一种适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具的制作方法

本实用新型涉及一种适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具。

背景技术：

随着国家战略性超级工程川藏铁路建设深入开展，工程地质探测迎来了新的挑战。川藏铁路工程地质条件复杂、施工风险高，现有装备由于无法适应高海拔地质条件，导致综合物探地质预报精度较低。而通过水平钻探取芯是一种更直观的地质探测方法。因此，开展长距离、大口径、近水平高精度钻探机具的研究，以满足川藏铁路超长隧道施工的地质预报需求，确保施工安全、提高施工效率显得尤为必要。绳索取心钻进技术具有钻进效率高、对样品的扰动程度小等优点在小口径地质探勘领域得到广泛应用。但是大口径长距离近水平勘探与常规地质勘探相比主要存在以下差异：常规地质勘探其钻孔直径通常在75mm至150mm之间，以近垂直钻孔方案为主，而大口径长距离水平勘探的钻孔直径通常在300mm-600mm之间，且采用的是近水平钻孔方案。钻孔直径的增大在增加钻获岩心样品数量的同时也使得钻具的整体重量（钻具本身重量与所获岩心样品重量之和）显著增加，常规地质勘探钻具通常采用矛头结构与打捞器中的捞勾组件相配合实现对钻具总成的打捞与提升，在作业过程中矛头为受力集中点。随钻具整体质量的显著增加，其矛头强度失效的风险增大，发生潜在钻探事故的几率升高。相比于垂直钻进方案采用近水平钻进时钻具由于受重力作用影响，其在输送的过程中易发生钻具偏磨现象，导致运行阻力增大。此外，在投送钻具作业时，常规钻具的弹卡板是在弹簧力下的作用下抵在钻杆的内表面上向下滑行，其非正常磨损严重。为了提高弹卡板的定位的可靠性，往往需要提高弹簧刚度，同时也意味着弹卡板磨损程度加剧，在深孔投送时中其技术矛盾更为突出。在打捞钻具作业时，常规绳索取心钻具通常是依靠提拉与矛头连接的收卡筒沿轴向移动一段距离，实现弹卡板的收缩。这种收卡方式要求弹卡板与外管总成中的弹卡档头之间必须具足够的串动间隙，当在复杂地层钻进时弹卡板与弹卡档头容易发生顶死现象，造成无法顺利收卡，增加卡钻事故的风险。目前大口径近水平工程勘探的绳索取心钻具主要以在沿用常规具结构形式的前提下扩大结构尺寸为主，其尚未完全发挥绳索取心钻进技术在大口径水平勘探中的优势，工作可靠性及稳定性下降。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、操作方便、可靠性高，通水性能好的适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具。

本实用新型采用的技术方案是：一种适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具，包括弹卡定位总成、打捞推送装置，其特征是：所述的弹卡定位总成包括卡爪、压套、卡爪弹簧、压盖、卡爪支架、悬挂环和压套弹簧；卡爪支架上设有多个通孔，每个通孔内铰接一卡爪，卡爪的定位面伸入卡爪支架的中心孔内；卡爪与卡爪支架之间设置卡爪弹簧，卡爪支架上设有压盖，压盖的中心孔中设置有压套，压套的下部位于卡爪支架内，压套侧壁的中部设有凸缘，凸缘能够与卡爪的定位面接触；压套与卡爪支架之间设置压套弹簧，卡爪支架下部设有悬挂环；

所述的打捞推送装置包括接头、抓捕机构、推送机构；接头的下部连接抓捕机构和推送机构，推送机构位于抓捕机构内；抓捕机构下端能够对卡爪的上端进行抓捕。

上述的适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具中，所述的压套侧壁上凸缘的底面为上大下小的圆锥形面，卡爪的下部设有用于限制卡爪转动角度的限位面。

上述的适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具中，推送机构上端与接头的中心孔螺接，推送机构上设有锁紧螺母。

上述的适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具中，所述的卡爪的下部设有通孔，滚轮通过弹性圆柱销安装在该通孔内，弹性圆柱销平行于圆柱销设置。

上述的适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具中，所述的卡爪支架侧面均布有多个过水槽，过水槽沿着卡爪支架母线设置，卡爪支架上铰接卡爪的多个通孔沿圆周方向均匀布置。

上述的适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具中，所述的悬挂环侧面上均匀分布有过水键槽。

上述的适用于大口径水平工程地质勘探的绳索取心钻具中，所述的抓捕机构为钟罩式结构，抓捕机构的底部能与卡爪的顶部相互咬合。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1）本实用新型在进行打捞和提升作业时钻具的总重量由弹卡总成中的多个卡爪共同承担，降低了单个卡爪的受力荷载；相比于矛头结构形式，本实用新型能够避免由于荷载过大导致矛头强度失效的风险，提高作业过程的可靠性。

2）本实用新型的卡爪兼具常规钻具的矛头和弹卡板定位作用，能够减少钻具总成的零件数量，使其结构更加简单、紧凑。在水平投放的过程中，卡爪下部的滚轮与钻杆壁接触，能够在起到定心作用的同时降低钻具的运行阻力，减少由于重力作用产生的钻具偏磨；本实用新型的弹卡总成中的卡爪在水平投送时能够处于收拢状态从而避免在投送过程中的过度磨损现象，使用寿命长。

3）本实用新型在打捞的过程中时是依靠打捞器的抓捕机构迫使卡爪径向收缩，相比于常规钻具依靠收卡筒轴向移动一定距离实现弹卡板收缩的形式，其收缩性能更加迅速可靠，能够避免常规钻具在复杂地层钻进时由于弹卡板与弹卡档头之间失去串动间隙造成无法正常打捞的风险，可靠性高，而且操作方便。此外，本实用新型增大了水路系统的过水环状面积，钻具的整体通水性能得到改善和提升。

附图说明

图1为本实用新型的弹卡定位总成剖视图。

图2是本实用新型的弹卡定位总成结构示意图。

图3是本实用新型的卡爪的结构示意图。

图4是本实用新型的打捞推送装置的结构示意图。

图5是本实用新型推送状态示意图。

图6是本实用新型工作状态示意图。

图7是本实用新型打捞状态示意图。

图中：1-卡爪；2-压套；3-卡爪弹簧；4-压盖；5-圆柱销；6-弹性圆柱销；7-滚轮；8-压套弹簧；9-卡爪支架；10-悬挂环；11-提拉头；12-圆柱销；13-接头；14-锁紧螺母；15-推送机构；16-抓捕机构；17-钻杆；18-座环；19-弹卡室；20-弹卡档头；92-过水槽；101-过水键槽；021-定位锥面；011-定位面；012-限位面。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1-7所示，本实用新型包括弹卡定位总成和打捞推送装置，所述的打捞推送装置包括提拉头11、圆柱销12、接头13、锁紧螺母14、推送机构15、抓捕机构16；提拉头11通过圆柱销12与接头11上部铰接，接头11的下部设置有抓捕机构13和推送机构14，推送机构14位于抓捕机构13内，推送机构14与接头11的中心孔螺接，推送机构14上设有锁紧螺母12。

所述的弹卡定位总成包括卡爪1、压套2、卡爪弹簧3、压盖4、滚轮7、压套弹簧8、卡爪支架9和悬挂环10；卡爪支架9侧面均布有多个过水槽92，过水槽沿着卡爪支架母线设置。卡爪支架9上设有多个通孔91，多个通孔91沿圆周方向均匀布置，每个通孔91内通过圆柱销5铰接一卡爪1，卡爪1的定位面011伸入卡爪支架的中心孔内。卡爪1与卡爪支架9之间设置卡爪弹簧3，卡爪支架9上设有压盖4，压盖4的中心孔中设置有压套2，压套2的下部位于卡爪支架9内，压套2侧壁的中部设有设有凸缘，凸缘能够与卡爪1的定位面011接触。所述的压套2侧壁上凸缘的底面为上大下小的圆锥形面，卡爪1的下部还设有用于限制卡爪转动角度的限位面012。所述的卡爪1的下部设有通孔，滚轮7通过弹性圆柱销6安装在该通孔内，弹性圆柱销6平行于圆柱销5设置。压套2与卡爪支架9之间设置压套弹簧8，卡爪支架9下部设有悬挂环10上，所述的悬挂环10侧面上均匀分布有多个过水键槽101。所述的抓捕机构16为钟罩式结构，抓捕机构16的底部能与卡爪1的顶部相互咬合。

本实用新型的具体使用方法如下：

本实用新型采用刚性顶推方式（如硬管或高强度钢绞线）进行钻具推送与回收，进行推送作业时首先将打捞推送装置中的抓捕机构16卸除，然后将打捞推送装置中的推送机构15与弹卡总成中的压套2相配合。由于推送机构15对压套2施加轴向力，使得压套2克服压套弹簧8的弹力产生轴向运动，压套2的圆锥形面021与卡爪1的定位面011相接触，迫使卡爪1绕圆柱销5发生转动，使卡爪1的上部处于收拢状态，卡爪1的下部滚轮7外张与钻杆17壁接触。打捞推送装置推动钻具进行水平推送作业。

当推送到位后，退回推送机构15，压套2在压套弹簧8的弹力下复位。此时，压套2不与卡爪1接触，卡爪1在卡簧弹簧3的弹簧力作用下复位外张，使卡爪1卡定在外管总成的弹卡室19内进行钻具的正常钻进作业。

钻进作业完毕后，进行打捞回收作业，首先将打捞推送装置中的推送机构15卸除，然后安装抓捕机构16，安装完毕后，采用刚性顶推方式（如硬管或高强度钢绞线）向抓捕机构13中心孔内输送打捞推送装置，使打捞推送装置中的钟罩型抓捕机构16罩住弹卡总成中的卡爪1，卡爪1顶部与抓捕机构16底部相互咬合。此时，卡爪1绕圆柱销5发生转动实现卡爪1的收拢，拉动打捞推送装置将内管总成一同提离孔底，完成打捞作业流程。