防旋转支撑装置及定向取芯钻具

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，更具体地说，涉及一种防旋转支撑装置，还涉及一种包括上述防旋转支撑装置的定向取芯钻具。

背景技术

现有的定向钻进技术可分为滑动导向和旋转导向两种类型。滑动导向时，钻柱不旋转，采用井底动力工具带动钻头旋转，如螺杆钻具、涡轮钻具等。旋转导向系统主要包括推靠式结构和指向式结构，推靠式结构是偏置机构在钻头附近偏置钻头直接给钻头提供侧向力，指向式结构是偏置机构直接或间接偏置连接钻头的主轴使其弯曲来使钻头指向钻孔轨迹控制方向，指向式结构的孔壁相比推靠式结构的孔壁更光滑。相关技术在石油钻井领域应用较为成熟，但在地质取芯勘探领域，应用较少，主要因为定向取芯钻具内部需有较大取芯空间，相关结构需进一步改进，且成本较高。

现有的定向取芯技术主要是采用螺杆钻具进行定向钻孔，不取芯，到达设计取芯位置后，再采用常规取芯钻具进行取芯钻进。该方法取芯长度有限，取芯钻进轨迹不可控，获取的地质信息有限，而且操作复杂，钻进效率低。

如中国公开专利CN108005579A公开了一种基于径向驱动力的旋转导向装置，包括:旋转轴，所述旋转轴旋转驱动工具头，所述旋转轴包括上轴部、下轴部和可转向部，所述上轴部和所述下轴部通过所述可转向部可转向地连接；安装于所述上轴部的非旋转体，所述非旋转体在所述旋转轴旋转驱动所述工具头时在周向上相对于所述旋转轴大体上呈非旋转状态，所述下轴部包括与所述非旋转体至少部分地轴向重合的肋部，所述非旋转体包括在周向上均匀分布的至少三个液压驱动机构，所述至少三个液压驱动机构适于分别可控地产生径向驱动力，所述径向驱动力作用于与所述非旋转体重合的肋部以使得所述下轴部相对于所述可转向部产生偏转。该装置导向装置的外壳即非旋转体，采用推靠式结构，相比指向式结构，孔壁较粗糙；采用三个独立的液压驱动机构设计，结构复杂；且不能取芯。

如中国公开专利CN112096328A公开了一种井内随钻井壁支撑机构，属于钻井工具技术领域，由外壳和液力支撑组件所组成，液力支撑组件安装在外壳内部，通过控制高压微型泵实现弹性液力支撑的膨胀，当弹性液力支撑膨胀到一定程度时会与井壁进行紧密接触，井内随钻井壁支撑机构与井壁进行支撑，控制高压微型泵使弹性液力支撑缩回，井内随钻井壁支撑机构脱离井壁，同时高压微型泵的压力还能由微型蓄能器进行保持。该机构外壳内有多种流道，加工复杂；以高压微型泵控制弹性液力支撑的收缩，所需径向安装空间较大；且不能取芯。

如中国公开专利CN111894456A公开了一种可用于取芯的机械式准静态推靠垂直钻井工具，涉及钻井工具技术领域，该工具的稳定平台外壳通过中间转动外壳与钻头接头连接，钻头接头用于连接钻头。钻井过程中钻压与扭矩通过稳定平台外壳、中间传动外壳以及钻头接头传递给钻头，不需要设置内钻杆，该工具中心留有布置取芯筒的空间，可实现边垂直钻井边取芯，且工具小型化能力好，可用于小直径井眼垂直取芯钻进。另外，该工具的执行机构在纠斜过程中可保持不转或缓慢转动，有效降低了推靠翼肋磨损速率，提高了工具使用寿命，且纠斜过程中，位于井眼高边一侧的推靠翼肋始终处于打开状态，无滞后时间，推靠力响应迅速，可配合孕镶取心钻头在高转速工况下使用。该方案的执行机构可起到一定防旋转作用，但其与孔壁接触面为圆弧形结构，周向摩擦阻力较小，防旋转效果较差。

目前定向取芯钻具在使用时，很容易导致前部壳体跟随转动，进而导致钻进方向改变。

综上所述，如何有效地解决定向取芯钻具防旋转效果不好的问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种防旋转支撑装置，该防旋转支撑装置可以有效地解决定向取芯钻具防旋转效果不好的问题，本发明的第二个目的是提供一种包括上述防旋转支撑装置的定向取芯钻具。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种防旋转支撑装置，包括中心轴、支撑壳体和支撑体；所述支撑体与所述支撑壳体径向滑动配合，且设置有能够径向活动至凸出于所述支撑壳体外侧的尖部；所述中心轴轴向穿设于所述支撑壳体，且开设有通水口，以用于从所述中心轴内导入液体以推动所述支撑体径向伸出。

在该防旋转装置中，在使用时，当需要钻进时，需要通过中心轴向钻头的端面输送高压液体，一般为高压水，而当流经至通水口处时，会有部分高压液体通过通水口流出，以去推动支撑体径向外移，以使得支撑体上尖部径向外移过程中，能够扎入至孔壁中，此时可以阻止支撑壳体相对孔壁转动，以避免钻进过程中支撑壳体转动。而无需转进时，此时将不需要再通过中心轴输入高压液体，在没有高压液体推动下，那么支撑体将不再受到径向内侧支撑，在外力作用下，会径向向内移动，以使得尖部不再扎入至孔壁中，即不再进行防旋转。在该防旋转装置中，设置了可径向活动的支撑体，并设置了尖部，以使得支撑体径向向外活动中，尖部能够径向扎入至孔壁中，进而起到防旋转的效果，且可以在中心轴上设置有通水口，以可以借用工作时中心轴传输的高压液体，对支撑体形成推动，以在中心轴传输高压液体时起到防旋转效果。综上所述，该防旋转支撑装置能够有效地解决定向取芯钻具防旋转效果不好的问题。

优选地，还包括能够轴向活动的活塞；所述活塞一端通过工作斜面与所述支撑体相抵，以在轴向向所述支撑体活动时，能够推动所述支撑体径向向外移动；所述活塞远离所述支撑体的一侧形成与所述通水口连通的推动腔。

优选地，还包括复位弹簧，以用于阻止所述活塞向所述支撑体移动。

优选地，还包括活塞外壳，所述活塞与所述活塞外壳滑动配合；所述活塞外壳一端与所述支撑壳体连接，另一端连接有联轴器。

优选地，所述支撑体的两端分别对应设置所述活塞。

优选地，所述活塞呈管型，且套设于所述中心轴设置。

优选地，所述活塞内外侧均设置有密封槽，且外侧的所述密封槽设置有密封所述活塞与所述活塞外壳之间间隙的密封圈，内侧的所述密封槽设置有密封所述活塞与所述中心轴之间间隙的密封圈。

优选地，所述中心轴的周向设置有多个所述支撑体。

优选地，所述支撑体沿轴向设置有多个圆柱，各个所述圆柱上均设置有所述尖部，所述支撑壳体上径向圆孔与所述圆柱相配合。

为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种定向取芯钻具，该定向取芯钻具包括上述任一种防旋转支撑装置，还包括钻头，所述钻头安装于所述防旋转支撑装置的中心轴的前端。由于上述的防旋转支撑装置具有上述技术效果，具有该防旋转支撑装置的定向取芯钻具也应具有相应的技术效果。

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为本发明实施例提供的防旋转支撑装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的防旋转支撑装置的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的支撑体的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的活塞的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的定向取芯钻具的结构示意图。

附图中标记如下：

1.钻头；2.支点轴承；3.偏置组件；4.中心轴；5.悬臂轴承；6.防旋转支撑装置；7.钻杆；8.取芯器；6-1.联轴器；6-2.第一活塞外壳；6-3.支撑壳体；6-4.支撑体；6-6.第二活塞外壳；6-7.另一联轴器；6-8.第一复位弹簧；6-9.第一活塞；6-10.第一密封圈；6-11.第三密封圈；6-12.第二活塞；6-13.第二密封圈；6-14.第四密封圈；6-15.第二复位弹簧；6-4-1.配合斜面；6-4-2.尖部；6-4-3.第一内侧面；6-4-4.支撑部；6-4-5.圆柱；6-9-1.工作斜面；6-9-2.外侧密封槽；6-9-3.内侧密封槽；6-9-4.活塞内侧面；6-9-5.活塞外侧面；6-9-6.平整端面。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种防旋转支撑装置，以有效地解决定向取芯钻具防旋转效果不好的问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图5，图1为本发明实施例提供的防旋转支撑装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的防旋转支撑装置的剖面结构示意图；图3为本发明实施例提供的支撑体的结构示意图；图4为本发明实施例提供的活塞的结构示意图；图5为本发明实施例提供的定向取芯钻具的结构示意图。

在一种具体实施例中，本实施例提供了一种防旋转支撑装置6，主要应用于定向取芯钻具，具体的，该防旋转支撑装置6包括中心轴4、支撑壳体6-3和支撑体6-4。

中心轴4一端用于连接钻杆7、另一端用于连接钻头1，以传递扭矩至钻头1，对应的，中心轴4内部还具有通道，以在使用时，可以将高压液体导向钻头1的端面，主要是将高压水导向至钻头1的端面。在具体应用中，还可以使中心轴4的内部穿设有取芯器。

其中支撑体6-4与支撑壳体6-3径向滑动配合，且设置有能够径向活动至凸出于支撑壳体6-3外侧的尖部6-4-2。以通过支撑体6-4与支撑壳体6-3径向滑动配合，即使得尖部6-4-2能够径向活动，以能够径向向外活动至凸出支撑壳体6-3外侧，以扎入孔壁中，此时可以阻止支撑壳体6-3相对孔壁转动；当然也可以是径向向内活动，以脱离孔壁，此时支撑壳体6-3能够相对孔壁转动。其中支撑体6-4与支撑壳体6-3径向滑动配合，以主要限制支撑体6-4的活动方向。

其中中心轴4轴向穿设于所述支撑壳体6-3，且开设有通水口，以用于从中心轴4内导入液体以推动支撑体6-4径向伸出。在使用时，向中心轴4内导入高压液体，高压液体会从通水口流出，以推动支撑体6-4径向伸出，进而使其上的尖部6-4-2，凸出于支撑壳体6-3的外侧，以扎入至孔壁中。需要说明的是，其中中心轴4内导入的液体，可以直接推动或间接推动支撑体6-4径向伸出。如直接径向推动支撑体6-4，可以是将高压液体导向至支撑体6-4的径向内侧，以产生径向向外的推力。

在该防旋转装置中，在使用时，当需要钻进时，需要通过中心轴4向钻头1的端面输送高压液体，一般为高压水，而当流经至通水口处时，会有部分高压液体通过通水口流出，以去推动支撑体6-4径向外移，以使得支撑体6-4上尖部6-4-2径向外移过程中，能够扎入至孔壁中，此时可以阻止支撑壳体6-3相对孔壁转动，以避免钻进过程中支撑壳体6-3转动。而无需转进时，此时将不需要再通过中心轴4输入高压液体，在没有高压液体推动下，那么支撑体6-4将不再受到径向内侧支撑，在外力作用下，会径向向内移动，以使得尖部6-4-2不再扎入至孔壁中，即不再进行防旋转。在该防旋转装置中，设置了可径向活动的支撑体6-4，并设置了尖部6-4-2，以使得支撑体6-4径向向外活动中，尖部6-4-2能够径向扎入至孔壁中，进而起到防旋转的效果，且可以在中心轴4上设置有通水口，以可以借用工作时中心轴4传输的高压液体，对支撑体6-4形成推动，以在中心轴4传输高压液体时起到防旋转效果。综上所述，该防旋转支撑装置能够有效地解决定向取芯钻具防旋转效果不好的问题。

考虑到直接径向推动，推动效果不好，且不好控制推动力。基于此，此处优选还包括能够轴向活动的活塞(如下文中提到的第一活塞6-9，第二活塞6-12)。其中活塞一端通过工作斜面6-9-1与支撑体6-4相抵，以在轴向向所述支撑体6-4活动时，能够推动所述支撑体6-4径向向外移动。活塞的工作斜面6-9-1，即径向向内倾斜，以在轴向移动时，不同直径位置部分与支撑体6-4相抵，以推动支撑体6-4径向移动。为了更好的实现面支撑，此处优选支撑体6-4轴向端部对应设置有配合斜面6-4-1，以与活塞上的工作斜面6-9-1面接触。

而其中活塞远离支撑体6-4的一侧形成与所述通水口连通的推动腔。以可以通过通水口，从中心轴4中导入高压液体进入到推动腔中，推动腔中高压液体推动活塞向支撑体6-4轴向移动，以轴向移动过程中，因为工作斜面6-9-1的作用，推动支撑体6-4径向向外移动，以使得其上的尖部6-4-2扎入孔壁中。

而当高压液体从推动腔中退出后，为了更好的使支撑体6-4径向向内移动。此处优选还包括复位弹簧(如下文中提到的第一复位弹簧6-8，第二复位弹簧6-15)，以用于阻止活塞向支撑体6-4移动。以在推动腔不具有高压液体时，复位弹簧带动活塞复位。

进一步的，为了方便安装，此处优选还包括活塞外壳(如下文中提到的第一活塞外壳6-2，第二活塞外壳6-6)。其中活塞与所述活塞外壳滑动配合，而活塞优选与中心轴4滑动配合。其中活塞外壳一端与支撑壳体6-3连接，另一端连接有联轴器6-1。

进一步的，为更好的使支撑体6-4受力，此处优选支撑体6-4的两端分别对应设置所述活塞，即支撑体6-4的一端设置有第一活塞6-9，另一端对应设置有第二活塞6-12，且第一活塞6-9和第二活塞6-12处分别对应设置有第一复位弹簧6-8、第二复位弹簧6-15，以及第一活塞外壳6-2、第二活塞外壳6-6，而且对应设置有联轴器6-1，以及再设另一联轴器6-7。

进一步的，为了更好引导活塞轴向移动，此处优选活塞呈管型，且套设于中心轴4设置。其中工作斜面6-9-1此时形成圆锥面。进一步的，优选活塞内外侧均设置有密封槽，且外侧密封槽6-9-2设置有密封所述活塞与所述活塞外壳之间间隙的密封圈，即第一活塞6-9外侧与第一活塞外壳6-2之间设置有第一密封圈6-10，而第二活塞6-12外侧与第二活塞外壳6-6之间设置有第二密封圈6-13，而活塞的内侧密封槽6-9-3设置有密封所述活塞与所述中心轴4之间间隙的密封圈，即第一活塞6-9内侧与中心轴4之间设置有第三密封圈6-11，而第二活塞6-12内侧与中心轴4之间设置有第四密封圈6-14。其中活塞外侧面6-9-5与轴承外壳内侧面相配合，而活塞内侧面6-9-4与中心轴4相配合。而活塞一端设置有上述工作斜面6-9-1，另一端为平整端面6-9-6，以与复位弹簧相连。

为了更好的实现防旋转，此处优选中心轴4的周向均设置有多个支撑体6-4，各个支撑体6-4的端部均与锥形的工作斜面6-9-1相抵，即多个支撑体6-4同一方向的一端与同一个活塞相抵。

进一步的，为了更好的实现支撑体6-4的安装，此处优选支撑体6-4包括支撑部6-4-4，和多个沿轴向依次设置于支撑部6-4-4外侧的圆柱6-4-5，如可以设置有三个轴向依次设置的圆柱6-4-5，其中支撑部6-4-4位于支撑壳体6-3内侧，且支撑部6-4-4的第一内侧面6-4-3直径优选与中心轴4的直径相等或有间隙，其中相等如间隙配合。其中各个所述圆柱6-4-5上均设置有所述尖部6-4-2，其中尖部6-4-2可以是圆锥型、三棱锥型和十字锥型，且尖部6-4-2设置于圆柱的中部位置。其中支撑壳体6-3上径向圆孔与圆柱6-4-5相配合，以使得圆柱6-4-5能够穿出至支撑壳体6-3的外侧，以使得尖部6-4-2凸出在支撑壳体6-3的外侧。

基于上述实施例中提供的钻头调向装置，本发明还提供了一种定向取芯钻具，该定向取芯钻具包括上述实施例中任意一种防旋转支撑装置6，还包括钻头1，所述钻头1安装于防旋转支撑装置6的中心轴4的前端。由于该定向取芯钻具采用了上述实施例中的防旋转支撑装置6，所以该定向取芯钻具的有益效果请参考上述实施例。具体的，该定向取芯钻具还包括钻杆7，钻杆7与中心轴4传动连接，还包括用于支撑中心轴4的悬臂轴承5以及支点轴承2，以及用于带动中心轴4弯曲的偏置组件3。其中中心轴4内部一般还穿设有取芯器8。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。