一种取样钻具的制作方法

本发明涉及地质勘探技术领域，特别涉及一种用于硬质地层条件下勘探取样的取样钻具。

背景技术：

由于资源勘探以及科研的需求，在不同地层条件下的取样作业日益上升。

对于地质勘探中的地层的取样过程，常规取样方式是采用机械加压方式对钻杆施加压力，使得取样钻具压入地层后再对地层区域进行取样。

发明人发现，常规的机械加压方式取样钻具对于软硬地层或者硬质地层来说，容易造成钻杆的弯曲甚至折断现象，不仅会减缓钻进的速度，而且容易造成钻孔地层的塌陷，不利于取样的顺利进行。另外，常规的取样钻具通常需要配备大功率的电机来驱动，提供较大钻压，取样成本相应地增高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种取样钻具，其具有驱动功率低、能耗低和钻进效率高的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种取样钻具，包括由电机带动旋转的基体、设置于基体内的钻头和取样装置，其特征在于：还包括设置于所述基体内的：

驱动机构，驱动机构可流通钻进液，驱动机构包括动力装置，动力装置包括由钻进液驱动带动转动的定子和转子；

第一钻进机构，包括转动轴和撞击轴，转动轴由动力装置驱动转动，撞击轴利用弹性件连接在转动轴上能够沿基体的中心轴向方向往复移动；

第二钻进机构，安装在基体上，且钻头和取样装置连接于第二钻进机构上；

冲击机构，包括第一连接件和第二连接件，所述第一连接件可拆卸地连接于所述第一钻进机构的撞击轴上，所述第二连接件连接于所述基体上，第一连接件随撞击轴轴向移动撞击第二钻进机构且利用弹性件往复。

通过采用上述技术方案，驱动机构能够在钻进液的液压作用下转动，可为取样钻具提供部分动力源；驱动机构带动第一钻进机构转动，第一钻进机构进而通过冲击机构的配合往复撞击连接有钻头的第二钻进机构，使得第二钻进机构受到高频次的冲击，该冲击力传递到钻头后利于钻头高效率地钻进岩层，使钻头所需的外力钻压得到有效降低，不仅能够降低钻杆的受力防止钻杆因过大钻压而发生疲劳破坏，同时减少了大功率电机的使用，有效降低了成本。

进一步设置：所述动力装置具有可流通钻进液的流道；所述转动轴具有第一流动空腔，所述撞击轴设置于第一流动空腔内，所述撞击轴与所述转动轴之间具流动间隙；所述撞击轴具有第二流动空腔；

所述流道、所述第一流动空腔和所述第二流动空腔依次连通，所述流道、所述第一流动空腔、所述第二流动空腔和所述流动间隙共同构成驱动流道。

通过采用上述技术方案，驱动流道既可以实现钻进液能够顺利的流向钻头一侧，为动力装置提供动力，进而使得动力装置的定子和转子产生旋转动作，为取样钻具提供部分动力源，降低总功率。

进一步设置：所述撞击轴与所述转动轴沿所述基体的中心轴线方向交错间隔设置。

通过采用上述技术方案，使得撞击轴能够沿基体的中心轴线方向往复移动。

进一步设置：所述第二钻进机构具有活动空腔，所述取样装置通过弹性活塞连接于所述活动空腔内。

通过采用上述技术方案，取样装置连接在活动空腔内，被隐藏于基体内侧，避免取样装置受影响。

进一步设置：所述活动空腔与驱动流道连通，所述活动空腔与所述钻头连通。

通过采用上述技术方案，确保了钻进液能输送装置钻头一侧。

进一步设置：所述转动轴通过轴承连接于所述基体；所述定子连接于所述转动轴，所述转子连接于所述定子。

通过采用上述技术方案，钻进液的流动带动转子转动，转子与定子具有联动关系，由转动联动定子转动，定子连接于转动轴，最后联动转动轴转动。

进一步设置：所述转子为涡轮转子，所述定子为涡轮定子。

进一步设置：所述基体包括依次连通的第一壳体、第二壳体和第三壳体，第一壳体、第二壳体和第三壳体依次通过螺纹配合连接。

通过采用上述技术方案，分段设置使得基体内的驱动机构、第一钻进机构和第二钻进机构及冲击机构的空间布置更为合理，方便各机构的拆装。

进一步设置：所述第二钻进机构与第三壳体之间还设置有定位块，定位块与第三壳体之间设置有密封圈。

通过采用上述技术方案，密封圈能够防止钻进液的泄漏。

进一步设置：所述第二钻进机构与第三壳体之间且位于定位块的下端设置有氟橡胶，氟橡胶紧密贴合定位块、第二钻进机构的外壁以及第三壳体的内壁。

通过采用上述技术方案，氟橡胶能够缓冲第二钻进机构与壳体之间的摩擦，进而保护取样装置免受较大冲击力的冲击。

综上所述，本发明具有以下有益效果：能够提供液压旋转冲击以及轴向冲击，便于钻头的快速钻进，有效提高了取样作业的工作效率。同时钻进液能够驱动第一钻进机构运动，从而提供额外的动力，使得所需电机的功率得到相应的减小，有效降低了取样成本。取样装置弹性连接于活动空腔内，有效避免了较大冲击力的干扰，使得取样作业顺利进行。

附图说明

图1是取样钻具的结构示意图；

图2是第一连接件在第一视角下的结构示意图；

图3是第一连接件在第二视角下的结构示意图；

图4是第二连接件在第一视角下的结构示意图；

图5是第二连接件在第二视角下的结构示意图。

图中，10、取样钻具；20、基体；22、第一壳体；24、第二壳体；26、第三壳体；30、取样装置；40、钻头；

100、驱动机构；130、动力装置；102、流道；103、定位台肩；110、转子；120、定子；

200、第一钻进机构；210、转动轴；220、撞击轴；212、第一流动空腔；222、第二流动空腔；231、第一通孔；232、第二通孔；233、流动间隙；234、连通孔；

300、第二钻进机构；301、导流孔；302、活动空腔；303、斜孔；

50、冲击机构；501、第一连接件；502、第二连接件；400、定位块；500、氟橡胶；600、弹性活塞；601、流孔；70、轴承；80、密封圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

第一种实施方式：

一种取样钻具，如图1所示，取样钻具10包括钻头40、基体20以及设置在基体20内的取样装置30、驱动机构100、第一钻进机构200、第二钻进机构300和冲击机构50。

基体20包括依次连通的第一壳体22、第二壳体24和第三壳体26，第一壳体22、第二壳体24和第三壳体26依次通过螺纹配合连接。第一壳体22上端外壁攻有外螺纹，利用第一壳体22的上部外接钻进电机，第三壳体26下端攻有内螺纹，钻头安装在第三壳体26的下端。

需要说明的是，在本实施例中，基体20由依次连接的第一壳体22、第二壳体24和第三壳体26组成的结构形式均为对本实施例的优选结构，并不限定基体20的具体形式，在其他具体实施方式中，基体20也可仅由一个壳体组成或者由两个或多个壳体组成。

驱动机构100包括动力装置130，动力装置130包括转子110和定子120，其中转子为涡轮转子，定子为涡轮定子。第一壳体22上端部分的内壁设有定位台肩103，涡轮转子与涡轮定子的叶片反装后抵靠在第一壳体22内的定位台肩103上。涡轮定子和涡轮转子之间具有流道102，钻进液从第一壳体22的上端开口处流入取样钻具10，从第一壳体22上端流入的钻进液流入流道102中，涡轮转子可在钻进液的驱动下带动涡轮定子旋转。

本实施例中，涡轮转子与涡轮定子的数量为多个，多个涡轮转子和多个涡轮定子构成涡轮装置，需要说明的是，本发明并不限定涡轮装置的涡轮定子和涡轮转子的数量，即涡轮级数，在其他具体实施方式中，涡轮级数可以为多级。

第一钻进机构200包括转动轴210和撞击轴220。转动轴210的上端部分通过螺栓和螺母配合固定在涡轮定子上，从而将涡轮转子与涡轮定子抵靠于定位台肩103后固定在第一壳体22上。转动轴210下端部分通过轴承700活动连接于第二壳体24。转动轴210的轴心具有第一流动空腔212，转动轴210的下端周壁开设有第一通孔231，第一流动空腔212、第一通孔231和流道102连通。

本实施例中，轴承700的数量为四个，沿基体20的轴线方向布置。轴承700用于缓冲转动轴210和第二壳体24之间的摩擦，需要说明的是，本发明并不限定轴承700的具体数量，在其他具体实施方式中，轴承700的数量也可为一个或多个。

撞击轴220设置于第一流动空腔212内，撞击轴220上端通过弹性件连接于转动轴210在第一流动空腔212上端的内壁上。弹性件为弹簧。撞击轴220与转动轴210之间具有流动间隙233，撞击轴220在第一流动空腔212内的部分与转动轴210在沿基体20的中心轴线方向交错间隔设置，配合弹簧连接，使得撞击轴220能够沿基体20的中心轴线方向往复移动，撞击轴220的下端穿过第一流动空腔212后置于第三壳体26内。

撞击轴220的轴心具有第二流动空腔222，第二流动空腔222和第一流动空腔212连通，撞击轴220的上端周壁开设有第二通孔232，撞击轴220的下端开设有连通孔234。流道102、第一通孔231、第一流动空腔212、第二流动空腔222、第二通孔232和流动间隙233共同构成驱动流道102，驱动流道102与第三壳体26连通。

第二钻进机构300设置于第三壳体26内，第二钻进机构300为上端圆锥体、下端梯形筒体的结构，第二钻进机构300上端端面为水平面，上端端面开设有导流孔301和与流动间隙233连通的斜孔303，上端端面与撞击轴220的下端端面大小一致。

第二钻进机构300具有活动空腔302，活动空腔302包括上端圆锥体内开设的空腔以及下端梯形筒体内的空腔，取样装置30上端通过弹性活塞600连接于第二钻进机构300下端梯形筒体内的内壁，取样装置30下端通过弹性活塞600抵靠于钻头40，其中上端的弹性活塞600径向具有流孔601，取样装置30可以是取样管或者取样盒。活动空腔302上端部分与驱动流道102连通，活动空腔302下端部分与钻头40连通。

第二钻进机构300下端外壁攻有外螺纹，第二钻进机构300通过螺纹配合可拆卸地连接于第三壳体26的下端。

第二钻进机构300的梯形筒体内与第三壳体26之间还设置有定位块400，定位块400与第三壳体26之间设置有密封圈800，密封圈800能够防止钻进液的泄漏。

第二钻进机构300的梯形筒体内与第三壳体26之间且位于定位块400的下端设置有氟橡胶500，氟橡胶500设有开口，氟橡胶500紧密贴合定位块400、梯形筒体的外壁以及第三壳体26的内壁，氟橡胶500能够缓冲第二钻进机构300与壳体之间的摩擦，进而保护取样装置30免受较大冲击力的冲击。

如图1至图5所示，冲击机构包括第一连接件400和第二连接件500，其中第一连接件400为上凸轮，第二连接件500为下凸轮。第一连接件501与第二连接件502是上下凸轮的运动配合结构，即可实现第一连接件501相对第二连接件502作往复直线运动。第二连接件502连接至第三壳体26上，第二钻进机构300固定在第三壳体26上。第一连接件501通过螺纹连接于撞击轴220的下端轴肩，撞击轴220通过弹簧连接于转动轴210，转动轴210固定在涡轮定子上。涡轮定子与涡轮转子由钻进液的流动带动转动轴210转动，转动轴210进而带动撞击轴220转动。由于第一连接件501连接于撞击轴220，从而使得撞击轴220既有来自涡轮的转动动力，又有来自第一连接件501与第二连接件502之间凸轮配合的冲击力，撞击轴220能够往复撞击第二钻进机构300的上端面，提供高频次的旋转冲击作用。

具体地，使用时，第一壳体22上端连接钻进电机，取样钻具10在钻进电机的驱动下带动钻头40钻进，同时通过液泵将钻进液由第一壳体22流入，钻进液依次流过驱动流道102和活动空腔302，最后由钻头40的钻眼流出。涡轮转子能够在钻进液的液压作用下转动，进而带动涡轮定子转动，可为取样钻具10提供部分动力源，使得钻进电机的使用功率可以设置较小即可满足工况要求；涡轮定子带动转动轴210转动，转动轴210进而带动撞击轴220转动，与撞击轴220连接的第一连接件400通过与第二连接件500相互配合，使得撞击轴220能够往复撞击第二钻进机构300的上端端面，使得第二钻进机构300受到高频次的冲击，该冲击力传递到钻头40后使钻头40同时产生高频冲击力和旋转力，利于钻头40高效率地钻进岩层，降低钻杆的受力防止钻杆因过大钻压而发生疲劳破坏，同时减少了钻进时间，有效地提高了钻进效率，进而提高取样效率。

完成取样工作后，提出取样钻具10，旋开钻头40即可取下取样装置30。

另一种实施方式：与第一种实施方式的不同之处在于，取样钻具10中的转子110为螺杆马达转子110，定子120为螺杆马达定子120。

上述的实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。