空气潜孔锤取心跟管钻具.pdf

一种空气潜孔锤取心跟管钻具，其特征是由中心取心钻具和套管总成构成，中心取心钻具由上接头、竖向设置的岩心容纳管、竖向设置的外管和管状取心钻头组成，套管总成由竖向设置的套管和管状套管钻头组成，在岩心容纳管的外壁与外管的内壁之间具有第一环状间隙，在管状套管钻头和套管之间设置有使管状套管钻头活动悬挂于套管的下端并可绕套管的轴心线转动的悬挂结构，在管状套管钻头和管状取心钻头之间设置有扭矩传递结构，在管状取心钻头和管状套管钻头之间设置有压力传递结构，在外管的外壁与套管的内壁之间具有第二环状间隙，所述上接头具有潜孔锤接口，在上接头上设置有相互分离的排气流道和进气流道，在管状取心钻头的侧壁具有侧通孔。

1、  一种空气潜孔锤取心跟管钻具，其特征是由中心取心钻具和套管总成构成，所述中心取心钻具由上接头、竖向设置的岩心容纳管、竖向设置的外管和管状取心钻头组成，所述套管总成由竖向设置的套管和管状套管钻头组成，所述岩心容纳管套置并固定于外管之内，在岩心容纳管的外壁与外管的内壁之间具有第一环状间隙，所述外管的上端与上接头固定连接，所述外管的下端与管状取心钻头固定连接，所述管状取心钻头的管孔与岩心容纳管的下端管口相对接，所述管状套管钻头活动套置于套管的下端，在管状套管钻头和套管之间设置有使管状套管钻头活动悬挂于套管的下端并可绕套管的轴心线转动的悬挂结构，所述管状取心钻头由管状套管钻头的管口向外伸出，所述管状套管钻头的底端高于管状取心钻头，在管状套管钻头和管状取心钻头之间设置有扭矩传递结构，在管状取心钻头和管状套管钻头之间设置有压力传递结构，所述压力传递结构能够将管状取心钻头受到的沿着外管轴向的压力传递给管状套管钻头，所述外管套置在套管之内，在外管的外壁与套管的内壁之间具有第二环状间隙，所述上接头具有潜孔锤接口，在上接头上设置有相互分离的排气流道和进气流道，所述上接头的排气流道的一端与岩心容纳管的空腔相连通，所述上接头的排气流道的另一端与所述第二环状间隙相连通，所述上接头的进气流道的一端构成潜孔锤接口上的进气口，所述上接头的进气流道的另一端与所述第一环状间隙相连通，在管状取心钻头的侧壁具有侧通孔，该侧通孔的一端开口与所述第一环状间隙相连通，该侧通孔的另一端开口位于管状套管钻头的底端面之下。

2、  如权利要求1所述的钻具，其特征是设置于管状套管钻头和套管之间的悬挂结构由卡环和对应开设在管状套管钻头的侧壁和套管的侧壁的环形槽构成，所述卡环嵌设在管状套管钻头侧壁和套管侧壁的所述环形槽内。

3、  如权利要求1所述的钻具，其特征是设置于管状套管钻头和管状取心钻头之间的扭矩传递结构由设置在管状套管钻头的内管壁上的内凸花键和设置在管状取心钻头的外壁上的键槽构成，所述管状套管钻头上的内凸花键与管状取心钻头上的键槽相配合。

4、  如权利要求1所述的钻具，其特征是所述压力传递结构由对应设置在管状取心钻头和管状套管钻头上的传力台阶构成。

5、  如权利要求1所述的钻具，其特征是所述压力传递结构由对应设置在管状取心钻头和套管上的传力台阶构成。

空气潜孔锤取心跟管钻具
技术领域
本发明涉及一种用于工程地质勘察和固体矿产勘探的空气潜孔锤取心跟管钻具。
背景技术
在覆盖层和断裂破碎带等复杂地层工程地质勘察和固体矿产勘探中，存在着钻进效率低和岩心质量差的问题，影响对地层和矿层的准确评价。目前，使用常规金刚石或合金取心钻具裸孔钻进采集岩心，一方面，由于地层结构松散和钻井液漏失，钻孔不稳定，孔壁容易垮塌，孔内故障多，钻进效率低，且不易保证岩心质量；另一方面，以单一回转切削方式破碎岩石，破碎效果和钻进效率都不如冲击回转钻进，如中国发明专利申请号02135935.0中公开的天然气水合物深水浅孔保压保温取心钻具。已有的金刚石取心跟管钻具利用回次间歇性跟管，不能实现随钻同步跟管，钻孔底部总存在一定长度裸孔段，钻孔仍有垮塌的可能性。并且，在滑坡勘察工程中，采用液态钻井液将影响滑体的稳定性，甚至诱发滑坡活动，如中国发明专利申请号200410080343.X中公开的三合一组合式取心钻具和中国实用新型专利89220229.7中公开的可控分流式取心钻具。另外，岩土基础工程处理中使用的空气潜孔锤跟管钻具以冲击回转方式破碎岩石，钻进效率高，并有随钻同步跟管护壁效果，但不具备采集岩心能力，不能用于工程地质勘察和固体矿产勘探，如中国实用新型专利97250651.9公开的粘土层大管棚施工用的钻具和中国实用新型专利97250652.7公开的地下工程大管棚施工用的钻具。因此，急需提供一种用于复杂地层岩心钻探，采集岩心质量好、钻进效率高、钻孔不垮塌且不会诱发滑坡活动的取心钻具。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于河床堆积、滑坡堆积、冰川冰水堆积、回填堆积等覆盖层和用于断裂破碎带、水敏性、漏失等复杂地层岩心钻探的空气潜孔锤取心跟管钻具，该钻具能够以空气冲击回转方式取心钻进，随钻同步跟进套管护壁，实现空气潜孔锤取心跟管钻进，其采集岩心质量好、钻进效率高、钻孔不垮塌且不会诱发滑坡活动。
为了达到上述目的，本发明提供一种空气潜孔锤取心跟管钻具，其特征是由中心取心钻具和套管总成构成，所述中心取心钻具由上接头、竖向设置的岩心容纳管、竖向设置的外管和管状取心钻头组成，所述套管总成由竖向设置的套管和管状套管钻头组成，所述岩心容纳管套置并固定于外管之内，在岩心容纳管的外壁与外管的内壁之间具有第一环状间隙，所述外管的上端与上接头固定连接，所述外管的下端与管状取心钻头固定连接，所述管状取心钻头的管孔与岩心容纳管的下端管口相对接，所述管状套管钻头活动套置于套管的下端，在管状套管钻头和套管之间设置有使管状套管钻头活动悬挂于套管的下端并可绕套管的轴心线转动的悬挂结构，所述管状取心钻头由管状套管钻头的管口向外伸出，所述管状套管钻头的底端高于管状取心钻头，在管状套管钻头和管状取心钻头之间设置有扭矩传递结构，在管状取心钻头和管状套管钻头之间设置有压力传递结构，所述压力传递结构能够将管状取心钻头受到的沿着外管轴向的压力传递给管状套管钻头，所述外管套置在套管之内，在外管的外壁与套管的内壁之间具有第二环状间隙，所述上接头具有潜孔锤接口，在上接头上设置有相互分离的排气流道和进气流道，所述上接头的排气流道的一端与岩心容纳管的空腔相连通，所述上接头的排气流道的另一端与所述第二环状间隙相连通，所述上接头的进气流道的一端构成潜孔锤接口上的进气口，所述上接头的进气流道的另一端与所述第一环状间隙相连通，在管状取心钻头的侧壁具有侧通孔，该侧通孔的一端开口与所述第一环状间隙相连通，该侧通孔的另一端开口位于管状套管钻头的底端面之下。
在使用本发明中的钻具时，可以让上接头的潜孔锤接口与潜孔锤相连接，这样，就可以由潜孔锤向本钻具输入转动力矩、冲击力和高压空气。在本钻具工作时，潜孔锤输入的转动力矩使管状取心钻头旋转，同时，通过扭矩传递结构将转动力矩传递给管状套管钻头并使之旋转。由于管状套管钻头活动是经上述悬挂结构而悬挂于套管的下端，在管状套管钻头的旋转过程中，套管并不随之转动。另外，潜孔锤所施加的冲击力也作用于管状取心钻头上，并经压力传递结构传递给管状套管钻头。由潜孔锤输入的高压空气经上接头的进气流道进入第一环状间隙，再从管状取心钻头的侧通孔向外喷出，喷出后的气流及带起的岩屑由第二环状间隙向井外排出。在管状取心钻头钻进过程中，岩心由管状取心钻头的管孔进入岩心容纳管，同时，岩心容纳管内原存留的空气经上接头的排气流道排入第二环状间隙。
在本发明中，所述管状取心钻头由管状套管钻头的管口向外伸出，所述管状套管钻头的底端高于管状取心钻头，这就可以使管状取心钻头端面凸出于管状套管钻头端面，让管状取心钻头端面可以在管状套管钻头之前实现超前钻进。通常情况下，可以将上述管状取心钻头端面和管状套管钻头端面之间地距离控制在60～150毫米。另外，所述上接头的进气流道的另一端与所述第一环状间隙相连通，在管状取心钻头的侧壁具有侧通孔，该侧通孔的一端开口与所述第一环状间隙相连通，该侧通孔的另一端开口位于管状套管钻头的底端面之下。这样，高压空气就可以从位于管状取心钻头底端面之下的侧通孔喷出，冷却钻头和冲洗钻孔，进而消除高压空气冲刷孔底岩心的不利因素，使岩心顺利进入岩心容纳管的内腔。
本发明中在管状套管钻头和套管之间设置有使管状套管钻头活动悬挂于套管的下端并可绕套管的轴心线转动的悬挂结构，该悬挂结构可以是多种结构形式，如：轴承结构、钩扣结构、卡环、相互配合的凸台和凹槽等，还可以是具有上述结构的部件，如：具有轴承或卡环的管状套管靴等。为了便于安装和生产，上述悬挂结构可以由卡环和对应开设在管状套管钻头的侧壁和套管的侧壁的环形槽构成，所述卡环嵌设在管状套管钻头侧壁和套管侧壁的所述环形槽内。
本发明中所述的岩心容纳管可以是双管型岩心容纳管和单管型岩心容纳管两种结构。双管型岩心容纳管能够容易地退出岩心和保持岩心原状，可以在对岩心质量有特殊要求时使用；单管型岩心容纳管可减小岩心阻力，提高钻进效率，可以在一般情况下使用。
另外，本发明中所述上接头的排气流道的一端与岩心容纳管的空腔相连通，目的是使回气通道畅通，消除岩心进入岩心容纳管时的背压，让岩心顺利进入岩心容纳管，避免管状取心钻头产生重复破碎岩心的不利因素，使采集的岩心不串层，用以提高岩心采取率和保持岩心原状。
本发明中在管状套管钻头和管状取心钻头之间设置的扭矩传递结构，可以根据具体使用情况采用多种结构形式，如：该扭矩传递结构由设置在管状套管钻头的内管壁上的内凸花键和设置在管状取心钻头的外壁上的键槽构成，所述管状套管钻头上的内凸花键与管状取心钻头上的键槽相配合。
本发明所述的压力传递结构可以是由相互配合的传力台阶或凹凸结构等其它类似传力结构构成。该压力传递结构既可以由对应设置在管状取心钻头和管状套管钻头上的传力台阶构成，又可以由对应设置在管状取心钻头和套管上的传力台阶构成。当然，还可以在上述两处同时设置压力传递结构。另外，本发明所述上接头具有的潜孔锤接口可以根据与其相连接的潜孔锤的结构而相应变化。
本发明在上接头上设置有相互分离的排气流道和进气流道，需要指出的是，所述上接头可以是单独的一个部件也可以是多个部件的组合，例如，可以在上接头上设置具有上述排气流道和进气流道的分流接头。
其次，本发明中上述套管总成中的套管可以由多段套管单元组成，其连接方式既可以是套管单元之间直接连接，也可以通过连接结构间接连接，如：相邻套管单元间通过设置套管柱固定连接，或者相邻套管单元通过设置相互配合的螺纹固定连接。在套管的与管状套管钻头的连接部还可以设置作为套管附属连接件的管状套管靴。
与前述现有同类产品相比，本发明的空气潜孔锤取心跟管钻具能够在空气潜孔锤等压力装置提供的周期性冲击力作用下，利用中心取心钻具和管状套管钻头进行空气潜孔锤取心跟管钻进，让岩心随钻进入岩心容纳管内腔。下端直接连接管状取心钻头的中心取心钻具依靠扭矩传递结构和压力传递结构与套管总成在孔内连接，带动管状套管钻头同步进行冲击和回转钻进，并沿轴向下拖套管随钻向孔底延深。所设置的管状取心钻头可以在管状套管钻头之前实现超前钻进，同时，设置在管状取心钻头的侧通孔的另一端开口，即高压空气的喷口位于管状套管钻头的底端面之下，让高压空气能够从管状取心钻头底端面之下喷出，冷却钻头和冲洗钻孔，进而消除高压空气冲刷孔底岩心的不利因素。所设置的上接头的排气流道的一端与岩心容纳管的空腔相连通，可以使回气通道畅通，消除岩心进入岩心容纳管时的背压。采取上述技术措施之后，可以有效地避免管状取心钻头重复破碎岩心，使岩心顺利进入岩心容纳管的内腔，大幅度提高钻进效率，进而提高岩心采取率和岩心品质。
本发明的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。
图1是实施例中空气潜孔锤取心跟管钻具的结构示意图。
图2是图1的F部局部放大图。
图3是图2的A-A剖视放大图。
图4是中心取心钻具的结构示意图。
图5是图4的B-B剖视放大图。
图6是图5的C-C(转折)剖视图。
图7是套管总成的结构示意图。
图8是图7的G部局部放大图。
图9是图8的D-D(转折)剖视图。
图10是实施例中空气潜孔锤取心跟管钻具的钻头部分放大结构示意图。
如图1～10所示，本实施例中的空气潜孔锤取心跟管钻具由中心取心钻具和套管总成构成，所述中心取心钻具由上接头1、竖向设置的岩心容纳管2、竖向设置的外管3和管状取心钻头4组成，所述套管总成由竖向设置的套管5和管状套管钻头6组成，所述岩心容纳管2套置并固定于外管3之内，在岩心容纳管2的外壁与外管3的内壁之间具有第一环状间隙7，所述外管3的上端与上接头1固定连接，所述外管3的下端与管状取心钻头4固定连接，所述管状取心钻头4的管孔与岩心容纳管2的下端管口相对接，所述管状套管钻头6活动套置于套管5的下端，在管状套管钻头4和套管5之间设置有使管状套管钻头4活动悬挂于套管5的下端并可绕套管5的轴心线转动的悬挂结构，所述管状取心钻头4由管状套管钻头6的管口向外伸出，所述管状套管钻头6的底端高于管状取心钻头4，在管状套管钻头6和管状取心钻头4之间设置有扭矩传递结构，在管状取心钻头4和管状套管钻头6之间设置有压力传递结构，所述压力传递结构能够将管状取心钻头4受到的沿着外管3轴向的压力传递给管状套管钻头6，所述外管3套置在套管5之内，在外管3的外壁与套管5的内壁之间具有第二环状间隙8，所述上接头1具有潜孔锤接口9，在上接头1上设置有相互分离的排气流道10和进气流道11，所述上接头1的排气流道10的一端与岩心容纳管2的空腔相连通，所述上接头1的排气流道10的另一端与所述第二环状间隙8相连通，所述上接头1的进气流道10的一端构成潜孔锤接口上的进气口，所述上接头1的进气流道10的另一端与所述第一环状间隙7相连通，在管状取心钻头4的侧壁具有侧通孔12，该侧通孔12的一端开口与所述第一环状间隙7相连通，该侧通孔12的另一端开口位于管状套管钻头6的底端面之下。
在本实施例中，设置于管状套管钻头6和套管5之间的悬挂结构由卡环13、对应开设在管状套管钻头6侧壁的环形槽21和套管侧壁的环形槽22构成，所述卡环13嵌设在管状套管钻头侧壁和套管侧壁的所述环形槽21、22内。本实施例在套管的与管状套管钻头的连接部设置了作为套管附属连接件的管状套管靴14(仍然为套管的一部分)，上述套管侧壁的环形槽22即开设在该管状套管靴14上。
本实施例中设置于管状套管钻头6和管状取心钻头4之间的扭矩传递结构由设置在管状套管钻头6的内管壁上的内凸花键15和设置在管状取心钻头4的外壁上的键槽16构成，所述管状套管钻头6上的内凸花键15与管状取心钻头4上的键槽16相配合。
本实施例中同时设置了主传压付和副传压付共两套压力传递结构，主传压付由对应设置在管状取心钻头4和管状套管钻头6上的传力台阶17、18构成。副传压付由对应设置在管状取心钻头4和套管5上的传力台阶19、20构成。
在使用本实施例的空气潜孔锤取心跟管钻具进行取心钻进时，先将上述上接头1具有的潜孔锤接口9与外部的空气潜孔锤固定连接，让外部的空气潜孔锤和中心取心钻具组成可提升部分；管状套管钻头6和套管5之间通过管状套管靴14连接组成跟管部分。再让该可提升部分套置在上述跟管部分中，且通过套管5下到孔底，此时，设置在管状套管钻头4的内管壁上的内凸花键15和设置在管状取心钻头4的外壁上的键槽16便呈合上状态构成了扭矩传递结构，对应设置在管状取心钻头4和管状套管钻头6上的传力台阶17、18也呈合上状态，构成了压力传递结构主传压付。此时，空气潜孔锤传递的冲击及回转力不仅直接作用在中心取心钻具上，而且还通过上述扭矩传递结构和压力传递结构带动上述套管总成中的管状套管钻头6同步旋转、钻进，进而实现本实施例的空气潜孔锤取心跟管钻具的冲击回转取心钻进。在由对应设置在管状取心钻头4和管状套管钻头6上的传力台阶17、18构成的压力传递结构主传压付未磨损情况下，另一套由对应设置在管状取心钻头4和套管5上的传力台阶19、20构成的压力传递结构(副传压付)处于非接触状态；当主传压付磨损后，该副传压付的台阶呈接触状态，形成辅助传压付，传压任务由主传压付和副传压付同时承担。在上述钻具冲击回转取心钻进过程中，上述套管5(含管状套管靴14)不旋转，只沿轴向随管状套管钻头6同步延深。钻进时，随中心取心钻具钻进并沿轴向同步向孔底延深的套管5可随钻孔延深加长，靠其隔离保护钻孔孔壁，实现空气潜孔锤取心跟管钻进。
在本实施例的钻具钻进时，由空气潜孔锤输入的高压空气通过上接头1的进气流道11的一端构成潜孔锤接口9上的进气口进入，然后经上接头的进气流道11的另一端进入上述第一环状间隙7，再经过与第一环状间隙7连通的侧通孔12流出冷却钻头和冲洗钻孔，并且，将喷出后的气流及带起的岩屑由与上接头1的排气流道10的另一端相连通的第二环状间隙8向井外排出。岩心随钻进入上述岩心容纳管2时，岩心容纳管2的空腔内的空气便会经所述上接头1的排气流道10的一端由第二环状间隙8向井外排出。
钻进回次完成，即岩心装满后，将中心取心钻具与固定连接的空气潜孔锤向地面提升，上述扭矩传递结构和压力传递结构随即各自分离。此间，套管总成中的管状套管钻头6、套管靴14和套管5，属放置在钻孔内的部分，不随中心取心钻具提升而动作。取心完成后，再次将中心取心钻具套置在上述跟管部分中，下钻到位进行又一回次钻进。
在本实施例中，所设置的岩心容纳管为双管型岩心容纳管，即由岩心容纳外管和套置于其内的半合管构成。