一种钻进、取样、实时测量的一体化钻具的制作方法

本实用新型涉及地质勘探、物探工程、太空钻取等领域，尤其涉及一种钻进、取样、实时测量的一体化钻具。

背景技术：

钻进、取样、实时测量的必要性和工程需求背景：

为查明地下岩土性质、结构构造、空间分布等内容的勘察工作，利用钻取设备和装置直接进入地下空间，在钻进过程中，通过采取岩土样品、孔壁断面测量等方法获取岩土的工程性质、地层特征和地质构造等信息。通过研究各地层的岩性特征、厚度及其横向变化情况，为确定天然状态下各层岩土的结构和性质，明确岩层的产状和风化带，断层破碎带的位置、宽度和性质，了解节理、裂隙发育程度及深度变化情况等提供资料和数据。

为了准确查明岩土的物理力学特性，在钻取过程中必须保持岩土的天然结构获取低扰动样品，为定量评价岩土工程问题提供技术指标。通过技术人员对地层岩样的分析，可以分析地层渗透率、孔隙度以及其它岩石物性等参数，获得地层的直接资料，为地质分析做基础。

钻进、取样、实时测量的现状和问题：

钻进不同地层时会遇到不同的问题，这对低扰动样品的获取提出了较高的要求，为明确地层特点，最好的方法是全孔取样，通过全孔岩心达到刻画地层分布特点的目标，但是全孔取样的成本高，难度大，遇到复杂的地层很容易导致取样失败，特别是对于太空钻取等特殊、苛刻环境下，无人取样难度极大，全孔无人取样很难实现，因此钻、取、测一体化的需求非常迫切。

目前还没有钻、取、测一体化技术和方法，工程中主要采用的技术是将钻和取设计为组合钻具的结构形式，在钻进的同时实现取样，具体流程是先用钻头实现取样孔的钻进的同时取样工具完成取样工作，然后起钻完成样品的取出，再对取出的样品进行实验、检测和分析，得出所需数据和部分岩层的产状和风化带，节理、裂隙发育程度等地层相关信息的获取。由此看出量测必须在钻取完成后，并且孔内的钻具也需要提取出来，取样获得的样品拿到地面才能进行分析，这种钻、取、测的方法整个过程周期长、成本高、准确性低，不能实现数据的实时获取，对于深度变化情况以及岩土的物理力学特性等信息不够完整和准确。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种集钻进、取样、实时测量为一体的钻具，能够同时满足孔内地层的地质分析和岩土的原位测试等工程问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种钻进、取样、实时测量的一体化钻具，包括取样管和同轴套设在取样管外的钻杆，钻杆端部设置有钻头，在钻杆靠近钻头的周面上设置有量测构件；

量测构件包括水平设置的固定定位座，沿固定定位座轴线开有台阶孔，所述台阶孔的台阶面朝向钻杆；固定定位座内穿设有量测滑动轴，量测滑动轴远离钻杆的一端安装有量测传感器，量测滑动轴另一端穿过钻杆侧壁伸入到钻杆与取样管之间的环空内；

量测滑动轴远离钻杆的一端向外延伸形成凸缘，固定定位座远离钻杆的一端开有供凸缘进出固定定位座的开口；在所述台阶孔的大圆孔内设置有弹簧定位座，所述弹簧定位座与台阶孔的大圆孔内壁螺纹配合，在量测滑动轴上套有弹簧，弹簧两端分别支撑在弹簧定位座和凸缘之间，通过调整弹簧定位座调节弹簧的预紧力；

在弹簧固定座量测滑动轴位于所述环空内的一端成型有端盖定位板，在端盖定位板和钻杆内壁之间设置卡止件，通过卡止件将端盖定位板限制在钻杆和取样管之间的环空内。

优选地，所述卡止件包括推杆和两根摆杆，在钻杆内壁对应设置有端盖定位板的上方开竖直的滑槽，端盖定位板的中心位于滑槽的中线上，滑槽内设置有滑动销轴；所述摆杆为弯杆，在滑槽高点的两侧下方各设置有一个支点轴，两根摆杆对称设置，通过摆杆的拐角套在支点轴上，两摆杆拐角以上的一端交叉设置于滑动销轴的下方；所述推杆从钻杆远离钻头的一端伸入到钻杆与取样管之间的环空内与滑动销轴连接；当滑动销轴位于滑槽高点时，两摆杆拐角以下的一段卡在端盖定位板和钻杆内壁之间；当滑动销轴从高点向低点运动过程中，滑动销轴下压两摆杆同时运动，两摆杆拐角以下的一端绕支点轴转动并在滑动销轴运动至滑槽低点或运动过程中摆至端盖定位板覆盖区域以外，量测滑动轴受弹簧弹力作用朝向钻杆外部运动，并将端盖定位板带入台阶孔的大圆孔内。

优选地，在所述凸缘周面上均布有至少三组弹簧压片，弹簧压片收缩在凸缘和供凸缘进出的开口之间的环形间隙内，弹簧压片的固定端位于凸缘靠近所述开口端面的位置，弹出端抵在远离凸缘靠近所述开口端面位置的开口内壁上。

优选地，端盖定位板与摆杆接触的配合面上沿摆杆的摆动扇面加工为斜面，斜面靠近端盖定位板的一边为低端。

优选地，所述摆杆与端盖定位板接触的一段套有滚动套。

优选地，端盖定位板最高点和最低点均设置有定位块，在台阶孔的大圆孔内对应开有定位槽。

优选地，对应弹簧压片的分布，在供凸缘进出的开口内壁上开有导向滑槽，当量测滑动轴相对固定定位座滑动时，弹簧压片在导向滑槽内同步运动。

优选地，所述钻头包括圆台状的基体，基体内成型有空心锥筒，在所述基体的锥面上开槽；在基体上均布多个切削具，切削具的下端超出钻头底面2～3mm，切削具的外缘超出基体最外缘；在基体上方与钻杆连接的部分设置的外螺旋槽。

优选地，所述定位槽内填塞有垫片，通过垫片调整定位块进入到定位槽的深度。

优选地，所述空心锥筒上端面上安装有滑动轴承，所述取样管通过滑动轴承设置在钻杆内部。

与现有技术相比，本实用新型实施例至少具有以下优点：

本实用新型提出的钻进、取样、实时测量一体化钻具，将量测构件组合在钻杆靠近钻头部分，当正常钻取时，量测构件不工作，随着钻头一起旋转保证钻进工作和取样工作的进行；当钻取完成后，量测构件弹出至孔壁，在向上提钻的同时，量测构件在孔壁上实时原位地进行测试或者数据获取，因此可以实现钻进、取样、实时测量一体化，效率高、准确性好、周期短，成本低。并具有包括如下优点：

(1)可以在钻取过程中直接观察地层状况，效率高，范围广，准确度高。

(2)可以进行孔中摄影及摄像，实时、清晰地反映孔中状态。

(3)可以进行各种原位测试，如载荷试验、划痕实验、岩体动弹性模量、泊松比、地应力量测等沿途物理力学性质试验。

(4)测定各层岩土的结构和性质及其厚度变化。

(5)了解隐蔽的地质界限、界面或异常点。

(6)实时进行原位测试和监测工作，极大提高了工作效率和可靠性。

(7)可以实现苛刻条件下无人采样的孔内数据原位低扰动的获取要求，为实时在线分析深空环境和矿物成分提供可靠技术方法。

附图说明

图1为本实用新型钻进、取样、实时测量的一体化钻具的结构示意图；

图2为展示量测滑动轴收缩在固定定位座内的结构示意图；

图3为展示量测滑动轴伸出固定定位座的结构示意图；

图4为本实用新型钻进、取样、实时测量的一体化钻具的仰视图；

图5为卡止件与端盖定位板的配合关系示意图；

图6为卡止件解除与端盖定位板的配合关系示意图；

图7为固定定位座的结构示意图；

图8为图7的左视图；

图9为图7的右视图；

图10为端盖定位板的结构示意图；

图11为端盖定位板的俯视图；

图12为量测滑动轴设置有量测传感器一端的结构示意图；

图13为图2中a处局部放大图；

图14为图3中b处局部放大图。

附图标记；1、钻头；2、钻杆；3、取样管；4、外螺旋槽；5、切削具；6、固定定位座；7、量测滑动轴；8、量测传感器；9、凸缘；10、弹簧定位座；11、弹簧；12、端盖定位板；13、推杆；14、摆杆；15、滑槽；16、滑动销轴；17、支点轴；18、弹簧压片；19、斜面；20、滚动套；21、定位块；22、定位槽；23、导向滑槽；24、垫片；25、滑动轴承；26、弹簧压片；27、台阶孔。

具体实施方式

下面结合图1-14和实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种钻进、取样、实时测量的一体化钻具，包括取样管3和同轴套设在取样管3外的钻杆2，钻杆2端部设置有钻头1，在钻杆2靠近钻头1的周面上设置有量测构件；

量测构件包括水平设置的固定定位座6，沿固定定位座6轴线开有台阶孔27，所述台阶孔27的台阶面朝向钻杆2；固定定位座6内穿设有量测滑动轴7，量测滑动轴7远离钻杆2的一端安装有量测传感器8，量测滑动轴7另一端穿过钻杆2侧壁伸入到钻杆2与取样管3之间的环空内；

量测滑动轴7远离钻杆2的一端向外延伸形成凸缘9，固定定位座6远离钻杆2的一端开有供凸缘9进出固定定位座6的开口；在所述台阶孔27的大圆孔内设置有弹簧定位座10，所述弹簧定位座10与台阶孔27的大圆孔内壁螺纹配合，在量测滑动轴7上套有弹簧11，弹簧11两端分别支撑在弹簧定位座10和凸缘9之间，通过调整弹簧定位座10调节弹簧11的预紧力；

在弹簧11固定座量测滑动轴7位于所述环空内的一端成型有端盖定位板12，在端盖定位板12和钻杆2内壁之间设置卡止件，通过卡止件将端盖定位板12限制在钻杆2和取样管3之间的环空内。

所述卡止件包括推杆13和两根摆杆14，在钻杆2内壁对应设置有端盖定位板12的上方开竖直的滑槽15，端盖定位板12的中心位于滑槽15的中线上，滑槽15内设置有滑动销轴16；所述摆杆14为弯杆，在滑槽15高点的两侧下方各设置有一个支点轴17，两根摆杆14对称设置，通过摆杆14的拐角套在支点轴17上，两摆杆14拐角以上的一端交叉设置于滑动销轴16的下方；所述推杆13从钻杆2远离钻头1的一端伸入到钻杆2与取样管3之间的环空内与滑动销轴16连接；当滑动销轴16位于滑槽15高点时，两摆杆14拐角以下的一段卡在端盖定位板12和钻杆2内壁之间；当滑动销轴16从高点向低点运动过程中，滑动销轴16下压两摆杆14同时运动，两摆杆14拐角以下的一端绕支点轴17转动并在滑动销轴16运动至滑槽15低点或运动过程中摆至端盖定位板12覆盖区域以外，量测滑动轴7受弹簧11弹力作用朝向钻杆2外部运动，并将端盖定位板12带入台阶孔27的大圆孔内。

在所述凸缘9周面上均布有至少三组弹簧压片26，弹簧压片26收缩在凸缘9和供凸缘9进出的开口之间的环形间隙内，弹簧压片26的固定端位于凸缘9靠近所述开口端面的位置，弹出端抵在远离凸缘9靠近所述开口端面位置的开口内壁上。

端盖定位板12与摆杆14接触的配合面上沿摆杆14的摆动扇面加工为斜面19，斜面19靠近端盖定位板12的一边为低端。所述摆杆14与端盖定位板12接触的一段套有滚动套20。

斜面19利于滚动套20的在收回状态时的定位，限制了继续向圆心方向转动；当需要量测传感器8伸出时，滚动套20只需要克服斜面19的阻力向外滚动，即可实现滚动套20的移出和定位板的水平移动。

端盖定位板12最高点和最低点均设置有定位块21，在台阶孔27的大圆孔内对应开有定位槽22。定位槽22限制端盖定位板12只能向外沿轴向直线运动而不能摆动和转动。

对应弹簧压片26的分布，在供凸缘9进出的开口内壁上开有导向滑槽23，当量测滑动轴7相对固定定位座6滑动时，弹簧压片26在导向滑槽23内同步运动。导向滑槽23使弹簧压片26只沿导向滑槽23直线向外滑动，同时限制弹簧压片26的周向移动。

所述钻头1包括圆台状的基体，基体内成型有空心锥筒，在所述基体的锥面上开槽，利于孔底的岩屑排出；在基体上均布多个切削具5，切削具5与钻头1体焊接牢固，切削具5的下端超出钻头1底面2～3mm，保证切削具5顺利地切入岩石，切削具5的外缘超出基体最外缘，使钻头1体与孔壁存在间隙，保证排粉顺畅；在基体上方与钻杆2连接的部分设置的外螺旋槽4，主要用于排出孔内岩屑。

所述定位槽22内填塞有垫片24，通过垫片24调整定位块21进入到定位槽22的深度。当需要调整量测压力时，可在固定定位座6右端的台阶内放置调节垫片24，通过位移实现压力的调整；

当需要进行不同量测时，可以更换量测传感器8以实现数据、图像等的采集和传输。

所述空心锥筒上端面上安装有滑动轴承25，所述取样管3通过滑动轴承25设置在钻杆2内部。取样管3保持静止状态以实现岩土样品的低扰动或原位取样的要求，当钻头1旋转时，取样管3与钻头1由中间的滑动轴承25将运动隔离，同时滑动轴承25还能保证取样管3的轴心位置保持平直位置，取样样品沿钻头1内表面的锥面进入取样管3，利于取样。

实时测量原理：

当钻进时，量测传感器8通过量测滑动轴7和端盖定位板12收缩在固定定位座6里，固定定位座6与钻杆2紧密连接；弹簧11固定座上通过螺纹连接锁紧在固定定位座6里，弹簧11处于压紧状态；4个弹簧压片26也收缩在固定定位座6左端的槽内；此时滑动销轴16处于滑槽15上端，摆杆14位于端盖定位板12的斜面19最低端，将端盖定位板12固定住(不能水平移动和旋转)。

当钻进完成到达指定位置时，需要进行孔内量测或者图像传输时，向下压推杆13，推杆13作用在滑动销轴16上，滑动销轴16沿槽垂直向下移动，摆杆14绕支点轴17向外部旋转，摆杆14上的滚动套20沿端盖定位板12上的斜面19向外滚动至端盖定位板12外，这时端盖定位板12在弹簧11作用下进入到台阶孔27的大圆孔内，量测滑动轴7随之也向远离钻杆2的方向移动，进而将量测传感器8推出至固定定位座6外部，此时装在导向滑槽23内的4个弹簧压片26弹出支撑在固定定位座6的端面，完成量测传感器8的定位。从固定定位座6内伸出的两侧传感器的探头触及孔壁，通过在岩壁上的划痕实时在线测量压力、摩擦力、温度、位移等多种参数，为评定孔壁的物理力学参数提供准确数据。量测传感器8的探头可以以摄像头代替，进行实时影像传输。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。