技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及取芯筒。更具体地，本发明涉及取芯筒头组件。
背景技术
[0002] 已知的是在各种连接中使用阀，阀通过在承受来自
流体的特定压
力时被打开来
对流体的供给进行控制。一个这种应用是在绳索取芯钻探中，如将在下文中描述的。
[0003] 当执行勘探钻探以收集来自从几百米到几千米深度的
岩石试样时，使用具有内管和外管的双芯管。该试样收集在通常具有几米长度的内管内。当内管充满时，这通常由对芯管内的冲
水压力进行测量的压力计等检测到。悬置在线材上的取回装置被降低至管中以便收回带有试样的内管，所述取回装置包括爪或“矛尖”形式的抓取装置，该抓取装置设置成与设置在内管的上端上/中的抓取装置接合。当线材之后被拉紧时，内管与外管脱开，并且带有试样的内管可以被吊起。相反地，爪和内管上的抓取装置可以用于使新的内管降落。这种类型的设备通常被称为绳索系统(wire line system)。
[0004] 当插入新内管时，重要的是能够确定内管实际上已经彻底到达外管的底部并且在钻探开始之前，已经采取其用于钻进的正确
位置。对关于管不再能够移动而是被牢固地保持的确定通常被当作是内管已经到达其正确位置的指示。因此，根据已知技术，抓取装置通常被设计成与一些类型的
锁定构件结合，在内管已经达到正确位置时，该锁定构件相对于外管牢固地锁定内管。该锁定构件通常包括优选地为
弹簧加载的钩状装置、锁定爪或闩锁，该锁定爪或闩锁与设置在外管内侧中的凹部或肩部接合。内管的实际插入通常在水的辅助下通过沿
钻柱内侧“
泵送”内管来执行。当内管被固定到位时，水压将增加至使得设置用于内管中的冲洗介质的阀被释放的程度。
[0005] 这些已知装置的一个问题在于，当内管被插入钻柱中时，内管有时在其到达用于钻探的正确位置之前卡住。通过目前使用的设计，随后发生的水压增加将在内管到达其正确位置之前释放
冲洗阀，并且在最坏的情况下，钻探将开始。从经济的
角度来看这主要导致缺点，因为钻探将无影无踪。还存在芯在底部处被毁坏的
风险。因此，提供着陆指示系统以确保内管已到达其正确位置是有用的。
[0006] 提供着陆指示系统的当前产业标准使用球和
套管或
柱塞(附接至伸缩壳体的球)和套管作为具有短
信号持续时间的阀组件。
[0007] 用于取芯筒阀的当前标准具有压力信号，该压力信号持续时间非常短并且很容易被钻探者错过，并且在较深的孔上是不可靠的，而且需要频繁的更换。先前已知的具有持续的压力信号的阀由于泥和岩屑阻塞阀的移动部分而不是可靠的。先前的阀在具有非常低的
地下水位以及非常深的孔的孔条件下也是受限的，因为这些阀不能应对
流体静力学压力的较大差异。
[0008] 在US 6,708,784中描述的系统试图补救上述问题中的一些问题。US6,708,784公开了用于阀的方法，该阀包括可移动的阀元件，该可移动的阀元件具有第一侧和第二侧，该第一侧面向用于供给加压流体的装置并且在供给方向上受来自所述流体的力的影响，该第二侧在相反方向上受来自所述流体的力的影响。该阀设置有连接阀元件的第一侧与阀元件的第二侧的至少一个连接装置，并且还包括通过将阀元件从关闭位置移置至打开位置来打开阀的弹簧。该方法包括以下步骤：加压流体被供给至处于关闭位置的阀，使得阀保持关闭；至关闭的阀的加压流体的供给停止，第一侧与第二侧之间的压力差因而减小，从而使弹簧能够打开阀，并且加压流体被供给至处于打开位置的阀，并且阀保持打开。
[0009] 然而，US 6,708,784中描述的阀组件不是自复位式的，并且在冲洗介质中存在有岩屑和/或添加物时未适当地起作用。
[0010] 因此，目前仍需要一种用于着陆指示系统的阀组件，该阀组件是自复位式的，并且在冲洗介质中存在岩屑和/或添加物的情况下将工作，同时在低水位条件下以及在浅孔中适当地起作用。
发明内容
[0011] 本发明的目的是提供解决上述需求中的至少一个需求的阀组件。
[0012] 因此，本发明提供用在能够
定位在钻探设备的钻柱内的取芯筒头组件中的阀组件，该阀组件包括：
[0013] –着陆肩部；
[0014] –至少一个上游流体端口，该至少一个上游流体端口能够在着陆肩部的上游定位在钻探设备的流体管路中；
[0015] –至少一个下游流体端口，该至少一个下游流体端口能够在着陆肩部的下游定位在钻探设备的流体管路中；
[0016] –至少一个流体压力连通端口，该至少一个流体压力连通端口能够在着陆肩部的上游定位在钻探设备的流体管路中；
[0017] –可移动的阀元件，该可移动的阀元件具有第一侧和第二侧，该第一侧通过至少一个上游流体端口与加压流体流体连通，并且具有在供给方向上受来自所述加压流体的力的影响的第一表面，该第二侧面向相反的方向，并且通过至少一个上游流体端口与加压流体流体连通并且具有在相反方向上受来自所述流体的力的影响的第二表面；
[0018] –其中，可移动的阀元件也直接地或间接地在供给方向上受来自通过至少一个流体压力连通端口的所述加压流体的力的影响，
[0019] –至少一个偏置元件，该至少一个偏置元件用于通过将阀元件从关闭位置移置到打开位置来打开阀组件，
[0020] 其中，所述第二表面的面积大于所述第一表面的面积，使得以作用在所述第二表面上的来自加压流体的力的形式沿关闭方向影响阀元件的力超过以将来自偏置元件的力和作用在所述第一表面上的来自加压流体的力和力相结合的形式沿打开方向影响阀元件的力，由此，当加压流体被供给时，阀元件被保持处于阀的关闭位置。
[0021] 有利地，当至关闭的阀的加压流体的供给减少时，所述第一侧与所述第二侧之间的压力差减小，并且因此，偏置元件迫压阀元件从所述关闭位置移置到所述打开位置。
[0022] 优选地，阀组件还包括用于将阀元件机械地锁定在所述关闭位置中的至少一个锁定装置。这消除或至少降低了无意打开阀的风险。
[0023] 据此，优选的是锁定装置包括下述组中的任一者：销/
螺栓/
螺柱-槽锁定机构、棘爪或球锁型机构。
[0024] 阀元件有利地包括：
[0025] –包括第二表面的阀本体；以及
[0027] -包括第一表面的活塞单元；
[0028] -将活塞单元联接至阀本体的阀杆；以及
[0029] -附接至活塞元件并且径向地突出的销、螺栓或螺柱，
[0030] 并且其中，锁定装置包括：
[0031] –上闩锁本体，该上闩锁本体包括与销、螺栓或螺柱配合的第一异型槽，所述第一槽包括沿轴向方向延伸的主部和沿与所述轴向方向横向的方向延伸的副部；以及
[0032] –闩锁回缩壳体，该闩锁回缩壳体能够相对于上闩锁本体同轴地移置并且重叠在上闩锁本体上，该闩锁回缩壳体具有与销、螺栓或螺柱配合的第二异型槽或控制窗，所述第二槽或控制窗沿轴向方向延伸并且具有控制表面，该控制表面沿与所述轴向方向横向的、与第一槽的副部延伸的横向方向大致平行的方向延伸，所述闩锁回缩壳体与内管构件的闩锁锁定机构配合，使得当销、螺栓或螺柱在第一异型槽的副部中移置时，闩锁回缩壳体防止闩锁锁定机构与取芯筒头组件的闩锁接合。
[0033] 根据优选的实施方式，可移动的阀元件有利地包括：
[0035] –通过阀杆连接至所述阀本体的活塞单元，
[0036] 其中，所述第一表面包括在活塞单元上，并且其中，所述第二表面包括在阀本体上，所述第一表面和所述第二表面面向彼此。
[0037] 优选地，偏置装置为抵抗所述活塞单元的弹簧的形式。
[0038] 偏置装置有利地安置在筒空间内侧，该筒空间通过阀杆中的膛孔而通至位于着陆肩部下游的具有低压的位置，以避免阻止活塞运动。
[0039] 优选地，所述活塞单元通过
活塞杆连接至锁定装置，该活塞杆穿过限制所述筒空间的端壁。因此，有利地，所述活塞杆设置成在阀的关闭位置中以密封的方式穿过限制所述筒空间的所述端壁中的开口，并且在阀的打开位置中以允许冲洗流径的方式穿过所述开口。
[0040] 活塞单元适当地连接至活塞杆，该活塞杆连接至所述锁定装置以便机械地锁定在所述关闭位置中。
[0041] 同样优选地，活塞单元由闩锁回缩壳体控制，该闩锁回缩壳体连接至用于取回的矛尖。
[0042] 在优选的变型中，活塞单元包括可分离的顶部活塞和底部活塞，其中，所述第一表面包括在活塞单元的所述底部活塞上。优选地，所述顶部活塞和所述底部活塞各自设置有单独的锁定装置，以便机械地锁定在所述关闭位置中。
[0043] 阀本体和活塞单元优选地为一体式整体单元的部分。
[0044] 此外，有利地，阀元件包括：
[0045] –包括第二表面的阀本体；以及
[0046] –阀活塞，该阀活塞包括：
[0047] –包括第一表面的活塞单元；
[0048] –将活塞单元联接至阀本体的阀杆；以及
[0049] –附接至活塞元件并且径向地突出的销、螺栓或螺柱，
[0050] 其中，锁定装置或多个锁定装置包括：
[0051] –上闩锁本体，该上闩锁本体具有与销、螺栓或螺柱配合的第一异型槽，所述第一槽包括沿轴向方向延伸的主部和沿与所述轴向方向倾斜的周向方向延伸的副部；以及[0052] –闩锁回缩壳体，该闩锁回缩壳体能够相对于上闩锁本体同轴地移置并且重叠在上闩锁本体上，该闩锁回缩壳体具有与销、螺栓或螺柱配合的控制窗，所述控制窗沿轴向方向延伸并且具有控制边缘，该控制边缘沿与所述轴向方向倾斜的周向方向延伸，优选地大致平行于第一槽的副部延伸的周向方向延伸，所述闩锁回缩壳体与内管构件的闩锁锁定机构配合，使得当通过控制表面移置销、螺栓或螺柱时，闩锁回缩壳体防止闩锁锁定机构与取芯筒头组件的闩锁接合，
[0053] 并且其中，使锁定装置停止将阀元件锁定在关闭位置的步骤还包括下述步骤：当闩锁锁定机构适当部署时，使销、螺栓或螺柱沿所述周向方向从第一异型槽的副部移置至主部，从而允许活塞单元的轴向运动。
[0054] 在有用的变型中，可移动的阀元件包括一个或更多个件。
[0055] 优选地，用于容纳偏置装置的空间通至特别是在着陆肩部下游的低压空间。
[0056] 闩锁杆优选地设置成防止阀在闩锁未处于延伸位置的情况下打开以避免失效。优选地，闩锁杆联接至活塞单元。
[0057] 本发明还涉及用于操作用在取芯筒头组件中的阀组件的方法，该取芯筒头组件能够定位在由加压流体驱动的钻探设备的钻柱内，阀组件包括：
[0058] –着陆肩部；
[0059] –能够在着陆肩部的上游定位在钻探设备的流体管路中的至少一个上游流体端口；
[0060] –能够在着陆肩部的下游定位在钻探设备的流体管路中的至少一个下游流体端口；
[0061] –能够在着陆肩部的上游定位在钻探设备的流体管路中的至少一个流体压力连通端口；
[0062] –可移动的阀元件，该可移动的阀元件具有第一侧和第二侧，该第一侧与通过至少一个上游流体端口的加压流体流体连通并且具有在供给方向上受来自所述加压流体的力的影响的第一表面，该第二侧面向相反方向，并且与通过至少一个上游流体端口的加压流体流体连通并具有在相反方向上受来自所述流体的力的影响的第二表面；
[0063] –其中，可移动的阀元件也在供给方向上直接地或间接地受来自通过至少一个流体压力连通端口的所述加压流体的力的影响，
[0064] –至少一个偏置元件，该至少一个偏置元件用于通过使阀元件从关闭位置移置至打开位置来打开阀组件，
[0065] 其中，所述第二表面的面积大于所述第一表面的面积，使得以作用在所述第二表面上的来自加压流体的力的形式沿关闭方向影响阀元件的力超过以将来自偏置元件的力和作用在所述第一表面上的来自加压流体的力以及来自通过至少一个流体压力连通端口的所述加压流体的力进行结合的形式沿打开方向影响阀元件的力，其中，在加压流体被供给时，阀元件被保持在阀的关闭位置中，
[0066] 该方法包括下述步骤：
[0067] 在所述关闭位置将加压流体供给至阀元件，随后，阀组件保持关闭；
[0068] 减少至关闭的阀组件的加压流体供给；以及
[0069] 允许所述第一侧与所述第二侧之间的压力差减小，由此使得偏置元件能够朝向打开位置迫压阀元件，并且由此允许流体流过至少一个上游流体端口。
[0070] 优选地，阀组件还包括用于将阀元件机械地锁定在所述关闭位置的锁定装置，其中，在步骤a)中，阀元件处于机械地锁定的关闭位置，并且该方法在步骤a)与步骤b)之间还包括步骤：
[0071] i)使锁定装置停止将阀元件锁定在关闭位置。
[0072] 步骤i)优选地还包括允许流体压力接合闩锁锁定机构的闩锁栓(latch lock)的步骤。
[0073] 该方法还包括使锁定装置停止将阀元件锁定在关闭位置的步骤，还包括下述步骤：当闩锁锁定机构适当部署时，将销、螺栓或螺柱沿所述周向方向从第一异型槽的副部移置至主部，从而允许活塞单元的轴向运动。
[0074] 根据本发明，还提供了绳索取芯钻探系统，该绳索取芯钻探系统包括绳索取芯钻机，该绳索取芯钻机具有内管、外管和阀组件，通过该内管来收集
岩心试样，外管连接至
钻头，阀组件位于内管的后端处，阀组件控制形式为加压流体的冲洗介质的供给，其中，阀组件如上述地构造。
[0075] 根据本发明的阀组件提供两个单独的端口，该两个单独的端口位于着陆肩部的上游并且允许流体压力将力施加至两个不同的表面，从而消除了小流体通道易于被岩屑堵塞，并且在阀打开时允许针对钻探的明显较少的阻止流。可以需要流体压力来锁定接合在钻柱中的闩锁。这确保了当头部已经着陆但尚未产生流体压力时阀组件将保持关闭。该特性也极大地降低了在闩锁沿钻柱向下行进时由闩锁施加至钻柱的内
侧壁的压力，从而很大程度地减小了摩擦，减少了对闩锁的磨损并且减少了行进至孔的底部的时间。阀组件因此可以在低水位条件下和在浅孔中起作用。
[0076] 根据本发明的特定实施方式的阀组件也可以是自复位式的，US6,708,784中描述的系统中不存在该特征。US 6,705,784中公开的系统在岩屑存在于阀的滑动表面之间时将不能适当地起作用。然而，根据本发明的阀组件还提供了减小的滑动表面区域，其中，增加
密封件以阻挡岩屑进入这些区域。
附图说明
[0077] 前述发明内容以及本发明的优选实施方式的详细描述在结合附图阅读时将得到较好的理解。出于示出本发明的目的，在示意性的附图中示出了目前优选的实施方式。然而，应当理解的是本发明不限于所示出的具体布置和机构。在附图中：
[0078] 图1是具有可互换的中间闩锁本体的头组件的分解视图。
[0079] 图2A至图2C是根据另一实施方式的头组件的横截面侧视图。
[0080] 图3A至图3C是对应于图2A至图2C中示出的视图的头组件的横截面侧视详图，其示出通过阀组件的
流线。
[0081] 图4A至图4D是根据另一实施方式的具有阀组件的头组件的局部横截面侧视详图，其示出阀组件的连续使用。
[0082] 图5A和图5B是图2A至图2C中示出的头组件的上闩锁本体和闩锁回缩壳体的局部侧视图。
[0083] 图6A和图6B分别是在阀组件的连续使用的下降阶段期间，图2A至图2C中示出的头组件的阀组件的局部横截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁回缩壳体的局部侧视图。
[0084] 图7A和图7B分别是在阀组件的优选的连续使用的信号阶段期间，图2A至图2C中示出的头组件的阀组件的局部横截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁回缩壳体的局部侧视图。
[0085] 图8A和图8B分别是在阀组件的连续使用的工作阶段期间，图2A至图2C中示出的头组件的阀组件的局部横截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁回缩壳体的局部侧视图。
[0086] 图9A和图9B分别是在阀组件的优选的连续使用的转换至缩回/取回阶段期间，图2A至图2C中示出的头组件的阀组件的局部横截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁回缩壳体的局部侧视图。
[0087] 图10A和图10B分别是在阀组件的连续使用的缩回/取回阶段期间，图2A至图2C中示出的头组件的阀组件的局部横截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁回缩壳体的局部侧视图。
[0088] 图11A至图11D是在下降阶段、高压阶段、打开操作阶段和缩回/复位阶段期间，根据本发明的阀组件的实施方式的横截面图。
[0089] 图11a至图11d是根据图11A至图11D的阀组件的侧视图。
[0090] 图12A至图12D是在下降阶段、高压阶段、打开操作阶段和缩回/复位阶段期间，根据本发明的阀组件的另一实施方式的横截面图。
[0091] 图13A至图13D是根据图12A至图12D的阀组件的侧视图。
[0092] 图14A至图14D是在下降阶段、高压阶段、打开操作阶段和缩回/复位阶段期间，根据本发明的阀组件的另一实施方式的横截面图。
[0093] 图14a至图14d是根据图14A至图14D的阀组件的侧视图。
具体实施方式
[0094] 在详细解释本发明的任何实施方式之前，应当理解的是，本发明不限于其应用于在以下描述中阐述的或在以下附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够实现其他实施方式并且能够以各种方式实践或实现。同样，应当理解的是，本文中使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应被认为是限制性的。在本文中使用“包括”、“包含”或“具有”及其变型意味着涵盖之后列举的项目和等同物以及附加项目。除非另外指出或限制，否则术语“安装的”、“连接的”、“
支撑的”和“联接的”及其变型在广义意义上使用并且涵盖直接的和间接的安装、连接、支撑和联接，并且因此意在包括在没有任何其他构件插置在两个构件之间的情况下在这两个构件之间的直接连接以及在两个构件之间插置有一个或更多个其他构件的情况下在该两个构件之间的间接连接。此外，“连接的”和“联接的”不限于物理的或机械的连接或联接。另外，措辞“下”、“上”、“向上”、“往下”以及“向下”指示所参照的附图中的方向。术语包括以上具体提到的词语及其派生词和词语或类似含义。
[0095] 在该
说明书和附图中，一个实施方式中的元件能够与其他实施方式中的相似、对应或等同的元件互换。关于此的一个示例是可以与“控制窗”互换的“第二异型槽”。
[0096] 现在详细参照附图，其中，相同的附图标记始终用于指示相同的元件，在图1中示出了用于钻探设备的取芯筒头组件10的当前优选的实施方式的分解视图。
[0097] 取芯筒头组件10能够定位在钻探设备的钻柱内。取芯筒头组件10包括上闩锁本体12和下闩锁本体14。头组件10还包括中间闩锁本体16，中间闩锁本体16将上闩锁本体12与下闩锁本体14分开并且以可移除的方式将上闩锁本体12联接至下闩锁本体14。图1示出三种不同的示例性实施方式的中间闩锁本体16A、16B、16C以说明中间闩锁本体16的互换性。在所有情况下，中间闩锁本体16可移除地联接至上闩锁本体12和下闩锁本体
14。中间闩锁本体16容置有着陆指示器装置18。由上闩锁本体12、下闩锁本体14和中间闩锁本体16形成共用的中央膛孔20(参见图2A至图2C)。
[0098] 优选地，如图1所示，头组件包括上闩锁本体12，该上闩锁本体12具有闩锁组件30和流体压力连通端口32。下闩锁本体14通过可移除的套筒36保持着陆肩部34，并且包括位于着陆肩部下游的流体流端口38。中间闩锁本体部件16还具有位于着陆肩部上游的流体流端口40，并且连接上闩锁本体12和下闩锁本体14，其中，中央膛孔20连接流体流端口38、40。中间闩锁本体16包含阀调机构42，该阀调机构42能够提供着陆指示信号(参见图2A至图2C)。共用的中央膛孔20穿过所有的本体部件。头组件优选地包括下述两组端口：第一组用于与内阀调机构42流体压力连通，第二组用于钻探所需的流体流，在钻探中，流体流通过中间阀调机构42而被阻挡或打开。该流体端口设计提供了在钻探期间增大的流体流的优点，这意味着不太可能收集岩屑和塞进泥，并且因此与其中所有的流体通过位于着陆肩部上游的单个端口系统(因此更多地遭受堵塞)从上闩锁本体循环至下闩锁本体而没有旁路端口的头组件相比，产生更有效的泵送系统。考虑到头组件的可重构特性，可以根据钻探情况使用不同的阀调系统，并且在研发出更新类型的阀时这些不同的阀调系统可以容易地进行升级。图1示出三种不同的头组件的示例，其中，上闩锁本体12和下闩锁本体14是类似的并且可以共用，但是其中，中间闩锁本体16的变化(changeout)允许使用可以根据具体钻探条件定制的不同阀调机构设计。
[0099] 以下部分将示出不同的阀调机构，这些不同的阀调机构可以通过不同的中间闩锁本体16而改变，同时也得益于具有位于着陆肩部上游的不同的流体压力连通端口32和流体流端口40的优势。
[0101] 图2A至图10B示出根据本发明的另一优选实施方式的头组件的不同实施方式。再一次，头组件允许上闩锁本体12与下闩锁本体14之间的可互换的中间闩锁本体16。同样，中间闩锁本体中的阀调组件得益于使用单独的压力连通端口32和流体流端口40。头组件包括阀组件100，该阀组件100用在能够定位在钻探设备的钻柱中的取芯筒头组件10中。阀组件100包括在着陆肩部的上游形成在取芯筒头组件100的侧壁中的至少一个压力端口
32。还设置有在着陆肩部的上游形成在取芯筒头组件100的侧壁中的至少一个流体流端口
40。阀组件100还包括可移动的阀元件218，该可移动的阀元件218具有第一侧220，第一侧220与通过头组件的加压流体流体连通并且具有在供给方向上受到来自所述流体的力FA影响的第一表面。第二侧222面向相反的方向，与通过头组件的加压流体流体连通，并且具有在相反方向上受到来自流体的力FB影响的第二表面。设置有偏置元件，比如弹簧224或任意其他等同的弹性元件，用于通过将阀元件218从阻挡至少一个流体流端口40的关闭位置移置至打开位置来朝向打开构型迫压阀组件。偏置元件或弹簧可以设计成可调节的。
[0102] 第二表面的面积大于第一表面的面积，使得以作用在第二表面上的来自加压流体的力FB的形式沿关闭方向影响阀元件218的力超过以结合来自弹簧的力FS和作用在第一表面上的来自加压流体的力FA的形式的沿打开方向影响阀元件的力，从而当供给加压流体时阀元件保持处于阀的关闭位置，如图2A和图3A所示。
[0103] 优选地，当至关闭的阀的加压流体供给减小时，所述第一侧220与所述第二侧222之间的压力差减小，并且弹簧224因而迫压阀元件218从其关闭位置移置至其打开位置，从而疏通至少一个流体流端口40，如图2B和图3B所示。
[0104] 优选地，阀组件还包括锁定装置，该锁定装置用于将阀元件机械地锁定在其关闭位置中。在图4A至图4D中示出的一个可能的实施方式中，锁定装置包括压力套筒226，该压力套筒226通过回缩壳体28机械地连接至内管构件的闩锁锁定机构232。锁定装置的另一个可能的实施方式在图2A至图3C和图5A至图10B中示出，并且将在下面进一步详细地描述。
[0105] 还提供了用于操作用在取芯筒头组件中的阀组件的方法，该取芯筒头组件能够定位在由加压流体驱动的钻探设备的钻柱内，该方法包括下述步骤：
[0106] 对处于其关闭位置的阀元件218供给加压流体，其中阀组件保持关闭；
[0107] 减少至关闭的阀组件的加压流体供给；以及
[0108] 允许第一侧220与第二侧222之间的压力差减小，从而使得偏置装置224能够朝向打开位置迫压阀元件18，并且因此允许流体流过至少一个流体流端口并且保持打开。
[0109] 当阀组件100还包括用于将阀元件机械地锁定在其关闭位置的锁定装置时，在步骤a)中，阀元件处于机械地锁定的关闭位置，并且方法在步骤a)与步骤b)之间还包括下述步骤：
[0110] i)使锁定装置停止将阀元件218锁定在关闭位置中。
[0111] 锁定装置可以包括机械地连接至头组件的闩锁锁定机构232的压力套筒226，并且步骤i)还包括允许流体压力使压力套筒226移置并且接合闩锁锁定机构232的闩锁栓228的步骤。
[0112] 如上所述，现在将呈现图2A至图3C以及图5A至图10B中示出的流体控制阀组件以及特别是锁定装置的另一实施方式。优选地，阀元件为包括阀本体250和阀活塞252的两件式阀。阀本体250用于选择性地堵塞流体流端口40，并且包括施加力以朝向关闭构型迫压阀组件的侧部222。阀活塞252包括施加力以朝向打开构型迫压阀组件的侧部220。阀活塞252还包括开槽杆254和销256，开槽杆254允许流体流冲洗岩屑，销256与上闩锁本体12和闩锁回缩壳体28中的异型槽配合以能够选择性地将阀组件锁定在关闭构型中。
[0113] 如在图5A中更好示出的，上闩锁本体12包括异型槽258，异型槽258与阀活塞252的销256配合以将阀锁定在关闭位置中并且允许阀在流体压力的预定升高之后移动至打开位置。更具体地，异型槽258允许销在主槽部260中的轴向运动。槽258的顶端262相对于主槽部以一定角度横向地、至少部分地沿径向方向并且朝向相反的底端延伸，以防止销256向下移动。销256通过使阀组件朝向打开位置偏置的弹簧224而被保持在径向延伸的槽位置中。
[0114] 当流体压力升高并且侧部220的表面上的力克服弹簧力时，阀本体250和活塞252将均向上移动，并且阀活塞252上的销256通过成角度的槽延伸部262而被导向以使销256朝向主槽部260径向地移动(或使其旋转)，从而在压力释放时允许销的轴向运动并且因此允许阀构件的轴向运动。
[0115] 如图5B所示，闩锁回缩壳体28还具有与阀活塞252上的销256配合的异型槽270。当闩锁142缩回时，闩锁回缩壳体28自动地将销256移动至上闩锁本体12的异形槽258上的锁定位置。异型槽因此有助于将闩锁回缩壳体28和闩锁栓保持在中间向上位置，使得闩锁栓不接合至闩锁142，很大程度地减小下降期间在
钻杆上的闩锁曳力。
[0116] 异型槽270允许销256在主槽部272内的轴向运动。槽的底端274相对于主槽部272以一定角度至少部分地沿径向并且沿轴向低于主槽部272延伸，因此在闩锁回缩壳体
28向上移动以使闩锁142缩回时，使销256朝向上闩锁本体12中的锁定位置旋转。于是在闩锁缩回期间销256可以沿平行于主槽的方向朝向底端274向回延伸。
[0117] 当从打捞筒释放时和在下降阶段期间，回缩壳体28中的偏置元件280(例如弹簧或其他等同的弹性元件)将使回缩壳体28朝向向下位置偏置。异型槽270的底端部274将防止回缩壳体28移动至完全向下位置，因为回缩壳体28被保持在中间向上位置时，从而防止闩锁栓与闩锁142接合，在下降期间再次大程度地减小钻杆上的闩锁曳力。
[0118] 现在将描述阀组件的操作顺序。将对分别在图2A至图3C/图5A至图10B与图4A至图4D中示出的两组不同实施方式中示出的部件进行参照。
[0119] 下降
[0120] 在将内管头组件插入钻柱中之前，闩锁回缩壳体28被向上(图2A、图4A或图6A中的右侧)拉至其第一位置。这将脱离闩锁栓228并且允许闩锁142从接合位置自由地移动至缩回位置，并且反之亦然。阀偏置装置224和回缩壳体偏置装置236被压缩。在图4A中示出的实施方式中，闩锁回缩壳体28被直接连接至压力套筒226。压力套筒226和/或闩锁回缩壳体28在其行进通过钻柱时被保持在该第一位置中(通过机械锁)，以在下降期间减小钻杆上的闩锁曳力。在图2A或图6A-6B中示出的实施方式中，附接至阀活塞252的销256通过与异型槽258、270的相互作用而被限制并且因此被防止向下移动以锁定闩锁142，从而减小钻杆上的闩锁曳力。阀本体250堵塞流体流通过流体流端口40。
[0121] 信号
[0122] 当头组件10已经着陆在正确位置中时，对于图4B中示出的实施方式，流体压力将增大并且作用在表面220上，并且以小于第二预定值(比如说例如最大泵压力)的第一预定值的力推动以使压力套筒226向下移动并且接合闩锁栓228，压力套筒226通过闩锁回缩壳体28与闩锁栓228直接连接。在该构型中，闩锁142接合并锁定在外管中并且允许通过槽242连接至回缩壳体28的阀元件218正常地操作。如果闩锁142未处于正确位置中，闩锁栓228以及其直接连接的部件将不能够向下移动至第二位置并允许阀正常地操作。流体压力将居高不下，甚至在其已经被释放至大气中之后亦是如此，从而向钻探工指示闩锁未适当地接合并且必须采取校正动作。在第二位置中，流体压力继续升高，并且通过压力连通端口32作用在第一表面220上，并且通过流体流端口38作用在第二表面222上。第一表面面积小于第二表面面积，使得当存在流体压力时，通过第二表面面积产生的力大于通过第一表面面积产生的力和弹簧224的力的合力。这将在流体压力作用在阀上时保持阀处于关闭位置中。
[0123] 对于图7A至图7B中示出的实施方式，在相似的流体压力条件下，增大的压力将使阀本体250和阀活塞252向上移置，这通过与异型槽258、260相互作用而使销256旋转出其锁定构型。这允许阀活塞252移动并且允许回缩壳体28在闩锁142接合时下降。然而，如果闩锁142被阻塞，则回缩壳体28将不向下移动，从而阻挡阀活塞252和阀组件的移动并且防止流体流端口40的打开。
[0124] 工作
[0125] 对于图4C的实施方式，当流体泵停止并且压力释放时，第一表面220与第二表面222之间的压力差减小，使得偏置装置224或弹簧力将使阀元件218向下移动至打开的第三位置。然后泵将返回并且钻探流体将穿过流体流端口40自由地流动至钻头以便钻探。
[0126] 对于图2B和图8A、图8B中示出的实施方式，一旦流体压力被释放，偏置装置224或弹簧力也克服第一表面220与第二表面224之间的压力差以朝向打开位置迫压阀元件218。在该构型中，流体流过阀活塞254中的槽并且流过阀本体250进入中央膛孔20。
[0127] 缩回/取回
[0128] 当内管充满芯时，取回装置或打捞筒沿钻柱被向下输送并且连接至矛尖50。对于图4D中示出的实施方式，被连接至回缩壳体28的矛尖50被向上拉以便取回，并且向上移动回缩壳体28越过其在下降期间所处的第一位置，移动至其第四位置。可滑动地连接至回缩壳体28的阀元件218和阀本体250向上移动越过第一位置，同样还允许流体流过孔口260。当打捞筒与矛尖50断开连接时，弹簧236将使阀组件回到第一下降位置并且其将为沿孔下降的下一个运动做好准备。
[0129] 对于图2C和图9A至图9B中示出的实施方式，在类似的情况下，回缩壳体28的缩回引起销256朝向锁定构型旋转，从而在矛尖50的取回期间将闩锁142保持在未闩锁的构型，并且使闩锁在钻杆上的曳力最小化。该构型也将阀本体250定位在下述构型：该构型使流体流端口40在取回操作期间保持打开。
[0130] 复位
[0131] 对于图10A至图10B中示出的实施方式，一旦阀组件返回至表面，阀本体150必须在表面位置处被手动地移置，以将阀本体150定位在关闭构型中，该关闭构型将再次为沿孔向下的下一次下降做好准备。对于图4A-4D中示出的实施方式，复位可以自动地完成。
[0132] 图11A-11D和图11a-11d中的本发明的取芯筒头组件10与上述取芯筒头组件不同，即，其包括以不同方式构造的可移动的阀元件218，其中，第一侧220上的表面和第二侧222上的表面面对彼此，而不是根据上述实施方式其背对彼此。根据图11A-11D和图11a-11d的可移动的阀元件218因此包括阀本体300，该阀本体300与形式为轴向指向的膛孔的阀座306配合。阀本体300连接至阀杆302，阀杆302在其另一侧(即最靠近钻机的相反侧)连接至活塞单元307。活塞单元307在其与阀本体300相对的一侧上限制筒空间
311，筒空间311也容纳比如弹簧的偏置装置224。
[0133] 活塞单元307在其与阀杆302相对的一侧上连接至活塞杆305，活塞杆305密封地穿过限制筒空间311的上壁中的开口，并且在其离活塞单元307最远的一端处支撑销(未示出)，该销与异形槽配合，共同形成与以上描述的锁定装置基本对应的锁定装置。
[0134] 筒空间311通过一个或更多个开口310通向活塞杆305中并且通过顶部膛孔308，顶部镗孔308在活塞杆305内轴向地延伸，并且
接触阀杆302内侧的底部膛孔309。底部膛孔309通向位于阀本体300下游的低压空间内，并且因此使筒空间311与基本在流体端口38下游内侧的空间连接。因此，图11A-11D和图11a-11d中的实施方式的可移动的阀元件
218基本上以与上述方式相同的方式工作，并且由第一侧220与第二侧222之间的空间313内存在的流体压力以及来自存在于(多个)流体压力连通端口32内的流体压力的致动活塞杆的力而被致动。
[0135] 在下降阶段之前，当取芯筒头组件在钻柱内侧被向下泵送时，锁定装置被置入其锁定位置中，从而阀被关闭并且阀本体300坐置在阀座306中。这在图11A和图11a中示出。此外，在图11a中示出异形槽270，其中，与活塞杆305相关联的销315处于其锁定位置中。
[0136] 当取芯筒头组件10已经到达钻柱的端部并且着陆肩部34已经坐置在位于钻柱(未示出)内侧的对应肩部上时，冲洗流体流内的压力将随着空间313内的压力增大而增大。因此，作用在阀元件218的相应的第一侧和第二侧上的力将增大，直到作用在第二侧上的力FB将大于作用在第一侧220上的来自
压力流体的力FA与来自偏置装置224的力以及由影响活塞杆的流体压力产生的附加力之和为止，因为第一侧上的表面的面积超过第二侧上的表面的面积。因此，如在图11B和图11b中观察到的，可移动的阀元件218将移动至左侧，并且如上述那样通过到达异形槽的轴向延伸部的所述销而被旋转。
[0137] 应当注意的是，当为待由压力致动的表面面积定尺寸时，必须考虑活塞杆的经受通过流体压力连通端口32进入的压力的区域。作用在活塞杆上的来自加压流体的力指示为：FP。该力沿与FA和FS相同的方向作用。如上所述的力平衡因此必须通过为此的FP和待完善的以下实施方式而完善：
[0138] 沿阀关闭方向作用的力：FB
[0139] 沿阀打开方向作用的力：FA、FS、FP
[0140] 在下文中，当压力释放时，第一侧和第二侧上的力将是相等的，并且来自偏置装置224的力将可移动的阀元件218按压至打开位置，使阀座306打开，使得冲洗流体可以在到达钻头的途中流动通过上游流体端口40、通过空间313并且通过下游的流体端口38流出，于是钻探可以开始。如附图中所示，销315在相应的异型槽的轴向延伸部中到达右侧的远端。同时，闩锁栓228已经进入闩锁142之间以确保它们处于接合位置。这在图11C和图
11c中示出。
[0141] 在图11D和图11d中示出在取回阶段期间的组件，其中，力施加至矛尖50，其中，如在图中观察到的，回缩壳体28相对地向上移动至左侧，因此活塞和活塞杆305被移动以便将锁定装置重置到锁定位置中并且使作为偏置装置224的弹簧预张紧。同时，闩锁栓与闩锁142脱离并且闩锁以与上述相似的方式被向内带动。可移动的阀元件218跟随活塞的移动并且到达关闭位置。这在取回阶段期间分别防止存在于钻柱中的流体流过相应的上游流体端口40和下游流体端口38。
[0142] 不排除使回缩壳体28与活塞断开连接。这将具有的优点在于，存在于取芯筒头组件上方的水不必在该阶段期间被提升。随后，活塞和可移动的阀元件218重置到关闭位置中可以在该情况下在钻柱外手动地进行或通过按压释放机构以引起弹簧将可移动的阀元件移动至锁定位置而自动地进行。
[0143] 图11d中示出了回缩壳体28中的第二异形槽或“控制窗”316，第二异形槽或“控制窗”316通过倾斜表面317与销315配合以在异型槽270的倾斜部中将销315定位在其锁定位置中。这基本上如以上关于所描述的第一实施方式解释地那样起作用。
[0144] 在本发明的实施方式中以及在结合图12A-12D以及图13A-13D描述的实施方式中，流体压力连通端口或多个流体压力连通端口32允许冲洗流体在锁定装置和闩锁142的区域内更自由地流动，从而避免堆积泥和功能失效。流体压力连通端口或多个流体压力连通端口32也具有将可移动的阀元件218致动至以上指出的程度的有限目的。取芯筒头组件的该实施方式允许建立具有良好直流的流体流径，从而减少碎屑收集袋状部、流体流阻力和泵送压力要求。
[0145] 图12A-12D和图13A-13D中的实施方式与图11A-11D和图11a-11d中的实施方式的不同之处在于活塞单元307被分开，使得活塞单元307包括连接至活塞杆305的顶部活塞304以及连接至阀杆302的底部活塞303。顶部活塞和底部活塞是分开的，并且不时地形成在顶部活塞与底部活塞之间的空间以与筒空间311相同的方式通过底部膛孔309连通。然而，应当指出的是，顶部活塞不必密封地与筒空间311配合，而仅与偏置装置224配合。
[0146] 在该实施方式中，设置有用于阀本体的单独锁定装置，阀杆302和底部活塞303构成可移动的阀元件218。在示出的实施方式中，这通过具有位于阀本体上的下游位置处的与底部异型槽270’配合的销来获得。此外，顶部活塞304、活塞杆305以及闩锁栓228具有与结合图11A-11D和图11a-11d中的实施方式的描述指示的锁定装置对应的锁定装置。通过具有例如图12A中的实施方式中的单独的锁定装置，可以获得下述若干优点，即，当连接至取芯筒阀组件的提升线缆在表面上卷起时，在取回阶段期间可以重置偏置装置224。
[0147] 图12A和图13A示出了处于下降阶段的组件，其中，组件被向下泵送至钻柱中，并且其中，阀本体300被锁定在其关闭位置中。图13中示出了底部异型槽270’，其中，销314坐置在底部异型槽的倾斜延伸部中的锁定位置中。270指示顶部异型槽，其中，与活塞杆305相关联的销315以相似的方式位于其锁定位置中。
[0148] 图12B和图13B示出了在已经受到高压力之后的图12A和图13A中的组件，其中，可移动的阀元件218以及顶部活塞和活塞杆已经被按压至左侧，如在图中观察到的，其中，销314和销315已经被推动成与相应的异型槽270和270’的轴向延伸部对准。该移置的目的与以上关于先前描述的实施方式描述的目的相似。
[0149] 在图12C和图13C中，示出了在已经释放压力之后的组件，其中，如在图中观察到的，偏置装置224已经将活塞单元307和阀本体300按压至右侧，其中，上游流体端口与下游流体端口之间的流体流径自由用于向下泵送的冲洗流体，因此，钻探可以开始。与图11中的实施方式类似，流体流径基本上不具有袋状部或限制部，从而防止由于在敏感位置处累积的泥而引起的失效。相应的销314和销315已经到达在相应的异型槽的轴向延伸部中的右侧的远端，如在图中观察到的。同时，闩锁栓228已经进入闩锁142之间以将其锁定在接合位置中。
[0150] 在图12D和图13D中，示出了取回阶段期间的组件，其中，力施加至矛尖50，其中，回缩壳体28相对地向上移动，如在图中观察到的，移动至左侧，因此顶部活塞和活塞杆305被移动以便将上锁定装置重置到锁定位置中并且预张紧作为偏置装置224的弹簧。同时，闩锁栓与闩锁142脱离，并且闩锁以与上述相似的方式被向内带动。可移动的阀元件218不受回缩壳体28的移动影响并且保持在打开位置中，从而允许存在于钻柱中的流体分别流过相应的上游流体端口40和下游流体端口38。这具有下述优点：可移动的阀元件218的后续重置可以在钻柱外更容易地进行。这可以手动地进行或通过按压释放机构以引起弹簧将可移动的阀元件移动至锁定位置而自动地进行。
[0151] 当闩锁142处于缩回的脱开位置时，闩锁栓将与闩锁的上侧干涉并且进一步将顶部活塞固定至未锁定的向上位置中，防止阀打开。这是安全措施并且是对钻探工关于下述方面的指示：取芯筒头组件还未适当地定位，闩锁未适当地接合以及钻探不能够开始。
[0152] 在图13D中示出了回缩壳体28中的控制窗316，该控制窗316通过倾斜表面317与销315配合以在异形槽270的倾斜部中将销315定位在其锁定位置中。这基本上如在以上描述的关于本发明的第一实施方式所解释的内容那样起作用。
[0153] 图14A-14D中和图14a-14d中的实施方式基本上如以上描述的实施方式那样起作用，并且具有与图11A-11D和图12A-12D中示出的实施方式相同的特征。基本上，在该实施方式中，可移动的阀元件218包括阀本体300，该阀本体300用于与形式为轴向定向的膛孔的阀座306配合。阀本体300连接至阀杆302，阀杆302在其另一侧上，即，在最靠近钻机的相反侧上，连接至活塞单元307。活塞单元307在其与阀本体300相对的一侧上限制筒空间311，该筒空间311也容纳有比如弹簧的偏置装置224。该实施方式可以设计成使得能够进一步消除可能收集岩屑的袋状部。
[0154] 活塞单元307在其与阀杆302相对的一侧上连接至活塞杆305，活塞杆305在下降阶段期间通过扩大部305’密封地穿过限制筒空间311的上壁并且在其离活塞单元307最远的端部处支撑销315，销315用于与异型槽270配合，一起形成与上述基本一致的锁定装置。
[0155] 筒空间311通过一个或者更多开口310通向活塞杆305中并且通过阀杆302内的膛孔309。膛孔309通向位于阀本体300下游的低压空间。从而，该实施方式的可移动的阀元件218基本上以与以上结合图11A-11D和图11a-11d描述的方式相同的方式工作，但其基本上仅由存在于第一侧220与第二侧222之间的空间313中的流体压力致动。
[0156] 该实施方式在到达下降阶段(图14A和图14a)、高压阶段(图14B和图14b)时以与结合图11A-11D描述的实施方式相似的方式工作。然而，在打开阶段中(图14C和图14c)，扩大部已经进入筒空间，使活塞杆内的敞开区域保持打开，用于冲洗流体的分支以穿过筒空间冲洗，以便冲掉在阀关闭时可能已经积累的任何岩屑。为此目的，扩大部包括用于与阀元件218接触的分离的轴向距离突出部，以便确保在扩大部305’和形成的壁开口以及阀元件之间并且进入且穿过阀杆302内的膛孔309的流体流径。在图14C中，这些流径用流线示出。
[0157] 在取回阶段(图14D和图14d)中，阀元件218与扩大部305’分离，从而使端口40与端口38之间的流径打开，这与图12A-12D中示出的实施方式类似。在图14d中示出了回缩壳体28中的控制窗316，控制窗316通过倾斜表面317与销315配合以在异型槽270的倾斜部中将销315定位在其锁定位置中。这基本上如以上描述的关于本发明的第一实施方式解释的内容那样起作用。活塞杆305及其扩大部305’已经移动以便关闭限制筒空间的壁中的开口并且阻挡冲洗流。销315在取回阶段期间的重置与结合图12A-12d和图13A-13D所描述的方式类似。
[0158] 当下降阶段开始时，通过来自冲洗流体压力的沿关闭方向的力克服作用在打开方向的力(参见以上)，阀元件218重回其关闭位置，因而使阀元件返回至图14A中示出的位置。
[0159] 本发明还提供了绳索取芯钻探系统，该绳索取芯钻探系统包括绳索取芯钻机，绳索取芯钻机具有：内管，岩芯试样通过该内管来收集；外管，该外管连接至钻头；以及阀组件，该阀组件位于内管的后端处，所述阀组件控制形式为加压流体的冲洗介质的供给，其中，阀组件以如以上提供的实施方式中的一个实施方式中描述的那样构造。
[0160] 尽管本发明的优选实施方式已经在本文中进行了详细描述并且在附图中示出，但应当理解的是本发明不限于这些具体的实施方式，并且在不偏离本发明的范围的情况下，可以实现各种改变和
修改。例如，阀元件可以包括一个或更多个件。可以存在多于一个的锁定机构。锁定机构可以为任何其他类型，比如棘爪或球锁型机构。闩锁回缩壳体中的异型槽或控制窗是可选的。
