一种新型电动定向取芯器.pdf

本发明是一种新型电动定向取芯器，该仪器是一种专门设计用于地质勘探岩心定向取心的工具，在钻进取心时，向孔内下放电动定向取芯器对孔底尚未改变原始位态的岩心打出标记，通过钻进取心来完成岩心的原状定位。电动定向取芯器由机械仓和电池仓两部分组成，其机械仓主要由扭矩平衡与恒压导向部分、微钻回转钻进部分、压力平衡部分、打标钻孔控制部分组成。本设计装置结构紧凑，操作简单，可靠性高，此外，本装置的成本较其它现有定向打标装置或方法低，适用范围广(口径不小于60mm)，故更有利于此装置在定向取芯钻井中的推广使用。

1、  一种新型电动定向取芯器，包括机械仓(2)和安装在其上面的电池仓(1)两大部分，其特征在于电池仓通过螺纹连接和可插接式电极(15)以及密封圈实现对机械仓的密封和供电，保证机械仓在孔内的续航工作能力，实现钻孔打标。

2、  根据权利要求1所述的取芯器，其特征在于为了减少定向取芯器工作时的功率消耗，满足钻削工艺和地层要求，设计研制低功耗钎焊微型的金刚石钻头(7)，该钻头(7)与轴(6)采用螺纹连接，便于拆卸，轴(6)通过联轴节(5)与电机(3)轴相连，实现回转钻进。

3、  根据权利要求1所述的取芯器，其特征在于电机上方安装弹簧(10)，通过调整电极座(9)对弹簧(10)施加预压力，以实现恒压钻进；同时为了保证可靠的导向钻进，设计了与电机相连并可随电机上下移动的二导向柱(11)，另一端插入支撑螺母(12)的导向槽内，同时增加导流结构，实现导向钻进并平衡反扭矩。

4、  根据权利要求1所述的取芯器，其特征在于为了钻进过程中主轴(6)旋转密封的可靠性，设计了压力平衡套(13)，以保证孔深增加，钻井液压力增大，仪器内外压力的平衡，该压力平衡套(13)开口于钻井液中并与内部的平衡液隔离密封，其开口部固定于平衡螺母(14)上，平衡螺母(14)与支撑螺母(12)采用螺纹连接，并附加密封圈，实现压力平衡。

5、  根据权利要求1所述的取芯器，其特征在于为了保证孔内的续航工作能力，设计了打标钻孔控制装置，通过使用螺钉(17)加上弹簧(18)作为开关控制器，初始状态时螺钉(17)与导电铜环(16)不连接，当微钻头(7)与孔底岩芯接触时，微钻头(7)、轴(6)、电机(3)一起上移，使螺钉(17)与导电铜环(16)连接，整个电路连通，迫使螺钉(17)压缩开关弹簧(18)并缩回，开始打标钻孔，随着打标钻孔延伸到设定孔深时，螺钉(17)与导电铜环(16)再次分离，打标钻孔结束。

一种新型电动定向取芯器
技术领域
本电动定向取芯器是一种用于地质勘探、石油钻井和地下测量的地质仪器。
技术背景
定向取芯是利用高精度的多点测斜仪与专门设计的岩芯定向取心工具通过钻井取芯来完成的。在钻井取芯时，利用电动定向取芯器对孔底尚未改变原始位态的岩心端面打出标记。目前国内外的取芯器也比较多，但大都结构复杂，装拆困难，并且受制于钻进孔深、孔径和岩心破碎状况及其断面形状等地质工艺条件，限制了定向取芯技术的推广应用，为此设计研制一种新型的电动定向取芯器。
发明内容
本设计包括机械仓和电池仓，机械仓内设计回转钻进、恒压导向钻进、压力平衡、打标钻孔控制装置几个部分，其功能是这样实现的。
一、设计机械仓与电池仓
本电动定向取芯器设计了电池仓和机械仓，具体方案如下：由于该定向取心器受限于绳索取芯管径向尺寸，因此把机械仓和电池仓分开设计，电池仓通过螺纹连接和可插接式电极以及密封圈实现对机械仓的供电和密封，确保定向取芯器在孔内的续航工作能力。
二、设计机械回转钻进部分
本电动定向取芯器设计了机械回转钻进部分，具体方案如下：由于钻削工艺和地层要求，故研制了微型的金刚石钻头，以减少定向取芯器工作时的功率消耗。根据打孔偏心的需求选择了微电机+减速器的动力装置，通过十字滑块联轴节实现电机与钻头、轴的连接，工作时电机驱动联轴节和轴带动钻头旋转，实现回转钻进。
三、设计恒压导向钻进部分
本电动定向取芯器设计了恒压导向钻进部分，具体方案如下：在电机的上方安装弹簧，通过电极座调整对弹簧的预压缩力，实现钻头钻进过程所需要的钻压，不管下放孔内随钻测量系统的重量如何变化，可以实现恒压力打标钻孔。同时为了保证可靠的导向回转钻进，设计可随电机上下移动的导向柱，一端与电机底部采用螺纹连接，另一端插入支撑螺母的导向槽内，同时增加导流结构，实现恒压导向回转钻进。
四、设计压力平衡部分
本电动定向取芯器设计了压力平衡部分，具体方案如下：由于随孔深的增加，孔内压力增大，为了确保该电动定向取芯器在水下高压密封运转的可靠性，设计了压力平衡装置，由于机械仓内部尺寸的限制，故在支撑螺母内安装压力平衡套，该压力平衡套开口于钻井液中并与内部的平衡液隔离密封，固定于平衡螺母上，平衡螺母与支撑螺母采用螺纹连接，并附加密封圈，在安装时把压力平衡套挤出一部分空气，可以尽可能的减少因机械仓未能完全充满机械油而带来的影响，通过设计该压力平衡部分解决了定向取心器在深孔时的结构密封和压力平衡问题，保证了钻进过程中钻进主轴旋转密封的可靠性。
五、设计打标钻孔控制装置
本电动定向取芯器设计了打标钻孔控制装置，具体方案如下：使用螺钉加上弹簧作为开关控制器，初始状态时螺钉与导电铜环不连接，当微钻头与孔底岩芯接触时，微钻头、轴、电机一起上移，螺钉与导电铜环接触，整个电路连通，电机驱动钻头工作，当达到预定孔深时，螺钉与导电铜环再次脱离，整个电路断开，从而实现钻头接触孔底自动开启电源回转打孔，标记孔完成后自动关断电源，实现打标钻孔开始与终止的自动控制，确保定向取芯器在孔内的续航工作能力。
本电动定向取芯器优点：
1、自备可充电电源，省去了拆装电池的麻烦。
2、设计研制微型金刚石钻头，减少了定向取芯器工作时的切削功耗。
3、设计恒压导向回转钻进系统，避免了外部环境对该装置工作时的影响，同时保证了可靠的导向钻进和反扭矩的平衡。
4、通过设计压力平衡装置，极大地减少了井下高压对机械仓密封的影响，提高了密封的可靠性。
5、设计利用打标钻孔控制装置，实现了电机工作状态的自动控制，结构紧凑、简单实用。
6、整个装置集成于支撑螺母上，整体性强，便于维修拆装。
附图说明
本设计的具体结构有以下实施例及其附图给出。
图1是本设计装置的主视图。
图2是图1中回转钻进部分视图。
图3是图1中恒压钻进部分视图。
图4是图1中导向钻进部分视图。
图5是图4中导向柱的导流通道简图。
图6是图1中压力平衡部分视图。
图7是图1中打标钻孔控制部分视图。
具体实施方式
本设计有以下部件构成：
电池仓1、机械仓2、电机3、销轴4、联轴节5、轴6、钻头7、套管8、电极座9、弹簧10、导向柱11、支撑螺母12、压力平衡套13、平衡螺母14、电极连接柱15、导电铜环16、开槽圆头螺钉17，开关弹簧18，电极座19，倒流通道20。
当定向打标装置中的金刚石微型钻头(7)未接触到岩芯端面的时候，作为开关控制的螺钉(17)与导电铜环(16)不接触，整个电路断开，电机(3)不工作；当微钻头(7)与岩芯端面接触时，微钻头(7)、轴(6)、电机(3)一起上移，螺钉(17)通过开关弹簧(18)被电极座(9)压回到电机座(19)的导向槽内，从而使螺钉(17)与导电铜环(16)一直接触，电路接通，弹簧(10)对微钻头(7)施加钻压，电机(3)通过联轴节(5)带动微钻头(7)旋转，钻孔开始，随着钻孔深度的增加，电机(3)、轴(6)、微钻头(7)一起下移，直到螺钉(17)与导电铜环(16)再次分离，电路断开，电机(3)停止转动，此时钻孔完成，定向标记成功，实现打标。