一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置及其方法，所述钻孔取芯装置包括：钻孔取芯钻头、通气联轴、密封套和低温供气系统，所述通气联轴的一端活动连接有钻孔取芯钻头，所述通气联轴的中部活动套设有密封套；一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯方法，包括以下步骤：1、钻孔取芯装置的组装，2、低温供气系统的调节，3、弱胶结软岩的钻孔取芯，4、岩芯的取出；本发明专利技术通过钻齿深入钻身内外壁的部分，实现了软岩钻孔取芯过程中内外壁切削，并极大的减少了岩芯与钻壁的接触，由通气联轴与密封套相配合，实现了冷却气体的流入，为软岩钻孔取芯过程中提供了较大的排渣空间，同时循环流动的冷却气体为排渣提供动力，提高了软岩取芯成功率。

Drilling core taking device for weak cemented soft rock and its method

The invention provides a drilling core device for weak cemented soft rock and a method thereof. The drilling core device comprises a drilling core bit, a ventilating coupling, a sealing sleeve and a low temperature air supply system. One end of the ventilating coupling is movably connected with a drilling core bit, and the middle movable sleeve of the ventilating coupling is provided with a sealing sleeve. A drilling core method for weak cemented soft rock comprises the following steps: 1. assembly of drilling core device, 2. adjustment of low temperature gas supply system, 3. drilling core for weak cemented soft rock, 4. core removal; the invention realizes the inner and outer walls in the process of drilling core for soft rock by penetrating the inner and outer walls of the drill through drilling teeth. Cutting greatly reduces the contact between core and drill wall. Cooling gas inflow is realized by combining ventilation coupling with sealing sleeve, which provides a larger slag discharge space for soft rock drilling and coring process. At the same time, circulating cooling gas provides power for slag discharge and improves the success rate of soft rock coring.

【技术实现步骤摘要】
一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置及其方法
本专利技术属于取芯钻头加工
，具体涉及一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置及其方法。
技术介绍
室内试验是探究岩石的物理力学性质的一种重要手段，在室内试验前，需要对现场采集的岩石样本进行钻孔取芯，然而在研究弱胶结软岩时，在对弱胶结软岩的钻孔取芯过程中，极易遇到岩芯断裂和卡钻的问题，导致软岩取芯成功率极低。现有技术中，在软岩取芯问题上，部分研究人员采用冻结后钻取、采用液氮和液体二氧化碳作为冷却介质钻取或者直接在冻结环境中钻取，这些方法虽可有限的提高成功率，但均会对弱胶结软岩产生极大的扰动，不能满足试验要求。综合分析软岩遇水软化、泥化的特性和钻取过程中柱状岩芯的受力特点发现导致取芯成功率极低的原因是：(1)由于钻取过程中的冷却液大多情况下是水，而软岩遇水后强度降低；(2)钻取过程中岩芯与钻头内壁完全接触，排渣的空间小，并且岩芯受到叠加的扭矩；(3)由于软岩遇水后泥化，导致岩屑粘稠不易排渣，进一步增大了岩芯的扭矩。中国专利CN104596790B公告了“一种软岩干式取芯装置及取芯方法”，包括取芯钻头、内风式降温系统和外风式吸尘系统，能够实现冷却钻头与排屑双重功能，但其岩芯依然是完全与钻头接触，仅靠两者间的摩擦间隙进行排渣，排渣间距小，容易发生堵塞，因此，现有技术并未全面认识到软岩取芯率极低的本质原因，且未能全面解决这一技术难题。因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置及其方法，以至少解决现有技术中针对弱胶结软岩钻孔取芯过程中岩芯扭矩大，排渣空间小，对弱胶结软岩产生扰动，取芯成功率低的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，所述钻孔取芯装置包括：钻孔取芯钻头、通气联轴、密封套和低温供气系统，所述通气联轴的一端活动连接有钻孔取芯钻头，所述通气联轴的中部活动套设有密封套，所述钻孔取芯钻头、通气联轴和密封套同轴设置；所述钻孔取芯钻头包括中空结构的钻身和设置在钻身一端部的钻齿，多个所述钻齿沿所述钻身的端部周向分布；所述钻齿的中部卡设在所述钻身端部的壁上，且所述钻齿的两端沿着所述钻身端部的壁向内、外延伸，以便于弱胶结软岩的岩芯与所述钻身内侧壁形成内间隙，弱胶结软岩与钻身外侧壁之间形成外间隙，所述内间隙、相邻两个所述钻齿之间的间隙和所述外间隙形成一个通气和排渣的通道；所述通气联轴侧壁上设有第一进气孔，第一进气孔与外界连通并且与通气联轴内部的空心内腔贯通，用于传输低温气体；沿所述密封套的轴向设有贯通的第一腔体，所述密封套通过第一腔体套设在所述通气联轴的中部；所述密封套侧壁上设有第二进气孔，用于通入低温气体；所述密封套内还设有第二腔体，所述第一进气孔位于所述第二腔体内，所述第二进气孔连通所述第二腔体，便于进入所述密封套内的低温气体流入所述通气联轴内；所述低温供气系统内的进气接头与所述密封套上的第二进气孔导通连接，低温气体进入所述密封套，然后通过所述通气联轴进入所述钻身内，进而对所述钻齿进行降温，并为岩屑的排渣提供动力。在如上所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，优选，所述钻孔取芯钻头还包括环形凸台，所述环形凸台内部中空，所述环形凸台的底端与所述钻身的另一端部连接，所述环形凸台的顶端与所述通气联轴的一端活动连接；优选地，所述钻身上设有刻度线，用于准确控制钻取深度。在如上所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，优选，所述环形凸台通过底端外侧壁与所述钻身螺纹连接，所述环形凸台通过顶端的螺纹孔与所述通气联轴螺纹连接；优选地，所述环形凸台的顶端外侧面上还设有卡口，所述卡口为相对设置的两个平面，便于所述环形凸台进行拆卸。在如上所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，优选，所述通气联轴另一端连接电机传动轴，所述通气联轴用于带动所述钻身旋转。在如上所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，优选，所述通气联轴为包括细轴段和粗轴段的阶梯轴，所述细轴段外侧与所述环形凸台顶端内侧壁螺纹连接，所述通气联轴的粗轴段连接电机传动轴。在如上所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，优选，所述低温供气系统包括气泵、低温气体储存罐、第一阀门、第二阀门、流速监控器、温度监控器和进气接头；所述第二阀门的一端与所述气泵连接，另一端与所述温度监控器的一端连接，且在所述第二阀门和所述气泵之间还设置有第一阀门，所述第一阀门的一端连接在所述第二阀门和所述气泵之间的管道上，所述第一阀门的另一端连接所述低温气体储存罐，用于控制所述低温气体储存罐的启闭和流速；在所述第二阀门与和温度监控器之间还设置有流速监控器，所述温度监控器和所述流速监控器用于显示进入钻孔取芯装置内的低温气体的温度和流速；所述温度监控器的另一端连接进气接头。在如上所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，优选，多个所述钻齿在所述钻身的端部呈外高内低状排布，所述钻齿的一端的设置位置低于所述钻齿的另一端即所述钻齿朝向所述钻身轴心的一端低于所述钻齿远离所述钻身轴心的一端。优选的，所述钻齿在所述钻身端面呈弧形叶片状排布，便于排渣。在如上所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，优选，所述通气联轴的粗轴段上设有第一密封槽，所述密封套内侧壁面上设有第二密封槽，密封圈卡设在所述第一密封槽和所述第二密封槽内，实现所述密封套在所述通气联轴上的轴向固定，同时实现低温气体的密封。在如上所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，优选，所述第一密封槽和第二密封槽均有两个，两个所述第二密封槽设置在所述第二腔体的端面两侧，所述第二密封槽和所述第一密封槽对应设置。一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯方法，所述钻孔取芯方法包括以下步骤：步骤1，钻孔取芯装置的组装：首先将密封套通过第一腔体套入通气联轴，然后将通气联轴与取芯机的电机传动轴连接，其次将钻孔取芯钻头拧于通气联轴上，将低温供气系统接入到密封套的第二进气孔，最后将需要加工的弱胶结软岩固定于取芯机的加工平台上；步骤2，低温供气系统的调节：首先打开气泵，然后观察流速监控器，调节第二阀门，使气体速度达到合适值；再观察温度监控器，调节第一阀门，使气体温度处于合适值；步骤3，弱胶结软岩的钻孔取芯：首先打开取芯机，带动钻孔取芯钻头进行端面切削和轴向进给，然后实时观察排渣情况，不断调节第一阀门和第二阀门以便控制温度和流速；取芯过程中，低温气体通过第二进气孔进入第二腔体，由第一进气孔进入钻孔取芯钻头内部，再由岩芯与钻孔取芯钻头内间隙进入钻齿之间的间距，最后通过岩芯与钻孔取芯钻头外间隙带着岩屑排出，实现了钻齿的降温和排渣；步骤4，岩芯的取出：当钻孔取芯钻头端部接近软岩底部时，先少量提升钻孔取芯钻头，再关闭取芯机电机，然后关闭低温供气系统；将钻身与环形凸台拧开，轻敲岩石并轻晃钻身使岩芯底端与岩石脱离，取出岩芯密封包装。与最接近的现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有如下优异效果：本专利技术采用异形金刚石钻齿，实现了软岩钻孔取芯过程中的端面渐进切削，通过异形金刚石钻齿深入钻身内外壁的部分，实现了软岩钻孔取芯过程中内外壁切削，其软岩仅在切削处与钻壁接触，并极大的减少了岩芯与钻壁的接触尺寸，从而降低了取芯过程中岩芯所受的扭矩。通过低温供气系统提供低温气体，由通气联轴与密封套配合，实现了冷却气体的流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，其特征在于，所述钻孔取芯装置包括：钻孔取芯钻头、通气联轴、密封套和低温供气系统，所述通气联轴的一端活动连接有钻孔取芯钻头，所述通气联轴的中部活动套设有密封套，所述钻孔取芯钻头、通气联轴和密封套同轴设置；所述钻孔取芯钻头包括中空结构的钻身和设置在钻身一端部的钻齿，多个所述钻齿沿所述钻身的端部周向分布；所述钻齿的中部卡设在所述钻身端部的壁上，且所述钻齿的两端沿着所述钻身端部的壁向内、外延伸，以便于弱胶结软岩的岩芯与所述钻身内侧壁形成内间隙，弱胶结软岩与钻身外侧壁之间形成外间隙，所述内间隙、相邻两个所述钻齿之间的间隙和所述外间隙形成一个通气和排渣的通道；所述通气联轴侧壁上设有第一进气孔，第一进气孔与外界连通并且与通气联轴内部的空心内腔贯通，用于传输低温气体；沿所述密封套的轴向设有贯通的第一腔体，所述密封套通过第一腔体套设在所述通气联轴的中部；所述密封套侧壁上设有第二进气孔，用于通入低温气体；所述密封套内还设有第二腔体，所述第一进气孔位于所述第二腔体内，所述第二进气孔连通所述第二腔体，便于进入所述密封套内的低温气体流入所述通气联轴内；所述低温供气系统内的进气接头与所述密封套上的第二进气孔导通连接，低温气体进入所述密封套，然后通过所述通气联轴进入所述钻身内，进而对所述钻齿进行降温，并为岩屑的排渣提供动力。...

【技术特征摘要】
1.一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，其特征在于，所述钻孔取芯装置包括：钻孔取芯钻头、通气联轴、密封套和低温供气系统，所述通气联轴的一端活动连接有钻孔取芯钻头，所述通气联轴的中部活动套设有密封套，所述钻孔取芯钻头、通气联轴和密封套同轴设置；所述钻孔取芯钻头包括中空结构的钻身和设置在钻身一端部的钻齿，多个所述钻齿沿所述钻身的端部周向分布；所述钻齿的中部卡设在所述钻身端部的壁上，且所述钻齿的两端沿着所述钻身端部的壁向内、外延伸，以便于弱胶结软岩的岩芯与所述钻身内侧壁形成内间隙，弱胶结软岩与钻身外侧壁之间形成外间隙，所述内间隙、相邻两个所述钻齿之间的间隙和所述外间隙形成一个通气和排渣的通道；所述通气联轴侧壁上设有第一进气孔，第一进气孔与外界连通并且与通气联轴内部的空心内腔贯通，用于传输低温气体；沿所述密封套的轴向设有贯通的第一腔体，所述密封套通过第一腔体套设在所述通气联轴的中部；所述密封套侧壁上设有第二进气孔，用于通入低温气体；所述密封套内还设有第二腔体，所述第一进气孔位于所述第二腔体内，所述第二进气孔连通所述第二腔体，便于进入所述密封套内的低温气体流入所述通气联轴内；所述低温供气系统内的进气接头与所述密封套上的第二进气孔导通连接，低温气体进入所述密封套，然后通过所述通气联轴进入所述钻身内，进而对所述钻齿进行降温，并为岩屑的排渣提供动力。2.如权利要求1所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，其特征在于，所述钻孔取芯钻头还包括环形凸台，所述环形凸台内部中空，所述环形凸台的底端与所述钻身的另一端部连接，所述环形凸台的顶端与所述通气联轴的一端活动连接；优选地，所述钻身上设有刻度线，用于准确控制钻取深度。3.如权利要求2所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，其特征在于，所述环形凸台通过底端外侧壁与所述钻身螺纹连接，所述环形凸台通过顶端的螺纹孔与所述通气联轴螺纹连接；优选地，所述环形凸台的顶端外侧面上还设有卡口，所述卡口为相对设置的两个平面，便于所述环形凸台进行拆卸。4.如权利要求2所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，其特征在于，所述通气联轴另一端连接电机传动轴，所述通气联轴用于带动所述钻身旋转。5.如权利要求4所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，其特征在于，所述通气联轴为包括细轴段和粗轴段的阶梯轴，所述细轴段外侧与所述环形凸台顶端内侧壁螺纹连接，所述通气联轴的粗轴段连接电机传动轴。6.如权利要求1所述的用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，其特征在于，所述低温供气系统包括气泵、低温气体储存罐、第一阀门、第二阀门、流速监控器、温度监控器和进气接头；所述第二阀门的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：程桦，林键，曹广勇，席培胜，柳军修，黄益顺，
申请(专利权)人：安徽建筑大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34