一种取心钻具制造技术

本申请涉及一种取心钻具，其包括动能单元和取样单元；动能单元包括同轴设置的钻杆、冲击机构和滑动柱；钻杆一端固定在冲击机构一端，另一端伸出钻孔；滑动柱一端与冲击机构背离钻杆一端同轴滑动连接，另一端固设在取样单元上；滑动柱与冲击机构沿周向处于相对静止状态；取样单元包括同轴设置的内管总成、外管总成、单动机构和钻头，外管总成套设在内管总成外侧并通过单动机构与内管总成转动连接，外管总成一端与滑动柱连接，另一端与钻头连接；内管总成靠近钻头一端用于土样伸入并存储。本申请可实现回转钻进、锤击钻进以及回转锤击复合钻进方法，根据不同地质状况选用合适的钻进方法，有效提高钻探施工效率。有效提高钻探施工效率。有效提高钻探施工效率。

【技术实现步骤摘要】
一种取心钻具


[0001]本申请涉及钻探的领域，尤其是涉及一种取心钻具。

技术介绍

[0002]在进行地质勘探、环境取样以及固体矿产勘查钻探的工作中，都需要用到取心钻具，用来从地层中钻取出地下的样品，取心钻具是用来获取地下地层样品的专用钻具，取出的样品是了解地下地质和矿产最直观、最实际的资料。
[0003]目前，环境取样钻探工作中，要求在第四系松软沉积层原状取样，尤其涉及粉砂土、粉土、粘性土、软土以及淤泥等地层，主要以静压、锤击、高频振动等钻进方法，通过地表钻机对钻杆施加静压、锤击、高频振动的动力，通过钻杆把动力传递给孔内钻具，使环刀钻头压入地层从而获取原状土样，这个过程中动力通过钻杆传递到孔底环刀钻头。
[0004]在工程地质勘察钻探工作中，对于松散易冲刷的碎石土、砂卵石、粗砂地层取样钻进，一般采取单管或双管钻具配合冲洗液。
[0005]固体矿产勘查钻探工作中，主要以岩层取心工作为主，一般采双管或绳索取心钻具配合冲洗液，以回转方式钻进。
[0006]针对上述中的相关技术，1. 环境取样钻探工作中，钻杆弹性形变以及钻杆与钻孔的侧摩阻力致使能量传输过程中损失严重，作用到钻头的冲击力或压力损失严重，随着钻孔深度增加，钻进速度大幅降低，取心质量变差；2. 在工程地质勘察钻探工作中，以回转方式钻进，复杂地层岩土心体积小，比较松散，岩土心难以卡取造成采取率低、质量差，地层不稳定造成钻进过程中常发生钻具夹钻或埋钻等孔内事故，取心难度大、钻孔护壁难；地表采取强力起拔、打吊锤等措施处理难度大、效果差，尤其采用单管钻具钻进常造成施工现场地表泥浆污染严重；3. 固体矿产勘查钻探工作中，由于矿产整体性较强，常发生钻具卡钻、夹钻事故，常采取的处理措施包括强力起拔、打吊锤、边回转边起拔以割断钻具等，处理事故周期长、成本高、风险大。

技术实现思路

[0007]为了便于在不同地质状况下进行钻样取心，本申请提供一种取心钻具。
[0008]第一方面，本申请提供的一种取心钻具采用如下的技术方案：一种取心钻具，包括沿同一轴心设置的动能单元和取样单元；所述动能单元包括同轴设置的钻杆、冲击机构和滑动柱；所述钻杆一端固定在所述冲击机构一端，另一端伸出钻孔；所述滑动柱一端与冲击机构背离钻杆一端同轴滑动连接，另一端固设在所述取样单元上；所述滑动柱与冲击机构沿周向同时转动，并处于相对静止状态；所述取样单元包括同轴设置的内管总成、外管总成和钻头，所述外管总成套设在
所述内管总成外侧并与内管总成转动连接，所述外管总成一端与所述滑动柱连接，另一端与所述钻头连接；所述内管总成靠近钻头一端用于土样进入并存储。
[0009]通过采用上述技术方案，在进行土样取心时，预先开挖取样孔，再将钻具下放至孔底，直至钻头与孔底接触；通过钻杆上提冲击机构，冲击机构沿滑动柱滑动并向上运动，直至滑动柱到达其滑动的最大行程，停止钻杆提升并释放钻杆，钻杆和冲击机构在重力作用下沿滑动柱下滑，冲击机构冲击到外管总成顶端，进而把冲击力传递给钻头，从而实现钻头切入孔底的地层，土样进入内管总成内，重复以上动作过程，直至取样的土样柱填满内管总成中，即可完成一个回次的钻取样过程；在遇到其他土质的取样时，在上提钻杆的同时通过钻机为钻杆提供回转力，钻杆带动冲击机构、滑动柱和外管总成同步转动，进而带动钻头在受到向下冲击力的同时旋转，对土样进行锤击回转钻进；由于阻力过大引起钻具卡钻、夹钻时，通过快速向上提拉钻杆和为钻杆提供回转力两种方式单独或配合使用，将钻具和孔壁环空间隙内的岩粉、沉渣或岩石碎块通过振动掉落，以实现钻具解卡并提出钻具，起到解卡和便于取样的效果。设置的钻杆、冲击机构和滑动柱，钻杆的提升带动冲击机构给与取样单元冲击力，使得整个取样单元整体向下冲击，进而能将连续不断的冲击力给到钻头，使得钻头持续向下冲击进行取样，施加到钻头的冲击力损耗降低，提高了取样的效率和取心质量。通过钻杆转动和锤击动作，能够实现回转钻进、锤击钻进以及回转锤击复合钻进方法，对于不同地层选用合适的钻进方法，可有效提高钻探施工效率；冲击机构与滑动柱之间的相对位置，使得外管总成和钻刀在转动过程中，内管总成能够保持静止，便于对内管总成储存的土样进行保护，减少对土样柱的扰动，同时通过冲击加转动的配合，能够解决孔内钻具卡钻事故，整体提高了钻具的适用性、取心的效率和土样的质量。
[0010]可选的，所述冲击机构包括同轴设置的异径接头、冲锤、通水管和锤垫；所述钻杆通过异径接头与冲锤连接，所述滑动柱滑动连接在所述冲锤内腔；所述通水管一端通过异径接头与钻杆连通，另一端伸入所述滑动柱内腔并滑动连接；所述锤垫固设在所述外管总成靠近冲锤一端，且所述滑动柱远离冲锤一端通过所述锤垫固设在所述外管总成上。
[0011]通过采用上述技术方案，当冲锤下端面与锤垫相接触，即冲锤处于下位时，快速提升钻杆，钻杆带动异径接头、通水管和冲锤沿着滑动柱向上快速移动，实现向上的冲击动作；此时冲锤处于上位，释放钻杆，钻杆与异径接头、通水管和冲锤依靠重力沿着滑动柱向下落，冲锤下端冲击锤垫，从而实现向下的冲击动作，进而把冲击力依次通过锤垫和取样单元传递给钻头进行取样；设置的异径接头、冲锤、通水管和锤垫，冲锤与锤垫的配合，在保证冲击力的同时，减少刚性碰撞，便于冲击力的传递，通过异径接头便于连接尺寸不同的冲锤和钻杆，通过通水管与滑动柱、滑动柱与冲锤的滑动，保证冲锤的竖直下落，对冲锤的下落提供导向，减少冲击力的损失，减少钻具偏位造成的卡钻状况，提高取心效率和土样质量。
[0012]可选的，所述滑动柱包括呈“T”型设置的凹台和导柱，所述凹台一端穿入所述冲锤内腔并滑动连接，所述冲锤侧壁靠近两端位置开设有与所述冲锤内腔连通的通气孔，两所述通气孔分别设置在所述凹台上下两侧位置；所述导柱设置为棱柱，所述冲锤靠近锤垫一端开设为与棱柱配合的棱形孔。
[0013]通过采用上述技术方案，设置的凹台和导柱，通过凹台对导柱进行限位，避免导柱
脱离冲锤，控制冲锤的上下移动行程，同时在凹台与冲锤的两内端壁抵接时产生冲击力，进而使得钻具震动，便于在卡钻状态下进行解卡；设置的通气孔，在提升或者下放冲锤过程中，平衡冲锤内外气压，以防止冲锤内凹台上下腔体内形成密封状态锁死，而无法完成冲击动作；导柱设置为棱柱，使得导柱与冲锤之间沿周向处于相对静止，实现二者之间的同步转动和停止，以便于进行传动。
[0014]可选的，所述外管总成包括钻具外管和扩孔器；所述钻具外管一端与所述锤垫连接，另一端与所述扩孔器同轴连接，所述扩孔器的外径大于钻具外管的外径；所述钻头设置在所述扩孔器远离钻具外管一侧；所述内管总成包括钻具内管、衬管和进料座；所述钻具内管同轴转动连接在所述钻具外管内腔，所述衬管同轴设置在钻具内管内腔；所述进料座设置在钻具内管远离冲击机构一端，且所述进料座内径与衬管内径相同。
[0015]通过采用上述技术方案，钻具外管与锤垫同步转动，锤垫的冲击力和回转力同步传递到钻具外管上，钻具外管直接带动钻刀进行同步运动进行取样，减少能量损耗；扩孔器能够在取样过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种取心钻具，其特征在于：包括沿同一轴心设置的动能单元(A)和取样单元(B)；所述动能单元(A)包括同轴设置的钻杆(1)、冲击机构(2)和滑动柱(3)；所述钻杆(1)一端固定在所述冲击机构(2)一端，另一端伸出钻孔；所述滑动柱(3)一端与冲击机构(2)背离钻杆(1)一端同轴滑动连接，另一端固设在所述取样单元(B)上；所述滑动柱(3)与冲击机构(2)沿周向同时转动，并处于相对静止状态；所述取样单元(B)包括同轴设置的内管总成(4)、外管总成(5)和钻头(7)，所述外管总成(5)套设在所述内管总成(4)外侧并与内管总成(4)转动连接，所述外管总成(5)一端与所述滑动柱(3)连接，另一端与所述钻头(7)连接；所述内管总成(4)靠近钻头(7)一端用于岩土样进入并存储。2.根据权利要求1所述的一种取心钻具，其特征在于：所述冲击机构(2)包括同轴设置的异径接头(21)、冲锤(22)、通水管(23)和锤垫(24)；所述钻杆(1)通过异径接头(21)与冲锤(22)连接，所述滑动柱(3)滑动连接在所述冲锤(22)内腔；所述通水管(23)一端通过异径接头(21)与钻杆(1)连通，另一端伸入所述滑动柱(3)内腔并滑动连接；所述锤垫(24)固设在所述外管总成(5)靠近冲锤(22)一端，且所述滑动柱(3)远离冲锤(22)一端通过所述锤垫(24)固设在所述外管总成(5)上。3.根据权利要求2所述的一种取心钻具，其特征在于：所述滑动柱(3)包括呈“T”型设置的凹台(31)和导柱(32)，所述凹台(31)一端穿入所述冲锤(22)内腔并滑动连接，所述冲锤(22)侧壁靠近两端位置开设有与所述冲锤(22)内腔连通的通气孔(221)，两所述通气孔(221)分别设置在所述凹台(31)上下两侧位置；所述导柱(32)设置为棱柱，所述冲锤(22)靠近锤垫(24)一端开设为与棱柱配合的棱形孔。4.根据权利要求2所述的一种取心钻具，其特征在于：所述外管总成(5)包括钻具外管(51)和扩孔器(52)；所述钻具外管(51)一端与所述锤垫(24)连接，另一端与所述扩孔器(52)同轴连接，所述扩孔器(52)的外径大于钻具外管(51)的外径；所述钻头(7)设置在所述扩孔器(52)远离钻具外管(51)一侧；所述内管总成(4)包括钻具内管(41)、衬管(42)和进料座(43)；所述钻具内管(41)同轴转动连接在所述钻具外管(51)内腔，所述衬管(42)同轴设置在钻具内管(41)内腔；所述进料座(43)设置在钻具内管(41)远离冲击机构(2)一端，且所述进料座(43)内径与衬管(42)内径相同。5.根据权利要求4所述的一种取心钻具，其特征在于：所述锤垫(24)远离滑动柱(3)一端设置有单向球阀座(44)，所述单向球阀座(44)内腔与所述衬管(42)连通并设置有钢球(45)，所述单向球阀座(44)内腔与所述钻具内管(41)与钻具外管(51)之间的环状间隙连通，所述单向球阀座(44)依靠所述钢球(45)自身重力实现所述衬管(42)的单向密封功能。6.根据权利要求5所述的一种取心钻具，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘蓓，高永宝，杨可，张耀澎，黄虹霖，吕轩，张永岗，朱军利，
申请(专利权)人：中国地质调查局西安矿产资源调查中心，
类型：发明
国别省市：