包裹的巖(礦)心可有效避免地表環境對巖(礦)心的影響，為后續巖(礦)心實驗研究提供先決條件。
[0059]目前復雜地層難取心問題、取心質量差等問題，除了鉆具隔水性能、對巖(礦)心的保真方面的不足，關鍵在于現行鉆探機具的巖(礦)心卡取原理未能適應復雜地層巖(礦)心卡取要求。使用本液壓卡取巖(礦)心裝置，液壓提供全自動三維應力卡取捆綁巖心，利用液壓膜不透水特性，實現對復雜地層巖(礦)心卡取的同時實現了巖(礦)心強力隔水保真，解決了傳統卡心裝置不宜卡取破碎巖心的弊端，配合常規卡心割心裝置，將液壓巖(礦)心卡取裝置的應用范圍擴展到整個可鉆地層取心，適用范圍廣，取芯率、取心質量、可靠性高。
[0060]以上已將本發明做一詳細說明，以上所述，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能限定本發明實施范圍，即凡依本申請范圍所作均等變化與修飾，皆應仍屬本發明涵蓋范圍內。
【主權項】
1.一種鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:包括隔水分動機構(I)、導流限位機構(Π)、儲壓機構(m)、提引注壓機構(IV)、液壓卡心機構(V)、側噴鉆頭分動機構(VI)和密封系統，導流限位機構(π)對接隔水分動機構(I)，儲壓機構(m)對接導流限位機構(π)，提引注壓機構(IV)對接儲壓機構(m)，液壓卡心機構(V)對接提引注壓機構(IV)，側噴鉆頭分動機構(VI)對接液壓卡心機構(V); 所述液壓卡心機構(V)包括底承臺(30)、液壓膜(31)、巖心內管(32)、卡簧座(33)和卡簧(34);巖心內管(32)上端與儲壓機構(ΙΠ)的導流管(21)下端螺紋連接;底承臺(30)內含單向閥(m)，側壁均布溢水孔(L)，該溢水孔與導流管(21)溢水孔位置重合、水路連通，底承臺(30)與導流管(21)螺紋銷連接，接口處、溢水孔過渡處采用密封膠密封;底承臺(30)下端臺階與液壓膜(31)采用密封膠粘結密封，液壓膜(31)吸附于巖心內管內壁并布置于整個巖心內管(32)，卡簧座(33)與巖心內管(32)螺紋連接，卡簧座(33)螺紋根部預留有液壓膜收納空間，位于卡簧座收納段的液壓膜(31)在液壓作用下可形成鎖扣形式;卡簧(34)與卡簧座(33)楔形接觸。2.根據權利要求1所述的鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:所述液壓膜(31)沿巖心內管內壁布置至內管(32)末端，然后經卡簧座(33)的液壓膜收納段，再上返至巖心內管末端，液壓膜(31)與巖心內管(32)末端外壁凹臺段采用密封膠粘結密封后繼續向上延伸固定于卡簧座(33)與巖心內管(32)螺紋間；卡簧座(33)無水口，末端為內凹臺階結構。3.根據權利要求2所述的鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:所述隔水分動機構(1)包括隔水接手(I)、懸掛環(2)、滑套座(3)、滑套(4)、推力軸承(5)、密封螺母(6)和心軸接手(7);隔水接手(I)外壁的環狀卡扣(b)同位于外管(40)與上擴孔器(41)之間的懸掛環(2)處于接觸壓緊狀態，卡扣(b)與懸掛環(2)之間布置橡膠密封環(c)，卡扣(b)上方均布通水孔(a)，隔水接手(I)下端與滑套座(3)螺紋連接;滑套座(3)依次貫穿推力軸承(5)、滑套(4)、推力軸承(5)，尾部連接密封螺母(6)，滑套座(3)與滑套(4)間隙配合，滑套座(3)軸向設有貫通孔，隔水接手(I)、密封螺母(6)配合實現滑套(4)及其上下兩個推力軸承(5)的軸向限位;密封螺母(6)的O型密封圈(d)密封螺母與心軸接手(7)之間的間隙，滑套(4)外螺紋連接心軸接手(7)上端。4.根據權利要求3所述的鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:導流限位機構(Π)包括心軸(8)、懸掛接手(9)、限位螺母(10)、滑動密封環(11)、彈卡架(12)、彈簧(13)、彈卡鉗(14)、彈卡室(15)、彈卡座(16)、水路截斷環(17)和彈性單向排氣閥(18);心軸(8)軸線設有貫通孔，其上端與隔水分動機構(I)的心軸接手(7)螺紋連接，下端與彈卡架(12)螺紋連接，心軸(8)軸身布置的外花鍵與懸掛接手(9)的內花鍵相配，懸掛接手(9)與心軸(8)可沿花鍵做軸向相對滑動；限位螺母(10)固定滑動密封環(11)于彈卡架(12)上端，滑動密封環(11)密封懸掛接手(9)與彈卡架(12)之間間隙，彈卡架(12)下段開有環形孔(e)，貫穿彈簧(13)的插銷可帶動彈簧(13)在環形孔(e)中上下滑移，彈簧(13)支腿插入彈卡鉗(14)的預留孔中，彈卡鉗(14)被插銷固定于彈卡座(16)上端;彈卡座(16)下段軸向設有彈性單向排氣閥(18)，其外環與水路截斷環(17)過盈配合；水路截斷環(17)布置于彈卡室(15)泄水孔(g)處，并與彈卡室(15)內壁緊密接觸密封泄水孔(g)截斷水路，水路截斷環(17)均布互不連通的軸向水路;彈卡室(I5)內環布有對應彈卡鉗(14)的限位槽(f)，限位槽(f)以下均布泄水孔(g)，彈卡室(15)上端與懸掛接手(9)螺紋連接，下端與儲壓機構(ΙΠ)的導流管(21)螺紋連接。5.根據權利要求4所述的鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:儲壓機構(m)包括腔頂蓋(19)、儲壓腔(20)、導流管(21)、腔底蓋(22)、彈性單向閥(23)、儲壓彈簧(24)、活塞(25)組成;腔頂蓋(19)軸向有半深凹槽，頂端開口底端閉合，底端有通氣孔(i)，腔頂蓋(19)通過凹槽內螺紋連接導流限位機構(Π)的彈卡座(16)并對水路截斷環(17)做軸向限位，夕卜壁預留銷口與儲壓腔(20)螺紋銷(h)連接，并在接口處涂密封膠密封;導流管(21)內壁除設置與儲壓腔外花鍵(η)相配的內花鍵(ο)外，還設有軸向導流槽(p);腔底蓋(22)與儲壓腔(20)螺紋連接，其軸線位置裝有彈性單向閥(23);儲壓彈簧(24)位于儲壓腔(20)內，其一端連接腔底蓋(22)，另一端連接活塞(25)，采用鉸接或粘結連接;活塞(25)與儲壓腔(20)內壁光滑緊密接觸;導流管(21)與液壓卡心機構(V)的底承臺(30)連接處均布溢水孔(L)。6.根據權利要求5所述的鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:提引注壓機構(IV)包括引壓器(26)、注壓器(27)、帶針氣閥(28)和底彈簧(29);引壓器(26)的中空支腿(j)穿過注壓器(27)端部預留孔插入腔底蓋(22)預留孔洞，并與腔底蓋(22)焊接密封；引壓器(26)端部、注壓器(27)上端均設有帶針氣閥(28)，帶針氣閥為常閉氣閥，內部壓縮彈簧頂推密封墊使氣閥處于閉合狀態，外端設有頂針，端部設置橡膠密封墊(k)，帶針氣閥(28)與引壓器(26)、注壓器(27)螺紋連接;注壓器(27)下段均布的軸向孔分兩類，一類與注壓器帶針氣閥連通，并貫通于液壓卡心機構(V)的底承臺(30)預留的軸向通路，該類軸向孔與底承臺預留軸向通路接口處焊接密封，另一類不與注壓器帶針氣閥連通，為獨立單向孔，用于注壓器(27)與底承臺(30)固定，采用螺紋銷或焊接連接;底彈簧(29)—端固定于底承臺(30)頂端面，通過焊接、鉸接或粘結連接，另一端為自由端，底彈簧、底承臺二者共軸線。7.根據權利要求6所述的鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:側噴鉆頭分動機構(VI)包括環帽(35)和推力軸承(36);液壓卡心機構(V)的卡簧座(33)末端的內凹臺階坐落于推力軸承(36)上盤，環帽(35)、推力軸承(36)下盤與側噴鉆頭(37)內臺階過盈配合，環帽(35)下端面與推力軸承(36)上盤端面預留間隙，環帽(35)內環、上端面與卡簧座(33)末端內凹臺階預留間隙。8.根據權利要求7所述的鉆探用液壓巖心卡取裝置，其特征在于:密封系統包含靜態密封和動態密封;靜態密封包括螺紋裝配時涂沫潤滑油，在內外螺紋根部加設橡膠密封圈，螺紋銷連接結構間進行密封膠密封，焊接密封;動態密封包括隔水接手與懸掛環間的橡膠密封環(c)、密封螺母外圍預裝的O型密封圈(d)、滑動密封環(11)、水路截斷環(17)、帶針氣閥處的橡膠密封墊(k)、活塞(25)。
【文檔編號】E21B25/00GK106014314SQ201610521821
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月5日
【發明人】郝志斌
【申請人】中交第四航務工程勘察設計院有限公司