一种内置麻花钻杆钻孔快速取样装置及取样方法

1.本发明涉及一种取样装置，具体是一种内置麻花钻杆钻孔快速取样装置及取样方法，属于地质勘探及煤矿安全技术领域。


背景技术：

2.随着煤矿开采深度的增加，安全开采、技术开采难度也相应增大，开采前获得煤层瓦斯含量的数据，掌握煤层瓦斯赋存规律，是保障煤层安全开采、技术开采的关键。目前，瓦斯含量的测定分为直接法和间接法，直接法就是井下获取煤样，进行瓦斯含量监测。关于煤样获取包括钻屑收集和直接取芯，其中直接取芯可以获得煤层深处的煤样，且煤样的瓦斯含量损失少，是较为常用的煤样获取方法。
3.关于煤层直接取芯方法，即借助取芯钻具向煤层中打钻孔，将取样点的煤样通过取芯钻具运输出来以实现取芯的目的。如何实现煤层快速取样是煤层瓦斯含量准确测量的关键。近年来，围绕着煤层快速取样，一些学者开展了一系列的研究，研发了许多取样方法和装备，主要有：
①
压风引射循环取样；
②
煤样管取样。压风引射循环取样是借助压风设备使取样钻具两端形成负压差，将煤样吸取出来，具有成本小、取样快的优势，但是压风引射对钻具气密性要求较高，在钻具气密差的条件下，风量损失严重，易出现取样量小的缺点；煤样管取样，是在钻杆内部安装取样管进行取样，但现有的煤样管取芯技术取样时要起钻后再下取样钻头和煤样管，操作复杂，取样时间长。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种内置麻花钻杆钻孔快速取样装置及取样方法，在不依靠压风引射的条件下，针对常规钻孔深度0-150m内，能够实现不退钻、不换钻杆，连续多个采样点取出煤样，保障各个取样点煤样不混杂，实现煤样随钻随取，钻到哪取到哪的目的，可以最大限度缩短煤样暴露的时间，减少煤样的气量损失，提高取样的质量。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种内置麻花钻杆钻孔快速取样装置，包括整体安装在钻机上的外部钻杆，外部钻杆的内部均为中空结构，外部钻杆设置为至少一个，在外部钻杆的前端设置外部螺纹公接头，并通过外部螺纹公接头与内部为中空结构的取芯钻头的尾端相连接，在钻杆的尾端设置外部螺纹母接头，并通过外部螺纹母接头与环形气尾相连接，相邻外部钻杆之间通过外部螺纹公接头外部螺纹母接头适配连接；
6.还包括空心轴马达和至少一个内部钻杆；在取芯钻头内部设置有取芯孔；在每个外部钻杆内腔的前后两端均设置有十字形支架，十字形支架均与环形轴承相连接；每个内部钻杆两端分别设置有内部螺纹公接头和内部螺纹母接头，并通过内部螺纹公接头和内部螺纹母接头与相邻的内部钻杆适配连接；内部钻杆依次嵌套在环形轴承的内圈上；在内部钻杆外部除前后两端1/3的区域均设置麻花螺纹，其中一端无麻花螺纹的光滑区域记为δl；所述环形轴承的位置与内部钻杆上前后两端1/3处光滑区域的中心位置相对应，内部钻杆前后两端的光滑区能够在环形轴承上旋转并前后移动；
7.所述环形气尾通过气水管路与供气泵连通；所述空心轴马达侧壁设置有电源接头，并通过电源接头与外部电源连接，空心轴马达内部沿轴线处设置有传动杆，并通过传动杆与内部钻杆螺纹连接。
8.一种内置麻花钻杆钻孔快速取样方法，包括以下步骤：
9.s1、正常钻进过程：
10.启动钻机，外部钻杆旋转钻进，开启供气泵，气流通过环形气尾流入外部钻杆内腔，经取芯钻头流出；
11.s2、取样步骤：
12.①
当取芯钻头钻进至取样点a时，保持外部钻杆旋转，启动空心轴马达，内部钻杆开始旋转并向前移动距离δl，达到取样量时控制内部钻杆后移距离2δl使孔内煤渣向外大量排出外部钻杆的内腔，该取样量由取芯孔处设置的电子秤称量确定；取样结束后，内部钻杆退至原来位置，关闭空心轴马达，标记取样品为a#；
13.②
当取芯钻头钻进至取样点b时，保持外部钻杆旋转，启动空心轴马达，内部钻杆开始旋转并向前移动距离δl，达到取样量时控制内部钻杆后移距离2δl使孔内煤渣向外大量排出外部钻杆的内腔，该取样量由取芯孔处设置的电子秤称量确定；取样结束后，内部钻杆退至原来位置，关闭空心轴马达，标记取样品为b#；
14.③
重复上述步骤
①
和
②
，直至取样结束；
15.s3、取样结束：
16.关闭空心轴马达，关闭供气泵，关闭钻机，停止钻进，停止取样。
17.本发明的内部钻杆截面最大直径d
麻max
、环形气尾出风口截面风流速度v
进
以及外部钻杆内腔两端高度差值δh与外部钻杆内腔两端风流压力δp满足关系为：
18.取芯钻头端部截面风速v
出
如公式(1)：
[0019][0020]
式中：d
内
为外部钻杆的内腔直径，m；
[0021]
a为麻花钻杆直径修正因子；
[0022]
b为风流在外部钻杆内腔流动风量损失修正因子；
[0023]
取芯钻头端部截面动压p
出
如公式(2)：
[0024][0025]
式中：ρ为井下空气密度，kg/m3；
[0026]
外部钻杆尾端环形气尾出风口截面动压p
进
如公式(3)：
[0027]
p
进
＝0.5ρv
进2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0028]
式中：v
进
为环形气尾出风口截面风流速度，m/s；
[0029]
外部钻杆内腔两端风压差δp满足公式(4)：
[0030]
[0031]
为保证取样时取芯钻头供风量bq
供
和外部钻杆内腔截面直径d
内
不变的情况下，合理的设置内部钻杆截面最大直径d
麻max
、环形气尾出风口截面风流速度v
进
以及外部钻杆内腔两端高度差值δh，保证外部钻杆内腔两端风压差δp小于等于p0时，煤样可以顺利传输出来，其需满足公式(5)：
[0032][0033]
式中：p0为外部钻杆内腔两端允许最大风压差，pa。
[0034]
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
[0035]
1、本发明在外部钻杆内腔设置了内部钻杆，并在内部钻杆外部除前后两端1/3的区域均设置麻花螺纹，其中一端无麻花螺纹的光滑区域记为δl；所述环形轴承的位置与内部钻杆上前后两端1/3处光滑区域的中心位置相对应，内部钻杆前后两端的光滑区能够在环形轴承上旋转并前后移动，实现煤样的获取和传输，该取样装置原理简单，操作方便，无需依靠压风引射技术，传输动力大，取样量多，达到了煤样随取随钻的目的。
[0036]
2、本发明通过设计内部钻杆截面最大直径，更改内部麻花钻杆直径和环形气尾出风口风流流速参数，调节外部钻杆内部的负压环境，减少取样过程中气压阻力对内部麻花钻杆传输煤样的影响，实现煤层快速取样。
[0037]
3、本发明的取样方法能够在不退钻、不换杆的条件下，连续多点快速取样，且各取样点煤渣不相混合，实现煤样随钻随取，钻到哪取到哪的目的，可以最大限度缩短煤样暴露的时间，减少煤样的气量损失，提高取样的质量，值得推广。
附图说明
[0038]
图1为本发明的麻花钻杆取样时的结构示意图一；
[0039]
图2为本发明的麻花钻杆取样时的结构示意图二；
[0040]
图3为本发明的麻花钻杆取样时的结构示意图三；
[0041]
图4为本发明的麻花钻杆取样时的结构示意图四；
[0042]
图5为本发明的麻花钻杆的结构示意图；
[0043]
图6为本发明的十字形支架的结构示意图。
[0044]
图中：1、取芯钻头，2、外部钻杆，2.1、外部螺纹公接头，2.2、外部螺纹母接头，2.3、十字形支架，2.4、环形轴承，3、内部钻杆，3.1、麻花螺纹，3.2、内部螺纹公接头，3.3、内部螺纹母接头，4、空心轴马达，4.1、电源接头，4.2、传动杆，5、供气泵，6、钻机，7、取芯孔，8、气水管路，10、环形气尾，11、外部电源。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图对本发明做进一步说明，在本发明的描述中，需要说明的是，文中提到的“尾端”是指某零件或装置按照正确的连接方向，距离取芯钻头远的一端称为“尾端”；文中提到的“向前移动”是指向取芯钻头的方向移动，“向后移动”是指与“向前移动”相反的方向移动。
[0046]
如图1-图6所示，一种内置麻花钻杆钻孔快速取样装置，包括整体安装在钻机6上
的外部钻杆2，外部钻杆2的内部均为中空结构，外部钻杆2设置为至少一个，在外部钻杆2的前端设置外部螺纹公接头2.1，并通过外部螺纹公接头2.1与内部为中空结构的取芯钻头1的尾端相连接，在外部钻杆2的尾端设置外部螺纹母接头2.2，并通过外部螺纹母接头2.2与环形气尾10相连接，相邻外部钻杆2之间通过外部螺纹公接头2.1、外部螺纹母接头2.2适配连接；
[0047]
还包括空心轴马达4和至少一个内部钻杆3；在取芯钻头1内部设置有取芯孔7；在每个外部钻杆2内腔的前后两端均设置有十字形支架2.3，十字形支架2.3均与环形轴承2.4相连接；每个内部钻杆3两端分别设置有内部螺纹公接头3.2和内部螺纹母接头3.3，并通过内部螺纹公接头3.2和内部螺纹母接头3.3与相邻的内部钻杆3适配连接；内部钻杆3依次嵌套在环形轴承2.4的内圈上；在内部钻杆3外部除前后两端1/3的区域均设置麻花螺纹3.1，其中一端无麻花螺纹的光滑区域记为δl；所述环形轴承2.4的位置与内部钻杆3上前后两端1/3处光滑区域的中心位置相对应，内部钻杆3前后两端的光滑区能够在环形轴承2.4上旋转并前后移动；
[0048]
所述环形气尾10通过气水管路8与供气泵5连通；所述空心轴马达4侧壁设置有电源接头4.1，并通过电源接头4.1与外部电源11连接，空心轴马达4内部沿轴线处设置有传动杆4.2，并通过传动杆4.2与内部钻杆3螺纹连接。
[0049]
一种内置麻花钻杆钻孔快速取样方法，包括以下步骤：
[0050]
s1、正常钻进过程：
[0051]
启动钻机6，钻机6控制外部钻杆2旋转钻进，开启供气泵5，气流通过环形气尾10流入外部钻杆2内腔，经取芯钻头1流出；
[0052]
s2、取样步骤：
[0053]
①
当取芯钻头1钻进至取样点a时，钻机6保持外部钻杆2旋转，启动空心轴马达4，钻机6控制内部钻杆3开始旋转并向前移动距离δl，达到取样量时钻机6控制内部钻杆3后移距离2δl使孔内煤渣向外大量排出外部钻杆2的内腔，该取样量由取芯孔7处设置的电子秤称量确定；取样结束后，钻机6控制内部钻杆3退至原来位置，关闭空心轴马达4，标记取样品为a#；
[0054]
②
当取芯钻头1钻进至取样点b时，钻机6保持外部钻杆2旋转，启动空心轴马达4，钻机6控制内部钻杆3开始旋转并向前移动距离δl，达到取样量时钻机6控制内部钻杆3后移距离2δl使孔内煤渣向外大量排出外部钻杆2的内腔，该取样量由取芯孔7处设置的电子秤称量确定；取样结束后，钻机6控制内部钻杆3退至原来位置，关闭空心轴马达4，标记取样品为b#；
[0055]
③
重复上述步骤
①
和
②
，直至取样结束；
[0056]
s3、取样结束：
[0057]
关闭空心轴马达4，关闭供气泵5，关闭钻机6，停止钻进，停止取样。
[0058]
本发明内部钻杆3截面最大直径d
麻max
、环形气尾10出风口截面风流速度v
进
以及外部钻杆2内腔两端高度差值δh与外部钻杆2内腔两端风流压力δp满足关系为：
[0059]
取芯钻头1端部截面风速v
出
如公式(1)：
[0060]
[0061]
式中：d
内
为外部钻杆的内腔直径，m；
[0062]
a为麻花内部钻杆直径修正因子；
[0063]
b为风流在外部钻杆内腔流动风量损失修正因子；
[0064]
考虑到内部钻杆3各个位置截面直径d
麻
并不统一，此处统一将内部钻杆3截面最大直径d
麻max
表示内部钻杆3截面直径d
麻
，且引入直径修正因子a进行修正；外部钻杆内腔各个部位截面直径一致为d
内
；
[0065]
取芯钻头1端部截面动压p
出
如公式(2)：
[0066][0067]
式中：ρ为井下空气密度，kg/m3；
[0068]
外部钻杆2尾端的环形气尾10出风口截面动压p
进
如公式(3)：
[0069]
p
进
＝0.5ρv
进2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0070]
式中：v
进
为环形气尾出风口截面风流速度，m/s，其值由操作时实际检测得出；
[0071]
外部钻杆2内腔两端风压差δp满足公式(4)：
[0072][0073]
为保证取样时取芯钻头1的供风量bq
供
和外部钻杆2内腔截面直径d
内
不变的情况下，合理的设置内部钻杆3截面最大直径d
麻max
、环形气尾10出风口截面风流速度v
进
以及外部钻杆2内腔两端高度差值δh，保证外部钻杆2内腔两端风压差δp小于等于p0时，煤样可以顺利传输出来，其需满足公式(5)：
[0074][0075]
式中：p0为外部钻杆内腔两端允许最大风压差，pa，其值由实际井下实验得出。
[0076]
实施例
[0077]
①
供气泵5向环形气尾10的供气量q
供
为5l/min，外部气流经环形气尾10进入外部钻杆2的内腔，流动风量损失修正因子b值取0.8，取芯钻杆截面出气量q
出
为200l/min，麻花内部钻杆3最大截面直径d
麻max
为10cm，外部钻杆2的内腔直径d
内
为12cm，麻花内部钻杆直径修正因子a取0.75，经计算取芯钻头端部截面风速v
出
为样孔截面的气流流速约为4.9
×
103m/min，外部钻杆内腔气压差δp约为0.5mpa小于p0为0.65mpa，在上述参数条件下煤样可以进行运输，且向取芯钻头1的供气量满足散热要求；
[0078]
②
钻机6钻至a点时，启动空心轴马达4，启动供气泵5，钻机6控制内部钻杆3开始旋转并向前移动，移动0.4m时停止向前移动，开始取样，达到取样量时，内部钻杆3开始向后，钻机6控制其移动0.8m时停止向后移动，煤样经外部钻杆2的尾端排出，经2min钟后，a点取样结束，标记取样品为a#，取样量a#为10kg，钻机6控制内部钻杆3移动至原来位置，关闭空心轴马达4；钻机6钻至b点时，启动空心轴马达4，启动供气泵5，钻机6控制内部钻杆3开始旋转并向前移动，移动0.4m时停止向前移动，开始取样，达到取样量时，内部钻杆3开始向后，钻机6控制其移动0.8m时停止向后移动，煤样经外部钻杆2的尾端排出，经1.5min钟后，a点
取样结束，标记取样品为b#，取样量b#为5kg，钻机6控制内部钻杆3移动至原来位置，关闭空心轴马达4；
[0079]
③
冲寻上述步骤，经30min取样结束，关闭空心轴马达4，关闭供气泵5，退回钻具，关闭钻机6，停止钻进，停止取样。