一种用于海洋钻探的可收缩式钻头及钻具设备的制作方法

1.本发明涉及海洋钻探领域，更具体地说，涉及一种用于海洋钻探的可收缩式钻头及钻具设备。


背景技术：

2.在以钻透“莫霍面”为目标的大洋科学钻探中，由于海上施工作业施工风险大，耗时长等难题，每天的成本都要超过几十万人民币，为提高大洋钻探中的钻进取芯效率，经常采用绳索取芯钻探的方式进行作业。绳索取芯钻进的操作特点是取岩心时不需要提出钻孔内的全部钻杆柱，其采用专用带钢丝绳的打捞器，通过孔内钻杆中心孔将装有岩心的孔底内管提至地面，获得岩心，从而减少了提下钻次数和升降钻具的辅助时间，提高了钻进效率，然而当钻头磨损严重时，则依然需要将整套钻具提至地表进行钻头的更换。此外，大洋底部钻孔施工条件复杂，井壁失稳而易引发井壁坍塌等孔内事故，因此需要下套管来维护井壁稳定。为节省作业时间，提高取芯钻进及下套管效率，有必要设计一款用于大洋钻探中，可搭配上部绳索取芯钻具，并可以同时实现跟管钻进的可收缩式钻头及附属钻具设备。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于海洋钻探的可收缩式钻头及钻具设备。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于海洋钻探的可收缩式钻头，该钻头包括钻头胎体、设置于该钻头胎体第一端用于连接岩芯管的连接部、设置于该钻头胎体中心贯穿该钻头胎体并可与该岩芯管连通的中心孔、设置于该钻头胎体侧壁上贯穿该钻头胎体侧壁并与该中心孔连通的安装腔、可转动设置于该安装腔内的收缩块、以及设置于该安装腔并用于推动该收缩块伸出该钻头胎体侧壁外的弹性件。
5.在本发明所述的用于海洋钻探的可收缩式钻头中，该安装腔第一端设有转动轴，该收缩块第一端设有可与该转动轴转动连接的轴孔。
6.在本发明所述的用于海洋钻探的可收缩式钻头中，该安装腔第二端设有限位轴，该收缩块第二端设有可供该限位轴穿过的弧形限位孔；
7.在该收缩块绕该转动轴转动至伸出该钻头胎体侧壁外时，该限位轴抵接该弧形限位孔第一端端部。
8.在本发明所述的用于海洋钻探的可收缩式钻头中，该弹性件为套设于该转动轴上的扭簧，该扭簧第一端与该收缩块第一端弹性抵接，该扭簧第二端与该安装腔内侧壁弹性抵接。
9.在本发明所述的用于海洋钻探的可收缩式钻头中，该安装腔第一侧壁上设有可供该转动轴插入螺接的第一螺纹孔，该安装腔第二侧壁上设有可供该转动轴插入并穿过的第一通孔，该转动轴第一端设有可插入至该第一螺纹孔内与该第一螺纹孔螺接的第一螺纹柱，该转动轴第二端设有第一螺帽；
10.该安装腔第一侧壁上还设有可供该限位轴插入螺接的第二螺纹孔，该安装腔第二侧壁上还设有可供该转动轴插入并穿过的第二通孔，该限位轴第一端设有可插入至该第二螺纹孔内与该第二螺纹孔螺接的第二螺纹柱，该转动轴第二端设有第二螺帽。
11.在本发明所述的用于海洋钻探的可收缩式钻头中，该连接部为圆筒状连接部，该连接部外侧壁上设有可用于与该岩芯管螺接的外螺纹，该收缩块第二端端面镶焊有若干pdc复合片。
12.本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：构造一种用于海洋钻探的钻具设备，该钻具设备包括如上述的钻头、与该连接部连接并与该中心孔连通的岩芯管、套设于该岩芯管外的钻杆、固设于该岩芯管第一端的连接座、固设于该钻杆第二端端部的套管靴、以及固设于该外套筒内侧壁上可用于与该连接座卡接的内环座。
13.在本发明所述的用于海洋钻探的钻具设备中，该内环座第一端设有至少一个卡槽，该连接座第二端与该卡槽相对应位置处设有可卡入至该卡槽内的至少一个卡齿。
14.在本发明所述的用于海洋钻探的钻具设备中，该连接座第一端中部固设有捞矛头。
15.在本发明所述的用于海洋钻探的钻具设备中，该套管靴第一端与该钻杆第二端端部固定连接，该套管靴第二端设有用于收缩该收缩块的喇叭口。
16.实施本发明的用于海洋钻探的可收缩式钻头及钻具设备，具有以下有益效果：使用本发明的海洋钻探的可收缩式钻头时，可将岩芯管与钻头通过连接部进行连接，然后将钻头和岩芯管一起下入钻杆内，此时收缩块被挤压缩回至钻头胎体内，弹性件处于弹性形变状态，直至钻头由钻杆端部伸出，钻杆内壁不再挤压收缩块，弹性件在自身弹性恢复力作用下向外推动该收缩块伸出该钻头胎体侧壁外，起到增加钻头钻面的效果。而在需要取回钻头和岩芯管时，向上拉动岩芯管和钻头，收缩块受到钻杆端部的挤压再次缩回至钻头胎体内，从而可以直接沿钻杆将岩芯管和钻头取出，避免了因钻头磨损需要将整套钻具提至海上钻井平台的步骤，从而节约施工成本，提高施工效率，为实现中国的大洋科学钻探目标提供了技术支撑。
附图说明
17.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
18.图1是本发明海洋钻探的可收缩式钻头的结构示意图；
19.图2是本发明海洋钻探的可收缩式钻头的剖面结构示意图；
20.图3是本发明海洋钻探的钻具设备的上提状态结构示意图；
21.图4是本发明海洋钻探的钻具设备的上提状态剖面结构示意图；
22.图5是本发明海洋钻探的钻具设备的下放状态结构示意图；
23.图6是本发明海洋钻探的钻具设备的下放状态剖面结构示意图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
25.如图1、2所示，在本发明的海洋钻探的可收缩式钻头第一实施例中，该钻头1包括
钻头胎体2、设置于该钻头胎体2第一端用于连接岩芯管16的连接部3、设置于该钻头胎体2中心贯穿该钻头胎体2并可与该岩芯管16连通的中心孔4、设置于该钻头胎体2侧壁上贯穿该钻头胎体2侧壁并与该中心孔4连通的安装腔5、可转动设置于该安装腔5内的收缩块6、以及设置于该安装腔5并用于推动该收缩块6伸出该钻头胎体2侧壁外的弹性件7。
26.使用本发明的海洋钻探的可收缩式钻头1时，可将岩芯管16与钻头1通过连接部3进行连接，然后将钻头1和岩芯管16一起下入钻杆17内，此时收缩块6被挤压缩回至钻头胎体2内，弹性件7处于弹性形变状态，直至钻头1由钻杆17端部伸出，钻杆17内壁不再挤压收缩块6，弹性件7在自身弹性恢复力作用下向外推动该收缩块6伸出该钻头胎体2侧壁外，起到增加钻头1钻面的效果。而在需要取回钻头1和岩芯管16时，向上拉动岩芯管16和钻头1，收缩块6受到钻杆17端部的挤压再次缩回至钻头胎体2内，从而可以直接沿钻杆17将岩芯管16和钻头1取出，避免了因钻头1磨损需要将整套钻具提至海上钻井平台的步骤，从而节省施工及维修时间，节约施工成本，提高施工效率。
27.在本实施方式中，该安装腔5第一端设有转动轴8，该收缩块6第一端设有可与该转动轴8转动连接的轴孔9。
28.将收缩块6安装于安装腔5内时，将转动轴8穿过轴孔9，使得收缩块6可绕转动轴8进行转动，详后述。
29.进一步的，该安装腔5第二端设有限位轴10，该收缩块6第二端设有可供该限位轴10穿过的弧形限位孔11。在该收缩块6绕该转动轴8转动至伸出该钻头胎体2侧壁外时，该限位轴10抵接该弧形限位孔11第一端端部。
30.在收缩块6绕转动轴8进行转动时，该弧形限位孔11可限制收缩块6转动伸出钻头胎体2外的角度、以及限制收缩块6转动缩回钻头胎体2内的角度。优选的，该弧形限位孔11为长条形弧形限位孔11，该弧形限位孔11的宽度略大于限位轴10的直径。具体的，该轴孔9的圆心为该弧形限位孔11的圆心。
31.具体的，该弹性件7为套设于该转动轴8上的扭簧，该扭簧第一端与该收缩块6第一端弹性抵接，该扭簧第二端与该安装腔5内侧壁弹性抵接。
32.在初始状态时，扭簧在自身弹性恢复力的作用下向外推动收缩块6，收缩块6在扭簧的弹性作用力下向外伸出，直至限位轴10与弧形限位孔11第一端端部抵接，限制收缩块6继续向外伸出。
33.在本实施方式中，该安装腔5第一侧壁上设有可供该转动轴8插入螺接的第一螺纹孔，该安装腔5第二侧壁上设有可供该转动轴8插入并穿过的第一通孔12，该转动轴8第一端设有可插入至该第一螺纹孔内与该第一螺纹孔螺接的第一螺纹柱，该转动轴8第二端设有第一螺帽。
34.同样的，该安装腔5第一侧壁上还设有可供该限位轴10插入螺接的第二螺纹孔，该安装腔5第二侧壁上还设有可供该转动轴8插入并穿过的第二通孔13，该限位轴10第一端设有可插入至该第二螺纹孔内与该第二螺纹孔螺接的第二螺纹柱，该转动轴8第二端设有第二螺帽。
35.在安装收缩块6时，将收缩块6放置于安装腔5内，使得第一通孔12、轴孔9和第一螺纹孔对准，第二通孔13、弧形限位孔11和第二螺纹孔对准，将转动轴8依次穿过第一通孔12和轴孔9后插入第一螺纹孔内与第一螺纹孔螺接，即可实现对转动轴8的固定、以及转动轴8
与收缩块6的转动连接。之后，将限位轴10依次穿过第二通孔13和弧形限位孔11后插入第二螺纹孔内与第二螺纹孔螺接，即可实现对限位轴10的固定、以及对收缩块6的转动角度限位。
36.为便于连接部3与岩芯管16连接，该连接部3为圆筒状连接部3，该连接部3外侧壁上设有可用于与该岩芯管16螺接的外螺纹，该收缩块6第二端端面镶焊有若干pdc复合片14。通过在收缩块6第二端端面镶焊若干pdc复合片14，起到增加收缩块6硬度和耐磨性的作用。
37.在本实施方式中，该钻头胎体2为圆柱状钻头胎体2。
38.如图3
‑
6所示，在本发明的海洋钻探的钻具设备第一实施例中，该钻具设备15包括如上述的钻头1、与该连接部3连接并与该中心孔4连通的岩芯管16、套设于该岩芯管16外的钻杆17、固设于该岩芯管16第一端的连接座18、固设于该钻杆17第二端端部的套管靴19、以及固设于该外套筒内侧壁上可用于与该连接座18卡接的内环座20。
39.本技术中，将钻杆代替传统套管，从而简化大洋钻探中下套管施工程序，节省了下套管作业时间。
40.使用本发明的海洋钻探的钻具设备15时，可将岩芯管16第二端与钻头1通过连接部3进行连接，将连接座18与岩芯管16第一端连接，然后将钻头1、岩芯管16、连接座18通过绳索一起下入钻杆17内，此时收缩块6被挤压缩回至钻头胎体2内，弹性件7处于弹性形变状态，直至钻头1由钻杆17第二端的套管靴19伸出，钻杆17及套管靴19内壁不再挤压收缩块6，弹性件7在自身弹性恢复力作用下向外推动该收缩块6伸出该钻头胎体2侧壁外，起到增加钻头1钻面的效果。而在需要取回钻头1和岩芯管16时，向上拉动岩芯管16和钻头1，收缩块6受到套管靴19的挤压再次缩回至钻头胎体2内，从而可以直接沿钻杆17将岩芯管16和钻头1取出，从而避免了因钻头1磨损需要将整套钻具提至海上钻井平台的步骤，从而节省施工及维修时间，节约施工成本，提高施工效率。
41.同时，在钻头1钻进的过程中，岩屑由中心孔4逐渐进入岩芯管16内，在上拉岩芯管16和钻头1的过程中，收缩块6受到套管靴19的挤压缩回至钻头胎体2内并夹紧位于中心孔4内的岩芯，起到防止岩芯从岩芯管16内脱出的作用。
42.进一步的，该内环座20第一端设有至少一个卡槽21，该连接座18第二端与该卡槽21相对应位置处设有可卡入至该卡槽21内的至少一个卡齿22。在下方至连接座18与内环做接触时，卡齿22可卡入至卡槽21内，使得内环座20和连接座18卡紧，即可实现钻头1与钻杆17固定连接，防止钻头1与钻杆17发生相互转动。
43.为便于对连接座18及钻头1进行下方和提拉，该连接座18第一端中部固设有捞矛头23。优选的，该捞矛头23上设有可供挂绳连接的线槽或线孔。
44.优选的，该套管靴19第一端与该钻杆17第二端端部固定连接，该套管靴19第二端设有用于收缩该收缩块6的喇叭口24。在上提钻头1时，收缩块6首先与喇叭口24接触，并在喇叭口24的挤压下将收缩块6收回至钻杆17内，防止收缩块6卡住套管靴19，造成钻头1无法上提。
45.在可收缩式钻头1及配套钻具设备15组装完成后，通过绳索取心钻具的打捞机构，将可收缩式钻头1沿着钻杆17内壁下放至孔底。下放可收缩式钻头1时，钻头胎体2内部的弹性件7在钻杆内壁的作用下，使得伸缩块6回收至钻头胎体2内部，并沿着钻杆17内壁下滑。
当钻头1下放至预定孔深时，捞矛头23底部恰好坐落在内环座20的卡槽21上，此时钻头胎体2四周的伸缩块6在弹性件7的作用下从钻头胎体2的安装腔5中弹出。钻杆17转动时，通过上部内环座20带动内部钻具一起旋转，从而起到扩孔和继续钻进的作用，如图6所示状态；需要上提可收缩式钻头1时，可直接通过钢丝绳提升绳索取心钻具，此时，钻头1的伸缩块6向内回收，伸缩块6的内侧楔进岩心内部，并卡断岩心，如图4所示状态。
46.总的来说，本发明具有如下有益效果：将钻杆代替传统套管，从而简化大洋钻探中下套管施工程序，节省了下套管作业时间；同时内部则采用绳索取芯的方式进行钻进和取芯，伸缩式钻头1随内部绳索取芯钻具一起提升和下放，从而避免了因钻头磨损需要将整套钻具提至海上钻井平台的步骤，从而节省施工及维修时间，节约施工成本，提高施工效率。
47.此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“层叠”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。