一种地质勘探用牙轮钻头的制作方法

1.本发明属于牙轮钻头技术领域，更具体地说，是涉及一种地质勘探用牙轮钻头。


背景技术：

2.牙轮钻头是目前石油钻井使用最广泛的破岩工具，其使用效果和工作寿命对钻井施工和钻井成本具有十分重要的影响。现有技术中的牙轮钻头只具备对岩层钻进的功能，并不能实现对地层取样的功能，当需要对地层进行取样时，需要用到专业的地层取样设备，地层取样设备与钻头需要交替运行，即将钻头取出后，才能够进行地层取样，地层取样完成后才能再次用钻头钻进，所以导致地层取样操作麻烦，并且严重影响钻头的钻进效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种地质勘探用牙轮钻头，旨在解决现有的牙轮钻头不具备地层取样功能，当需要对地层进行取样时，需要将牙轮钻头取出，导致地层取样操作麻烦，而且影响了钻头的钻进效率。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种地质勘探用牙轮钻头，包括：钻头本体，一端与钻杆连接，另一端设有凹腔；所述凹腔的外周设有多个牙轮，所述凹腔的中心沿所述钻头本体的轴向设有取样通道，所述取样通道的侧壁设有滑轨，所述滑轨沿所述钻头本体的轴向设置；取样机构，位于所述取样通道内，所述取样机构滑动安装在所述滑轨上；和驱动装置装置，固定安装在所述取样通道内，用于驱动所述取样机构沿所述钻头本体的轴向往复运动；所述驱动装置装置通过驱动所述取样机构在所述取样通道内沿所述钻头本体的轴向运动，使所述取样机构伸出所述取样通道并凸出所述牙轮；所述取样机构在所述钻头本体的带动下转动，向地层内钻进并取出地层样本。
5.在一种可能的实现方式中，所述取样机构包括：水平滑杆、水平支撑板、两个竖直支撑板和钻具；所述水平滑杆和所述水平支撑板均与所述钻头本体的轴向保持垂直，所述竖直支撑板与所述钻头本体的轴向保持平行；所述水平滑杆的端部设有与所述滑轨滑动配合的滑块，所述水平支撑板与所述滑杆固定连接且保持垂直，两个所述竖直支撑板固定安装在所述水平支撑板长度方向的两端，所述钻具为圆环状，所述钻具固定安装在所述竖直支撑板靠近所述取样通道出口的一端，所述竖直支撑板位于所述钻具的投影范围内。
6.在一种可能的实现方式中，所述钻具包括：两个钻盘，两个所述钻盘呈半圆环状且对称布置在所述竖直支撑板的两侧；所述钻盘的两端设有分别与两个所述竖直支撑板铰接的铰接轴，所述铰接轴与所述钻盘固定连接，所述铰接轴上固定安装有蜗轮，所述竖直支撑板上安装有蜗杆和驱动电机，所述蜗杆位于两个所述钻盘之间且与两个所述钻盘上的所述蜗轮传动配合，所述驱动电机用于驱动所述蜗杆转动。
7.在一种可能的实现方式中，所述钻具的正面开设有排料孔，所述钻具的背面安装有与所述排料孔连通的排料管。
8.在一种可能的实现方式中，所述钻具上安装有伸缩驱动件和切断刀；所述伸缩驱动件安装在所述钻具的内部，所述切断刀沿所述钻具的径向设置且与所述钻具滑动配合；所述伸缩驱动件用于驱动所述切断刀沿所述钻具的径向往复运动，使所述切断刀伸入到所述钻具的内侧并切断地层样本。
9.在一种可能的实现方式中，所述切断刀的内部设有喷气通道，所述喷气通道的出口朝向所述钻具的内侧，所述切断刀上安装有与所述喷气通道连通的高压气管。
10.在一种可能的实现方式中，所述水平支撑板的顶面设有压力传感器。
11.在一种可能的实现方式中，所述竖直支撑板上安装有弹性顶销，所述弹性顶销包括顶销本体、弹性复位件和配重件；两个所述竖直支撑板相对的侧壁上开设有用于容纳所述弹性顶销的容纳腔，所述容纳腔的开口处安装有堵塞，所述堵塞上开设有与所述顶销本体滑动配合的导向通孔；所述弹性复位件位于所述容纳腔内，用于对所述顶销本体施加朝向所述堵塞一侧的作用力；所述配重件固定安装在所述顶销本体位于所述容纳腔内部的一端。
12.在一种可能的实现方式中，所述顶销本体上套装有限位法兰，所述限位法兰位于所述容纳腔内，所述限位法兰的外径大于所述导向通孔的孔径。
13.在一种可能的实现方式中，所述弹性复位件为压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端抵靠在所述容纳腔的侧壁，另一端套装在所述顶销本体和所述配重件的外侧且抵靠在所述限位法兰上。
14.本技术实施例所示的方案，与现有技术相比，本发明的一种地质勘探用牙轮钻头，在钻头本体安装牙轮的凹腔中心开设有取样通道，在取样通道内设有滑轨、取样机构和驱动装置。滑轨沿钻头本体的轴向设置，取样机构与滑轨滑动配合，滑轨对取样机构起到限位和导向作用。驱动装置为取样机构提供动力，通过驱动取样机构在取样通道内沿钻头本体的轴向往复运动，使取样机构能够伸出取样通道，取样机构在沿导轨做直线运动的过程中会随钻头本体同步转动，即取样机构能够像地层钻进并取出地层样本。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例提供的一种地质勘探用牙轮钻头的剖视结构示意图；图2为本发明实施例提供的取样机构（折叠状态）的剖视结构示意图；图3为本发明实施例提供的取样机构（展开状态）的剖视结构示意图；图4为图3中a处的放大视图；图5为图3的左视图；图6为图3的俯视图；图7为本发明实施例提供的钻盘与竖直支撑板的连接结构示意图；
图8为本发明实施例提供的弹性顶销的安装结构示意图。
17.图中：1、钻头本体；101、凹腔；102、牙轮；103、取样通道；104、滑轨；2、取样机构；201、水平滑杆；202、水平支撑板；203、竖直支撑；204、钻具；205、钻盘；206、铰接轴；207、蜗轮；208、蜗杆；209、驱动电机；210、排料孔；211、排料管；212、伸缩驱动件；213、切断刀；214、喷气通道；215、高压气管；216、压力传感器；217、弹性顶销；218、顶销本体；219、弹性复位件；220、配重；221、容纳腔；222、堵塞；223、限位法兰；224、滑块；3、驱动装置。
具体实施方式
18.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
19.请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的一种地质勘探用牙轮钻头进行说明。所述一种地质勘探用牙轮钻头，包括：钻头本体1、取样机构2和驱动装置3。钻头本体1的一端与钻杆连接，另一端设有凹腔101；凹腔101的外周设有多个牙轮102，凹腔101的中心沿钻头本体1的轴向设有取样通道103，取样通道103的侧壁设有滑轨104，滑轨104沿钻头本体1的轴向设置；取样机构2位于取样通道103内，取样机构2滑动安装在滑轨104上；驱动装置3固定安装在取样通道103内，用于驱动取样机构2沿钻头本体1的轴向往复运动；驱动装置3通过驱动取样机构2在取样通道103内沿钻头本体1的轴向运动，使取样机构2伸出取样通道103并凸出牙轮102；取样机构2在钻头本体1的带动下转动，向地层内钻进并取出地层样本。
20.本实施例提供的一种地质勘探用牙轮钻头，与现有技术相比，在钻头本体1安装牙轮102的凹腔101中心开设有取样通道103，在取样通道103内设有滑轨104、取样机构2和驱动装置3。滑轨104沿钻头本体1的轴向设置，取样机构2与滑轨104滑动配合，滑轨104对取样机构2起到限位和导向作用。驱动装置3为取样机构2提供动力，通过驱动取样机构2在取样通道103内沿钻头本体1的轴向往复运动，使取样机构2能够伸出取样通道103，取样机构2在沿导轨做直线运动的过程中会随钻头本体1同步转动，即取样机构2能够像地层钻进并取出地层样本。
21.本实施例中，钻头本体1上安装有两个可以旋转的牙轮102，牙轮102之间不会是相互接触的，所以在牙轮102之间会存在空隙，在钻头本体1的轴向方向上，取样通道103位于该空隙的内侧，使得取样机构2能够顺利通过牙轮102之间的空隙。取样机构2伸出取样通道103后需要能够凸出牙轮102，这样才能够使取样机构2钻进地层中，从而完成对地层的取样。驱动装置3为气缸或者油缸。
22.在一些实施例中，请参阅图2、图3、图5及图6，取样机构2包括：水平滑杆201、水平支撑板202、两个竖直支撑203板和钻具204；水平滑杆201和水平支撑板202均与钻头本体1的轴向保持垂直，竖直支撑203板与钻头本体1的轴向保持平行；水平滑杆201的端部设有与滑轨104滑动配合的滑块224，水平支撑板202与滑杆固定连接且保持垂直，两个竖直支撑203板固定安装在水平支撑板202长度方向的两端，钻具204为圆环状，钻具204固定安装在竖直支撑203板靠近取样通道103出口的一端，竖直支撑203板位于钻具204的投影范围内。本实施例中，水平滑杆201和水平支撑板202均与钻头本体1的轴向保持垂直，并且水平滑杆201与水平支撑板202保持垂直。水平滑杆201与水平支撑板202呈十字结构。滑轨104的数量
为两个，对称布置在取样通道103的侧壁上。滑轨104固定安装在取样通道103的侧壁上。滑轨104与牙轮102的位置相对应。水平滑杆201长度方向的两端分别固定安装有滑块224，滑块224与滑轨104滑动配合。水平支撑板202通过焊接的方式固定安装在水平滑杆201的顶面。两个竖直支撑203板分别固定安装在水平杆长度方向的两端。钻具204为圆环状，钻具204与钻头本体1保持同轴。两个竖直支撑203板对钻具204进行支撑。钻具204将地层钻出环形的凹槽，从而形成圆柱状的地层样本，地层样本随着钻具204的不断钻进，会进入到两个竖直支撑203板之间的空间。由于竖直支撑203板位于钻具204沿钻头本体1轴向的投影范围内，所以能够保证竖直支撑203板能够顺利进入到钻具204在地层钻出的环形凹槽内。驱动装置3的数量为两个，以水平滑杆201的中心对称布置。驱动装置3的驱动端与水平滑杆201的顶面固定连接。
23.在一些实施例中，请参阅图2、图3、图6及图7，钻具204包括：两个钻盘205，两个钻盘205呈半圆环状且对称布置在竖直支撑203板的两侧；钻盘205的两端设有分别与两个竖直支撑203板铰接的铰接轴206，铰接轴206与钻盘205固定连接，铰接轴206上固定安装有蜗轮207，竖直支撑203板上安装有蜗杆208和驱动电机209，蜗杆208位于两个钻盘205之间且与两个钻盘205上的蜗轮207传动配合，驱动电机209用于驱动蜗杆208转动。本实施例中，钻盘205为半圆环结构，两个钻盘205可以拼装成一个完整的圆环。由于钻盘205与竖直支撑203板为铰接连接，所以钻盘205可以绕铰接轴206转动至水平或者竖直，从而实现了钻盘205展开状态和折叠状态的切换。取样通道103的横截面为矩形，水平滑杆201与取样通道103的短边相对应，水平支撑板202与取样通道103的长边相对应。钻盘205的铰接轴206与水平支撑板202的长度方向保持一致。钻盘205在取样通道103内处于折叠状态，从而降低钻盘205占用的空间，方便对其进行收纳。当钻盘205伸出取样通道103进行取样操作时，两个钻盘205分别向相互远离的方向转动至水平，此时两个钻盘205处于展开状态，从而构成一个完整的圆环。两个钻盘205的结构完全相同，每个钻盘205上的其中一个铰接轴206上固定安装有蜗轮207，蜗杆208沿竖直方向转动安装在竖直支撑203板上。竖直支撑203板上开设有用于放置驱动电机209的腔体。蜗杆208和驱动电机209的数量均为两个，分别与两个钻盘205相对应，即每个竖直支撑203板上均安装有一个蜗杆208和一个驱动电机209。驱动电机209通过蜗杆208带动蜗轮207转动，最终驱动钻盘205绕铰接轴206转动。由于蜗轮207和蜗杆208的传动方式具有自锁功能，所以能够保证钻盘205在任意状态时的稳定性。
24.在一些实施例中，请参阅图3及图4，钻具204的正面开设有排料孔210，钻具204的背面安装有与排料孔210连通的排料管211。本实施例中，排料孔210与钻具204的厚度方向保持一致，且贯穿整个钻具204。排料管211位于钻具204的背面且与排料孔210的尾部连接。排料管211穿过钻头本体1延伸至钻头本体1的外部，并且与抽风机连接。在抽风机的作用下，钻盘205钻进过程中产生的岩石碎渣能够快速通过排料孔210进入到排料管211内，最终排出到地层外部，既提升了钻具204的钻进效率，同时还能够降低岩石碎渣对钻具204产生的磨损。由于排料管211为柔性管，所以钻盘205的摆动能够顺利进行。
25.在一些实施例中，请参阅图3及图4，钻具204上安装有伸缩驱动件212和切断刀213；伸缩驱动件212安装在钻具204的内部，切断刀213沿钻具204的径向设置且与钻具204滑动配合；伸缩驱动件212用于驱动切断刀213沿钻具204的径向往复运动，使切断刀213伸入到钻具204的内侧并切断地层样本。本实施例中，伸缩驱动件212为电动推杆，电动推杆和
切断刀213均沿钻具204的径向设置。钻具204的底面开设有用于安装伸缩驱动件212和切断刀213的腔体，该腔体靠近钻具204内侧的侧壁上开设有与切断刀213滑动配合的通孔。电动推杆能够驱动切断刀213沿钻具204的径向往复运动，从而使切断刀213远离电动推杆的一端能够从上述通孔伸出而进入到钻具204的内侧。切断刀213的一端与电动推杆的输出端固定连接。钻具204在钻进过程中，伸缩驱动件212和切断刀213处于非工作状态，切断刀213完全位于钻具204的内部，当钻具204停止钻进需要对地层样本进行切断时，电动推杆开始工作，推动切断刀213向钻具204的内侧移动，此时地层样本位于钻具204的内侧，所以切断刀213会将地层样本进行切断，从而方便取样机构2将地层样本取出。
26.在一些实施例中，请参阅图3及图4，切断刀213的内部设有喷气通道214，喷气通道214的出口朝向钻具204的内侧，切断刀213上安装有与喷气通道214连通的高压气管215。本实施例中，在切断刀213的内部设置了喷气通道214，该喷气通道214的出口朝向钻具204的内侧。高压气管215安装在切断刀213上且与喷气通道214连通。高压气管215的另一端延伸至钻头本体1的外部且与高压气泵连接。在切断刀213对地层样本切断过程中，经过高压气泵输送的高压气体通过高压气管215和喷气通道214，然后喷向地层样本，同时对地层样本进行切断，大大提升了对地层样本的切断效率。由于高压气体也能够实现对地层样本的切断，所以切断刀213伸出钻具204的长度可以适当做短，从而节省切断刀213所需的安装空间。高压气管215上设有电磁阀。
27.在一些实施例中，请参阅图2、图3、图5及图6，水平支撑板202的顶面设有压力传感器216。本实施例中，压力传感器216位于两个竖直支撑203板之间。随着钻具204的不断向地层内钻进，所形成的圆柱状的地层样本会逐渐进入到两个竖直支撑203板之间的区域，并且逐渐靠近压力传感器216，当地层样本抵靠在压力传感器216时，则表明地层取样的深度达到要求。钻头本体1上还设有控制器，压力传感器216、电磁阀和伸缩驱动件212均与控制器电性连接。压力传感器216将信号传输给控制器，然后控制器发出命令控制伸缩驱动件212和喷气电磁阀工作，不用人工控制，实现了对地层样本切断的自动化操作。驱动电机209也和控制器电连接，控制器能够控制驱动电机209的正转、反转或停机，从而实现对钻具204展开状态和折叠状态的自动切换。
28.在一些实施例中，请参阅图8，竖直支撑203板上安装有弹性顶销217，弹性顶销217包括顶销本体218、弹性复位件219和配重220件；两个竖直支撑203板相对的侧壁上开设有用于容纳弹性顶销217的容纳腔221，容纳腔221的开口处安装有堵塞222，堵塞222上开设有与顶销本体218滑动配合的导向通孔；弹性复位件219位于容纳腔221内，用于对顶销本体218施加朝向堵塞222一侧的作用力；配重220件固定安装在顶销本体218位于容纳腔221内部的一端。本实施例中，两个竖直支撑203板上均安装有至少一个弹性顶销217。在两个竖直支撑203板相对的侧壁上开设有用于安装弹性顶销217的容纳腔221。堵塞222与竖直支撑203板通过螺纹连接，从而封堵容纳腔221的侧面开口。堵塞222上开设有与顶销本体218滑动配合的导向通孔。弹性复位件219用于对顶销本体218施加朝向堵塞222一侧的作用力，即弹性复位件219驱使顶销本体218向钻具204的内侧移动。顶销本体218位于容纳腔221的一端安装有配重220件。在钻具204在地层钻进过程中，弹性顶销217会随着钻头本体1转动，带有配重220件的顶销本体218在离心力的作用下会向容纳腔221的内部移动，此时顶销本体218完全位于竖直支撑203板的内部，所以不会于地层样本接触。当钻具204完成对地层样本
的切断后，钻头本体1会随之停止转动，钻杆带动钻头从地层内取出，于此同时，顶销本体218的离心力逐渐降低并消失，弹性复位件219在自身弹性的作用下驱使顶销本体218向两个竖直支撑203板之间的地层样本靠近，并最终使顶销本体218抵靠在地层样本的侧壁上。两个弹性顶销217配合对地层样本进行夹持固定，使得地层样本能够随取样机构2同步向地层外部移动。
29.在一些实施例中，请参阅图8，顶销本体218上套装有限位法兰223，限位法兰223位于容纳腔221内，限位法兰223的外径大于导向通孔的孔径。本实施例中，限位法兰223与顶销本体218通过螺纹连接，方便对限位法兰223进行拆装。由于限位法兰223的外径大于导向通孔的孔径，所以限位法兰223能够对顶销本体218起到限位作用，有效防止顶销本体218从容纳腔221内脱出。
30.在一些实施例中，请参阅图8，弹性复位件219为压缩弹簧，压缩弹簧的一端抵靠在容纳腔221的侧壁，另一端套装在顶销本体218和配重220件的外侧且抵靠在限位法兰223上。本实施例中，将压缩弹簧的一端套装在顶销本体218和配重220件的外侧，能够有效防止压缩弹簧在受到压缩时发生较大的扭曲变形，同时能够避免压缩弹簧与顶销本体218发生脱离。
31.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。