CN113898286A - 一种单动钻具及复合式取心钻具 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种单动钻具，包括：第一接头，具有贯穿两端的第一流道，所述第一接头的第一端用于连接冲击器；外管，与所述第一接头连接，所述第一接头的第二端位于所述外管内；内管，套设在所述外管内，所述外管与所述内管之间形成第一环隙；芯轴组件，具有与所述内管内腔连通的第二流道，所述芯轴组件的第一端连接所述第一接头的第二端，所述芯轴组件的第二端连接所述内管，所述芯轴组件配置为使所述内管不跟随所述外管旋转运动；钻头，与所述外管远离所述第一接头的一端连接；以及换向件，设置在所述第一流道内，以使所述第一流道可选择性与所述第二流道连通或截止。本申请还公开了一种复合式取心钻具，能够有效提高岩心采取率以及钻进效率。

Description

一种单动钻具及复合式取心钻具

技术领域

本申请涉及工程勘察领域，尤其涉及一种单动钻具及复合式取心钻具。

背景技术

对于地层复杂，岩性松散破碎，钻具所取岩心胶结性弱、成柱性差，状态较为松散、破碎，容易被泥浆冲蚀，堵塞钻具的管道，最终导致钻进速度缓慢、岩心采取率低，以及出心时岩心保持原状困难。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例期望提供一种单动钻具及复合式取心钻具，以解决管道清洗困难以及冲蚀岩心问题。

为了达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请实施例的一方面，公开了一种单动钻具，包括：

第一接头，具有贯穿两端的第一流道，所述第一接头的第一端用于连接冲击器；

外管，与所述第一接头连接，所述第一接头的第二端位于所述外管内；

内管，套设在所述外管内，所述外管与所述内管之间形成第一环隙；

芯轴组件，具有与所述内管内腔连通的第二流道，所述芯轴组件的第一端连接所述第一接头的第二端，所述芯轴组件的第二端连接所述内管，所述芯轴组件配置为使所述内管不跟随所述外管旋转运动；

钻头，与所述外管远离所述第一接头的一端连接；以及

换向件，设置在所述第一流道内，以使所述第一流道可选择性与所述第二流道连通或截止。

进一步地，所述第一接头形成有第一引流道和第二引流道，所述第一引流道连通所述第二流道与所述第一流道，所述第二引流道连通所述第一环隙与所述第一流道；

所述换向件具有使所述第二流道与所述第一流道连通的第一位置，以及使所述第二流道与所述第一流道截止的第二位置；

当所述换向件受力大于预设值，所述换向件能够从所述第一位置移动到所述第二位置。

进一步地，所述第一流道包括依次形成台阶状的连接段、固定段、换向段和变径段，所述连接段用于与所述冲击器连接，所述固定段用于安装所述换向件使所述换向件处于所述第一位置，所述换向段用于使所述换向件处于所述第二位置；

所述第一引流道连通所述连接段和所述换向段，所述第二引流道连通所述换向段和所述第一环隙；当所述换向件处于所述第一位置，所述换向件隔断所述固定段和所述换向段的连通，所述换向件处于所述第二位置，所述换向件遮住所述变径段。

进一步地，所述单动钻具还包括设置在所述固定段的固定座，所述换向件与所述固定座配合处于所述第一位置；

当所述换向件受力大于所述预设值，所述换向件能够脱离所述固定座移动到所述第二位置。

进一步地，所述换向件处于所述第一位置时，所述换向件与所述固定座过盈配合或磁吸配合。进一步地，所述单动钻具还包括：

活塞，具有第三流道，所述活塞位于所述内管内；以及

三层管，所述三层管靠近所述芯轴组件的一端与所述活塞连接，所述第三流道连通所述内管内腔与所述三层管内腔，所述活塞和所述三层管能够在所述内管中滑动。

进一步地，所述三层管的材质为聚氯乙烯。

进一步地，所述三层管具有沿轴向的单边缝。

进一步地，所述芯轴组件包括：

通孔芯轴，所述第二流道形成在所述通孔芯轴上；

轴承组件，所述通孔芯轴通过所述轴承组件与所述第一接头的第二端连接，以使所述通孔芯轴不跟随所述上连接头旋转运动；

内管接头，具有连通所述第二流道与所述内管内腔的过流通道以及能够连通所述内管内腔和所述第一环隙的第四流道，所述内管接头可拆卸连接在所述内管和所述通孔芯轴之间；以及

单向阀，所述单向阀位于第四流道内，可使流体从所述内管内腔流向所述第一环隙，截止流体从所述第一环隙流向所述内管内腔。

进一步地，所述芯轴组件还包括螺纹压盖，所述内管接头的一端具有外螺纹，另一端具有贯穿端部的竖向凹槽和与所述竖向凹槽连通的环向凹槽，所述内管内壁的一端具有凸起；

所述内管套设在所述内管接头外侧，所述凸起沿所述竖向凹槽推进并旋置于所述横向凹槽中，所述螺纹压盖旋合于所述内管接头具有外螺纹的一端，并压紧所述内管。

进一步地，所述钻头的端部具有水口、与所述水口连通的水槽和形成在所述水槽内的底喷孔，所述底喷孔与所述水口间隔设置，所述底喷孔与所述第一环隙连通。

进一步地，所述钻头的端部为阶梯状，所述钻头的尺寸沿轴向自所述钻头的外部向所述钻头的中心增大。

进一步地，所述单动钻具还包括：

拦簧，包括多片向所述内管内部拱起的簧片，用于拦护岩心；

卡簧，所述卡簧位于所述拦簧下端，用于割断岩心；以及

卡簧座，连接于所述内管靠近所述钻头的一端，用于固定所述拦簧和所述卡簧。

本申请实施例的另一方面，公开了一种复合式取心钻具，包括：

上述任意一项所述的单动钻具；以及

冲击器，与所述第一接头的第一端连接，为所述单动钻具提供冲击能量。

进一步地，所述冲击器包括：

外壳；

砧座接头，具有能够与所述第一流道连通的第五流道，所述砧座接头与所述外壳的第一端连接，所述砧座接头的第二端位于所述外壳的第一端内，所述砧座接头的第一端与所述第一接头的第一端连接；

冲锤，具有第一中心通道，所述冲锤位于所述外壳内，用于对所述砧座接头提供冲击力，所述冲锤与所述外壳之间形成第二环隙，所述第二环隙与所述第五流道连通，所述第一中心通道能够与所述第五流道连通；

储能组件，具有分别与所述第一中心通道和所述第二环隙均连通的第二中心通道，所述储能组件位于所述外壳内并与所述冲锤连接，用于对所述冲锤储蓄和释放冲击能量；以及

第二接头，具有连通所述第二中心通道的第六流道，所述第二接头与所述外壳的第二端连接，所述第二接头的第一端位于所述外壳内并与所述储能组件连接。

进一步地，所述储能组件包括：

连接套，与所述冲锤连接；

引流管，具有过流孔，所述第二中心通道形成在所述引流管上，所述过流孔连通所述第二中心通道与所述第二环隙，所述引流管的第一端与所述连接套连接，所述引流管的第二端与所述第二接头连接；

上导向套，套设在所述引流管外侧，与所述引流管连接或与所述第二接头连接；以及

弹性件，位于所述上导向套与所述引流管围设的空间内，所述弹性件连接所述引流管与所述连接套，能够带动所述连接套在所述上导向套与所述引流管围设的空间内移动。

本申请实施例公开的单动钻具，通过调整设置在第一流道内的换向件，改变钻井液的流向，实现下钻时第一流道与第二流道连通，对内管进行清洗，钻进取心时第一流道与第二流道截止，防止钻井液冲蚀岩心。本申请实施例公开的复合式取心钻具，采用单动钻具和冲击器配合方式，冲击器为单动钻具提供冲击能量，减少岩心堵塞。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种用于复合式取心钻具的单动钻具的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大结构示意图；

图3为图1中B处的局部放大结构示意图；

图4为图1中内管接头的结构示意图；

图5为图1中C处的局部放大结构示意图；

图6为图1中D处的局部放大结构示意图；

图7为图1中钻头的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种用于复合式取心钻具的冲击器的结构示意图。

附图标记说明

单动钻具10；第一接头101；第一流道101a；连接段101a1；固定段101a2；换向段101a3；变径段101a4；第一引流道101b；第二引流道101c；外管102；内管103；凸起103a；第一环隙103a；芯轴组件104；通孔芯轴1041；第二流道1041a；轴承组件1042；内管接头1043；竖向凹槽1043a；环向凹槽1043b；过流通道1043c；第四流道1043d；螺纹压盖1044；单向阀1045；孔用弹性挡圈1046；钻头105；水口105a；水槽105b；底喷孔105c；换向件106；第一位置106a；第二位置106b；固定座107；过渡环107a；活塞108；第三流道108a；三层管109；拦簧110；卡簧111；卡簧座112；扶正环113；扩孔器114；冲击器20；外壳201；第二环隙201a；砧座接头202；第五流道202a；冲锤203；第一中心通道203a；储能组件204；连接套2041；引流管2042；第二中心通道2042a；过流孔2042b；上导向套2043；弹性件2044；第二接头205；第六流道205a；下导向套206。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

下面结合附图及具体实施例对本申请再做进一步详细的说明。本申请实施例中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含地包括至少一个特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

本申请实施例提供一种单动钻具10，请参阅图1和图2，单动钻具10包括第一接头101、外管102、内管103、芯轴组件104、钻头105和换向件106。第一接头101具有贯穿两端的第一流道101a，第一接头101的第一端连接冲击器20，例如，第一接头101的第一端可以与冲击器20螺纹连接，即第一接头101的第一端和冲击器对应端中的一个形成内螺纹，另一个形成外螺纹。外管102与第一接头101连接，例如焊接、胶接或螺纹连接，第一接头101的第二端位于外管102内。内管103套设在外管102内，与外管102之间形成第一环隙103b。芯轴组件104具有与内管103内腔相连的第二流道1041a，芯轴组件104的第一端连接第一接头101的第二端，芯轴组件104的第二端连接内管103。芯轴组件配置为使内管103不跟随外管102旋转运动。钻头105连接在外管102远离第一接头101的一端，用于旋转钻进。

本申请实施例的单动钻具是指在钻进过程中，外管102转动而内管103不随外管102转动的钻具。由于单动钻具降低了外管102带动钻头105转动而产生的摩擦振动对岩心的机械破碎，因而不旋转的内管103的取心质量较高。第一接头101的第一端用于连接冲击器20，冲击器20为单动钻具10提供冲击能量，减少内管103内岩心出现堵塞的情况，进一步提高了钻进效率和取心质量。

本申请实施例的单动钻具10配合冲击器20，可用于铁路、轨道交通、公路、市政、水利水电等有取心要求的工程勘察行业。具体地，对于松散破碎地层，例如卵砾石层取心钻进时，由于其结构松散、胶结性差，呈大小不等的块状或颗粒状，采用一般的取心钻具钻进速度缓慢、采心率低，出心时岩心原状保持困难，且孔壁不稳定，护孔困难，经常发生孔内事故。采用本申请实施例的单动钻具10配合冲击器20进行工程钻探取心作业，可显著提高松散破碎地层的岩心采取率和钻进效率。

由于第一接头101的第一端用于与冲击器20连接，无法采用一般的在地表向钻具投钢球的方法实现钻井液的流向转换。本申请实施例采用换向件106，预先设置在第一流道101a内，以使第一流道101a可选择性与第二流道1041a连通或截止，从而实现钻井液的流向转换。钻井液例如为泥浆，由水泵将泥浆泵入单动钻具。单动钻具20下放入井口时，换向件106预先设置在第一流道101a与第二流道1041a连通的第一位置106a，钻井液的大部分从第一流道101a流向第二流道1041a进入内管103，从而对内管103的内表面进行冲洗，钻井液的另一部分从第一流道101a流向第一环隙103b。当需要取心作业时，加大钻井液的泵量，换向件106移动至第一流道101a与第二流道1041a截止的第二位置106b，钻井液从第一流道101a全部流向第一环隙103b，从钻头105处的喷口流出，避免进入内管103冲蚀钻进的岩心，提高岩心取心的完整性。

在一实施例中，为了便于说明对比，参见图2，在同一个视图中采用虚实线表示换向件106位于两个不同的位置，其中，实线的换向件106表示处于第一位置106a，虚线的换向件106表示处于第二位置106b。第一接头101形成有第一引流道101b和第二引流道101c，第一引流道101b连通第二流道1041a与第一流道101a，第二引流道101c连通第一环隙103b与第一流道101a；换向件106具有使第二流道1041a与第一流道101a连通的第一位置106a，以及使第二流道1041a与第一流道101a截止的第二位置106b。当换向件106受力大于预设值时，例如加大钻井液的泵量，换向件106能够从第一位置106a移动到第二位置106b。通过在第一接头101上形成分别与第一流道101a均连通的第一引流道101b和第二引流道101c，将换向件106预先设置第一流道101a内，通过控制钻井液的泵量，即可改变换向件106的位置，实现钻井液的流向转换。第一接头101的内部结构紧凑、换向件106的控制简单方便。

在一实施例中，第一流道101a包括依次成台阶状的连接段101a1、固定段101a2、换向段101a3和变径段101a4。连接段101a1具有内螺纹，用于与具有外螺纹的冲击器20连接，固定段101a2用于安装换向件106使换向件106处于第一位置106a，换向段101a3用于换向件106处理第二位置106b。换向件106处于第二位置106b时，换向件106的一端封堵变径段101a4。第一引流道101b连通连接段101a1和换向段101a3，第二引流道101c连通换向段101a3和第一环隙103b。换向件106处于第一位置106a时，换向件106的一部分固定于固定段101a2，隔断固定段101a2与换向段101a3的连通；换向件106处于第二位置106b时，换向件106的一部分堵住变径段101a4，从而使第一流道101a与第二流道1041a截止。

在一实施例中，单动钻具10还包括固定座107，固定座107设置于固定段101a2，例如，固定座107的一端抵接在固定段101a2和换向段101a3交界的台阶处，另一端用孔用弹性挡圈1046限位。换向件106处于第一位置106a时，与固定座107设置为过盈配合；换向件106受力大于预设值，换向件106能够脱离固定座107移动到第二位置106b。例如，在钻井液小流量情况下，换向件106上下液压差较小，换向件106位于第一位置106a时，钻井液的大部分从第一流道101a流向第二流道1041a最终流入内管103，实现对内管103内壁的清洗，钻井液的一部分经第二引流道101c进入第一环隙103a。加大钻井液泵量钻进时，导致流量变大，换向件106上下液压差变大，这时换向件106脱离固定座107移动到第二位置106b，第一流道101a和第二流道1041a截止，钻井液从第一流道101a通过第二引流道101c全部流向第一环隙103b，避免取心时钻井液进入内管103冲蚀岩心。采用可拆卸的固定座107，当换向件106对固定座107磨损时可以方便更换固定座107。当换向件106磨损时，也可以仅更换与磨损的换向件106匹配的固定座107，或者同时更换换向件106和固定座107。

固定座107的材质可以为尼龙、橡胶或丁晴。换向件106的形状也可以为方形、球形或者子弹柱形等。具体地，换向件106为子弹柱形时，即换向件106的第一端为圆柱体，第二端为半球体、圆锥体或其他的凸弧线旋转体的子弹头，换向件106的第一端与第二端之间还可以形成为外径略小于第一端的圆柱体，两个不同外径的圆柱体之间平滑过渡；固定座107为弹柱座，即固定座107的内腔至少部分段的环向与换向件106的第一端形状匹配，例如形成有过渡环107a的固定座107，利用过渡环107a与换向件106的第一端过盈配合。换向件106处于第一位置106a的初始状态时，换向件106的第一端可以位于过渡环107a的上部，过渡环107a与换向件106的第一端和第二端之间的圆柱体接触，相当于换向件106支撑在过渡环107a上。当钻井液的泵量加大时，换向件106下滑，换向件106的第一端与过渡环107a接触。继续加大钻井液的泵量，换向件106继续下滑，换向件106的第一端与过渡环107a脱离，换向件106移动至第二位置106b，从而密封变径段101a4。如此设计，可以减少换向件106和固定座107的磨损，延长使用寿命。

在一实施例中，固定座107与换向件106的配合方式还可以是磁吸配合。例如，换向件106为钢球，固定座107为磁铁。在钻井液泵量比较小时，固定座107吸住换向件106使其处于第一位置106a，加大钻井液泵量后，换向件106脱离固定座107至第二位置106b。钻井液泵量降低后，换向件106重新被固定座107吸住，实现自动回位。

在一实施例中，第一接头101没有第一引流道101b，单动钻具没有固定座107，换向件106处于第一位置106a时，第一接头101与换向件106之间存在间隙，钻井液可以直接从间隙流向第二流道1041a；加大钻井液泵量，第一接头101与换向件106之间的间隙不足以泄压，换向件106下滑至第二位置106b。这时，钻井液从第一流道101a通过第二引流道101c流向第一环隙103b，完成泄压。

在一实施例中，第一接头101没有第一引流道101b，单动钻具包括固定座107，换向件106处于第一位置106a时，固定座107与换向件106之间存在间隙，钻井液可以从固定座107与换向件106之间的间隙流向第二流道1041a；加大钻井液泵量，固定座107与换向件106之间的间隙不足以泄压，换向件106从固定座107上脱落移动到第二位置106b。这时，钻井液从第一流道101a通过第二引流道101c流向第一环隙103b，完成泄压。固定座107与换向件106之间存在间隙，可以是固定座107本身具有孔隙或孔槽。

本申请实施例通过控制钻井液流量大小，通过调整换向件106使其位于第一位置106a或第二位置106b，即可控制钻井液的流向转换，实现对管道的清洗以及防止钻井液冲蚀岩心，保证岩心的完整性。

在一实施例中，请参阅图1、图3和图4，芯轴组件104包括通孔芯轴1041、轴承组件1042和内管接头1043。第二流道1041a形成在通孔芯轴1041上；通孔芯轴1041通过轴承组件1042与第一接头101的第二端连接，使通孔芯轴1041不跟随第一接头101旋转运动。内接管头1043具有连通第二流道1041a与内管103内腔的过流通道1043c，内管接头1043可拆卸连接在内管103和通孔芯轴1041之间。通过轴承组件1042，将第一接头101的旋转运动与通孔芯轴1041隔离，即通孔芯轴1041不受外管102和第一接头101旋转运动的影响，因此与通孔芯轴1041连接的内管103不跟随外管102和第一接头101做旋转运动。

在一实施例中，芯轴组件104还包括单向阀1045，内管接头1043具有能够连通内管103内腔和第一环隙103a的第四通道1043d。单向阀1045位于第四流道1043d内，可使流体从内管103内腔流向第一环隙103b，截止流体从第一环隙103b流向内管103内腔。

具体地，第四流道1043d具有两节，第一节连通内管103内腔，第二节连通第一环隙103b，第一节与第二节为形成为阶梯状，第一节的直径小于第二节直径。单向阀1045可以为球形、半球形、圆台或者圆柱形等，材质可以是不锈钢、塑料或者高聚物等。例如，第二节内设置有钢球，钢球的直径大于第一节直径，钢球与第二节为间隙配合，第二节顶部设置有孔用弹性挡圈1046，防止钢球脱落。当内管103内腔压力增大时，钻井液可以顶开钢球，即钻井液可以从内管103内腔流向第一环隙103b，避免内管103憋压，提高岩心采取率。而第一环隙103b中的钻井液不能经第四流道1043d流向内管103内腔，从而避免取心时钻井液冲蚀岩心。

在一实施例中，芯轴组件104还包括螺纹压盖1044，内接管头1043的一端具有外螺纹，另一端具有贯穿端部的竖向凹槽1043a和与竖向凹槽1043a连通的环形凹槽1043b，内管103内壁的一端具有凸起103a，内管103套设在内管接头1043外侧，凸起103a沿竖向凹槽1043a推进并旋置于横向凹槽中，通过螺纹压盖1044旋合于内管接头1043具有外螺纹的一端，压紧内管103，使内管103在轴线方向固定不动。凸起103a可以是凸点或凸块等。采用内管103与内管接头1043的快速插接机构，相较于传统的螺纹连接，大幅度提高内管103的装配和拆卸效率，减小内管103厚度，减小了钻头105的工作唇面厚度，提高了钻取速率，同时有利于在内管103内增加三层管109(下文介绍)，实现低扰动提取岩心，保护了岩芯原状。

在一实施例中，内管103与内管接头1043的连接方式可以是内管接头1043的另一端具有外螺纹，内管103内壁上具有与其配合的内螺纹，通过螺纹旋合固定内管103和内管接头1043。也可以是不用内管接头1043，直接将通孔芯轴1041与内管103连接，连接方式可以是螺接、焊接以及卡接等。还可以是将内管接头1043与内管103集成为一体，使用时将通孔芯轴1041插入上端即可。

在一实施例中，请参阅图1和图5，单动钻具10还包括活塞108和三层管109。活塞108具有第三流道108a，活塞108位于内管103内；三层管109靠近芯轴组件104的一端与活塞108连接，第三流道108a连通内管103内腔与三层管109内腔，活塞108和三层管109能够在内管103中滑动。松散地层钻进进入内管103过程中，由于成柱性差，容易堆积在内管103或卡簧111(下文介绍)处，造成后续岩心难以进入内管103，相互挤塞，造成岩心互磨消耗，影响岩心采取率；同时在提钻后，岩心不易出管，敲击出心造成岩心失去原状形态，不能实现性状保真。本申请实施例中采用三层管便于取心和出心。

例如，当岩心堵塞时，岩心的挤压力迫使活塞108带动三层管109往内管103中推移，在一定程度上让开了下部堵塞区域，使后续的岩心能够顺利进入内管103，实现一定程度的解堵作用。取心完成时，拆下内管102，可以用工具直接推动活塞108，方便简单地取出三层管109。通过设置滑移式的三层管109，可以有效地解决取心钻具的同轴度不高、内壁不光洁等弊端所导致的岩芯阻塞问题。

在一实施例中，三层管109具有单边开缝，有利于贴紧内管103的内壁，同时保证三层内管109的圆度。三层管109的材质可以是聚氯乙烯(PVC)。由于PVC管内部光洁度很高，有利于岩心能顺利进入三层管109中，且PVC管价格便宜，可直接作为岩心的保护管。当PVC材质的三层管109取出后，两端直接压上端盖，有利于岩心的保管和运送。

在一实施例中，三层管109可以采用半合管结构。三层管109还可以是金属或者其他材料，内腔可以通过涂层处理保持光洁度。

在一实施例中，还可以在外管102内侧设置扶正环113和扩孔器114，内管103套设在扶正环113中，防止晃动，保证内外管102的同轴度。扩孔器114用于钻进扩孔。

在一实施例中，请参阅图1和图6，单动钻具10还包括拦簧110、卡簧111以及卡簧座112。卡簧座112连接于内管103靠近钻头105一端，用于固定拦簧110和卡簧111。拦簧110为多片向内管103内部拱起的簧片，形成花篮兜底，用于拦护岩心；拦簧110具有拦护结构，例如，拦簧110的形状为篮状，篮体位于内管103内部，还可以是笼状等。卡簧111位于拦簧110下端，卡簧111的锥度可以为4°～5°的大锥度，用于割断岩心。

本申请实施例上部采用拦簧110结构，解决了岩心在重力以及振动情况下从内管103中脱落问题，尤其是松散碎粒岩心；下部采用大锥度卡簧111(传统卡簧锥度较小)，既能保护上部拦簧110，又能在冲击器20的振动下便于卡住松散岩心，不宜脱落。配合上述实施例的活塞108和三层管109，能够有效地提高岩心采取率。

在一实施例中，请参阅图1和图7，钻头105具有水口105a、水槽105b以及底喷孔105c。水口105a位于钻头105的端部，水槽105b连通水口105a，底喷孔105c与水口105a间隔设置。底喷孔105c设置在水槽105b内，与第一环隙103a连通，改变了钻头105处的钻井液的流向，极大减少钻井液在钻头105底部对端部岩心的冲蚀。底喷孔105c可以设置在水槽105b内远离水口105a一侧，避免直接冲刷岩心、造成岩心破损以及破坏岩心的完整性；还可以设置在水槽105b内任何地方，例如水槽105b中间等。底喷孔105c可以在水槽105b内设置多个，例如，两个或者三个等。

在一实施例中，钻头105的端部为阶梯状，钻头105的尺寸沿轴向自钻头105的外部向钻头105的中心增大，有利于导向快速钻进，提高钻进效率。钻头105的外表面上还可以镶有金刚石，提高钻头105的抗腐蚀以及耐高温能力，加快钻取速率。

本申请实施例还提供了一种复合式取心钻具，复合式取心钻具包括上述实施例中的任意一种单动钻具10和冲击器20。采用复合式取心钻具目的是减少岩心堵塞几率，冲击器20的冲击频率和冲击功能根据具体要求选择，冲击器的类型可以是反作用式、正作用式、复合作用式、空中贯通式以及与其他技术结合方式。具体地，冲击器20可以为蓄能反作用液动冲击器。

本申请实施例中采用由冲击器20和单动钻具10组成的复合式取心钻具，可适应于简陋、复杂环境，同时能解决在工程勘察的泥浆黏度和含砂量较大的问题，利用冲击器20施加的冲击载荷，能够减少岩心堵塞问题。

在一实施例中，参见图8，冲击器20包括外壳201、砧座接头202、冲锤203、储能组件204以及第二接头205。砧座接头202具有与第一流道101a连通的第五流道202a，砧座接头202的第二端与外壳201的第一端连接。冲锤203具有第一中心通道203a，冲锤203位于外壳201内，并与外壳201形成有第二环隙201a，第二环隙201a与第五流道202a连通，冲锤203用于对砧座接头202提供冲击力。储能组件204位于外壳201内并与冲锤203一端连接，用于对冲锤203储蓄和释放冲击能量。储能组件204具有第二中心通道2042a，第二中心通道2042a分别连通第一中心通道203a和第二环隙201a。第二接头205的第一端位于外壳201内并连接外壳201第二端，并与储能组件204连接。第二接头205具有第六通道205a，第六通道205a连接通第二中心通道2042a。

工程勘察钻探由于条件较为简陋，现场泥浆一般未设专门的固相控制设备进行处理，含砂量较大、泥浆固相含量和粘度均较高，常规的能有利于岩心解堵的孔内液动锤易堵，环境适应性差，很难适用，同时现有液动锤的原理多为射流或射吸式原理工作，在工勘钻探小泵量条件下无法形成射流和射吸环境，液动锤无法正常工作。本申请实施例提供的蓄能式反作用冲击器，无需形成射流和射吸环境，适应于小泵量、高固相含量的松散破碎地层取心，能有效的提高松散破碎地层的岩心采取率以及提高钻进效率。

在一实施例中，冲锤203与砧座接头202之间可以具有下导向套206，下导向套206固定在冲锤203上，也可以固定在砧座接头202上，对冲锤203起导向作用。还可以在冲锤203与砧座接头202之间设置凹槽或者缓冲垫等，便于更好地承接冲锤203。冲锤203的形状可以是圆柱形或者方形，冲锤203的材质可以为耐磨的刚性材料，例如为不锈钢等。

在一实施例中，冲锤203上靠近砧座接头202一侧还有设置有一小孔，用于对第一中心通道203a内的液体进行泄压，控制第一中心通道203a内的液体流量，进一步地控制冲击频率和冲击能量。小孔可根据需要设置多个，例如一个、二个或者三个等。

在一实施例中，储能组件204包括连接套2041、引流管2042、上导向套2043以及弹性件2044。连接套2041与冲锤203连接；引流管2042具有过流孔2042b，第二中心通道2042a形成在引流管2042上，过流孔2042b连通第二中心通道2042a和第二环隙201a，引流管2042内的一部分流体可以通过流孔2042b流入第二环隙201a，第二接头205连接引流管2042的第二端；上导向套2043套设在引流管2042外侧，第一端与引流管2042连接或者与第二接头205连接，第二端与连接套2041连接；弹性件2044位于上导向套2043与引流管2042围设的空间内，弹性件2044连接在引流管2042和连接套2041上，能够带动连接套2041在上导向套2043与引流管2042围设的空间内移动。

弹性件2044可以是弹簧，例如图8，弹簧一端连接上导向套2043，另一端连接引流管2042。弹性件2044还可以是弹性橡胶，例如，弹性橡胶一端连接在下导向套206，另一端连接在砧座接头202。

本申请实施例的冲击器的工作原理，钻井液从第二接头205的第六流道205a流进引流管2042，一部分钻井液通过过流孔2042b流入第二环隙201a，通过第五流道202a最终流向下部的单动钻具10，避免憋泵；另一部分钻井液流进第一中心通道203a内，由于冲锤203上下端面面积差导致造成液体压力差，迫使冲锤203驱使连接套2041挤压储能组件204的弹性件2044，弹性件2044进行储能，当冲锤203底部离开砧座接头202一定行程后，冲锤203由于惯性会继续上行，第一中心通道203a完全打开，第一中心通道203a中的钻井液通过第五流道202a流出，冲锤203由于重力作用以及弹性件2044的能量释放，使冲锤203快速下落，冲击砧座接头202，实现冲击作用。

本申请实施例不需要其他固相控制工具，可以通过利用施工现场钻井液产生液压差促使冲锤203做功；冲击器采用蓄能方式，避免了在小泵量条件下无法形成射流和射吸环境，导致冲击器无法工作问题；储能作用的弹性件弹簧的设计较长，同样的压缩量的力学条件下，弹簧单圈受力变形较小，弹簧的寿命延长。

下面对本申请实施例的复合式取心钻具应用于松散破碎地层的使用方法进行示例性说明。

1、施工工具

选用适配型钻机1台，水泵1台，配置水平钻架，Φ50钻杆长度根据钻孔深度选配，泥浆(钻井液)搅拌及净化设备1套，Φ110复合式取心钻具2套。

2、安装钻机

钻机受力为水平方向，为防止钻机前后以及左右摇晃，应按钻机地脚预埋地脚螺栓，使地面、机台木以及钻机之间形成一个整体，并用水平尺使钻机前后处于同一水平面上。为了钻机在钻进过程中水平加压以及起钻需要，钻机和山体岩石之间用钢丝绳松紧扣固定拉紧，以及用短方木做好必要的横向支撑，同时，在钻机操作的一侧附近地面也设置预埋钢钎做锚固点，用钢丝绳松紧扣与钻机固定拉紧，另在钻孔反向延长上固定一个滑轮，以满足起钻时使用。

3、钻进参数

先采用Φ130合金钻具开孔，到达目标地层后，下入Φ127套管，后改用Φ110复合式取心钻具，可根据地层情况变级。钻头105钻进速率为250r/min～500r/min，冲洗液量60L/min～100L/min，钻头105的钻压为10～15kN。

4、钻井液的选择

(1)开孔钻进的配方

a)用膨润土加纯碱用膨润土加纯碱(膨润土量的6％)处理24小时后，然后加0.1％Na-CMC处理；

b)用当地土(选用含沙量少，粘性好的粘土)加8％～10％粘土重量的6％纯碱处理，或者用NaOH处理(使用前可先做试验比较纯碱处理和处理的效果)。一般应水化24小时后，再加0.1％Na-CMC处理。

(2)岩石以上地层的配方

a)用膨润土(土重的6％)纯碱处理，加0.01％～0.03％的水解聚丙烯酰胺和0.1％～0.2％的Na-CMC处理，如遇地层不稳定可增加一定量的广谱护壁剂或kp共聚物；

b)用膨润土(土重的6％)纯碱处理，加0.01％～0.05％的水解聚丙稀酰胺和1％～3％的腐植酸钾处理。如遇地层不稳定，可增加一定量的广谱护壁剂或kp共聚物；

c)用膨润土(土重的6％)纯碱处理，加0.1％～0.2％的Na-CMC和1％～3％的腐植酸钾处理如遇到地层不稳定，可增加一定量的广谱护壁剂或共聚物。

(3)岩石地层的配方

a)在岩石以上地层配方的基础上通过增加腐植酸钾溶液逐步改变成膨润土含量，使之含量达到3％～4％，同时配加一定量的润滑剂或者切削膏；

b)3％～4％的膨润土，6％的纯碱(膨润土含量的6％，加0.03％～0.05％的水解聚丙烯酷胺、1％～3％的腐植酸钾，再配加一定量的润滑剂或切削膏；

c)0.05％～0.1％的水解聚丙稀酰胺，加0.2％～0.3％的Na-CMC再加一定量的润滑膏或切削膏。

5、取心流程

步骤1、下钻前按照要求对复合式取心钻具进行调试，达到下钻要求

步骤2、下钻和循环

(1)下钻时要求操作保持平稳，禁止猛刹猛顿；

(2)取心钻具在下钻遇到阻力时禁止中途划眼或者循环钻井液，遇阻不可超过30kN；

(3)下钻至井底1m左右时，打开单泵循环钻井液，循环排量根据地层来确定，达到既能冲洗井底又不能将岩心冲散，一般控制排量≤20L/s，冲洗内管103和井底。观察振动筛岩屑返出情况，等待井底冲洗干净后，下放钻具，探井底，量方入，打标记；

(4)缓慢开泵，排量为≤20L/s，换向件106由于上下面的液压差导致换向件106从固定座107上脱落，下滑到变径段101a4上卡紧，堵紧后面通道，实现密封，迫使钻进液从第一接头101的第二引流道101c进入内管103与外管102的第一环隙103a中，实现钻井液流向转换，同时内管103压力增大，钻井液可以顶开内管接头1043中的单向阀1045从通孔排出，避免内管103憋压。

(5)接近井底时，取心钻具缓慢地边旋转边下放，接触井底后稍磨一会，然后开始取心。

步骤3、取心钻进

(1)钻进初期应注意岩心，轻压10kN约钻进30cm ～50cm，待岩心进入内管103后，再加压20～40kN正常钻进，钻速不应过快，松散地层容易堵心和磨心，影响后续岩心进入内管103。松散地层钻进时应注意观察泵压变化、转盘负荷以及岩屑的反出情况，以便及时采取措施；

(2)送钻要均匀、平稳、防止间断送钻、油砂层要跟上钻压，保持钻速，使钻速均匀，岩心直径保持一致，岩心顺利进入内管103，则不会出现内管103憋压的情况，钻进中禁止上提取心钻具，不得溜钻和顿钻；

(3)钻进完后，应恢复悬重，使割心部位磨细有利于割断岩心。

步骤4、割断岩心

用卡簧111隔断岩心。

步骤5、起钻

起钻要平稳，严禁猛提、猛刹、猛顿，使用液压钳卸扣。

步骤6、取出岩心

(1)取心钻具达到孔口后，打开安全卡瓦，从差动刚体和悬挂接头相连处卸开，把冲击器20等上部管串置于钻台上；

(2)把外管102卸下，拧开螺纹压盖1044，旋转内管接头1043或内管103，使凸起103a脱离竖向凹槽1043a和环向凹槽1043b，取出内管103，用工具穿过内管103内部推动活塞108，取出三层管109，在三层管109两端直接压上端盖，用于保管和运送岩心。

以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种单动钻具，其特征在于，包括：

第一接头，具有贯穿两端的第一流道，所述第一接头的第一端用于连接冲击器；

外管，与所述第一接头连接，所述第一接头的第二端位于所述外管内；

内管，套设在所述外管内，所述外管与所述内管之间形成第一环隙；

芯轴组件，具有与所述内管内腔连通的第二流道，所述芯轴组件的第一端连接所述第一接头的第二端，所述芯轴组件的第二端连接所述内管，所述芯轴组件配置为使所述内管不跟随所述外管旋转运动；

钻头，与所述外管远离所述第一接头的一端连接；以及

换向件，设置在所述第一流道内，以使所述第一流道可选择性与所述第二流道连通或截止。

2.根据权利要求1所述的单动钻具，其特征在于，所述第一接头形成有第一引流道和第二引流道，所述第一引流道连通所述第二流道与所述第一流道，所述第二引流道连通所述第一环隙与所述第一流道；

所述换向件具有使所述第二流道与所述第一流道连通的第一位置，以及使所述第二流道与所述第一流道截止的第二位置；

当所述换向件受力大于预设值，所述换向件能够从所述第一位置移动到所述第二位置。

3.根据权利要求2所述的单动钻具，其特征在于，所述第一流道包括依次形成台阶状的连接段、固定段、换向段和变径段，所述连接段用于与所述冲击器连接，所述固定段用于安装所述换向件使所述换向件处于所述第一位置，所述换向段用于使所述换向件处于所述第二位置；

所述第一引流道连通所述连接段和所述换向段，所述第二引流道连通所述换向段和所述第一环隙；当所述换向件处于所述第一位置，所述换向件隔断所述固定段和所述换向段的连通，所述换向件处于所述第二位置，所述换向件遮住所述变径段。

4.根据权利要求3所述的单动钻具，其特征在于，所述单动钻具还包括设置在所述固定段的固定座，所述换向件与所述固定座配合处于所述第一位置；

当所述换向件受力大于所述预设值，所述换向件能够脱离所述固定座移动到所述第二位置。

5.根据权利要求4所述的单动钻具，其特征在于，所述换向件处于所述第一位置时，所述换向件与所述固定座过盈配合或磁吸配合。

6.根据权利要求1所述的单动钻具，其特征在于，所述单动钻具还包括：

活塞，具有第三流道，所述活塞位于所述内管内；以及

三层管，所述三层管靠近所述芯轴组件的一端与所述活塞连接，所述第三流道连通所述内管内腔与所述三层管内腔，所述活塞和所述三层管能够在所述内管中滑动。

7.根据权利要求6所述的单动钻具，其特征在于，所述三层管的材质为聚氯乙烯；和/或，所述三层管具有沿轴向的单边缝。

8.根据权利要求1所述的单动钻具，其特征在于，所述芯轴组件包括：

通孔芯轴，所述第二流道形成在所述通孔芯轴上；

轴承组件，所述通孔芯轴通过所述轴承组件与所述第一接头的第二端连接，以使所述通孔芯轴不跟随所述上连接头旋转运动；

内管接头，具有连通所述第二流道与所述内管内腔的过流通道以及能够连通所述内管内腔和所述第一环隙的第四流道，所述内管接头可拆卸连接在所述内管和所述通孔芯轴之间；以及

单向阀，所述单向阀位于第四流道内，可使流体从所述内管内腔流向所述第一环隙，截止流体从所述第一环隙流向所述内管内腔。

9.根据权利要求8所述的单动钻具，其特征在于，所述芯轴组件还包括螺纹压盖，所述内管接头的一端具有外螺纹，另一端具有贯穿端部的竖向凹槽和与所述竖向凹槽连通的环向凹槽，所述内管内壁的一端具有凸起；

所述内管套设在所述内管接头外侧，所述凸起沿所述竖向凹槽推进并旋置于所述横向凹槽中，所述螺纹压盖旋合于所述内管接头具有外螺纹的一端，并压紧所述内管。

10.根据权利要求1所述的单动钻具，其特征在于，所述钻头的端部具有水口、与所述水口连通的水槽和形成在所述水槽内的底喷孔，所述底喷孔与所述水口间隔设置，所述底喷孔与所述第一环隙连通；和/或，

所述钻头的端部为阶梯状，所述钻头的尺寸沿轴向自所述钻头的外部向所述钻头的中心增大。

11.根据权利要求1所述的单动钻具，其特征在于，所述单动钻具还包括：

拦簧，包括多片向所述内管内部拱起的簧片，用于拦护岩心；

卡簧，所述卡簧位于所述拦簧下端，用于割断岩心；以及

卡簧座，连接于所述内管靠近所述钻头的一端，用于固定所述拦簧和所述卡簧。

12.一种复合式取心钻具，其特征在于，包括：

权利要求1～11任意一项所述的单动钻具；以及

冲击器，与所述第一接头的第一端连接，为所述单动钻具提供冲击能量。

13.根据权利要求12所述的复合式取心钻具，其特征在于，所述冲击器包括：

外壳；

砧座接头，具有能够与所述第一流道连通的第五流道，所述砧座接头与所述外壳的第一端连接，所述砧座接头的第二端位于所述外壳的第一端内，所述砧座接头的第一端与所述第一接头的第一端连接；

冲锤，具有第一中心通道，所述冲锤位于所述外壳内，用于对所述砧座接头提供冲击力，所述冲锤与所述外壳之间形成第二环隙，所述第二环隙与所述第五流道连通，所述第一中心通道能够与所述第五流道连通；

储能组件，具有分别与所述第一中心通道和所述第二环隙均连通的第二中心通道，所述储能组件位于所述外壳内并与所述冲锤连接，用于对所述冲锤储蓄和释放冲击能量；以及

第二接头，具有连通所述第二中心通道的第六流道，所述第二接头与所述外壳的第二端连接，所述第二接头的第一端位于所述外壳内并与所述储能组件连接。

14.根据权利要求13所述的复合式取心钻具，其特征在于，所述储能组件包括：

连接套，与所述冲锤连接；

引流管，具有过流孔，所述第二中心通道形成在所述引流管上，所述过流孔连通所述第二中心通道与所述第二环隙，所述引流管的第一端与所述连接套连接，所述引流管的第二端与所述第二接头连接；

上导向套，套设在所述引流管外侧，与所述引流管连接或与所述第二接头连接；以及

弹性件，位于所述上导向套与所述引流管围设的空间内，所述弹性件连接所述引流管与所述连接套，能够带动所述连接套在所述上导向套与所述引流管围设的空间内移动。

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