CN102134964A

CN102134964A - 一种双壁心轴岩芯钻机动力头

Info

Publication number: CN102134964A
Application number: CN2011101036632A
Authority: CN
Inventors: 李波; 高厚秀; 张琦; 朱文林; 张国栋; 邹成; 文国军; 曾志军; 张凤敏; 丁腾飞
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2031-04-25
Also published as: CN102134964B

Abstract

本发明涉及一种双壁心轴岩芯钻机动力头，包括外箱体、动力机构、传动系统、心轴和密封单元，外箱体由箱体总成和上箱盖构成，箱体总成与上箱盖由定位销定位并用螺钉连接；动力机构为液压马达或电机；传动系统由主动齿轮轴和被动齿轮组成；心轴外管和心轴内管构成双壁心轴，心轴外管和被动齿轮通过花键连接，主动齿轮轴、心轴外管和箱体总成、上箱盖之间由滚动轴承连接，主动齿轮轴预留有轴孔和键槽用于连接动力机构，心轴外管有通孔供冲洗液通过，心轴内管腔可储存取样器，密封单元包括动密封和静密封。本动力头结构紧凑，密封性好，为钻机钻进提供回转运动与回转转矩和冲洗液，取芯时无需让开孔口，无需拧卸水龙头，适于水下及陆地岩心钻探。

Description

一种双壁心轴岩芯钻机动力头

技术领域

本发明涉及一种地质钻探设备，具体地说是一种双壁心轴岩芯钻机动力头。

背景技术

在海底地质勘探中，天然气水合物探测，海底地壳稳定性勘探，海底地壳变化，海底探矿和古气候研究等方面都需要海底钻探技术，海床式钻机在海底钻探上应用广泛。目前在海底钻探中，通常采用将钻探设备放在海床上，而操作员则在船上进行远程控制。因此在海底钻探中，除了要达到同等水平陆地钻机的要求之外，还对钻机的自动化程度、远程控制性能、密封性能、可靠性等提出较高要求。

但是现有国内岩芯钻机自动化程度普遍不高，对人工辅助工作依赖性较强，造成工作效率较低。国内海底钻探的岩芯钻机动力头还存在以下问题：

1．钻探和取芯作业自动化程度不高，使用绳索取芯需要先让开孔口，从而使远程控制和自动化钻掘的难度增加。

2．传统动力头取芯时，需要将水龙头从动力头或钻具上拧卸并移开，工序多，辅助工作时间长。

3．防水密封性能不好，在水下高压环境下工作易腐蚀。

发明内容

本发明的目的是为解决上述现有技术的不足而提供一种结构紧凑，工作可靠，密封性好的双壁心轴岩芯钻机动力头，可以在不用让开孔口的情况下实现钻进和绳索取芯作业，同时无需拧卸水龙头，整个钻进过程中可根据需要随时提供冲洗液，完成冲洗孔底，携带岩粉，冷却钻头，润滑钻具，保护孔壁，控制地压，保护岩矿芯等作业。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种双壁心轴岩芯钻机动力头，包括外箱体、动力机构、传动系统、心轴和密封单元，所述的外箱体由箱体总成和上箱盖构成，箱体总成与上箱盖由定位销定位并用螺钉连接；动力机构为液压马达或电机；传动系统由主动齿轮轴和被动齿轮组成；所述的心轴为双壁心轴，由心轴外管和心轴内管构成，水龙头接头与心轴外管焊为一体，钻进时冲洗液从水龙头、心轴外管通孔及双壁心轴内管与心轴外管之间的环形空间通过，钻进取芯时取样器储存在心轴内管腔里；心轴外管和被动齿轮通过花键连接，心轴外管、主动齿轮轴和箱体总成、上箱盖之间由滚动轴承连接，主动齿轮轴预留有轴孔和键槽用于连接液压马达或电机；心轴外管通过轴接头连接钻杆，轴接头上带有螺纹；所述的密封单元有动密封和静密封，由心轴上端盖、心轴下端盖和密封压盖组成对心轴与箱体之间实施动密封，各个部件之间使用了静密封件密封。

本发明所述的动力机构为液压马达或电机，可以根据要求选用液压马达或电机，当动力头用于水下岩心钻机钻探时，则使用液压马达或防水的电机。

本发明所述的双壁心轴的心轴外管上部在两组密封圈之间开有均匀分布的六个冲洗液通孔，心轴外管的中部设有提供齿轮传动的花键，心轴外管和心轴接头之间用螺纹连接。

本发明所述的双壁心轴的心轴内管，在其下部径向上焊接有均匀分布三块铁块，心轴外管和心轴接头通过所述三铁块对心轴内管进行定位和固定。

所述的心轴外管的上端安装有心轴上端盖，下端安装有心轴下端盖，心轴上端盖上开有一个水龙头进水孔口，孔口处水龙头接头与心轴外管焊为一体。这种独特的高度集成的水龙头结构设计，使动力头与水龙头连接时，避免了绳索取心时动力头需要让开孔口这一动作，提高了作业效率，且取芯时无需拧卸水龙头，钻进全过程可根据需要随时提冲洗液，完成冲洗孔底，携带岩粉，冷却钻头，润滑钻具，保护孔壁，控制地压，保护岩矿芯等作业。

本发明所述的对心轴与箱体之间实施动密封是在心轴上端盖与其相邻的两个密封压盖之间形成两组圈槽，心轴下端盖与其相邻的两个密封压盖之间也形成两组圈槽，通过在上、下两组圈槽内安装动密封圈实现对心轴与箱体之间实施动密封。

本发明所述的箱体总成、上箱盖、上端盖、心轴上端盖、心轴下端盖之间使用了静密封件密封。所述的部件之间使用的静密封件为密封胶或O型密封圈。使用静密封件密封，保证箱体在这些结合面处不会有外界的海水进入。

本发明的动力头使用时与双壁钻杆配合使用，利用钻进时传递的扭矩与轴向压力进行破碎岩石，同时，在高速钻进时采用的动密封方式保证了动力头能够适于在水下高压环境中进行作业。

本发明一种双壁心轴岩芯钻机动力头与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明动力头结构简单紧凑，双壁心轴的设计，使得取样器可以在心轴内管储存，解决了传统绳索取芯工作过程中，动力头需要横向移动或者钻机整体移动让开孔口的问题，从而有利于水下岩心钻机的远程控制和自动控制，提高了钻进效率，节约了时间，降低了成本。

2、本发明的动力头将水龙头接头与心轴外管焊为一体，构成高度集成的水龙头结构，结构简单，提高了工作的可靠性和可维护性，且冲洗液是通过心轴外管圆周方向上均布的通孔及通过双壁心轴内外管间的环形空间输送，而这种设计实现了传统水龙头的功能，取芯时无需拧卸水龙头，整个钻进过程中可根据需要随时提供冲洗液，完成冲洗孔底，携带岩粉，冷却钻头，润滑钻具，保护孔壁，控制地压，保护岩矿芯等作业。

3、本发明的动力头密封结构设计合理，防水密封性能好，使用寿命长，适用于水下岩心钻机，也可应用于陆地岩心钻探。

附图说明

图1是本发明双壁心轴岩芯钻机动力头的结构示意图。

图2是本发明双壁心轴岩芯钻机动力头的双壁心轴结构示意图。

图3是图2中A-A向的花键截面结构示意图。

图4是图2中B-B向的通孔截面结构示意图。

图5是图2中C-C向上焊有的三块铁块截面结构示意图。

图6是本发明双壁心轴岩芯钻机动力头的钻进中工作状态示意图。

图7本发明双壁心轴岩芯钻机动力头的的取芯中工作状态示意图。

上述图中：1：箱体总成、2：上箱盖、3：上端盖、4：主动齿轮轴、5：心轴上端盖、6：密封压盖、7：心轴外管、8：心轴内管、9：被动齿轮、10：心轴下端盖、11：心轴接头、12：液压马达或电机、13：通孔、14：铁块、15：动密封圈、16：水龙头接头、17：动力头、18：取样器、19：孔口、20：钻杆、21：塔架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：本发明的一种双壁心轴岩芯钻机动力头，用于水下岩心钻机钻探，其结构如图1所示，包括外箱体、动力机构、传动系统、心轴和密封单元，所述的动力机构采用防水的电机12；所述的外箱体由箱体总成1和上箱盖2构成，箱体总成是由板材焊接而成，图1中箱体总成中的黑色部分为焊接符号，箱体总成与上箱盖由定位销定位并用螺钉连接；传动系统由主动齿轮轴4和被动齿轮9组成；所述的心轴为双壁心轴，由心轴外管7和心轴内管8构成，水龙头接头16与心轴外管7焊为一体，冲洗液从双壁心轴内管与心轴外管之间的环行空间通过；钻进取芯时取样器18储存在心轴内管腔里；心轴外管7和被动齿轮9通过花键连接，心轴外管、主动齿轮轴4和箱体总成1、上箱盖2之间由滚动轴承连接，主动齿轮轴预留有轴孔和键槽用于连接防水的电机12；心轴外管7通过心轴接头11连接钻杆20，心轴接头上带有螺纹；所述的密封单元有动密封和静密封，由心轴上端盖5、心轴下端盖10和密封压盖6组成对心轴与箱体之间实施动密封，各个部件之间的静密封使用了密封胶或O型密封圈密封。

图1中所述的心轴外管7的上端安装有心轴上端盖5，下端安装有心轴下端盖10，心轴上端盖5上开有一个水龙头进水孔口，水龙头接头与孔口处心轴外管焊为一体。这种高度集成的水龙头结构，使动力头与水龙头连接时，避免了绳索取心时动力头需要让开孔口这一动作，提高了作业效率。

参见图1，所述密封单元，包括有对心轴与箱体之间实施动密封的结构，是在心轴上端盖5与其相邻的两个密封压盖6之间形成两组圈槽，心轴下端盖10与其相邻的两个密封压盖6之间也形成两组圈槽，通过在上、下两组圈槽内安装动密封圈15实现对心轴与箱体之间实施动密封。本发明还在箱体总成1、上箱盖2、上端盖3、心轴上端盖5、心轴下端盖10之间使用了密封胶或O型密封圈的静密封，防止在这些结合面处的渗水。

本发明的双壁心轴结构如图2、3、4和5所示，所述的心轴为双壁心轴，由心轴外管7和心轴内管8构成，参见图3，为图2的A-A向视图，心轴外管7的中部设有提供齿轮传动的花键，心轴外管和心轴接头11之间用螺纹连接；参见图4，为图2的B-B向视图，在心轴外管7的上部，在两组密封圈15之间开有均匀分布的六个冲洗液通孔13，使冲洗液能从心轴外管、心轴内管之间形成的环行空间通过。参见图5，为图2的C-C向视图，所述的双壁心轴的心轴内管8，在其下部径向上焊接有均匀分布三块铁块14，心轴外管7和心轴接头11通过所述三铁块14，对心轴内管8进行定位和固定。

实施例2：本发明的一种双壁心轴岩芯钻机动力头，用于陆地岩心钻探，本动力头的动力机构采用液压马达12，其他结构同实施例1。本动力头工作状态如图6和图7所示。参见图6，钻进过程中动力头17沿着塔架21进给，同时自身心轴有回转运动。在这个过程中，钻杆20连接到动力头17进行回转钻进，绳索取芯取样器18由钢缆悬吊，并存放于动力头17的心轴内管8中。在图7中，动力头17停止回转，并且下放绳索取芯取样器18到孔口19中进行绳索取芯。在传统绳索取芯中，大部分情况下需要移开动力头17，从而使绳索取芯取样器18能放入孔口19中进行工作。本发明中由于动力头17中的双壁心轴集成水龙头的独特结构，无需移开动力头17就可以使绳索取芯取样器18下放，从而减少了取芯过程中移开动力头的操作，有利于钻机的自动化和智能控制。

本发明的动力头采用双壁心轴及集成水龙头的设计，结构简化紧凑，可以在心轴内管储存取样器，冲洗液则在心轴内、外管之间的空间通过，以避免动力头在取芯过程中让开孔口的动作，从而有利于水下岩心钻机的远程控制和自动控制，提高了钻进效率，节约了时间，降低了成本。本动力头密封结构设计合理，防水密封性能好，使用寿命长，适于水下岩心钻机，也可应用于陆地岩心钻探。

Claims

1.一种双壁心轴岩芯钻机动力头，包括外箱体、动力机构、传动系统、心轴和密封单元，其特征在于：所述的外箱体由箱体总成和上箱盖构成，箱体总成与上箱盖由定位销定位并用螺钉连接；动力机构为液压马达或电机；传动系统由主动齿轮轴和被动齿轮组成；所述的心轴为双壁心轴，由心轴外管和心轴内管构成，水龙头接头与心轴外管焊为一体，钻进时冲洗液从水龙头、心轴外管通孔及双壁心轴内管与心轴外管之间的环形空间通过，钻进取芯时取样器储存在心轴内管腔里；心轴外管和被动齿轮通过花键连接，心轴外管、主动齿轮轴和箱体总成、上箱盖之间由滚动轴承连接，主动齿轮轴预留有轴孔和键槽用于连接液压马达或电机；心轴外管通过轴接头连接钻杆，轴接头上带有螺纹；所述的密封单元有动密封和静密封，由心轴上端盖、心轴下端盖和密封压盖组成对心轴与箱体之间实施动密封，各个部件之间使用了静密封件密封。

2.根据权利要求1所述的一种双壁心轴岩芯钻机动力头，其特征在于：所述的双壁心轴的心轴外管上部在两组密封圈之间开有均匀分布的六个冲洗液通孔，心轴外管的中部设有提供齿轮传动的花键，心轴外管和心轴接头之间用螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种双壁心轴岩芯钻机动力头，其特征在于：所述的双壁心轴的心轴内管，在其下部径向上焊接有均匀分布三块铁块，心轴外管和心轴接头通过所述三铁块对心轴内管进行定位和固定。

4.根据权利要求1所述的一种双壁心轴岩芯钻机动力头，其特征在于：所述的心轴外管的上端安装有心轴上端盖，下端安装有心轴下端盖，心轴上端盖上开有一个水龙头进水孔口，孔口处水龙头接头与心轴外管焊为一体。

5.根据权利要求1所述的一种双壁心轴岩芯钻机动力头，其特征在于：所述的对心轴与箱体之间实施动密封是在心轴上端盖与其相邻的两个密封压盖之间形成两组圈槽，心轴下端盖与其相邻的两个密封压盖之间也形成两组圈槽，通过在上、下两组圈槽内安装动密封圈实现对心轴与箱体之间实施动密封。

6.根据权利要求1所述的一种双壁心轴岩芯钻机动力头，其特征在于：所述的各个部件之间使用的静密封件为密封胶或O型密封圈。