一种局部反循环单层管快速取芯装置的制作方法

1.本实用新型属于工程地质勘察技术领域，具体涉及一种适用于破碎硬岩地层的局部反循环单层管快速取芯装置。


背景技术：

2.钻探仍然是工程地质勘察领域最重要的手段，利用钻探取芯判定地层状态，提供详实准确的地质资料，是地质钻探的最主要目的。当前，随着对工程勘察质量要求的不断提高，勘探地层也越来越复杂，勘探深度不断加大的同时，岩芯采取率要求也不断提高。钻进过程中，不可避免的会遇到松散破碎复杂地层，而如何提高松散破碎的复杂地层的岩芯采取率一直都是行业内关注的难点和重要工作，特别是破碎状态的硬质岩地层，钻探效率低，且采用常规单层管岩芯采取率极低，严重影响地质资料判别的准确性。
3.目前解决该类难题的主要方法是研究新型的取芯钻具或者取芯工艺，如专利cn208934628u公开了一种绳索打捞式投球憋压强制取心钻具，专利cn 105909202a公开了一种基于液压卡取岩心的取心钻具，专利cn 204476329 u）公开了一种基岩三重管取芯钻具。这些方法虽然在钻探现场应用时取得了一定的效果良好，但仍存在一定的不足：
4.1）结构复杂，操作步骤冗杂。复杂的钻具设计虽然减少了对岩芯的扰动，保证了采取率，但是对现场工人的要求也提出了高要求，必须经过专业化指导，才能掌握新型钻具的使用方法；同时多层管钻具的使用步骤繁琐，必然耗费大量的时间进行钻具的拆卸和安装。
5.2）研发周期长，加工成本高。钻探时并不确定地层是否会出现极破碎岩体，针对某一工点甚至某一钻孔专门研发配套的复杂结构设备，提高了钻探的生产成本，并且钻具的加工制造周期较长，会影响整体钻探工期。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本实用新型提供了一种局部反循环单层管快速取芯装置，保证了岩芯顺利进入钻具中，提高岩芯采取率，同时提高了硬岩地层的钻进效率。
7.为实现上述目的，本实用新型提供一种局部反循环单层管快速取芯装置，包括反作用冲击器和单层管钻具；
8.所述反作用冲击器和单层管钻具之间连接有至少一个接头；所述接头设有轴向通孔，其一端与所述反作用冲击器的轴向通道连通，另一端与单层管钻具的通孔连通；所述接头的轴向通孔内设有单向阀；所述接头内还设有径向通孔。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述反作用冲击器和单层管钻具之间设有依次连接的第一接头、第二接头以及第三接头，所述第一接头为冲击器接头，所述第二接头为排水接头，所述第三接头为钻具接头。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述第一接头与所述反作用冲击器连接，所述第三接头与所述单层管钻具连接。
11.作为本实用新型的进一步改进，所述反作用冲击器、第一接头、第二接头、第三接头及单层管钻具之间的连接方式均采用螺纹连接。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述第一接头、第二接头以及第三接头均设有对应的轴向通孔，三者轴向通孔连通形成轴向通道，且所述单向阀设于该轴向通孔内。
13.作为本实用新型的进一步改进，所述单层管钻具与接头连接处的通孔直径小于接头轴向通道的直径。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述第一接头、第二接头设有对应的径向通孔，或者第一接头、第二接头以及第三接头均设有对应的径向通孔。
15.作为本实用新型的进一步改进，所述单层管钻具底部安装有复合片或金刚石钻头。
16.作为本实用新型的进一步改进，所述反作用冲击器包括外壳、锤簧、活塞冲锤以及砧座，所述锤簧、活塞冲锤以及砧座在外壳内部依次设置。
17.作为本实用新型的进一步改进，所述砧座一端与所述外壳底部连接，另一端与对应的接头连接。
18.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
19.（1）本实用新型的局部反循环单层管快速取芯装置，基于常用的冲击回转复合钻进方式，采用具有径向通孔的接头、单向球阀和钻机操作的配合，在孔底取芯钻具处实现局部反循环，保证了岩芯顺利进入钻具中，提高岩芯采取率，同时提高了硬岩地层的钻进效率。
20.（2）本实用新型的局部反循环单层管快速取芯装置，结构简单，操作方便，采用的转接头均为低成本钢构件，且通用性好，可配合单层管钻具实现破碎岩体的高采取率取芯工作，有利于现场的推广使用。
附图说明
21.图1为本实用新型实施例的局部反循环单层管快速取芯装置的给进状态示意图；
22.图2为本实用新型实施例的局部反循环单层管快速取芯装置的抽吸状态示意图；
23.图3为本实用新型实施例的涉及的反作用冲击器结构示意图。
24.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-反作用冲击器、2-第一接头、3-第二接头、4-第三接头、5-单向阀、6-单层管钻具、7-岩芯；101-锤簧、102-外壳、103-活塞冲锤、104-砧座。
具体实施方式
25.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺
时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
28.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本实用新型中的具体含义。
29.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.参阅图1和图2，本实用新型的局部反循环单层管快速取芯装置，是一种基于局部反循环的反作用冲击器单层管快速取芯装置，尤其适用于破碎硬质岩地层。该取芯装置包括反作用冲击器1和单层管钻具6，反作用冲击器1和单层管钻具6之间连接有至少一个接头。该接头设有贯穿的轴向通孔，其一端与反作用冲击器1的轴向通道连接，另一端与单层管钻具6的通孔连通。接头的轴向通孔内设有单向阀5，接头内还设有贯穿的径向通孔。
31.附图所示的优选实施例中，反作用冲击器1和单层管钻具6之间设有依次连接的第一接头2、第二接头3以及第三接头4，第一接头2为冲击器接头，第二接头3为排水接头，第三接头4为钻具接头。通过多个连接头转接，在实际应用中更有利于安装操作。
32.第二接头3设置于第一接头2和第三接头4之间，第一接头2与反作用冲击器1连接，第三接头4与单层管钻具6连接。优选地，反作用冲击器1、第一接头2、第二接头3、第三接头4及单层管钻具6之间的连接方式均采用螺纹连接。
33.第一接头2、第二接头3以及第三接头4均设有对应的轴向通孔，三者轴向通孔连通形成轴向通道，且单向阀5设于该轴向通道内，即单向阀5的活动范围在三者连通形成的轴向通道内。优选地，单层管钻具6与接头连接处的通孔直径小于接头轴向通道的直径，从而对单向阀起到阻挡作用。
34.第一接头2、第二接头3设有对应的径向通孔，或者第一接头2、第二接头3以及第三接头4均设有对应的径向通孔，用于给进和抽吸的取芯过程中泥浆的流通。
35.另外，钻机的钻杆与反作用冲击器1的上部接头连接。单层管钻具6的顶部与接头连通，底部安装有复合片或者金刚石钻头。
36.需要说明的是，本实用新型采用的反作用冲击器1和单层管钻具6的结构和原理均为本领域现有技术，其具体结构在本实用新型的取芯装置中不作限制，本领域技术人员能
够根据需要进行选择。
37.以本实用新型附图所示的实施例为例，提供一种具体的反作用冲击器1，包括外壳102、锤簧101、活塞冲锤103以及砧座104。锤簧101、活塞冲锤103以及砧座104在外壳102内依次设置，其中锤簧101设于外壳102内部连接件与活塞冲锤103之间（仅接触），活塞冲锤103下方设有砧座104（两者仅接触）。砧座104一端与外壳102底部连接，另一端与第一接头2连接。
38.当高压液流进入冲击器后，从四周向下分流并作用于活塞冲锤的下部，当液流的作用使活塞上下压差克服锤簧的压缩力和活塞冲锤的重力时，迫使冲锤上行，同时压缩锤簧使其储存能量；与此同时，砧座的水路逐渐打开，高压液流开始流出冲击器，此时冲锤仍以惯性作用继续上升。当冲锤上升到极限位置时，冲锤下部的液流已畅通地流向孔底，此时工作室压力降低。由于活塞冲锤自身重量和工作弹簧释放出的能量的同时作用，驱动活塞冲锤急速向下运动而冲击砧座。产生冲击时，由于活塞冲锤和砧座接触而再次封闭了液流通向孔底的通路。此后，高压液流再一次作用于冲锤活塞的下部而循环重复上一次动作。
39.结合附图，本实用新型的局部反循环快速取芯装置，其工作原理及过程如下：
40.下钻前，在地面完成反作用冲击器1、转接头、单层管钻具6和钻头的组装。
41.钻具下入孔内后，钻机通过钻杆带动取芯装置回转给进，同时泥浆泵泵送泥浆至反作用冲击器1内，并带动反作用冲击器1作冲击功。
42.给进状态下，随着岩芯进入钻具，钻具内部液压增大，顶开单向阀5，钻具内的泥浆从单向阀5的径向通孔中流出，同时冲击器工作，上部泥浆从排水接头（第二接头3）和钻具接头（第三接头4）的径向通孔中流出，两股泥浆汇合后返回地表。
43.上提钻具时，取芯装置在孔底产生抽吸作用，形成负压，此时单向球阀关闭，冲击器停止工作，冲击器内部泥浆从冲击器接头（第一接头2）、排水接头（第二接头3）、钻具接头（第三接头4）的径向通孔中流出，同时流向地表和单层管钻具6底部。
44.根据上述原理，在钻进时，反复地提拉、下放钻具，泥浆在取芯装置附近形成冲击器—接头—孔底—钻具内部—单向阀—接头—地表的循环流动，即形成局部的反循环，从而一方面避免了泥浆对于岩芯的直接冲刷，避免了现有技术中由于冲击器和钻具直接连接而使泥浆对岩芯直接冲刷的情况，另一方面，通过负压不断给予岩芯向上的吸力，可以尽可能地保留更多的岩芯，提高岩芯采取率。
45.为保证取芯效果，优选每次的钻进回次进尺不超过1米，经过反复的向下钻进，配合提拉操作，形成钻具内部负压，使钻具保持对岩芯的抽吸状态，从而达到提高采取率的目的。
46.本实用新型提供了一种适用于破碎硬岩地层钻探取芯的高效高采取率取芯装置，选用反作用冲击器，在孔内实现冲击回转复合钻进工艺，获取高钻进效率的同时，也适应工程勘察现场泵量小、固相含量高的泥浆条件；通过具有径向通孔的接头、单向球阀和钻机操作配合，在孔底取芯钻具处实现局部反循环，即泥浆从环空间隙流入钻具，再从单向球阀处流出，尽可能多地保留破碎岩芯，促使岩芯进入岩芯管，避免岩芯丢失，提高了岩芯采取率。
47.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。