一种仪器投送装置及定向钻探水压式工具及定向钻探工具

摘要

本发明涉及一种定向钻探工具，由仪器投送装置及定向钻探水压式工具组成，其中：所述仪器投送装置包括一端连接测量仪器或岩芯打捞工具，另一端连接带钢丝绳的仪器探管的滚珠短接；所述定向钻探水压式工具包括高压水输送工具，高压水输送工具包括高压水管、固定管、入口管道以及中空短接体，所述中空短接体用于连接钻杆，入口管道内设有橡胶堵头以及多个密封元件，所述多个密封元件以及橡胶堵头上分别开设有孔隙通道；在进行定向钻探时，所述滚珠短接设置于钻杆内部，仪器探管上的钢丝绳设置于孔隙通道内，利用高压水可以高效地将仪器投送装置从地面送到孔底指定位置，并将仪器和岩芯从孔底打捞回地面。

说明书

技术领域

本发明涉及定向钻探领域，具体涉及一种尤其适用于对软土地层进行定向水平输送测量仪器或岩芯打捞工具的仪器投送装置、定向钻探水压式工具以及定向钻探工具。

背景技术

在地质钻探领域定向钻探主要以不取芯的水流冲击孔底马达高速旋转驱动钻头钻具为主，随钻测量仪器主要采用无线随钻仪。无线随钻仪在下钻前就安装在钻具之中，随下钻时下入孔底开展工作。其中，由于无线随钻仪和钻具的结构原因，这种钻具不能进行定向取芯钻探，只能进行定向无芯钻孔。而且，随钻测量的无线随钻仪必须要依靠大流量(1000L/n以上)高水压(10MPa以上)的大型水泵才能很好地开展工作。这种大流量高水压在孔底岩石比较完整坚硬的条件下没问题，但遇软弱地层极易将孔壁压垮造成埋钻事故。况且流量越大压力越高的水泵体积也越大，重量也越重，给野外条件下的搬运带来诸多不便。

目前，也有采用流量和泵压相对小的“有线随钻仪”，但该仪器后面必须连接一根从孔底到地面的细钢丝电缆，带细钢丝电缆的测斜仪从地面放入垂直于地面的孔底时主要靠重力和水压，当定向钻孔进行到长距离水平段时就经常不能将仪器送到位，从而不能正常开展定向钻孔。

因此，如何在软弱地层和进行长距离水平无芯钻孔时有线随钻仪从地面成功送到孔底指定位置开展工作；以及针对新近国内出现的精确定向绳索取芯钻探如何解决把这种带钢丝电缆的仪器或带钢丝绳的打捞岩芯的工具从地面送到孔底指定位置，并将仪器和岩芯从孔底打捞回地面，是地质钻探领域内，无芯钻探以及定向取芯钻探均需迫切解决的问题。

发明内容

基于现有针对软土地层进行定向无芯钻探或水平钻孔时，无线随站仪定向投送难度大，以及在进行定向取芯钻探时，有线随站仪无法进行长距离水平输送的问题，本发明提供了一种通过将装配取芯工具或测量仪器的滚珠短接设置于钻探钻杆内，利用高压水长距离水平输送滚珠短接，将仪器从地面钻杆内投送到孔底指定位置并将其回收到地面的仪器投送装置以及与其配套设置的定向钻探水压式工具。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种仪器投送装置，包括滚珠短接，所述滚珠短接一端螺纹连接测量仪器或岩芯打捞工具，另一端螺纹连接带钢丝绳的仪器探管；

所述滚珠短接包括短接本体与轴承组件；所述短接本体上环向开设有三个安装槽；所述轴承组件包括轴承座、滚珠轴承、轴承垫圏以及小轴，所述轴承座上开设有轴承安装槽，所述滚珠轴承设置于轴承安装槽内，轴承垫圏分别设置于滚珠轴承两端，小轴横穿设置于滚珠轴承以及两个轴承垫圏内，所述轴承座通过在两端设置紧固螺钉与所述短接本体安装固定。

进一步地，所述短接本体包括第一连接段与第二连接段，所述第一连接段上设有用于与所述测量仪器或岩芯打捞工具相连接的外螺纹，所述第二连接段呈圆柱体，所述圆柱体一端设有与仪器探管相匹配的内螺纹，所述三个安装槽以等分圆周的方式布置于圆柱体上，所述圆柱体外径与定向钻探用钻杆内径相匹配。

本发明还提供了一种用于输送上述仪器投送装置的定向钻探水压式工具，包括高压水输送工具，所述高压水输送工具包括中空的固定管，所述固定管管体上设有与其相贯通的高压水管，所述高压水管与高压水泵相连接；

其中：所述固定管一端螺纹连接中空的入口管道，所述入口管道端部设有橡胶堵头，所述入口管道内部紧密布置有多个密封元件，多个所述密封元件一端与橡胶堵头接触设置，另一端与固定管端部接触设置；所述多个密封元件以及橡胶堵头上分别开设有可供设置于仪器投送装置上的钢丝绳通过的孔隙通道；

所述固定管另一端通过外螺纹连接活接管道，所述活接管道通过内螺纹连接中空短接体，所述中空短接体与钻杆螺纹连接。

进一步地，多个所述密封元件包括第一橡胶垫、开口垫圏以及多个设置于第一橡胶垫与开口垫圏之间的第二橡胶垫，所述第一橡胶垫与橡胶堵头接触设置，所述第二橡胶垫底部设有与第一橡胶垫底部结构相同的环状槽型结构；多个所述第二橡胶垫的顶部设置呈与第一橡胶垫底部环状槽型结构相匹配的锥型结构，所述第一橡胶垫与第二橡胶垫之间，以及多个第二橡胶垫之间分别通过锥型结构与环状槽型结构相互配合的方式，紧密排列布置，所述开口垫圏设置于固定管的端部与入口管道之间。

进一步地，所述第二橡胶垫在外形结构上，呈组合式圆台形，上部圆台形结构内部设置圆台形凹槽，下部圆台形的截面呈M型。

进一步地，所述橡胶堵头、第一橡胶垫以及多个第二橡胶垫的中间位置分别开设有可供钢丝绳通过的中心通孔，所述橡胶堵头、第一橡胶垫以及多个第二橡胶垫一侧分别开设有与所述中心通孔相连接的纵向切口。

作为优选，所述多个第二橡胶垫之间采用错缝安装的方式进行装配固定。

作为优选，所述高压水管焊接设置于固定管上，所述固定管与高压水管的焊接处设有密封涂层。

作为优选，所述中空短接体与固定管之间设有与活接管道相连接的密封垫片。

本发明还提供了一种定向钻探工具，由上述的仪器投送装置以及定向钻探水压式工具组成，在进行定向钻探时，所述仪器投送装置通过入口管道放置于钻杆内部，所述钢丝绳设置于橡胶堵头以及多个密封元件的孔隙通道内。

其中，精确定向取芯钻探在实施过程中，由于岩层软硬不均或者岩层产状变化以及各种客观条件的变化，会引起钻孔的顶角和方位角不断产生变化。这就要求钻进过程中根据测量数据不断调整好工具面角和方位角，才能达到钻孔设计目标。如果采用无线测量仪器测量顶角和方位角等参数，必须把仪器从钻杆孔内取回地面，将数据下载后才能得知钻孔内数据(因为要保持打捞岩芯通道的畅通，仪器也不能留滞孔内)。而如要调整孔内工具面角和方位角，则已不能显示实时数据(因仪器已打捞回地面)，加之随着钻孔越长，钻杆的扭曲率越大，地面调整参数出现的虚假数值就会越大，因此会出现较大误差，达不到精确定向取芯钻探的目的。采取有线随钻测量仪时，因为有一根细钢丝电缆从孔底的仪器连接到地面的接收器，能实时了解钻孔的技术参数，并在地面调整所需钻探参数时及时显现准确现场参数。因此，本发明所提供的定向钻探水压式工具及仪器投送装置为精确定向取芯钻探的实施，提供了切实保障。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、本发明通过设置由固定管、高压水管、入口管道、活接管道、中空短接体、橡胶堵头以及密封元件构成的高压水输送工具实现对设置于钻杆内的仪器投送装置进行水压式长距离水平输送；其中，所述高压水输送工具入口管道内橡胶堵头以及多个特殊结构密封元件的配合设置，一方面可供设置于仪器投送装置上的钢丝绳通过；另一方面，可以有效解决高压水作用下，左侧端固定管段的密封性问题，继而为实现将带钢丝绳的仪器投送装置从地面钻杆内送到孔底指定位置，提供了保障。

2、本发明所述的仪器投送装置通过将测量仪器或岩芯打捞工具设置于滚珠短接的一端，并将钢丝绳的仪器探管设置于滚珠短接的另一端；其中，所述滚珠短接上装配三组由滚珠轴承、轴承垫圏、小轴以及轴承座构成的轴承组件，当滚珠短接带动测量仪器或打捞工具在钻杆内部滑行时，与钻杆内部接触点小，相互之间摩擦系数小，在水压作用下，滑行距离远，滑行速度快。

3、在本发明所述的高压水输送工具中，各个零部件之间均采用螺纹连接的方式进行装配固定，具有组装便利、拆卸容易、便于保管运输的特点，在野外生产现场可以灵活高效地与井口钻杆进行组装、拆装操作。

4、本发明所提供的由仪器投送装置以及定向钻探水压式工具组成的定向钻探工具，尤其适用于对软弱地层进行定向钻探时，实现将自带钢丝绳的仪器或自带钢丝绳的岩芯打捞工具高效地从地面钻杆内送到孔底指定位置。

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述高压水输送工具剖面结构示意图。

图2为本发明实施例所述第二橡胶垫的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例所述第二橡胶垫的俯视图。

图4为本发明实施例所述滚珠短接剖面结构示意图。

图5为本发明实施例所述短接本体结构示意图。

图6为本发明实施例所述滚珠短接A-A处剖面结构示意图。

图7为本发明实施例所述轴承座剖面示意图。

标号说明：1、高压水输送工具；11、橡胶堵头；12、入口管道；13、第一橡胶垫；14、第二橡胶垫；15、开口垫圏；16、固定管；17、高压水管；18、活接管道；19、密封垫片；10、中空短接体；2、纵向切口；3、中心通孔；4、滚珠短接；41、第一连接段；42、第二连接段；43、安装槽；44、螺纹连接孔；5、轴承座；51、螺钉安装孔；52、轴承安装槽；6、紧固螺钉；7、滚珠轴承；8、轴承垫圏；9、小轴。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

由于定向取芯钻探需频繁的从钻杆内采集仪器测量孔内各种数据，又要从钻杆内回收仪器和打捞钻探的岩芯，因此能将仪器和岩芯打捞工具在长距离水平定向投放到指定位置，对能否开展精确定向取芯钻探尤为重要。

如图1至7所示，本实施例提供了一种定向钻探工具，主要由仪器投送装置与定向钻探水压式工具组成；

其中：一方面：如图4至7所示，所述仪器投送装置，包括滚珠短接4，所述滚珠短接4一端螺纹连接测量仪器或岩芯打捞工具，另一端螺纹连接带钢丝绳的仪器探管。

具体地，所述滚珠短接4包括短接本体与轴承组件；其中：所述短接本体包括第一连接段41与第二连接段42，所述第一连接段41上设有用于与测量仪器或岩芯打捞工具相连接的外螺纹，所述第二连接段42为圆柱体，所述圆柱体一端设有与仪器探管相匹配的内螺纹，且圆柱体上按120°分别铣出三个安装槽43，每个所述安装槽43内分别开设有两个螺纹连接孔44；进一步地，所述圆柱体的内径与所述钻杆的内径相匹配；

如图6、7所示，所述轴承组件包括轴承座5、滚珠轴承7、轴承垫圏8以及小轴9，所述轴承座5上开设有一个轴承安装槽52与两个与所述螺纹连接孔相匹配的螺钉安装孔51，所述滚珠轴承7设置于轴承安装槽52内，轴承垫圏8分别设置于滚珠轴承7两端，小轴9横插设置于滚珠轴承7以及两个轴承垫圏8内，所述轴承座5分别通过在两端螺钉安装孔51内设置紧固螺钉6与所述短接本体的两个螺纹连接孔44安装固定。

另一方面：如图1至3所示，所述定向钻探水压式工具包括高压水输送工具1，所述高压水输送工具1包括中空的固定管16，所述固定管16管体上设有与其相贯通的高压水管17，所述高压水管17与高压水泵相连接；

所述固定管16一端通过外螺纹连接中空的入口管道12，所述入口管道12端部设有与其相配合的橡胶堵头11，所述入口管道12内部紧密布置有多个密封元件，多个所述密封元件一端与橡胶堵头11接触设置，另一端与固定管16端部接触设置；所述多个密封元件以及橡胶堵头11上分别开设有可供设置于仪器探管上的钢丝绳通过的孔隙通道；

所述固定管16另一端通过外螺纹连接活接管道18，所述活接管道18通过内螺纹连接中空短接体10，所述中空短接体10与钻杆螺纹连接；

在进行定向钻探时，装配有测量仪器或岩芯打捞工具的滚珠短接4可通过入口管道12放置于钻杆内部，所述滚珠短接4端部的仪器探管上的钢丝绳设置于橡胶堵头11以及多个密封元件的孔隙通道内。

其中，所述测量仪器可为随站仪。

如图1所示，在本实施例1所述的定向钻探水压式工具中，多个所述密封元件包括第一橡胶垫13、开口垫圏15以及多个设置于第一橡胶垫13与开口垫圏15之间的第二橡胶垫14，所述第一橡胶垫13与橡胶堵头11接触设置，所述第二橡胶垫14的底部设有与第一橡胶垫13底部结构相同的环状槽型结构；多个所述第二橡胶垫14的顶部设置为与第一橡胶垫13底部环状槽型结构相匹配的锥型结构，所述第一橡胶垫13与第二橡胶垫14之间，以及多个第二橡胶垫14之间分别通过锥型结构与环状槽型结构相互配合的方式，紧密排列布置，所述开口垫圏15设置于固定管16的端部与入口管道12之间。

具体地，如图2、图3所示，在本实施例1中，所述第二橡胶垫14在外形结构上，呈组合式圆台形，上部圆台形结构内部设置圆台形凹槽，下部圆台形的截面呈M型。所述橡胶堵头11、第一橡胶垫13以及多个第二橡胶垫14的中间位置分别开设有可供钢丝绳通过的中心通孔3，所述橡胶堵头11、第一橡胶垫13以及多个第二橡胶垫14一侧分别开设有与所述中心通孔3相连接的纵向切口2，以便于钢丝绳的通过以及橡胶垫的安装；其中，所述多个第二橡胶垫14之间可采用错缝安装的方式进行装配固定，以提高多个橡胶垫之间的装配密封性。

实施例2：如图1所示，为了进一步提高实施例1所述定向钻探水压式工具在高压水环境下的密封性，可将所述高压水管17焊接设置于固定管16上，并在所述固定管16与高压水管17的焊接处设置密封涂层。

实施例3：如图1所示，为了进一步提高实施例1或实施例2所述定向钻探水压式工具在高压水环境下的密封性，可在所述中空短接体10与固定管16之间设置与活接管道18相连接的密封垫片19。

本发明实施例1至3所述的定向钻探工具具体使用方法如下：

需要工作时，首先，将孔口钻杆与高压水输送工具1的右端中空短接体10进行螺纹连接；再将高压水泵通过皮管和高压水管17连接固定；

其次，将装有滚珠短接4的随钻仪或者岩芯打捞器通过高压水输送工具1的左端入口管道12放入钻杆内，依次将开口垫圈15、多个第二橡胶垫14以及第一橡胶垫13依次放入入口管道12内部；其中，所述第一橡胶垫13和第二橡胶垫14中间均有用于通过钢丝绳直径大小的中心孔，侧边从外沿到圆心小孔用刀切开，便于围绕钢丝绳安装橡胶垫和钢丝绳的通过；

最后，在第一橡胶垫13的左侧用橡胶堵头11与入口管道12螺纹连接，压住通过钢丝绳的多个橡胶垫；此时，开通高压水泵，高压水流通过高压水管17进入固定管16后，由于左边的多个橡胶垫是紧密错缝安装，封堵了左行的高压水流，但橡胶垫中间留有小孔供钢丝电缆通过；继而在高压水流及滚珠短接4的轴承作用下将带钢丝绳的测量仪器或岩芯打捞器推向右端，在钻杆内通过长距离的水平段达到指定位置，进行定向无芯钻孔或定向取芯钻探。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。