本发明涉及属于钻探技术领域，尤其涉及一种定向绳索取芯钻具及其钻探方法。
背景技术：
国内定向钻探技术在煤矿和石油勘探领域使用广泛。石油勘探井中使用了绳索取芯和螺杆定向全面钻进的组合钻进工艺。连续定向取芯钻进技术可适时掌握和调整勘探取芯孔的钻孔轨迹，使之沿预设的勘探轨迹延伸，提高单孔辐射区域，使勘探目标更加明确和具体。目前国内无相关技术可解决连续定向取芯的难题。而且，在钻探过程中，易出现内管钻具卡滞，导致无法打捞，强力打捞易导致打捞钢丝绳在钻杆内或钻杆外断裂，难以提钻检修，极大影响钻探效率；上仰孔钻探过程中，打捞内管钻具时，其重力在钻杆柱轴线方向的分力与打捞钢丝绳拉力同时作用，易导致内管钻具整体加速下滑，冲出钻杆，导致设备和人员伤害事故。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种定向绳索取芯钻具及其钻探方法，解决连续定向取芯的工程技术难题，以及现有的绳索取芯钻具在钻探过程中易出现内管钻具卡滞、上仰孔钻探过程内管钻具失速下滑的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种定向绳索取芯钻具用失速制动装置，包括捞矛头、制动体、制动弹簧、卡块、用于复位卡块的复位弹簧和支撑件；
所述的制动体中心设置有沿制动体轴向贯通的用于设置捞矛头的第一通孔；所述的捞矛头上设置有限制捞矛头沿制动体轴向移动距离的第一限位块和第二限位块，所述的第一限位块和第二限位块分别设置在制动体的两端，所述的制动弹簧的两端分别挤顶在第一限位块和第一通孔上，制动弹簧的弹力方向沿捞矛头第一通孔轴向；靠近第一限位块处的捞矛头端部设置为锥形；所述的支撑件设置在第一通孔四周，支撑件上设置有供卡块穿过的第二通孔，所述的第二通孔沿垂直第一通孔方向；所述的复位弹簧的弹力方向沿第二通孔方向，所述的捞矛头通过其锥形端部挤顶卡块逐渐向外侧移动直至挤顶在取芯钻杆内壁上。
具体的，所述的制动体中心设置有与第一通孔同轴的第三通孔和第四通孔，所述的第三通孔的直径大于第一通孔，第四通孔的直径大于第三通孔，第四通孔的沿轴向的长度为捞矛头沿制动体轴向的移动距离。
具体的，所述的卡块为t型杆体，卡块的横端设置在支撑件的外侧，卡块的竖端的圆周上设置有凹槽，复位弹簧的两端分别挤顶在支撑件和凹槽底部；卡块的竖端末端设置为圆弧面。
本发明还公开一种定向绳索取芯钻具，包括外管单元、与外管单元配合使用的内管单元以及用于打捞内管单元的打捞单元，所述的外管单元包括依次同轴设置的取芯钻头、外管管体、弹卡室、取芯钻杆和水便；所述的内管单元包括依次同轴设置的岩芯管、与弹卡室匹配卡接的弹卡和失速制动装置，所述的失速制动装置为本发明所述的失速制动装置；所述的打捞单元在打捞内管单元时与失速制动装置的捞矛头连接。
具体的，所述的外管管体包括第一接头、中空螺杆和第二接头，所述的第一接头、第二接头均为中空结构；所述的第一接头通过扶正器与取芯钻头连接，所述的第二接头与弹卡室连接；所述的中空螺杆包括中空螺杆转子、中空螺杆定子以及连接中空螺杆转子和中空螺杆定子的万向轴，第一接头与中空螺杆转子连接，第二接头与中空螺杆定子连接；所述的内管单元中设置有冲击器和用于将冲击器振动传递至外管管体的传振件，所述的冲击器设置在岩芯管与弹卡之间，所述的传振件围绕岩芯管外壁设置，且传振件与外管管体接触。
具体的，所述的扶正器与第一接头的连接处设置有扶正环。
具体的，所述的传振件包括第一传振环和第二传振环，第一传振环设置在第一接头与中空螺杆转子的连接处，第二传振环嵌套在岩芯管外壁上，且第一传振环和第二传振环接触。
进一步的，还包括测斜单元，所述的测斜单元包括测斜仪和无磁钻杆短节，所述的无磁钻杆短节设置在外管管体与弹卡室之间，所述的测斜仪设置在无磁钻杆短节范围内。
具体的，所述的打捞单元包括快断打捞器、钢丝绳与卷扬；所述的快断打捞器包括打捞钩、压绳块、销轴和打捞套，所述的打捞钩为弹簧复位结构，打捞钩与捞矛头连接；所述的打捞套上设置有供销轴穿过的销轴孔，所述的压绳块通过销轴铰接在打捞套中；所述的钢丝绳一端固定在压绳块上，另一端与卷扬连接。
本发明还公开一种连续定向取芯钻探方法，该方法采用本发明所述的钻具进行钻进，该方法具体包括以下步骤：
步骤1，回次开始前，将外管单元提离孔底，采用高压泥浆泵将内管单元冲到悬挂位置；
步骤2，开启泥浆泵，驱动冲击器和中空螺杆，孔底冲击回转复合切削岩石，钻孔轨迹按钻头原方位角延伸；当岩芯管充满岩芯后进行步骤3；
步骤3，采用打捞单元与水便配合打捞内管单元，内管单元打捞至地面后，读取测斜仪数据，绘制孔斜与时间曲线；
步骤4，根据孔斜数据调整钻头方位角，下放内管单元到位后，重复步骤1至步骤3进行连续定向取芯钻探。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)失速制动：在上仰孔钻探过程中，内管单元失速时，本发明的失速制动装置中的制动弹簧伸长推动捞矛头往钻头方向运动，捞矛头的锥形端推动卡块向钻杆内壁方向运动，卡块与钻杆内臂的摩擦力有效减缓内管内管单元的运动速度，实现失速制动的功能。
(2)可实现测斜和连续钻进：通过测斜仪进行测斜，根据孔斜数据调整取芯钻头方位角，对钻孔轨迹进行调整，不需要提出整个钻杆柱，实现连续定向取芯钻探，可极大节省劳动力，增加单位时间钻进回次，提高效率。
(3)钻进效率高：本发明内管单元在钻进过程中，高压泥浆驱动冲击器带动内管单元整体产生轴向往复冲击，振动环冲击传振环，将冲击功传递到取芯钻头上；高压泥浆下流，驱动中空螺杆转子转动，实现取芯钻头回转。冲击器和中空螺杆同时工作，实现孔底冲击回转复合钻进，提高钻进效率。
(4)解决内管钻具卡滞问题：在打捞内管单元过程中遭遇内管单元卡滞等情况时，调高驱动系统压力，卷扬转动拉断销轴，收回钻杆内的钢丝绳，方便提钻处理事故，避免钢丝绳在钻杆外部或内部破断。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例2记载的定向取芯钻探钻具前段部分结构示意图。
图2是本发明实施例2记载的定向取芯钻探钻具中段部分结构示意图。
图3是本发明实施例2记载的定向取芯钻探钻具后段部分结构示意图。
图4是本发明实施例1记载的失速制动装置结构图。
图5是水平钻进过程中孔内断绳示意图。
图6是水平钻进过程中孔外断绳示意图。
图7是上仰钻进时打捞钻具失速示意图。
图中各标号表示为：
1-外管单元，2-内管单元，3-打捞单元，4-测斜单元；
101-取芯钻头，102-外管管体，103-弹卡室，104-取芯钻杆，105-水便，106-第一接头，107-中空螺杆，108-第二接头，109-扶正器，110-中空螺杆转子，111-中空螺杆定子，112-万向轴，113-扶正环；
201-岩芯管，202-弹卡，203-失速制动装置，204-冲击器，205-传振件，206-第一传振环，207-第二传振环，208-捞矛头，209-制动体，210-制动弹簧，211-卡块，212-复位弹簧，213-支撑件，214-第一通孔，215-第一限位块，216-第二限位块，217-第三通孔，218-第四通孔；
301-快断打捞器，302-钢丝绳，303-卷扬，304-打捞钩，305-压绳块，306-销轴，307-打捞套。
401-测斜仪，402-无磁钻杆短节。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。
实施例1
本实施例公开了一种定向绳索取芯钻具用失速制动装置，如图4所示，该装置包括捞矛头208、制动体209、制动弹簧210、卡块211、用于复位卡块211的复位弹簧212和支撑件213；
其中，制动体209中心设置有沿制动体209轴向贯通的用于设置捞矛头208的第一通孔214；捞矛头208上设置有限制捞矛头208沿制动体209轴向移动距离的第一限位块215和第二限位块216，第一限位块215和第二限位块216分别设置在制动体209的两端。在本实施例中，捞矛头208的中部为杆体结构，两端为锥形结构，第一限位块215为圆盘形凸缘，设置在捞矛头208中部杆体与其中一个锥形端之间；第二限位块216也为圆盘形凸缘，设置在靠近另一个锥形端与中部杆体连接处。制动体209中心设置有与第一通孔214同轴的第三通孔217和第四通孔218，第三通孔217的直径大于第一通孔214，第四通孔218的直径大于第三通孔217，第四通孔218沿轴向的长度为捞矛头208沿轴向的移动距离。捞矛头208的中部杆体的直径与第一通孔214直径匹配，制动弹簧210的外圈直径略小于第三通孔217的直径，制动弹簧210的两端分别挤顶在第一限位块215和第一通孔214上，制动弹簧210的弹力方向沿第一通孔214轴向；第二限位块216的外径与第四通孔218的直径匹配。
支撑件215设置在第一通孔214四周，本实施例中，支撑件为筒体结构。支撑件的一端股固定在第一通孔214周围的制动体上。支撑件213上设置有供卡块211穿过的第二通孔(图中未标出)，第二通孔沿垂直第一通孔214方向。复位弹簧212的弹力方向沿第二通孔方向，捞矛头208通过其中一锥形端部挤顶卡块211逐渐向外侧移动直至卡块挤顶在取芯钻杆104内壁上。在实施例中，卡块211为t型杆体，卡块211的横端设置在支撑件213的外侧，卡块211的竖端的圆周上设置有凹槽，复位弹簧212的两端分别挤顶在支撑件213和凹槽边缘处；卡块211的竖端末端设置为圆弧面，减小卡块211与锥形接触面的摩擦力。其中，卡块211可围绕捞矛头208圆周方向均匀设置有多个。
制动体209的移动距离应保证卡块211能够挤顶在取芯钻杆104内壁上。具体的，如图2所示，设卡块211与钻杆内壁的距离为l1，捞矛头208在制动体209外部的第二限位块216与制动体209之间的距离为l2，锥形端的锥面与轴线的夹角为β，为保证制动可靠性，应保证l2≥l1×cotβ。
在正常打捞内管钻具时，通过打捞单元3抓取捞矛头208往孔口提取，制动弹簧210被压缩，复位弹簧212伸长推动卡块211往钻杆柱轴心方向运动，卡块211缩回制动体209内部。如图6所示，在上仰孔钻探过程中，内管单元失速时，制动弹簧210伸长推动捞矛头208往钻头方向运动，斜面推动卡块211向钻杆内壁方向运动，卡块211与钻杆内臂的摩擦力有效减缓内管钻具的运动速度，实现失速制动的功能。
实施例2
本实施例公开一种定向绳索取芯钻具，如图1至图3所示，该取芯钻具包括外管单元1、与外管单元1配合使用的内管单元2以及用于打捞内管单元2的打捞单元3。其中，外管单元1包括依次同轴设置的取芯钻头101、外管管体102、弹卡室103、取芯钻杆104和水便105；内管单元2包括依次同轴设置的岩芯管201、卡接在弹卡室103内的弹卡202和失速制动装置203，失速制动装置203为实施例1记载的失速制动装置，其中，打捞单元3与失速制动装置203的捞矛头208连接。弹卡202与弹卡室103为目前市面上钻具的常规结构。
本实施例中，外管管体102包括第一接头106、中空螺杆107和第二接头108。第一接头106、第二接头108均为中空结构；第一接头106通过扶正器109与取芯钻头101连接，并在扶正器109与第一接头106的连接处设置扶正环113。第二接头108与弹卡室103连接。中空螺杆107包括中空螺杆转子110、中空螺杆定子111以及连接中空螺杆转子110和中空螺杆定子111的万向轴112，第一接头106与中空螺杆转子110丝扣连接，第二接头108与中空螺杆定子111丝扣连接，中空螺杆107的内径使得岩芯管201顺利通过。如图1所示，中空螺杆107的弯角α根据地层条件选定，地层硬度越大，弯角α越小。
在内管单元2中设置有冲击器204和用于将冲击器204振动传递至外管管体102的传振件205。其中，冲击器204为市购，冲击器204设置在岩芯管201与弹卡103之间，传振件205围绕岩芯管201外壁设置，且传振件205与外管管体102接触。具体是，本实施例中振件205包括第一传振环206和第二传振环207，第一传振环206设置在第一接头106与中空螺杆转子110的连接处。在岩芯管201外壁上设置有周向凹槽，第二传振环207嵌套在凹槽中。且第一传振环206和第二传振环207接触。需要注意的是，岩芯管201的管壁厚度较常规岩芯管较厚，以满足振动时岩芯管的承载有效性，通过传振件205将冲击器204的振动传递至取芯钻头101。
通过中空螺杆207匹配冲击器204、传振件205，本发明内管单元在钻进过程中，高压泥浆驱动冲击器带动内管单元整体产生轴向往复冲击，振动环冲击传振环，将冲击功传递到取芯钻头上；高压泥浆下流，驱动中空螺杆转子转动，实现取芯钻头回转。冲击器和中空螺杆同时工作，实现孔底冲击回转复合钻进，提高钻进效率。
打捞单元3在打捞内管单元2时使用，作为本发明的优选本实施例，本实施例的打捞单元3包括快断打捞器301、钢丝绳302与卷扬303；快断打捞器301包括打捞钩304、压绳块305、销轴306和打捞套307，打捞钩304为弹簧复位结构，打捞钩304与捞矛头208连接，负责抓取捞矛头208。在打捞过程中，如图2所示。打捞套为其中一端开放的筒状，打捞套307的侧部设置有供销轴306穿过的销轴孔，压绳块305通过销轴306铰接在打捞套307中；钢丝绳302一端固定在压绳块305上，另一端与卷扬303连接。在打捞内管单元2过程中遭遇内管单元2卡滞等情况时，调高驱动系统压力，卷扬303转动拉断销轴306，收回钻杆内的钢丝绳302，方便提钻处理事故，避免钢丝绳302在钻杆外部或内部破断，如图4～5所示。破断后的钢丝绳会极大提高提钻劳动强度，降低效率。通过特定材料和热处理工艺标定销轴306的的极限剪切力，极限剪切力应大于打捞过程中内管钻具所受阻力，且小于钢丝绳破断拉力。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于：本实施例的定向绳索取芯钻具还包括测斜单元4，测斜单元4包括测斜仪401和无磁钻杆短节402，无磁钻杆短节402设置在外管管体102与弹卡室103之间，测斜仪401设置在无磁钻杆短节402范围内，若增加冲击器204时，设置在冲击器204与弹卡103之间。本实施例的测斜仪401为蓄电式测斜仪。
测斜仪401等时间间隔测斜，并将测试数据储存于仪器内部，每次打捞内管单元2时对数据进行读取或更换电池，绘制孔斜时间曲线，根据孔斜数据调整取芯钻头101方位角，对钻孔轨迹进行调整，不需要提出整个钻杆柱，实现连续定向取芯钻探，可极大节省劳动力，增加单位时间钻进回次，提高效率。
实施例4
本实施例公开了一种连续定向取芯钻探方法，该方法采用实施例3记载的钻具进行钻进，该方法具体包括以下步骤：
步骤1，回次开始前，将外管单元1提离孔底，采用高压泥浆泵将内管单元2冲到悬挂位置；
步骤2，开启泥浆泵，驱动冲击器204和中空螺杆107，孔底冲击回转复合切削岩石，钻孔轨迹按钻头原方位角延伸；当岩芯管201充满岩芯后进行步骤3；
步骤3，采用打捞单元3与水便105配合打捞内管单元，内管单元2打捞至地面后，读取测斜仪401数据，绘制孔斜与时间曲线。优选的，采用蓝牙设备读取测斜仪401的数据；
步骤4，根据孔斜数据调整钻头方位角，下放内管单元2到位后，重复步骤1至步骤3进行连续定向取芯钻探。
在钻探过程中，若出现内管单元2失速情况时，通过本发明的失速制动装置203使得卡块与钻杆内壁的摩擦力减缓内管钻具的运动速度，进行失速制动；在打捞内管单元时，出现卡滞导致无法取出时，调大卷扬拉力，使快断打捞器中的销轴剪断，取出所有钢丝绳后提钻，处理卡滞情况。
在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。
1.一种定向绳索取芯钻具用失速制动装置，其特征在于，包括捞矛头(208)、制动体(209)、制动弹簧(210)、卡块(211)、用于复位卡块(211)的复位弹簧(212)和支撑件(213)；
所述的制动体(209)中心设置有沿制动体(209)轴向贯通的用于设置捞矛头(208)的第一通孔(214)；所述的捞矛头(208)上设置有限制捞矛头(208)沿制动体(209)轴向移动距离的第一限位块(215)和第二限位块(216)，所述的第一限位块(215)和第二限位块(216)分别设置在制动体(209)的两端，所述的制动弹簧(210)的两端分别挤顶在第一限位块(215)和第一通孔(214)上，制动弹簧(210)的弹力方向沿第一通孔(214)轴向；靠近第一限位块(215)处的捞矛头(208)端部设置为锥形；
所述的支撑件(213)设置在第一通孔(214)四周，支撑件(213)上设置有供卡块(211)穿过的第二通孔，所述的第二通孔沿垂直第一通孔(214)方向；所述的复位弹簧(212)的弹力方向沿第二通孔方向，所述的捞矛头(208)通过其锥形端部挤顶卡块(211)逐渐向外侧移动直至挤顶在取芯钻杆(104)内壁上。
2.如权利要求1所述的定向绳索取芯钻具用失速制动装置，其特征在于，所述的制动体(209)中心设置有与第一通孔(214)同轴的第三通孔(217)和第四通孔(218)，所述的第三通孔(217)的直径大于第一通孔(214)，第四通孔(218)的直径大于第三通孔(217)，第四通孔(218)沿轴向的长度为捞矛头(208)沿轴向的移动距离。
3.如权利要求1所述的定向绳索取芯钻具用失速制动装置，其特征在于，所述的卡块(211)为t型杆体，卡块(211)的横端设置在支撑件(213)的外侧，卡块(211)的竖端的圆周上设置有凹槽，复位弹簧(212)的两端分别挤顶在支撑件(213)和凹槽底部；卡块(211)的竖端末端设置为圆弧面。
4.一种定向绳索取芯钻具，包括外管单元(1)、与外管单元(1)配合使用的内管单元(2)以及用于打捞内管单元(2)的打捞单元(3)，其特征在于，
所述的外管单元(1)包括依次同轴设置的取芯钻头(101)、外管管体(102)、弹卡室(103)、取芯钻杆(104)和水便(105)；
所述的内管单元(2)包括依次同轴设置的岩芯管(201)、卡接在弹卡室(103)内的弹卡(202)和失速制动装置(203)，所述的失速制动装置(203)为权利要求1至3任一项所述的失速制动装置；
所述的打捞单元(3)在打捞内管单元(2)时与失速制动装置(203)的捞矛头(208)连接。
5.如权利要求4所述的定向绳索取芯钻具，其特征在于，所述的外管管体(102)包括第一接头(106)、中空螺杆(107)和第二接头(108)，所述的第一接头(106)、第二接头(108)均为中空结构；所述的第一接头(106)通过扶正器(109)与取芯钻头(101)连接，所述的第二接头(108)与弹卡室(103)连接；所述的中空螺杆(107)包括中空螺杆转子(110)、中空螺杆定子(111)以及连接中空螺杆转子(110)和中空螺杆定子(111)的万向轴(112)，第一接头(106)与中空螺杆转子(110)连接，第二接头(108)与中空螺杆定子(111)连接；所述的内管单元(2)中设置有冲击器(204)和用于将冲击器(204)振动传递至外管管体(102)的传振件(205)，所述的冲击器(204)设置在岩芯管(201)与弹卡(103)之间，所述的传振件(205)围绕岩芯管(201)外壁设置，且传振件(205)与外管管体(102)接触。
6.如权利要求5所述的定向绳索取芯钻具，其特征在于，所述的扶正器(109)与第一接头(106)的连接处设置有扶正环(113)。
7.如权利要求5所述的定向绳索取芯钻具，其特征在于，所述的传振件(205)包括第一传振环(206)和第二传振环(207)，第一传振环(206)设置在第一接头(106)与中空螺杆转子(110)的连接处，第二传振环(207)嵌套在岩芯管(201)外壁上，且第一传振环(206)和第二传振环(207)接触。
8.如权利要求4或5所述的定向绳索取芯钻具，其特征在于，还包括测斜单元(4)，所述的测斜单元(4)包括测斜仪(401)和无磁钻杆短节(402)，所述的无磁钻杆短节(402)设置在外管管体(102)与弹卡室(103)之间，所述的测斜仪(401)设置在无磁钻杆短节(402)范围内。
9.如权利要求4所述的定向绳索取芯钻具，其特征在于，所述的打捞单元(3)包括快断打捞器(301)、钢丝绳(302)与卷扬(303)；所述的快断打捞器(301)包括打捞钩(304)、压绳块(305)、销轴(306)和打捞套(307)，所述的打捞钩(304)为弹簧复位结构，打捞钩(304)与捞矛头(208)连接；所述的打捞套(307)上设置有供销轴(306)穿过的销轴孔，所述的压绳块(305)通过销轴(306)铰接在打捞套(307)中；所述的钢丝绳(302)一端固定在压绳块(305)上，另一端与卷扬(303)连接。
10.一种连续定向取芯钻探方法，其特征在于，采用权利要求4至8任一项所述的钻具进行钻进，具体包括以下步骤：
步骤1，回次开始前，将外管单元(1)提离孔底，采用高压泥浆泵将内管单元(2)冲到悬挂位置；
步骤2，开启泥浆泵，驱动冲击器(204)和中空螺杆(107)，孔底冲击回转复合切削岩石，钻孔轨迹按钻头原方位角延伸；当岩芯管(201)充满岩芯后进行步骤3；
步骤3，采用打捞单元(3)与水便(105)配合打捞内管单元，内管单元(2)打捞至地面后，读取测斜仪(401)数据，绘制孔斜与时间曲线；
步骤4，根据孔斜数据调整钻头方位角，下放内管单元(2)到位后，重复步骤1至步骤3进行连续定向取芯钻探。
技术总结