钻头调向装置及其使用方法及定向取芯钻具与流程

1.本发明涉及地质勘探技术领域，更具体地说，涉及一种钻头调向装置，还涉及一种包括上述钻头调向装置的定向取芯钻具，还涉及一种上述钻头调向装置使用方法。


背景技术：

2.定向取芯钻具可根据预定轨迹实现定向钻进，同时连续不断地获取岩芯样品，可用于超前地质勘探领域。定向取芯钻具的应用可减小隧道建设风险，及时查出问题围岩、地下水位置，为海底隧道等长大隧道可行性研究、设计和施工等重大工程决策提供有效的数据支撑。
3.现有的定向取芯技术主要是采用螺杆钻具进行定向钻孔，不取芯，到达设计取芯位置后，再采用常规取芯钻具进行取芯钻进。
4.如中国专利公开号为cn113279716a公开了一种定向连续反循环取芯组合钻具及方法，包括依次连接的取芯钻头、取芯导向装置、埋线双壁钻杆、埋线双壁送水器、计算机。取芯导向装置包括中心管、外管、套筒、测斜元件和导向机构，计算机与埋线双壁送水器、埋线双壁钻杆及取芯导向装置埋设的导线连通，导线连接测斜元件，测斜元件连接导向机构。计算机发送控制指令，测斜元件测量并回传钻孔轨迹参数，导向机构上布设的推靠巴掌根据指令以不同推力推靠孔壁，实现定向钻进，同时取芯钻头钻取岩芯，岩芯在水力作用下沿着中心通道返出孔外，从而实现连续定向取芯钻进。但该钻具的推靠巴掌控制系统设计复杂，且不适用于较软底层。
5.如中国专利公开号为cn112377131a公开一种近水平定向连续取芯装置与方法，包括取芯钻具、与取芯钻具连接的偏心导向头、孔口密封件以及与取芯钻具相连的水便；该方法首先采用定向钻进技术在需要取芯的岩体中沿设计取芯轨迹施工定向钻孔，然后提出所有钻具，下入连续取芯装置，安装孔口密封件，在钻机给进和回转作用下使导向头沿已施工的定向钻孔滑动，引导下方取芯钻具钻进取芯。但该装置定向钻进和取芯操作不可同时进行，取芯效率低。
6.如中国专利公开号为cn112282636a公开一种螺杆取芯钻具，包括：外管总成和用于套装在外管总成内与外管总成卡接的内管总成，外管总成第一端用于与钻杆连接、第二端设有与外管总成可转动连接的钻头组件，内管总成包括螺杆马达组件、与螺杆马达组件第一端连接且用于与外管总成卡接的打捞组件以及与螺杆马达组件第二端连接的取样组件，取样组件穿在钻头组件内部，螺杆马达组件与钻头组件传动连接，以带动钻头组件转动。使得螺杆取芯钻具的钻进速度更快，钻井效率更高。但该钻具无定向钻进的功能。
7.目前的钻具，取芯长度均有限，取芯钻进轨迹不可控，获取的地质信息有限，主要是因为钻头调向不方便。
8.综上所述，如何有效地解决钻头调向不方便的问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种钻头调向装置，该钻头调向装置可以有效地解决钻头调向不方便的问题，本发明的第二个目的是提供一种包括上述钻头调向装置的定向取芯钻具，本发明的第三个目的是提供一种上述钻头调向装置的使用方法。
10.为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：
11.一种钻头调向装置，包括钻杆、驱动轴和转动时以带动钻头调向的外壳；所述外壳套设于所述驱动轴设置，还包括锁定组件，所述锁定组件连接于所述钻杆与所述外壳之间以通过所述锁定组件的传动销传递扭矩；所述驱动轴上开设有通水口，以用于从所述驱动轴内导入液体以推动所述传动销移动以脱离扭矩传递位置。
12.在该钻头调向装置中，在应用于定向取芯钻具中使用时，在定向钻进时，先在钻杆内注入水：大部分水将通过驱动轴流至钻头端面，然后沿孔壁携带岩屑返回孔外；少部分水会从驱动轴上的通水口中流入，在水压的作用下，传动销脱离扭矩传递位置。再旋转钻杆，外壳将处于不旋转状态，从而保证钻进方向不变。钻杆的旋转带动驱动轴一起旋转，驱动轴带动钻头一起旋转，切削岩石。而当需要调向时，先停止注水，此时传动销进入扭矩传递装置，此时缓慢旋转钻杆，外壳将一起缓慢旋转，以使得钻头的偏斜方向将随之改变，进而完成调向。当钻头的偏斜方向调至所需方向后，停止旋转钻杆。此时再注入水，传动销脱离扭矩传递位置，旋转钻杆，可再次开始定向取芯钻进。在该钻头调向装置中，在传动轴处设置了通水口，以可以通过通水口导入的液体，来控制传动销是否位于扭矩传递位置，进而控制锁定组件是否处于锁定状态，以在应用时，可以利用输送至钻头的液体，以控制锁定组件的锁定状态。而且一般在输送液体时，钻头是无需调向的；而钻头调向时，一般不再钻进；因此刚好配合于钻头的工作特点。综上所述，该钻头调向装置能够有效地解决钻头调向不方便的问题。
13.优选地，还包括用于阻止所述传动销脱离所述扭矩传递位置的复位弹性装置。
14.优选地，所述锁定组件包括能够轴向移动的活塞，所述传动销固定安装于所述活塞上，所述活塞的一侧设置有与所述通水口连通的推动腔、另一侧设置有用于推动所述活塞的所述复位弹性装置。
15.优选地，所述锁定组件包括与所述钻杆固定连接的联轴器，所述传动销与所述联轴器沿轴向直接或间接滑动连接，所述外壳上设置有与所述传动销相配合设置的u型槽。
16.优选地，还包括中间壳体，所述中间壳体包括后连接筒部和前连接筒部；所述后连接筒部套设于所述联轴器，且与所述驱动轴之间设置有所述活塞，所述活塞内径与所述驱动轴外径相等、外径与所述后连接筒部内径相等；所述前连接筒部内径与所述驱动轴外径相等；所述前连接筒部与所述活塞之间形成所述推动腔。
17.优选地，所述联轴器前端内侧面与所述驱动轴螺纹连接、外侧面与所述后连接筒部螺纹连接。
18.优选地，所述后连接筒部上设置有与所述传动销相配合的腰形槽。
19.优选地，包括偏置组件，所述偏置组件的内偏心环内孔与所述驱动轴配合、外偏心环的外侧与所述外壳固定连接；所述外壳外侧套设有扶正器；所述外壳与驱动轴之间具有上部轴承、下部轴承；在前端处，所述外壳与驱动轴之间具有密封装置。
20.为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种定向取芯钻具，该定向取芯钻具
包括上述任一种钻头调向装置，还包括钻头，所述钻头安装于所述驱动轴的前端。由于上述的钻头调向装置具有上述技术效果，具有该钻头调向装置的定向取芯钻具也应具有相应的技术效果。
21.优选地，还包括穿设于所述驱动轴内部的取芯器。
22.为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种上述任一种钻头调向装置的使用方法，包括如下步骤：停止向驱动轴供入高压液体；驱动钻杆转动，以带动外壳转动至钻头的偏斜方向满足设定要求；向所述驱动轴供入高压液体，以使得部分液体流向所述钻头的端面，部分液体通过通水口流入以推动传动销脱离扭矩传递位置。由于上述的钻头调向装置具有上述技术效果，应用于该钻头调向装置的使用方法也应具有相应的技术效果。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例提供的钻头调向装置的轴向剖面结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的钻头调向装置的外侧结构示意图；
26.图3为本发明实施例提供的偏置组件的侧面结构示意图；
27.图4为本发明实施例提供的定向取芯钻具的轴向剖面结构示意图。
28.附图中标记如下：
29.钻杆1、取芯器2、锁定组件3、驱动轴4、外壳5、上部轴承6、扶正器7、偏置组件8、下部轴承9、密封装置10、钻头11、联轴器301、中间壳体302、复位弹性装置303、活塞304、传动销305、通水口401、u型槽501、内偏心环801、外偏心环802、腰形槽3021、第一外表面3022、第二内表面3023、第二外表面3024、第一内表面3025。
具体实施方式
30.本发明实施例公开了一种钻头调向装置，该钻头调向装置可以有效地解决钻头调向不方便的问题。
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.请参阅图1-图4，图1为本发明实施例提供的钻头调向装置的轴向剖面结构示意图；图2为本发明实施例提供的钻头调向装置的外侧结构示意图；图3为本发明实施例提供的偏置组件的侧面结构示意图；图4为本发明实施例提供的定向取芯钻具的轴向剖面结构示意图。
33.在一种具体实施例中，本实施例提供了一种钻头调向装置，主要应用于定向取芯钻具。具体的，该钻头调向装置包括钻杆1、驱动轴4、外壳5和锁定组件3。
34.其中钻杆1用于传入扭矩，并将扭矩传递至驱动轴4，而驱动轴4将扭矩传递至钻头
11，以进行钻进。而其中的锁定组件3设置于钻杆1与外壳5之间，以可选地传递扭矩。而外壳5转动时，用以带动钻头11调向。即当需要调向时，可以使锁定组件3将钻杆1的扭矩传递至外壳5，而外壳5转动以带动钻头11调向；而当不需要调向时，可以使锁定组件3不再将钻杆1的扭矩传递至外壳5。
35.其中外壳5套设于驱动轴4设置，以在外壳5转动时，通过内部偏心结构或其它推动结构，带动驱动轴4弯曲，以使得可以带动钻头11调向。一种具体的方案，可以使外壳5与驱动轴4之间设置有偏置组件8。具体的，外壳5转动时，如何带动钻头11调向，可以根据需要进行具体设置。
36.其中锁定组件3连接于钻杆1与外壳5之间，以通过锁定组件3的传动销305传递扭矩，其中传动销305能够移动，以能够进入、脱离扭矩传递位置。而当传动销305进入扭矩传递位置时，此时钻杆1转动，能够带动外壳5转动，进而可以进行调向；而当传动销305脱离扭矩传递位置时，此时钻杆1转动，将无法带动外壳5转动，进而不再进行调向。其中移动，可以是轴向移动，也可以是径向移动，以可以使传动销305轴向或径向进出限位槽，进入限位槽时，可以传递扭矩，而移出时不能够再传递扭矩。
37.其中的驱动轴4上开设有通水口401，以用于从驱动轴4内导入液体以推动传动销305移动以脱离扭矩传递位置，此处推动，可以是直接推动，也可以是间接推动。主要是通过引入高压液体，以推动传动销305移动，而不再引入高压液体时，此时传动销305应当能够进入扭矩传递位置。在使用时，其中高压液体主要用于钻头11钻进时，通过驱动轴4向钻头11处输入的水。需要说明的时，其中传动销305进入扭矩传递装置，可以是通过重力实现，如此时向下钻进时，也可以是通过复位弹性装置303实现，其中复位弹性装置303用于阻止传动销305脱离扭矩传递位置，以在高压液体作用下，克服复位弹性装置303的弹性力，而不再具有高压液体作用时，此时复位弹性装置303弹性力推动传动销305进入扭矩传递位置。其中可以在驱动轴4的周向布置一个或多个通水口401。
38.在该钻头调向装置中，在应用于定向取芯钻具中使用时，在定向钻进时，先在钻杆内注入水：大部分水将通过驱动轴4流至钻头11端面，然后沿孔壁携带岩屑返回孔外；少部分水会从驱动轴4上的通水口401中流入，在水压的作用下，传动销305脱离扭矩传递位置。再旋转钻杆1，外壳5将处于不旋转状态，从而保证钻进方向不变。钻杆1的旋转带动驱动轴4一起旋转，驱动轴4带动钻头11一起旋转，切削岩石。而当需要调向时，先停止注水，此时传动销305进入扭矩传递装置，此时缓慢旋转钻杆1，外壳5将一起缓慢旋转，以使得钻头11的偏斜方向将随之改变，进而完成调向。当钻头11的偏斜方向调至所需方向后，停止旋转钻杆1。此时再注入水，传动销305脱离扭矩传递位置，旋转钻杆1，可再次开始定向取芯钻进。在该钻头调向装置中，在传动轴4处设置了通水口，以可以通过通水口401导入的液体，来控制传动销305是否位于扭矩传递位置，进而控制锁定组件3是否处于锁定状态，以在应用时，可以利用传动轴4输送至钻头11的液体，以控制锁定组件3的锁定状态。而且一般在输送液体时，钻头11是无需调向的；而钻头11调向时，一般不再钻进；因此刚好配合于钻头11的工作特点。综上所述，该钻头调向装置能够有效地解决钻头11调向不方便的问题。
39.进一步的，为了驱动传动销305移动，此处优选锁定组件3还包括能够轴向移动的活塞304，而其中的传动销305固定安装于活塞304上。其中活塞304可以通过与驱动轴4或其它的部件轴向滑动配合，如与后文提到的中间壳体302轴向滑动配合。
40.其中活塞304的一侧设置有与通水口401连通的推动腔、另一侧设置有用于推动活塞304的复位弹性装置303。当驱动轴4内部存在高压液体时，高压液体通过通水口401，向推动腔导入高压液体，高压液体推动活塞304轴向移动，以带动其上安装的传动销305脱离扭矩传递位置，并克服复位弹性装置303的弹性力。而当驱动轴4内部不存在高压液体时，此时复位弹性装置303的弹性力能够推动活塞304沿轴向反向移动，以带动其上安装的传动销305进入扭矩传递位置，以复位。
41.具体的，为了方便安装，此处优选锁定组件3还包括与所述钻杆1固定连接的联轴器301，传动销305与联轴器301沿轴向直接或间接滑动连接，以限制传动销305在轴向方向活动。而外壳5上设置有与传动销305相配合设置的u型槽501，以使得活塞304轴向移动时，能够带动传动销305进出u型槽501，而当传动销305进入u型槽501中，此时传动销305能够与u型槽501的两侧槽壁传递扭矩，即此时传动销305进入扭矩传递位置；而当传动销305脱离u型槽501时，此时传动销305与u型槽501之间不再传递扭矩，即此时传动销305脱离扭矩传递装置。需要说明的是，上述安装方式也可以颠换，如可以使联轴器301与外壳5固定连接，而在上述钻杆1上设置有u型槽501。
42.进一步的，为了方便安装活塞304，此处优选还包括中间壳体302，而其中中间壳体302包括后连接筒部和前连接筒部；后连接筒部套设于联轴器301，且与驱动轴4之间设置有活塞304，而其中活塞304内径与所述驱动轴4外径相等、外径与后连接筒部内径相等，即活塞304内侧与驱动轴4外侧面相配合，而活塞304外侧与后连接筒部内侧相配合。其中前连接筒部内径与驱动轴4外径相等，即前连接筒部内侧与驱动轴4外侧相配合，且优选间隙配合；以使得前连接筒部与活塞304之间形成上述推动腔。而活塞304与联轴器301之间空腔内设置有复位弹性装置303，其中复位弹性装置303如压缩弹簧、压缩弹性体等。
43.具体的，优选中间壳体302的第一内表面3025与驱动轴4外表面间隙配合，第二内表面3023与驱动轴4外表面共同构成一个环形空间，用于安装复位弹性装置303和活塞304。中间壳体302的第一外表面3022与联轴器301外表面外径相同。中间壳体302的第二外表面3024与外壳5内表面间隙配合。
44.具体的，优选活塞304为中空结构，内表面与驱动轴4外表面间隙配合，外表面与中间壳体302的第二内表面3023间隙配合，可在一定范围内轴向移动。
45.而其中联轴器301可以与驱动轴4以及与后连接筒部固定连接，具体的，可以使前端内侧面与驱动轴4螺纹连接、外侧面与后连接筒部螺纹连接，即联轴器301的前端套设于驱动轴4上，两者之间螺纹连接，而后连接筒部套设于联轴器301的前端，两者之间螺纹连接。当然也可以采用螺钉、焊接等方式进行固定连接。
46.如上述所述，其中传动销305可以通过中间壳体302，与联轴器301间接滑动连接。具体的，可以使后连接筒部上设置有与所述传动销305相配合的腰形槽3021。需要说明的是，应当保证活塞304具有足够的轴向长度，以当传动销305在轴向移动时，无论移动至任一位置，都应当保证活塞304能够遮挡腰形槽3021，以避免腰形槽3021与推动腔连通。
47.进一步的，如上所述，为了方便进行调向，可以在外壳5与驱动轴4之间设置有偏置组件8，具体的，可以使偏置组件8的内偏心环801内孔与驱动轴4配合、外偏心环802的外侧与所述外壳5固定连接。具体的，内偏心环801与驱动轴4间隙配合，正常钻进时与驱动轴4有滑动摩擦，因此材质为铜等硬度较低的材料。外偏心环802与外壳5间隙配合，且偏置组件8
与外壳5通过螺钉、销或花键等形式连接，与外壳5一起处于旋转状态或不旋转状态。偏置组件8的偏心量可通过旋转内偏心环801、外偏心环802在一定范围内调节。当内偏心环801、外偏心环802旋转至图2所示位置时，处于最大偏心量状态。外偏心环802与内偏心环801偏心量一致，因此最小偏心量为0。
48.对应的，还可以使外壳5外侧套设有扶正器7。而其中外壳5与驱动轴4之间具有上部轴承6、下部轴承9，以使得可发生相对旋转。在前端处，外壳5与驱动轴4之间具有密封装置10。
49.基于上述实施例中提供的钻头调向装置，本发明还提供了一种定向取芯钻具，该定向取芯钻具包括上述实施例中任意一种钻头调向装置，还包括钻头，所述钻头安装于所述驱动轴的前端。由于该定向取芯钻具采用了上述实施例中的钻头调向装置，所以该定向取芯钻具的有益效果请参考上述实施例。
50.进一步的，还包括穿设于所述驱动轴4内部的取芯器2。
51.基于上述实施例中提供的钻头调向装置，本发明还提供了一种上述实施例中任意一种钻头调向装置的使用方法，包括如下步骤：停止向驱动轴4供入高压液体；驱动钻杆1转动，以带动外壳5转动至钻头11的偏斜方向满足设定要求；向所述驱动轴4供入高压液体，以使得部分液体流向所述钻头11的端面，部分液体通过通水口401流入以推动传动销305脱离扭矩传递位置。
52.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
53.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。