一种活塞组件及包括活塞组件的密封结构的制作方法

1.本发明涉及钻探技术领域，尤其是涉及一种活塞组件及包括活塞组件的密封结构。


背景技术：

2.绳索取芯钻具是一种不提钻而能直接取得岩芯的先进钻具，因具有生产效率高、钻进成本低等优点，而被广泛使用。现有的绳索取芯钻具使用时，一般依靠重力将内管总成沿钻杆柱内壁下放至与外管总成中的预定位置，因此，现有的绳索取芯钻具一般适用于向下钻孔。
3.当需要进行水平或者倾斜向上钻孔时，为了减少磨损，通常采用公告号为cn206972184u的中国发明专利文件所公开的一种绳索取芯钻具的密封结构，该绳索取芯钻具的密封结构在能够实现水平钻进的同时，不仅能够让水流的利用率达到最大化；而且大大降低了零件的磨损，使用寿命长。
4.但是上述密封结构中，水流沿活塞轴长度方向流入凹槽内后，主要分为两部分作用于活塞上，一部分作用于凹槽内侧的周向外壁上，促使活塞向外涨开与钻杆的内壁密封接触，从而增大水流利用率，而另一部分作用于凹槽内侧的周向内壁上，促使活塞中心部分受压后与活塞轴紧密接触，降低了内管总成投送效率；此外，活塞向外涨开的部分有限，导致活塞与钻杆之间的密封性差，部分水流仍会通过活塞与钻杆之间的间隙，进一步降低了内管总成投送效率。
5.因此，有必要对现有技术绳索取芯钻具中的活塞组件及包括活塞组件的密封结构或密封结构进行改进。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种密封性良好且钻进效率高的活塞组件及包括活塞组件的密封结构。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种活塞组件，包括活塞轴，所述活塞轴上沿水流方向依次设置有助推活塞和弹性的密封圈，所述密封圈远离所述助推活塞的一端配合连接有限位件；所述助推活塞和所述密封圈均套设于所述活塞轴外且沿水流方向滑动设置。
8.上述技术方案的活塞组件，将整个设备装入钻杆内，使得活塞组件中助推活塞、钻杆周向内侧壁和活塞轴周向外缘之间存在水流通道，将活塞与活塞轴在内的内管总成放入钻杆后，连接送水装置向内输水，送水装置输送的水或泥浆，只能从助推活塞与钻杆内壁形成的环状间隙(水流通道)通过，由于环状间隙的允许流量远小于送水装置输送的流量，所以水流在送水装置与助推活塞中间形成压力，该压力推动助推活塞沿活塞轴的长度方向向密封圈移动，而密封圈的另一侧受限位件的作用，从而使助推活塞挤压密封圈，促使密封圈向外侧变形膨胀，与外管的周向内壁紧密贴合，保证密封性；继续通入水流，密封圈与钻杆内壁紧密接触，继而推动钻具，实现水平方向或者倾斜向上的内管总成投送。该活塞组件使
用时，除少许水流通过水流通道，大部分水流作用于助推活塞上，推动密封圈变形，使密封圈与钻杆内壁紧密接触，保持密封，从而提高了水流的利用率，送水装置输送的水或泥浆只能从助推活塞与钻杆内壁的环状间隙(即水流通道)通过，而由于从环状间隙通过的流量远小于送水装置所输送的流量，因此在送水装置与助推活塞之间形成压力，该压力推动助推活塞沿着活塞轴的轴向向密封圈靠近移动，挤压密封圈，使密封圈轴向压缩的同时径向膨胀，从而密封圈的周向外缘与钻杆的内壁紧密贴合，实现彻底密封；如此，保证了助推活塞的顺利移动，进而有利于加速限位件的移动，提高内管总成投送效率。
9.优选的，所述密封圈与所述活塞轴围合形成环状的变形腔；或者所述密封圈具有环状的变形腔，所述活塞轴设置于所述变形腔的内侧。
10.通过采用上述技术方案，减小了密封圈的材料用量，使密封圈内部呈中空结构，减少壁厚，从而加强密封圈的弹性，因此在受到相同压力下，密封圈具有更大的变形量，进而保证在钻具水平或倾斜向上内管总成投送中密封圈受压后与钻杆的周向内壁更紧密贴合，从而保证密封性。
11.优选的，所述助推活塞远离所述密封圈的一侧设置有径向分压凹陷。
12.送水装置输送水或泥浆后，水或泥浆进入至径向分压凹陷中，使得在径向上产生分力，若助推活塞为弹性件，则助推活塞的唇面外侧在径向分力的作用下，紧贴钻杆内壁，从而起到封闭水路的作用；若助推活塞为刚性件，则依靠助推活塞外壁与钻杆内壁的间隙建立压力，产生轴向位移，使密封圈轴向压缩的同时径向膨胀，保证密封圈的周向外缘紧贴钻杆内壁，起到密封作用。
13.优选的，所述径向分压凹陷为闭环槽，所述活塞轴设置于所述闭环槽的内侧。
14.通过采用上述技术方案，保证注入水流或者泥浆后，在助推活塞为弹性件的情况下，增加径向变形量，而助推活塞为刚性件时，能够推动助推活塞产生轴向位移，保证密封圈的周向外缘紧贴钻杆内壁，起到密封作用。
15.优选的，所述助推活塞与所述密封圈相抵接。
16.通过采用上述技术方案，有利于缩短整个活塞组件及包括活塞组件的密封结构的长度，减小活塞组件的体型，方便安装，进而减少内管总成投送时所需使用的冲水量，并保证对密封圈背对转接头一端的密封性；此外，当助推活塞发生位移后，能够立即作用于密封圈上，推动密封圈变形膨胀，与钻杆内壁紧密接触。
17.优选的，所述助推活塞和所述活塞轴围合形成环状的定位槽，所述密封圈背对所述转接头的一端与所述定位槽的内壁密封连接。
18.通过采用上述技术方案，利用助推活塞和活塞轴之间围合形成的定位槽，保证助推活塞、活塞轴和密封圈之间紧密连接，防止水流从三者之间的缝隙泄露。
19.优选的，所述密封圈的材料为聚氨酯。
20.通过采用上述技术方案，使得密封塞具有优良的弹性、伸长率、压缩强度和柔软性以及良好的化学稳定性。一方面，方便将该活塞组件及包括活塞组件的密封结构装配于钻杆内，对管材具有更高的容错率，另一方面，由于聚氨酯的优良弹性，在受到相同压力后，具有更大的变形量，能够快速达到与钻杆内壁密封，从而提高内管总成投送效率；另外，聚氨酯较普通橡胶，具有更强的耐磨性，可有效提升密封件的使用寿命。
21.为解决上述技术问题，本发明还提供一种密封结构，包括上述任意一种技术方案
中的活塞组件。
22.将上述技术方案的密封结构装入钻杆内后，送水装置输送的水或泥浆，只能从助推活塞与钻杆内壁形成的环状间隙(水流通道)通过，由于环状间隙的允许流量远小于送水装置输送的流量，所以水流在送水装置与助推活塞中间形成压力，该压力推动助推活塞沿活塞轴的长度方向向密封圈移动，以挤压密封圈，使得密封圈向外膨胀变形，加强与钻杆内壁的紧密接触，保证密封性；在持续通入水流后，水流通过助推活塞挤压密封圈，加强密封圈与钻杆内壁的密封连接，并通过推动限位件，进而推动钻具，实现水平方向或者倾斜向上的内管总成投送。该密封结构运用时，利用水流在助推活塞处产生的压差，推动助推活塞挤压弹性的密封圈，从而加强密封圈与钻杆内壁的紧密接触，保证充分利用水流，且避免水流将助推活塞向内侧挤压，如此有利于助推活塞的快速移动，提高了内管总成投送效率。
23.优选的，所述限位件为转接头，所述转接头与所述活塞轴连接。
24.通过采用上述技术方案，方便该密封结构的安装。
25.优选的，所述活塞轴与所述转接头螺纹连接。
26.通过采用上述技术方案，利用螺纹连接实现活塞轴转接头之间的快速固定连接。
27.综上所述，本发明活塞组件及包括活塞组件的密封结构通过助推活塞与钻杆内壁配合形成供水或泥浆通过的环状间隙，并保证环状间隙通过的流量小于送水装置所输送的流量，从而产生推动助推活塞靠向密封圈移动的压力，促使密封圈周向外缘与外管内壁紧密贴合，保证密封效果，以实现水平或者倾斜向上的内管总成投送，由于水流集中作用于助推活塞上，从而通过密封圈推动限位件移动，加速内管总成投送。
附图说明
28.图1是本发明活塞组件的结构示意图；
29.图2是图1的俯视图；
30.图3是图2的a-a向剖面图；
31.图4是本发明使用状态下的剖面图；
32.图5是本发明实施例1密封结构的结构示意图；
33.图6是图5的爆炸示意图；
34.图7是图5的俯视图；
35.图8是图7的b-b向剖面图；
36.图9是活塞轴与助推活塞的连接结构示意图；
37.图10是本发明实施例2密封圈的结构示意图；
38.图中：1.活塞轴，1-1.弹卡台阶口，2.弹卡架，3.转接头，3-1. 活塞台阶口，4.助推活塞，4-1.径向分压凹陷，5.密封圈，6.变形腔， 7.定位槽，8.钢丝网，9.钻杆。
具体实施方式
39.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
40.如图1-图3所示，本发明的活塞组件，包括活塞轴1，活塞轴1的一端设置有限位件，限位件为转接头3，活塞轴1外密封套设有环状的助推活塞4和弹性的密封圈5，助推活塞4和
密封圈5沿活塞轴1的长度方向分布，其中密封圈5的两端分别与助推活塞4和转接头3连接，助推活塞4的材料为刚性材料，优选为45号钢，密封圈5的材料为弹性材料，优选为聚氨酯；与密封圈5相贴合的圆柱面为密封面，助推活塞4 设置于密封面的内侧，密封面、活塞轴1用于与钻杆的内壁组合形成环状的水流通道；沿活塞轴1的长度方向，水流通道的截面面积小于助推活塞4的截面面积；助推活塞4的周向外缘与密封面间隙配合。
41.该活塞组件安装于钻杆9(如图4所示)内后，钻杆9的周向内壁与密封圈5的周向外缘相贴合，即此时密封面为钻杆9的周向内壁所在的环状面，相应的助推活塞4的周向外缘与钻杆的周向内壁之间存在间隙，由于间隙的存在，从而防止助推活塞4与钻杆之间产生额外的摩擦阻力，导致相互磨损。
42.将活塞与活塞轴在内的内管总成放入钻杆后连接送水装置，当钻具进行水平或倾斜向上内管总成投送时，由送水装置向钻杆内注水，此时助推活塞4和密封圈5在活塞轴1上的分布方向与水流方向重合，由于助推活塞4和钻杆之间存在的间隙，输送的水或泥浆只能从助推活塞4与钻杆9内壁形成的环状间隙(水流通道)通过，由于环状间隙的允许流量远小于送水装置输送的流量，所以水流在送水装置与助推活塞4中间形成压力，该压力推动助推活塞4沿活塞轴1的长度方向向密封圈5移动，进而挤压密封圈5，促使密封圈5变形膨胀，进而密封圈5与钻杆的周向内壁完全贴合，保证密封圈5与钻杆之间的密封性，继而推动钻具，实现水平或倾斜向上的内管总成投送。
43.由于该活塞组件中，助推活塞4的周向外缘与密封面(即钻杆的周向内壁)间隙配合，使得仅有少量水流通过水流通道，同时助推活塞5承受水流沿活塞轴1长度方向的大部分压力，进而加速推动并挤压密封圈5，使密封圈5快速向外变形膨胀，加强其与钻杆之间的密封性，因此该活塞组件密封性良好，有助于提高内管总成投送效率。
44.上述活塞组件中，助推活塞4优选采用45号钢制成，具有刚性，不易变形，保证稳定的受压；而密封圈5优选采用聚氨酯制成，具有超高的弹性，一方面使得该活塞组件及包括活塞组件的密封结构对管材具有较高的容错率，而另一方面密封圈5承受相同压力下，具有更大的变形量，能够快速与钻杆密封，进而加速钻杆的推进，提高内管总成投送效率。
45.如图3所示，密封圈5与活塞轴1围合形成环状的变形腔6。采用该结构方式，减少密封圈5的壁厚，增大密封圈5的弹性，使得在受到同样挤压作用力的情况下，密封圈5具有更大的变形量，进一步保证密封圈5与钻杆之间的密封连接；并且由于减少了密封圈5的壁厚，从而减少了密封圈5的生产材料用量，降低其制造成本。需要说明的是，也可以将密封圈5设置成中空结构，例如密封圈5具有环状的变形腔6，并且活塞轴1位于变形腔6的内侧，该情况下，同样能够达到上述技术效果。
46.如图3所示，助推活塞4背对密封圈5的一侧设置有径向分压凹陷 4-1，径向分压凹陷4-1为闭环槽，活塞轴1设置于闭环槽的内侧。送水装置输送水或泥浆后，水或泥浆进入至径向分压凹陷4-1中，使得在径向上产生分力，由于助推活塞4为刚性件，依靠助推活塞4外壁与钻杆9内壁的间隙建立压力，产生轴向位移，使密封圈5轴向压缩的同时径向膨胀，保证密封圈5的周向外缘紧贴钻杆内壁，起到密封作用。
47.如图1所示，助推活塞4与密封圈5相抵接，有利于减小活塞轴1 的长度，进而减小该活塞组件的整体体型，在内管总成投送时，减少水流的使用量，当助推活塞4受到水流压力发生位移的同时，即能挤压密封圈5，使密封圈5变形后加强密封圈5与外管之间的密封连
接。
48.如图1-图3所示，助推活塞4和活塞轴1围合形成环状的定位槽7，密封圈5背对转接头3的一端与定位槽7的内壁密封连接。采用该设计后，在活塞组件的安装时，将密封圈5的其中一端抵接于定位槽7的槽底，此时，定位槽7的两个周向内壁分别抵接于密封圈5端部的周向外壁和周向内壁，如此实现了密封圈5与定位槽7之间的密封连接，防止内管总成投送时，水流泄露到定位槽7或者密封圈5与活塞轴1之间，保证了活塞轴1、助推活塞4和密封圈5三者之间的密封连接。
49.如图1所示，活塞轴1转接头3螺纹连接，转接头3与活塞轴1相邻的一侧设置有活塞台阶口3-1。
50.采用上述结构，通过螺纹连接的方式实现活塞轴1端部与转接头3 之间的快速固定连接，并利用活塞台阶口3-1实现了活塞轴1与转接头 3的预压紧，从而能够预防加工偏差，提高该活塞组件及包括活塞组件的密封结构的装配精度，从而保证该活塞组件的正常使用。
51.本发明还公开了两个实施例的密封结构，如下所述：
52.实施例1
53.如图5-图9所示，实施例1的密封结构，包括上述技术方案的活塞组件，活塞轴1背对转接头3的一端设置有弹卡架2，弹卡架2与活塞轴 1螺纹连接，活塞轴1与弹卡架2相邻的一侧设置有弹卡台阶口1-1。
54.采用上述结构，通过螺纹连接的方式实现活塞轴1与弹卡架2(弹卡架2用于连接弹卡钳)快速连接，利用弹卡台阶口1-1实现了活塞轴 1与弹卡架2的预压紧，从而能够预防加工偏差，提高该密封结构的装配精度，从而保证该密封结构的正常使用。
55.将整个密封结构装入钻杆内后，由送水装置供水，部分水流冲击在助推活塞4上，还有部分水流通过水流通道，通过水流通道的流量小于送水装置所输送的流量，因此在助推活塞4与送水装置之间产生压差，推动助推活塞4移动，从而挤压密封圈5，使密封圈5向外膨胀变形，加强其周向外缘与钻杆内壁之间的密封性，使水流集中作用于助推活塞4上，实现水平或者倾斜向上的内管总成投送。
56.实施例2
57.如图10所述，实施例2的活塞组件及包括活塞组件的密封结构，基于实施例1，区别在于，密封圈5的两端内部均设置有环形且为刚性的定形件，定形件的轴心线与密封圈5的轴心线重合，定形件为钢丝网8。
58.该实施例中，密封圈5的两端内部设置钢丝网8后，能够增加密封圈5两端的刚性，当密封圈5受到挤压后，其两端的变形量小，而相对的，密封圈5的中心凸起部位变形量大，使得密封圈5中心凸起变形部位与钻杆内部紧密接触，因此在受到同等压力下，该密封圈5具有更优良的密封性，促使水流集中作用于助推活塞4上，再通过密封圈5 作用于转接头3上，从而加速内管总成投送效率。需要说明的是，定形件也可以为其他与密封圈5同轴心线的刚性环，同样能够达到上述技术效果。
59.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。