一种钻孔取芯装置及钻孔取芯方法与流程

1.本发明涉及钻孔施工技术领域，尤其涉及一种钻孔取芯装置及钻孔取芯方法。


背景技术：

2.地质钻探一般都要穿过第四纪冲积层，部分地区的冲积层含流砂、粘结性能较差的砂质粘土和砾石较多，因岩石松散，极易坍塌，取芯困难。
3.现有的取芯装置都是直接从上往下冲水钻进，在从上往下冲水时会直接冲刷岩芯。因松散岩层中的岩芯松散，极易坍塌，在岩芯受到从上往下的水压冲击后，岩芯很容易被冲塌，较难取出。
4.有鉴于此，提供一种能够在松散岩层的钻孔中取芯的钻孔取芯装置及钻孔取芯方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够在松散岩层的钻孔中取芯的钻孔取芯装置及钻孔取芯方法。
6.本发明技术方案提供一种钻孔取芯装置，包括钻杆、岩芯管、连接在所述钻杆与所述岩芯管之间的返水接头和连接在所述岩芯管的下端的钻头；
7.所述钻杆中具有钻杆流道，所述返水接头具有接头流道和返水流道，所述返水流道与所述接头流道连通；
8.所述岩芯管中设置有芯管堵头，所述芯管堵头的下方为容芯腔，所述岩芯管中设置有连通所述接头流道与所述容芯腔的中心管，所述中心管中具有开关结构；
9.所述中心管与所述岩芯管之间形成有返水腔，所述堵头上设置有连通所述容芯腔和所述返水腔的堵头流道，所述岩芯管的管壁上具有与所述返水腔连通的管壁返水口；
10.在所述钻孔取芯装置处于冲孔状态时，所述开关结构处于开启状态；
11.在所述钻孔取芯装置处于取芯状态时，所述开关结构处于关闭状态。
12.在其中一项可选技术方案中，在沿着所述返水接头的径向上，所述返水流道逐渐向上倾斜延伸。
13.在其中一项可选技术方案中，所述开关结构包括安装在所述中心管中的隔板和第一球阀；
14.所述隔板上具有隔板通孔，所述隔板通孔半径小于所述第一球阀的半径；
15.在所述开关结构处于开启状态时，所述第一球阀与所述隔板处于分离状态；
16.在所述开关结构处于关闭状态时，所述第一球阀落在所述隔板上并封堵住所述隔板通孔。
17.在其中一项可选技术方案中，所述管壁返水口上连接有止逆阀，所述止逆阀处于所述返水腔中；
18.所述止逆阀包括套筒和间隙配合在所述套筒中的第二球阀；
19.所述套筒的一端开口与所述管壁返水口连接，所述套筒的另一端开口上连接有挡板，所述挡板上设置有挡板通孔，挡板通孔的半径小于所述第二球阀的半径；
20.在所述套筒中安装有用于驱动所述第二球阀朝向所述挡板侧移动的弹性驱动件；
21.在所述止逆阀处于初始状态时，所述第二球阀关闭所述挡板通孔。
22.在其中一项可选技术方案中，所述返水接头中沿着圆周方向间隔地设置有多条所述返水流道。
23.在其中一项可选技术方案中，所述返水腔为环绕着所述中心管的环形腔，所述岩芯管的所述管壁上沿着圆周方向间隔地设置有多个所述管壁返水口。
24.在其中一项可选技术方案中，所述钻杆流道、所述接头流道和所述中心管的半径相等。
25.在其中一项可选技术方案中，在所述钻孔取芯装置处于冲孔状态时，水经所述钻杆流道、所述接头流道和所述中心管向下进入所述容芯腔，最终经钻孔的钻孔孔壁与所述钻孔取芯装置之间的间隙返至地面；
26.在所述钻孔取芯装置处于取芯状态时，水经所述钻杆流道、所述返水流道流入所述钻孔孔壁与所述钻孔取芯装置之间的间隙，至少部分水经所述岩芯管的下端进入所述容芯腔，然后经所述堵头流道进入所述返水腔，再经所述管壁返水口流入钻孔孔壁与所述钻孔取芯装置之间的间隙循环流动。
27.本发明技术方案还提供一种钻孔取芯方法，其采用前述任一技术方案所述的钻孔取芯装置；
28.所述钻孔取芯方法包括如下步骤：
29.s01：将所述钻孔取芯装置下入所述钻孔中；
30.s02：所述开关结构开启，通过动力泵向所述钻杆流道中供水，水经所述接头流道和所述中心管后从所述容芯腔冲出，以冲刷孔底，直至冲刷完成后，关闭所述动力泵；
31.s04：所述开关结构关闭，再次开启动力泵，同时通过钻机带动钻杆转动，所述钻头转动切割岩芯，直至完成取芯；
32.其中，水经所述钻杆流道、所述返水流道流入所述钻孔孔壁与所述钻孔取芯装置之间的间隙，至少部分水经所述岩芯管的下端与岩芯的间隙进入所述容芯腔，然后经所述堵头流道进入所述返水腔，再经所述管壁返水口流入钻孔孔壁与所述钻孔取芯装置之间的间隙循环流动。
33.在其中一项可选技术方案中，在所述步骤s02中，将第一球阀放置在地面的置物架上，所述隔板通孔处于导通状态；
34.在所述步骤s04中，将所述第一球阀从所述钻杆流道投入，并落在所述隔板上以堵住所述隔板通孔，所述隔板通孔处于关闭状态。
35.采用上述技术方案，具有如下有益效果：
36.本发明提供的钻孔取芯装置及钻孔取芯方法，在冲刷孔底时，水直接通过中间管和容芯腔向下冲出，利于将孔底冲刷干净；在取芯操作时，水从返水流道流出，经钻孔的孔壁与岩芯管之间的间隙向下流动至钻头处对钻头降温，再经岩芯管的下端进入容芯腔中，其从下往上经岩芯的四周间隙向上流动并进入返水腔中，再经管壁返水口流出循环流动。
37.本发明提供的钻孔取芯装置及钻孔取芯方法，在取芯时水是从岩芯的底部向上流
动，不会直接冲刷岩芯，起到保护岩芯的作用，有利于在松散岩层的钻孔中取芯。
附图说明
38.参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
39.图1为本发明一实施例提供的钻孔取芯装置的剖视图；
40.图2为返水接头的剖视图；
41.图3为岩芯管具有止逆阀部分的放大示意图；
42.图4为岩芯管、芯管堵头、中心管及开关结构的放大示意图；
43.图5为岩芯管的下端安装有钻头的放大示意图；
44.图6为在取芯时，第一球阀封堵隔板通孔的示意图；
45.图7为钻孔取芯装置在冲孔时的水路示意图；
46.图8为钻孔取芯装置在取芯时的水路示意图。
具体实施方式
47.下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
48.如图1-8所示，本发明一实施例提供的钻孔取芯装置，包括钻杆1、岩芯管3、连接在钻杆1与岩芯管3之间的返水接头2和连接在岩芯管3的下端的钻头4。
49.钻杆1中具有钻杆流道11，返水接头2具有接头流道21和返水流道22，返水流道22与接头流道21连通。
50.岩芯管3中设置有芯管堵头32，芯管堵头32的下方为容芯腔34，岩芯管3中设置有连通接头流道21与容芯腔34的中心管33，中心管33中具有开关结构5。
51.中心管33与岩芯管3之间形成有返水腔35，堵头上设置有连通容芯腔34和返水腔35的堵头流道322，岩芯管3的管壁31上具有与返水腔35连通的管壁返水口311。
52.在钻孔取芯装置处于冲孔状态时，开关结构5处于开启状态。
53.在钻孔取芯装置处于取芯状态时，开关结构5处于关闭状态。
54.本发明提供的钻孔取芯装置用于在钻孔7中取岩芯8，尤其适用于地质较为松散的岩层取芯。
55.本发明提供的钻孔取芯装置包括钻杆1、返水接头2、岩芯管3、钻头4和开关结构5。
56.钻杆1中具有钻杆流道11，用于通水。返水接头2连接在钻杆1的下端与岩芯管3的上端之间。返水接头2的中部具有与钻杆流道11连通的接头流道21，返水接头2中还设置有径向向外延伸的返水流道22，返水流道22与接头流道21连通。当开关结构5关闭时，接头流道21中的水可经返水流道22流出。
57.岩芯管3的下端用于容纳岩芯8，钻头4安装在岩芯管3的管壁31的下端的圆周面上。岩芯管3中具有芯管堵头32，其处于岩芯管3的中部下部，岩芯管3中处于芯管堵头32的下方为容芯腔34，其可容纳岩芯8。芯管堵头32的中部具有堵头通孔321，芯管堵头32上处于堵头通孔321的外侧具有堵头流道322。
58.岩芯管3中处于芯管堵头32的上方具有中心管33，中心管33的上端与返水接头2的底面相接，中心管33的下端连接至芯管堵头32。中心管33连通接头流道21和堵头通孔321，进而与容芯腔34连通。
59.开关结构5安装在中心管33中，可控制中心管33的通断。开关结构5可采用电控开关结构，例如电磁阀；也可采用机械开关结构，例如球阀。
60.在中心管33与管壁31之间形成有返水腔35，返水腔35处于芯管堵头32的上方。返水腔35与容芯腔34通过堵头流道322保持连通。管壁31上具有管壁返水口311，其用于返水腔35中的水流出。
61.在取芯操作之前，需要冲刷钻孔7的孔底，将该项操作称之为冲孔作业。将取芯操作称之为取芯作业。
62.在作业之前，钻孔7中蓄满水，以保持孔壁71的稳定性。
63.在进行冲孔作业时，开关结构5开启，水经钻杆流道11、接头流道21和中心管33向下进入容芯腔34，并从容芯腔34的下端开口冲出，以冲刷孔底，最终经钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙返至地面，以将孔底岩粉冲出。
64.在进行取芯作业时，开关结构5关闭，水经钻杆流道11、返水流道22流入钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙，一部分水向上经钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙返至地面；一部分水向下流动至钻头4处对钻头4降温，再经岩芯管2的下端和岩芯8之间的间隙从下往上进入容芯腔34中，再经堵头流道322进入返水腔35中，再经管壁返水口311流出循环流动。
65.有关最后取芯的方式可参考现有技术中的内容，其非本案的发明点，在此不再赘述。
66.综上所述，本发明提供的钻孔取芯装置，在取芯时，水是从岩芯8的底部向上流动，不会直接冲刷岩芯8，起到保护岩芯8的作用，有利于在松散岩层的钻孔7中取芯。
67.在其中一个实施例中，如图1-2所示，在沿着返水接头2的径向上，返水流道22逐渐向上倾斜延伸。在进行冲孔作业时，水主要经接头流道21向下流动而不会从返水流道22流出。
68.在其中一个实施例中，如图1、图4、图6和图8所示，开关结构5包括安装在中心管33中的隔板51和第一球阀52。
69.隔板51上具有隔板通孔511，隔板通孔511半径小于第一球阀52的半径。
70.在开关结构5处于开启状态时，第一球阀52与隔板51处于分离状态。
71.在开关结构5处于关闭状态时，第一球阀52落在隔板51上并封堵住隔板通孔511。
72.本实施例中，开关结构5采用结构简单的机械开关结构，其包括隔板51和第一球阀52，隔板51固定安装在中心管33中，隔板51的中部具有隔板通孔511。第一球阀52未放入中心管33中之前，隔板通孔511处于导通状态，可进行冲孔作业。第一球阀52从钻杆流道11放入后，可自动落入中心管33中，第一球阀52落在隔板51上并封堵住隔板通孔511，可进行取芯作业。
73.在其中一个实施例中，如图1和图3所示，管壁返水口311上连接有止逆阀6，止逆阀6处于返水腔35中。
74.止逆阀6包括套筒61和间隙配合在套筒61中的第二球阀62。
75.套筒61的一端开口与管壁返水口311连接，套筒61的另一端开口上连接有挡板64，挡板64上设置有挡板通孔641，挡板通孔641的半径小于第二球阀62的半径。
76.在套筒61中安装有用于驱动第二球阀62朝向挡板64侧移动的弹性驱动件63。
77.在止逆阀处于初始状态时，第二球阀62关闭挡板通孔。
78.本实施例中，通过在管壁返水口311上配置止逆阀6，可防止外面的水进入返水腔35中。当返水腔35中作用在第二球阀62上的水压足够大时，可克服弹性驱动件63的作用力，使得第二球阀62离开挡板通孔641，水可经管壁返水口311。当返水腔35中作用在第二球阀62上的水压不能克服弹性驱动件63的作用力时，则第二球阀62自动关闭挡板通孔641。
79.弹性驱动件63可选择弹簧或弹性片。
80.在其中一个实施例中，如图1-2所示，返水接头2中沿着圆周方向间隔地设置有多条返水流道22，利于使得接头流道21中的水快速流入钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙中。
81.在其中一个实施例中，如图1和图3所示，返水腔35为环绕着中心管33的环形腔，岩芯管3的管壁31上沿着圆周方向间隔地设置有多个管壁返水口311，利于返水腔35中的水快速流入钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙中。
82.在其中一个实施例中，如图1所示，钻杆流道11、接头流道21和中心管33的半径相等，并且同轴布置，可确保第一球阀52能够落到隔板51上封堵隔板通孔511。
83.在其中一个实施例中，如图7-8所示，在钻孔取芯装置处于冲孔状态时，水经钻杆流道11、接头流道21和中心管33向下进入容芯腔34，最终经钻孔7的钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙返至地面。
84.在钻孔取芯装置处于取芯状态时，水经钻杆流道11、返水流道22流入钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙，至少部分水经岩芯管3的下端进入容芯腔34，然后经堵头流道322进入返水腔35，再经管壁返水口311流入钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙循环流动。
85.也即是，在进行冲孔作业时，开关结构5开启，水经钻杆流道11、接头流道21和中心管33向下进入容芯腔34，并从容芯腔34的下端开口冲出，以冲刷孔底，最终经钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙返至地面，以将孔底岩粉冲出。
86.在进行取芯作业时，开关结构5关闭，水经钻杆流道11、返水流道22流入钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙，一部分水向上经钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙返至地面；一部分水向下流动至钻头4处对钻头4降温，再经岩芯管2的下端和岩芯8之间的间隙从下往上进入容芯腔34中，再经堵头流道322进入返水腔35中，再经管壁返水口311流出循环流动。在取芯时，水是从岩芯8的底部向上流动，不会直接冲刷岩芯8，起到保护岩芯8的作用，有利于在松散岩层的钻孔7中取芯。
87.结合图1-8所示，本发明一实施例提供一种钻孔取芯方法，其采用前述任一实施例所述的钻孔取芯装置。
88.钻孔取芯方法包括如下步骤：
89.s01：将钻孔取芯装置下入钻孔7中。
90.s02：开关结构5开启，通过动力泵向钻杆流道11中供水，水经接头流道21和中心管33后从容芯腔34冲出，以冲刷孔底，直至冲刷完成后，关闭动力泵。
91.s04：开关结构5关闭，再次开启动力泵，同时通过钻机带动钻杆1转动，钻头4转动切割岩芯，直至完成取芯。
92.其中，水经钻杆流道11、返水流道22流入钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙，至少部分水经岩芯管3的下端与岩芯8的间隙进入容芯腔34，然后经堵头流道322进入返水腔35，再经管壁返水口311流入钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙循环流动。
93.上述动力泵可采用水泵或泥浆泵。
94.在进行冲孔作业时，开关结构5开启，水经钻杆流道11、接头流道21和中心管33向下进入容芯腔34，并从容芯腔34的下端开口冲出，以冲刷孔底，最终经钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙返至地面，以将孔底岩粉冲出。
95.在进行取芯作业时，开关结构5关闭，水经钻杆流道11、返水流道22流入钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙，一部分水向上经钻孔孔壁71与钻孔取芯装置之间的间隙返至地面；一部分水向下流动至钻头4处对钻头4降温，再经岩芯管2的下端和岩芯8之间的间隙从下往上进入容芯腔34中，再经堵头流道322进入返水腔35中，再经管壁返水口311流出循环流动。
96.由此，本发明提供的钻孔取芯方法，在取芯时，水是从岩芯8的底部向上流动，不会直接冲刷岩芯8，起到保护岩芯8的作用，有利于在松散岩层的钻孔7中取芯。
97.在其中一个实施例中，在步骤s02中，将第一球阀52放置在地面的置物架上，隔板通孔511处于导通状态。
98.在步骤s04中，将第一球阀52从钻杆流道11投入，并落在隔板51上以堵住隔板通孔511，隔板通孔511处于关闭状态。
99.开关结构5采用结构简单的机械开关结构，方便控制。第一球阀52未放入中心管33中之前，隔板通孔511处于导通状态，可进行冲孔作业。第一球阀52从钻杆流道11放入后，可自动落入中心管33中，第一球阀52落在隔板51上并封堵住隔板通孔511，可进行取芯作业。
100.根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
101.以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。