一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置的制作方法

本实用新型属于取芯钻头加工技术领域，具体涉及一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型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，本实用新型提供如下技术方案：

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。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有如下优异效果：

本实用新型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入，配合异形金刚石钻齿之间的间距和岩芯与内外壁的间隙，实现了冷却气体的循环流动，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，降低了卡钻的几率，提高了软岩取芯成功率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。其中：

图1为本实用新型实施例的钻孔取芯钻头的立体结构示意图；

图2为本实用新型实施例的钻孔取芯钻头的主视图；

图3为图2中沿A-A向剖视图；

图4为本实用新型实施例的钻孔取芯钻头的右视图；

图5为本实用新型实施例的通气联轴的立体结构示意图；

图6为本实用新型实施例的通气联轴的主视图；

图7为图6中沿A-A向剖视图；

图8为本实用新型实施例的密封套的立体结构示意图；

图9为本实用新型实施例的密封套的主视图；

图10为图9中沿A-A向剖视图；

图11为本实用新型实施例的密封圈的主视图；

图12为本实用新型实施例的低温供气系统的结构示意图；

图13为本实用新型实施例的钻孔取芯装置的工作示意图。

图中：1、钻孔取芯钻头；11、钻身；12、钻齿；13、环形凸台；131、卡口；14、刻度；2、通气联轴；21、细轴段；22、粗轴段；23、第一密封槽；24、第一进气孔；25、空心内腔；3、密封套；31、第一腔体；32、第二腔体；33、第二进气孔；34、第二密封槽；4、低温供气系统；41、气泵；42、低温气体储存罐；43、第一阀门；44、第二阀门；45、流速监控器；46、温度监控器；47、进气接头；5、密封圈；6、外间隙；7、内间隙；8、软岩。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实用新型中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图13所示，根据本实用新型的实施例，提供了一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯装置，钻孔取芯装置包括：钻孔取芯钻头1、通气联轴2、密封套3和低温供气系统4，通气联轴2的一端活动连接有钻孔取芯钻头1，通气联轴2另一端连接电机传动轴，通气联轴2用于带动钻孔取芯钻头1旋转，通气联轴2的中部活动套设有密封套3，钻孔取芯钻头1、通气联轴2和密封套3同轴设置。

钻孔取芯钻头1包括中空结构的钻身11和设置在钻身11一端部的钻齿12，钻身11为具有一定壁厚的环形件，多个钻齿12沿钻身11端部周向分布，且钻齿12呈弧形块状，在钻身11端部呈倾斜分布，便于增大切削力，钻齿12的中部卡设在钻身11端部的壁上，且钻齿12的两端沿着钻身11端部的壁向外延伸，以便于弱胶结软岩8的岩芯与钻身11内侧壁形成内间隙7，弱胶结软岩8与钻身11外侧壁之间形成外间隙6，内间隙7、相邻两个钻齿12之间的间隙和外间隙6形成一个通气和排渣的通道，通过低温气体的流通使得在钻齿12工作时进行降温，保护钻齿12同时使岩芯也处于较低的温度下；并且低温气体的流动也将钻取过程产生的岩屑排出；

其中钻齿12和钻身11连接方式为钻身11端部侧壁上设置有凹槽，用于放置钻齿12，从而使二者连接，优选的，钻齿12通过焊接固定到钻身11端部侧壁上，当然在其他实施例中，还可以是钻齿12中部设置凹槽，通过该凹槽卡在钻身11壁上，用于钻齿12和钻身11的连接，还可以是钻齿12和钻身11一体成型。

通气联轴2侧壁上设有第一进气孔24，第一进气孔24与外界连通并且与通气联轴2内部的空心内腔25贯通，用于传输低温气体。

沿密封套3的轴向设有贯通的第一腔体31，第一腔体31呈圆柱体形状，密封套3通过第一腔体31套设在通气联轴2的中部；密封套3侧壁上设有第二进气孔33，用于通入低温气体；密封套3内还设有第二腔体32，第二腔体32也呈圆柱体形状，且第二腔体32和第一腔体31贯通，第一进气孔24位于第二腔体32内，第二进气孔33连通第二腔体32，低温气体从密封套3的第二进气孔33进入第二腔体32内，随后通过通气联轴2的第一进气孔24进入空心内腔25，向钻孔取芯钻头1流动。

低温供气系统4内的进气接头47与密封套3上的第二进气孔33导通连接，低温气体进入密封套3，然后通过通气联轴2进入钻身11内，低温气体流经内间隙7、相邻两个钻齿12之间的间隙和外间隙6形成的通气通道，最后排出，从而实现对钻齿12的降温，并为岩屑的排渣提供动力。

本实用新型实施例中低温气体选取氮气或者液氮，成本较低，当然在其他实施例中低温气体还可以是惰性气体。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，钻孔取芯钻头1还包括环形凸台13，环形凸台13内部中空，环形凸台13的底端与钻身11的另一端部连接，环形凸台13的顶端与通气联轴2的一端活动连接。

优选地，环形凸台13的顶端外侧面上还设有卡口131，卡口131为相对设置的两个平面，便于环形凸台13进行拆卸，进而与钻身11分离。

优选地，钻身11上设有刻度14线，便于准确控制钻取深度。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，环形凸台13通过底端外侧壁与钻身11螺纹连接，环形凸台13通过顶端的螺纹孔与通气联轴2螺纹连接。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，通气联轴2为包括细轴段21和粗轴段22的阶梯轴，细轴段21外侧与环形凸台13顶端内侧壁螺纹连接，通气联轴2的粗轴段22连接取芯机的电机传动轴，取芯机带动钻孔取芯装置旋转，完成钻取工作。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，取芯机为室内立式取芯机，为本领域技术的常用装置，取芯机的电机传动轴连接通气联轴2，驱动钻孔取芯装置进行软岩8的钻孔取芯。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，通气联轴2内的空心内腔25在位于细轴段21的端部开口，低温气体从空心内腔25流入钻孔取芯钻头1。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，低温供气系统4包括气泵41、低温气体储存罐42、第一阀门43、第二阀门44、流速监控器45、温度监控器46和进气接头47；

第二阀门44的一端与气泵41连接，另一端与温度监控器46的一端连接，且在第二阀门44和气泵41之间还设置有第一阀门43，第一阀门43的一端连接在第二阀门44和气泵41之间的管道上，第一阀门43的另一端连接低温气体储存罐42，用于控制低温气体储存罐42的启闭和流速；在第二阀门44与和温度监控器46之间还设置有流速监控器45，温度监控器46和流速监控器45用于显示进入钻孔取芯装置内的低温气体的温度和流速；温度监控器46的另一端连接进气接头47。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，流速监控器45为流速表，温度监控器46为电显温度表。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，第一阀门43和第二阀门44均为球形阀门。

在本实用新型的具体实施例中，优选的，钻齿12在钻身11端面呈弧形叶片状排布，多个钻齿12在钻身11的端部呈外高内低状排布，钻齿12的一端的设置位置低于钻齿12的另一端即钻齿12朝向钻身11轴心的一端低于钻齿12远离钻身11轴心的一端，外高内低状设计的钻齿12和水平线的夹角为5～10°(比如5°、6°、7°、7.5°、8°、8.5°、9°、10°)在切削软岩8时一方面能够提供较大切削力，便于轴向和端面进给，减少软岩8所受的扭矩，另一方面也有利于岩屑的排出。在本实用新型的具体实施例中，优选地，通气联轴2的粗轴段22上设有第一密封槽23，第一腔体31内侧壁面上设有第二密封槽34，密封圈5卡设在第一密封槽23和第二密封槽34内，实现通气联轴2和密封套3的相对转动，在通气联轴2在电机电动下转动过程中，密封圈5保持静止，便于低温气体通入第一进气孔24。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，第一密封槽23和第二密封槽34均有两个，两个第二密封槽34分别设置在第二腔体32的端面两侧，第二密封槽34和第一密封槽23对应设置，通过两个密封圈5分别将第一密封槽23和第二密封槽34实现紧密连接，使得密封套3在通气联轴2上形成很好的轴向固定和低温气体的密封，防止密封套3轴向滑脱，同时防止低温气体从连接处泄漏，低温气体在进入通气联轴2的第二腔体32后，从第一进气孔24全部进入钻孔取芯钻头1内，当然在其他实施例中，第一密封槽23和第二密封槽34也可以为其他数量，例如三、四、五等其他数量，相应的密封圈5也是三、四、五等其他数量。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，钻齿12为异形金刚石钻齿12，金刚石磨料硬度高，用于提供较大的切削力，实现快速端面和轴向进给切削。

为了更清楚的理解本实用新型的钻孔取芯装置的结构，本实用新型的具体实施例还提供了一种用于弱胶结软岩的钻孔取芯方法，包括以下步骤：

步骤1，钻孔取芯装置的组装：

首先将密封套3通过第一腔体31套入通气联轴2，通过密封圈5卡设在第一密封槽23和第二密封槽34上，使密封套3与通气联轴2紧密固定，同时使得通气联轴2上的第一进气孔24位于密封套3的第二腔体32内，然后将通气联轴2与取芯机的电机传动轴连接，通过焊接方式将通气联轴2和电机传动轴连接起来，在其他实施例中也可以通过螺纹连接的方式实现连接，其次将钻孔取芯钻头1拧于通气联轴2上，通过环形凸台13将钻孔取芯钻头1和通气联轴2螺纹连接，然后低温供气系统4接入到密封套3的第二进气孔33，最后将需要加工的弱胶结软岩8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41，然后观察流速监控器45，调节第二阀门44，使气体速度达到合适值；再观察温度监控器46，调节第一阀门43，使气体温度处于合适值；在调节温度时，控制温度监控器46的温度在0～5℃(比如0.3℃、0.5℃、0.8℃、1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、3.5℃、4.5℃)，高于软岩8的结冰温度；当岩屑排出较慢时，适当调节第二阀门44，提高气体流速。

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1进行端面切削和轴向进给，然后实时观察排渣情况，当排渣速度较慢时，需调节第二阀门44，增大气体流速，当钻孔取芯钻头1温度较高时，调节第一阀门43，降低气体温度，一般随着轴向钻取深度的增大，需要增大气体速度并降低气体温度，但是，为了防止岩石出现冻结，气体温度一般不低于岩石的结冰温度；

取芯过程中，低温气体通过第二进气孔33进入第二腔体32，再由第一进气孔24进入钻孔取芯钻头1内部，由岩芯与钻孔取芯钻头1内间隙7进入钻齿12之间的间距，最后通过岩芯与钻孔取芯钻头1外间隙6带着岩屑排出，同时实现了钻齿12的降温和排渣，取芯过程中，钻头与岩石仅在钻齿12处接触，极大的降低了取芯过程中岩芯所受的扭矩。

步骤4，岩芯的取出：

当钻孔取芯钻头1端部接近软岩8底部时，先少量提升钻孔取芯钻头1，再关闭取芯机电机，然后关闭低温供气系统4；将钻身11与环形凸台13拧开，轻敲岩石并轻晃钻身11使岩芯底端与岩石脱离，取出岩芯密封包装；

少量提升钻头的目的在于为岩芯的脱离提供空间，钻到底部后停机拆钻可以保证取芯过程中钻孔取芯钻头1对软岩8仅进行一次切削，从而降低了因提钻过程中导致的岩芯扭断；由于钻身11与环形凸台13是可拆卸的，当遇到岩芯断于钻头内时可以拆卸取出，提高的装置的适用性。

在本实用新型的具体实施例中，优选地，密封套3外增加悬挂固定装置，将密封套3与取芯机进行更好的固定。

综上所述，本实用新型通过异型金刚石钻齿12设计，钻取过程中，使得岩芯与钻身11内壁，以及钻身11与软岩8外壁之间留有间隙，解决了因软岩8遇水后强度降低、钻取过程中岩芯与钻孔取芯钻头1内壁完全接触，排渣的空间小，并且岩芯受到叠加的扭矩和由于软岩8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而导致的弱胶结软岩8取芯成功率极低的技术问题。

如图13所示，为本实用新型的弱胶结软岩8钻孔取芯装置工作示意图，异形金刚石钻齿12均深入到钻身11内侧壁并凸出于钻身11内侧壁面和钻身11外侧壁面，钻孔取芯钻头1在钻取过程中，钻齿12内外壁切削，其软岩8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；由于异性钻齿12的设计，使得切削后的岩芯与钻身11内壁之间留有内间隙7，钻身11外壁与软岩8之间留有外间隙6，形成较大的排渣空间，并且通过低温气体的循环流动，为排渣提供了动力；

在使用时，首先通过调节第一球形阀门和第二球形阀门来调节低温供气系统4，达到合适的气体温度和流速，进气接头47与第二进气孔33紧密连通，低温气体通过第二进气孔33进入密封套3的第二腔体32，此时第一进气孔24位于第二腔体32内，工作时，低温气体随之进入旋转着的通气联轴2的第一进气孔24，然后通过通气联轴2的空心内腔25进入钻身11，从岩芯与钻孔取芯钻头1的内间隙7进入钻齿12之间的间距空隙，最后通过钻身11外壁与软岩8之间的外间隙6带着岩屑排出，依靠低温气体循环流动提供的动力，同时实现了钻齿12的降温与排渣。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。