用于钻井装置的锁紧装置 |
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| 申请号 | CN201080025269.5 | 申请日 | 2010-04-08 | 公开(公告)号 | CN102482920B | 公开(公告)日 | 2015-04-08 |
| 申请人 | 帕拉克企业有限公司; | 发明人 | 雷蒙德·拉普兰特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于钻井装置的 锁 紧装置，包括可安装在外管中的锁紧本体、围绕锁紧本体可滑动地安装的解锁管、连接于锁紧本体并且可在展开 位置 和用于将锁紧本体从外管上解锁的缩回位置之间枢转的两个闩锁、围绕锁紧本体滑动并且固定于解锁管的 活塞 、以及将活塞朝向闩锁压制以使闩锁保持在它们的展开位置的 压缩 弹簧 机构，在展开位置，闩锁与外管配合以将锁紧本体锁定于所述外管，施加于解锁管上的拉 力 使弹簧机构压缩，以防止活塞抵靠自身处于它们的缩回位置的闩锁而被压制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于钻井装置的锁紧装置，所述钻井装置包括设有内台肩的外管，所述锁紧装置包括： |
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| 说明书全文 | 用于钻井装置的锁紧装置[0001] 相关申请交叉引用 [0002] 本专利申请要求2009年4月9日提交的题为“DISPOSITIF DEVERROUILLAGE POUR UN DISPOSITIF DE FORAGE”的加拿大专利申请第2,673,317号的优先权，其说明书通过引用方式结合于此。 技术领域[0003] 本发明一般涉及一种锁紧方法和一种用于钻井装置的锁紧装置，并且更具体地涉及一种用于将取芯筒锁紧到埋在钻孔中的外管上的锁紧装置。 背景技术[0004] 在典型的钻井作业中，钻探者首先将一根管子引入地下。此后将在管子中执行钻井自身。 [0006] 为了获得钻孔底部的样本，在钻井作业期间，钻探者必须使用取芯筒来获取岩石样本。当钻探者想要吊起岩心时，将取芯筒放置在钻管内部并且然后下落至钻孔内，直到它到达旋转取芯筒的上部。 [0008] 弹簧闩锁是满足从地面钻孔需要的装置，但在地下它们已经被证明是危险的，因为弹簧并不总是具有必需的强度来将销子保持于适当的位置。因此，销子会滑动并使其自身脱开，从而松开取芯筒。这种不期望的现象会发生在例如孔中存在回流的情况时。因此，闩锁会在没有警告的情况下缩回并松开取芯筒。当钻探者在矿井底部向上钻探同时站在钻孔前面时，这会造成严重的伤害，因为没有什么能够防止取芯筒的质量以全速撞击到钻探者。 [0009] 类似的装置在几个专利中有描述，包括Shelljet Pty Ltd的美国专利申请2008/246273或者JKS Boyles International Inc的美国专利5,339,915。 [0010] 连杆闩锁形成了复杂的装置，因为小弹簧的频繁损坏，需要很多维修，在作业时，小弹簧仅邻接小的不平坦表面。而且，这种装置需要较大的行进距离来缩回闩锁，使得一旦进入地下则难于解锁。 [0011] 类似的装置在几个专利中有描述，包括Boart Longyear Internat Holding的美国专利6,425,449。 [0012] 然而，已经知道利用由弹簧放大的重力来锁紧闩锁，例如在Eastern Oil Tools Pte Ltd的题为《Mechanical latching device operated by dead weight and tension》的欧洲专利0325835中所描述的。 [0013] 然而，在此专利中所描述的装置中，弹簧并不直接与活塞相互作用，因此对锁紧不起作用。而且，为了发挥功能，外壳必须邻接闩锁。因此，闩锁处于解锁位置，从而阻止了任何钻井作业，而在钻井作业期间闩锁必须处于锁紧位置。 [0014] 因此，需要一种消除现有技术的锁紧装置中的至少一个缺点的锁紧装置。 发明内容[0015] 本发明的目的是提供一种克服了以上描述的现有技术锁紧装置的缺点中的至少一个的锁紧装置。 [0016] 根据此目的，本发明提出一种用于钻井装置的锁紧装置，该钻井装置包括设有内台肩的外管。该锁紧装置包括：细长的锁紧本体，该锁紧本体包括细长的上部和可安装在外管中的下部；解锁管，围绕锁紧本体可安装在外管中并且可在高工作位置和低静止位置之间滑动，所述解锁管包括围绕其分布的至少两个细长的侧面开口；至少两个闩锁，每个闩锁枢转地安装在锁紧本体上并且包括工作端，每个闩锁可在展开位置与缩回位置之间枢转，在展开位置，闩锁的工作端穿过一个对应的开口而突出到解锁管外面，以邻接在外管的内台肩下面，从而将锁紧本体锁定于外管并防止其移动，在缩回位置，闩锁缩回到锁紧本体附近，以使锁紧本体从外管解锁；管状活塞，围绕锁紧本体可滑动地安装且靠近闩锁的工作端，并且固定于解锁管；以及压缩弹簧机构，安装在锁紧本体的上部上并且朝着闩锁压制活塞，以保持闩锁处于展开位置，从而允许执行钻井作业，其中施加到固定于活塞的解锁管上的拉力使弹簧机构压缩，以防止活塞抵靠在缩回位置移动的闩锁被推动，从而允许从钻井装置吊起元件。 [0017] 通过下面的描述，术语可安装(mountable)应当被解释为能够被安装的意思，能够通过安装而组装。 [0018] 所述锁紧装置允许在锁紧位置进行钻井作业并且允许在解锁装置取回样本岩心，这具有显著的优点。 [0019] 另外，所述钻井装置提高了钻探者的安全性和钻井作业的可靠性，这具有显著的优点。 [0020] 而且，所述锁紧装置能够以更廉价的方式制造，这具有显著的优点。 [0021] 根据本发明的一个方面，所述锁紧装置能够用于向上或向下定向的钻孔中，这具有显著的优点。 [0022] 在一个实施方式中，每个开口具有预定的宽度，用于紧紧地容纳对应闩锁的工作端。 [0023] 在另一个实施方式中，外管包括被设计成埋在钻孔中的管状件、安装在管状件上的管接套以及安装在管接套上的锁定套。 [0024] 在一个实施方式中，内台肩由锁定套的在管接套内部延伸的一端限定。 [0025] 在一个实施方式中，每个闩锁包括内接触表面，该内接触表面具有当闩锁在它们的展开位置扩张时与活塞的对应侧向外表面互补的预定形状。 [0026] 在一个实施方式中，每个闩锁的工作端的内接触表面包括至少两部分，当闩锁在它们的展开位置扩张时，所述至少两部分相对于外管的纵向轴线以包含在20度到60度之间的角度延伸。 [0027] 在一个实施方式中，当闩锁在展开位置扩张时，所述至少两部分相对于外管的纵向轴线以30度的角度延伸。 [0028] 在一个实施方式中，每个闩锁的工作端包括上止挡表面，该上止挡表面具有当闩锁在展开位置扩张时与内台肩的对应止挡表面互补的预定形状。 [0029] 在一个实施方式中，内台肩的每个止挡表面包括与外管的纵向轴线垂直的平面。 [0030] 在一个实施方式中，每个闩锁的工作端包括侧向外接触表面，该侧向外接触表面具有当闩锁在展开位置扩张时与外管的对应侧向外表面互补的预定形状。 [0031] 在一个实施方式中，每个闩锁的工作端的侧向外接触表面以及外管的每个对应侧向外表面包括柱状部分。 [0032] 在一个实施方式中，每个闩锁的工作端包括下部侧向外表面，当闩锁在展开位置扩张时，该下部侧向外表面相对于解锁管以预定角度延伸，解锁管通过在它的高工作位置抵靠对应闩锁的工作端的下部侧向外表面滑动而将每个闩锁推入其缩回位置。 [0033] 在一个实施方式中，每个下部侧向外表面的预定角度包含在15度至30度之间。 [0034] 在一个实施方式中，该预定角度为23度。 [0035] 在一个实施方式中，解锁管包括下端，当所述管在它的低静止位置延伸时，该下端邻接抵靠锁紧本体的下部。 [0036] 在一个实施方式中，所述装置进一步包括用于将活塞固定于解锁管的开口销。 [0037] 在一个实施方式中，所述装置进一步包括安装在解锁管中并靠近外管的入口开口的夹头，用于将解锁管拉到它的高工作位置并释放闩锁。 [0039] 在一个实施方式中，当解锁管在低静止位置延伸时，弹簧被压缩10％到25％之间。 [0040] 在一个实施方式中，当解锁管在低静止位置延伸时，弹簧被压缩17％。 [0041] 在一个实施方式中，每个闩锁利用开口销连接于锁紧本体。 [0042] 在一个实施方式中，锁紧本体通过止挡台肩和安装在外管中的悬置衬套保持在外管中。 [0043] 在一个实施方式中，从钻井装置中吊起的元件包括能够获得岩心的取芯筒。 [0045] 在一个实施方式中，活塞和每个闩锁包括合金钢。 [0046] 在一个实施方式中，活塞和每个闩锁包括硬化钢。 [0047] 在一个实施方式中，锁紧装置在装置被锁定时允许执行钻井作业，并且在装置被解锁时允许吊起钻井作业期间获得的岩心。 [0048] 在一个实施方式中，锁紧装置被用在采矿钻孔中。 [0049] 在一个实施方式中，锁紧装置被用在油井中。 [0050] 本发明的另一个目的是提供一种用于钻井的钻井方法，所述方法包括在待钻取钻孔的位置安装设有外管的钻井设备；提供锁紧装置；将钻头连接至锁紧装置的下端；将钻头降低进入外管；在外管内锁定锁紧装置；以及利用钻头钻取钻孔。 [0051] 在一个实施方式中，所述方法进一步包括采用取芯筒获得样本岩心；在锁紧装置的解锁管上施加拉力以使锁紧装置与外管解锁；以及吊起样本岩心。 [0053] 在阅读以下参照附图的非限制性说明后，将更好地理解本发明及其所有优点，其中相同的数字标号代表相同的元件，并且附图中： [0054] 图1是钻井装置的外管的纵向截面图。 [0055] 图2是安装在图1的外管中的包括锁紧装置的钻头的纵向截面图，其中锁紧装置的闩锁位于展开位置，钻头被锁紧于外管。 [0056] 图3是图2中的钻头的另一纵向截面图，其中锁紧装置的闩锁处于缩回位置，钻头从外管上解锁。 具体实施方式[0057] 本发明涉及地下钻井工具，并且更具体地涉及用于取芯筒的具有闩锁的锁紧装置。 [0058] 如下面的详细描述，所述锁紧装置允许不仅在钻井作业期间将工具锁紧在钻孔底部，而且有助于吊起岩石样本(也称为岩心)。 [0059] 图1示出了在钻探钻孔(未示出)(例如采矿钻孔或者油井)期间所采用的钻井装置(未示出)的外管10。在所示实施方式中，外管10包括：管状件12，其被设计成埋入钻孔中，并且通过该管状件进行钻井；管接套14，其安装在管状件12上；以及锁定套16，其安装在管接套14上。在一个优选实施例中，管接套14螺纹连接到管状件12上，并且锁定套16螺纹连接到管接套14上。本发明所属领域的普通技术人员将意识到可以考虑其它的布置方式。 [0060] 如所示，锁定套16在其外表面上包括台肩18，管接套14的对应端20邻接该台肩。锁定套16的对应端22在管接套14内部延伸并且它的端面限定出位于外管10内部的内台肩24。 [0061] 图2示出了包括锁紧装置100的钻头，该钻头安装在图1中示出的外管10内部。 [0062] 锁紧装置100包括细长的锁紧本体102，该锁紧本体包括细长的上部106以及可安装在外管10中的下部104。在所示实施方式中，锁紧本体102通过止挡台肩26和安装在外管10内部的悬置衬套28保持在外管10中，正如本发明所属领域中所公知的。然而，本发明所属领域的普通技术人员将意识到，也可采用除了示出的之外的其它布置方式来将锁紧本体102保持或容纳在外管10内部。 [0063] 锁紧装置100还包括解锁管108，该解锁管围绕锁紧本体102可安装在外管10内部，并且可在高工作位置(如以下参照图3详细描述的)和低静止位置(如图2中所示)之间滑动。 [0064] 在一个实施方式中，如图2中所示，解锁管108包括下端110，当管108在它的低静止位置延伸时，该下端邻接锁紧本体102的下部104。本领域普通技术人员将意识到也可考虑其它实施方式。 [0065] 在所示实施方式中，解锁管108包括沿管108的外围分布的两个细长的侧面开口112、114，如以下的详细描述。 [0066] 所示锁紧装置100包括两个闩锁116、118，每个闩锁枢转地连接于锁紧本体102且包括工作端120。每个闩锁116、118可在如图2中示出的展开位置和如图3中示出的缩回位置之间枢转。 [0067] 在一个实施方式中，每个闩锁116、118通过开口销(未示出)连接于锁紧本体102，但也可采用任何提供铰接连接的连接方式。 [0068] 如图2中所示，当闩锁116或118在展开位置扩张时，它的工作端120通过它的对应开口112、114中的一个而突出到解锁管108的外面，以邻接在外管10的内台肩24的下面，从而将锁紧本体102锁定于外管10并防止其意外松开。 [0069] 在一个实施方式中，沿管的外围分布的每个侧面开口112、114具有预定的宽度，以紧紧地容纳对应闩锁116、118的工作端120。该特征即使在闩锁经受重大的扭力时仍能够帮助闩锁保持在适当的位置。然而，也可考虑其它实施方式。 [0070] 如图3中所示，在缩回位置，闩锁116、118缩回到靠近锁紧本体102，以将锁紧本体102与外管10解锁。换言之，由于闩锁116、118的工作端120不再邻接在外管10的内台肩24的下面，所以它们不会防止锁紧本体102从外管10松开。 [0071] 在所示实施方式中，锁紧装置100设有围绕锁紧本体102以径向相对配置方式安装的两个闩锁116、118。然而，本领域普通技术人员将意识到也可考虑包括多于两个闩锁的其它实施方式。在这种情况下，优选地，闩锁围绕102均等地布置，以分配可能施加于锁紧本体的压力，但是也可考虑其它布置方式。本领域普通技术人员同样将意识到，将必须在解锁管108中制作对应的侧面开口，以容纳每个闩锁的工作端120。 [0072] 参照图2和图3，锁紧装置100还包括管状活塞122，该管状活塞围绕锁紧本体102可滑动地安装且靠近闩锁116、118的工作端120，并且牢固地安装于解锁管108。因此，活塞122能够通过接下来解锁管108的运动在锁紧本体102上移动。 [0073] 在一个实施方式中，开口销124用于将活塞122牢固地连接于解锁管108。然而，本领域普通技术人员将意识到可考虑其它连接方式。 [0074] 锁紧装置100包括压缩弹簧机构126，该压缩弹簧机构安装在锁紧本体102的上部106上并且朝着闩锁116、118压制活塞122，以便将闩锁保持在它们的展开位置，从而将锁紧装置100锁紧在适当位置，并且因此允许安全的钻井作业。 [0075] 当向固定于活塞122的解锁管108施加拉力时，如图3中所示，使弹簧机构126压缩，从而防止活塞122被压制在自身处于它们的缩回位置的闩锁116、118上，从而允许吊起钻井装置(未示出)的元件，如下面的详细描述。 [0076] 在所示实施方式中，弹簧机构126包括围绕锁紧本体102的上部106安装的弹簧128、保护垫片130和纵向安装于锁紧本体102以保持将弹簧128压紧于活塞122的锁紧螺母132，锁紧本体的上部用作弹簧128和活塞122的导向件。在所示实施方式中，弹簧128保持压紧于活塞122的上表面，此表面为平面。该特征是有利的，因为它允许将弹簧128安置在足够大的平面上，以使锁紧装置100与现有技术的系统相比具有更高的可靠性，并且因此对于钻探者具有更高的安全性。 [0077] 在一个实施方式中，当解锁管108在它的低静止位置延伸时，弹簧128从它的自然静止位置被压缩10％到25％之间。在另一实施方式中，当解锁管108在它的低静止位置延伸时，弹簧128被压缩17％。 [0078] 弹簧的选择可能受人们需要进行的特殊钻探类型的指导。例如，弹簧可具有3/4英尺的直径用于传统的BQ型钻孔(直径为36.5mm)直到4英尺的直径用于传统的PQ型钻孔(直径为85mm)。 [0079] 本领域普通技术人员将意识到，根据特定应用场合，也可采用其它类型的弹簧和其它压缩率。 [0080] 在一个实施方式中，每个闩锁116、118的工作端120被特别设计成有助于锁紧装置100的锁紧和解锁操作，同时为装置提供高度的可靠性。 [0081] 在图2和图3中所示的实施方式中，每个闩锁的工作端120包括内接触表面134，该内接触表面具有当闩锁116、118在它们的展开位置扩张时与活塞122的对应侧向外表面136互补的预定形状。 [0082] 在一个实施方式中，每个闩锁116、118的工作端120的内接触表面134可包括至少两部分，当闩锁116、118在它们的展开位置扩张时，这两部分相对于外管10的纵向轴线以20度到60度之间的角度延伸。 [0083] 在一个实施方式中，如所示，当闩锁116、118在它们的展开位置扩张时，所述两部分相对于外管10的纵向轴线以30度的角度延伸。 [0084] 在图2和图3中所示的实施方式中，每个闩锁116、118的工作末端120还包括上止挡表面138，该上止挡表面具有当闩锁116、118在它们的展开位置扩张时与内台肩24的对应止挡表面140互补的预定形状。 [0085] 如所示，内台肩24的每个止挡表面140可包括与外管10的纵向轴线垂直的平面。 [0086] 仍然参照图2和图3，每个闩锁116、118的工作端120可包括侧向外接触表面142，该侧向外接触表面具有当闩锁116、118在它们的展开位置扩张时与外管10的对应侧向外表面144互补的预定形状。 [0087] 在一个实施方式中，每个闩锁116、118的工作端120的侧向外接触表面142以及外管10的对应侧向外表面144包括柱状部分。 [0088] 在一个实施方式中，如图2和图3中所示，每个闩锁116、118的工作端120包括下部侧向外表面146，当闩锁116、118在它们的展开位置扩张时，该下部侧向外表面相对于解锁管108以预定角度延伸。因此，解锁管108通过在它的高工作位置抵靠对应的闩锁116、118的工作端120的下部侧向外表面146滑动而将每个闩锁116、118推入它们的缩回位置。 [0089] 在一个实施方式中，每个下部侧向外表面146的预定角度包含在15度至30度之间。在另一个实施方式中，该预定角度为23度。 [0090] 在所示实施方式中，闩锁116、118被设计为一直与活塞122保持接触，即使当闩锁处于它们的缩回位置时。本领域普通技术人员将意识到也可考虑其他配置方式。 [0091] 在一个实施方式中，如所示，闩锁116、118以相对于其纵向轴线偏心配置的方式连接于锁紧本体102。换言之，每个闩锁的旋转轴线在垂直于锁紧本体102的纵向轴线的对称轴上相对于另一个径向相对。 [0092] 本领域普通技术人员将意识到所提出的构造能够减少解锁闩锁所需的努力并且还能够降低缩回闩锁所需的行进距离。 [0093] 在一个实施方式中，活塞122和每个闩锁116、118由非常耐用的材料制造，以有效地经受施加于它的力。 [0094] 可采用本领域普通技术人员所熟知的热处理钢或合金钢。在一个实施方式中，所采用的材料包括硬化钢。 [0095] 在一个实施方式中，如所示，一连接头200在外管10的开口入口30一侧上连接于解锁管108中，以将解锁管108拉至其高激活位置并释放闩锁116、118。 [0096] 在另一个实施方式中，被吊起的钻井装置的元件(未示出)包括能够获得岩心的取芯筒。因此，当钻探者想要收回取芯筒并吊起岩心时，他将回收单元送到钻孔下面。此单元将在打捞器(未示出)的帮助下将其自身与连接头200的末端对接。 [0097] 当钻探者在连接于解锁管108的连接头200的末端施加拉力时，他将通过拉动活塞122来释放弹簧128中的张力，从而释放闩锁118。解锁管108将首先邻接闩锁116、118，然后，通过继续朝着钻探者运动，在解锁管108内部朝着闩锁的缩回位置推动闩锁116、118。一旦锁紧装置100被解锁，钻探者将能够在缆索的帮助下吊起岩心，如本领域所熟知的。 [0098] 如前面所述，锁紧装置100在装置被锁紧时允许执行钻井作业，并且在装置被解锁时还允许吊起钻井作业期间获得的岩心。 [0099] 另外，锁紧装置100还能够用于钻取向上定向的钻孔。实际上，通过提供具有提高可靠性的锁紧装置，由于此锁紧装置不仅依赖于重力作用来锁紧闩锁，所以钻探者现在能够向上钻探，而无需担心装置在未警告情况下解锁，这是个显著优点。 [0100] 本发明还提出了用于钻孔的钻井方法，包括将配备有外管的钻井装置放置在需要钻取钻孔的位置；提供如前面限定的锁紧装置；将钻头连接至锁紧装置的下端；在外管中降低钻头；在外管内锁定锁紧装置；以及利用钻头钻取钻孔。 [0101] 根据一个实施方式，此方法进一步包括利用取芯筒获得样本岩心；在锁紧装置的解锁管上施加拉力以使锁紧装置与外管解锁；以及吊起样本岩心。 [0102] 根据另一个实施方式，施加于锁紧装置的解锁管上的拉力是利用夹具施加的。 [0103] 以上描述的锁紧装置非常有利，因为它能够提高作业的可靠性，同时有效地参与钻探者的安全。而且，本领域普通技术人员将意识到有助于取芯筒的释放。 |
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