CN101235710B - 冲击式双管双动取芯装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冲击式双管双动取芯装置及其方法，涉及岩土工程勘察松散地层取样技术。本装置的结构是导正杆(1)的上端与钻机的钻杆相连，导正杆(1)的下端依次穿过穿心冲击锤(2)、冲击垫盘(3)后与外套管(4)相连，在外套管(4)的下端连接有冲击钻头(7)；穿心冲击锤(2)与钻机的卷扬钢丝绳的自动脱锤装置相连，并在冲击垫盘(3)之上；在外套管(4)的内壁设置有取样内管(5)，在取样内管(5)的下端连接有双层活页瓣簧片(6)。本发明不仅对复杂地层松散条件下勘察取样具有显著优点，也可运用于水下、海洋工程等领域的地质勘察取样。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程勘察松散地层取样技术，尤其涉及一种粉土、粉细砂、中粗砂、强风化岩等冲击式双管双动取芯装置及其方法。
具体地说，主要是针对复杂地层松散取样困难的土层进行勘探取样，突显一个回次可任意长度取样，取样内管中样品易取出、封存，且取样率和取样质量高等优点，特别适用于层理不受扰动的沉积物柱状土取样、精细分层取样、保持样品一定的原始结构和构造以及生物扰动痕迹等特殊要求的勘察取样工作。
背景技术
在海洋沉积学调查研究中，物理探测技术有突飞猛进的发展。如多波束全覆盖精密测深技术，深拖系统的高分辨率海底地形、地貌扫描成像技术，高分辨率浅、中地层结构探测技术等等。但海洋沉积物的物理探测也不能完全代替沉积物取样。只有采取到一定数量的沉积物样品，才能进行直接的结构分析、成分分析以及年代测试等，从中获取物理探测难以取到的地质信息。因此，沉积物的取样是海洋沉积学研究的重要前提和基础之一。重力活塞取样器是采取海底未固结沉积物柱状岩芯的器具之一，由于它结构简单、使用方便、一般不受水深限制而被广泛应用。关于重力式柱状取样技术，国外早在本世纪50～60年代就盛行理论研究和相应的科学实验，取得了一些重要成果。最近10多年来，国外取样器向两个方向发展，一是某些特殊功能取样器的研制，如英国重新设计的Kasten取芯器，意大利的能保持海底压力的活塞取芯器，加拿大的自控水下取芯系统以及美国的能直接测量样品密度的取样器等等；其二是向能采取长岩芯的重型化发展，如法国调查船Marion Duf resne号上使用的Kullenberg型重型取芯器重量达12t，样管长可达60m，在北大西洋取到过最长达53m的柱状岩芯。
国内的此类研究开始于60年代，盛行于70～80年代，多偏重于重力活塞取样器的研制方面，取得了一定的成绩。其他方面，特别是取样操纵和监控设备极少有人涉猎。致使我国的重力式柱状取样技术距国际先进水平相差甚远。单就所取单站柱状岩芯长度而言，至今极少突破10m大关。而且这种差距有越来越大之趋势。
为了取得层理不受扰动的沉积物柱状土样，做到精细分层取样，保持土样一定的原始结构和构造以及生物扰动痕迹，进行深入的地质与环境研究，需要研制能够满足这一要求的取样装置。
基于目前松散沉积物地层特殊的勘察取样要求，研究双管双动内冲击管取芯装置，并提出相关工艺要求，必将具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有松散地层取样技术存在的缺点和不足，提供一种冲击式双管双动取芯装置及其方法。
本发明的目的是这样实现的：
一、冲击式双管双动取芯装置(简称本装置)
如图1，本装置包括导正杆(1)、穿心冲击锤(2)、冲击垫盘(3)、外套管(4)、取样内管(5)、双层活页瓣簧片(6)和冲击钻头(7)；
其连接关系是：
导正杆(1)的上端与钻机的钻杆相连，导正杆(1)的下端依次穿过穿心冲击锤(2)、冲击垫盘(3)后与外套管(4)相连，在外套管(4)的下端连接有冲击钻头(7)；
穿心冲击锤(2)与钻机的卷扬钢丝绳的自动脱锤装置相连，并在冲击垫盘(3)之上，可沿导正杆(1)上下自由运动；
在外套管(4)的内壁设置有取样内管(5)，在取样内管(5)的下端连接有双层活页瓣簧片(6)。
本装置工作原理：
取样时，将本装置通过钻机的钻杆吊放至取样孔位，通过连接于钻机的卷扬钢丝绳上自动脱钩装置起吊穿心冲击锤(2)，使穿心冲击锤(2)在导正杆(1)上作自由落体运动，通过冲击垫盘(3)的传递形成对外套管(4)及冲击钻头(7)的冲击；冲击钻头(7)带动外套管(4)和取样内管(5)同时贯入松散地层获得进尺；冲击钻头(7)的管靴起到切削土体的作用；样品随着取样内管(5)的贯入，以较小的扰动进入取样内管(5)；当钻进至预定深度后，卷扬钢丝绳将取样内管(5)提出外套管(4)，打开对开式的取样内管(5)，将样品放置于盛样筒中，密封保存，并相应作好记录。
二、冲击式双管双动取芯方法(简称本方法)
本方法包括下列步骤：
①将导正杆(1)上端与钻机的钻杆连接；
②将本装置置于钻孔位，用钻机的卷扬钢丝绳起吊穿心冲击锤(2)至固定高度自由落下，击打冲击垫盘(3)，使本装置贯入土中；
③根据地层情况，在本装置达到预定深度后，依次卸掉导正杆(1)、穿心冲击锤(2)、冲击垫盘(3)、外套管起吊箍(4.1)和圆形调节垫块(5.1)，露出取样内管起吊箍(5.3)，将球阀(5.2)放入取样内管起吊箍(5.3)的气水通道中；
④用钻杆与取样内管起吊箍(5.3)连接，用钻机的卷扬钢丝绳提升取样内管(5)；
⑤卸除取样内管接头(5.5)，将对开式的取样内管(5)中的样品依次放入盛样筒中，密封，并做好标记，完成一个回次的冲击取样；
⑥同时加长外套管(4)和取样内管(5)，将取样内管(5)放入外套管(4)，依次连接冲击垫盘(3)、穿心冲击锤(2)和导正杆(1)，并与钻机的钻杆连接；
⑦重复步骤②～⑥，完成下一回次取样任务，直至本钻孔取样完成。
本发明具有以下优点和积极效果：
①在取样过程中，可根据需要调整本装置的长度，完成一个回次的取样工作。
②外套管能够切削土体并起到护壁作用，且可以不断接长，保证取样内管所取样品的连续性和无重叠性。
③本装置工作原理直观、结构简单、精度高、稳定性好、易于操作、拆卸方便，对安装、操作人员没有很强的技术要求。
④本发明不仅对复杂地层松散条件下勘察取样具有显著优点，也可运用于水下、海洋工程等领域的地质勘察取样。
附图说明
图1是本装置结构示意图；
图2是取样内管结构示意图；
图3.1是双层活页瓣簧片结构示意图(俯视)。
图3.2是双层活页瓣簧片结构示意图(侧视、剖面)。
其中：
1-导正杆；
2-穿心冲击锤；
3-冲击垫盘；
4-外套管，
4.1-外套管起吊箍， 4.2-顶部外套管，
4.3-可接卸外套管， 4.4-底部外套管；
5-取样内管，
5.1-圆形调节垫块， 5.2-球阀，
5.3-取样内管起吊箍， 5.4-顶部对开取样管，
5.5-取样内管接头， 5.6-可接卸对开取样管，
5.7-底部对开取样管；
6-双层活页瓣簧片，
6.1-外层旋弧活页瓣， 6.2-内层旋弧活页瓣，
6.3-活页瓣固定螺钉， 6.4-簧片固定螺钉，
6.5-活页瓣固定环；
7-冲击钻头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
一、本装置按图1、图2、图3.1和图3.2生产、安装。
二、各部件结构及其功能
1、导正杆(1)
如图1，导正杆(1)是一种中空圆形长杆，要求外壁光滑，起连接和导轨的作用。
2、穿心冲击锤(2)
如图1，穿心冲击锤(2)是一种中空圆柱型金属锤，要求内壁光滑，且其内径比导正杆(1)外径大2mm左右为宜，其重量可根据土层的软硬程度调整。
3、冲击垫盘(3)
如图1，冲击垫盘(3)是一种中空圆形金属盘，起传力和缓冲的作用。
4、外套管(4)
如图1，外套管(4)包括上下依次连接的外套管起吊箍(4.1)、顶部外套管(4.2)、可接卸外套管(4.3)和底部外套管(4.4)；
实际应用中，外套管(4)是一种地质钢管，其外径为Φ127mm，壁厚为8mm，每节长度1000mm，一端内攻丝，另一端外攻丝，内壁光滑。两节可接卸外套管(4.3)可直接对接。
外套管起吊箍(4.1)中心设置有气水通道，在本装置贯入过程中，进入取样内管(5)中的土样上部的气、水可以通过气水通道和导正杆(1)及钻杆中心孔道排除，避免形成气水塞。
5、取样内管(5)
如图1、2，取样内管(5)包括上下依次连接的圆形调节垫块(5.1)、球阀(5.2)、取样内管起吊箍(5.3)、顶部对开取样管(5.4)、取样内管接头(5.5)、可接卸对开取样管(5.6)、底部对开取样管(5.7)；
实际应用中，取样内管(5)是一种对开式地质钢管，其外径为Φ108mm，壁厚5mm，每节长度1000mm，两端外攻丝，内壁打磨光滑，作防锈处理。以外径Φ108mm，长度100mm内攻丝的内取样管接头(5.5)相互连接。
内管起吊箍(5.3)中心设置有气水通道，提升取样内管时，将球阀(5.2)放入内管起吊箍(5.3)的气水通道中，阻断取样内管(5)与上部的气水通道，在提升过程中形成一定的真空度，并阻挡了取样内管(5)外水压力作用，避免提升过程中钻孔的抽吸作用。
6、双层活页瓣簧片(6)
如图1、3.1、3.2，双层活页瓣簧片(6)包括外层旋弧活页瓣(6.1)、内层旋弧活页瓣(6.2)、活页瓣固定螺钉(6.3)、簧片固定螺钉(6.4)和活页瓣固定环(6.5)；
外层旋弧活页瓣(6.1)和内层旋弧活页瓣(6.2)通过活页瓣固定螺钉(6.3)固定在活页瓣固定环(6.5)上；
双层活页瓣簧片(6)通过簧片固定螺钉(6.4)与底部对开取样管(5.7)相对固定。
外、内层旋弧活页瓣(6.1、6.2)为一种带尾翼的旋弧型簧片。簧片在土样进入时打开，提取土样时，由于簧片的弹性支撑作用及双层设计，更能防止松散土样脱落，确保土样的连续性和下一回次土样不重叠，减少传统取样清孔所带来的麻烦。
7、冲击钻头(7)
冲击钻头(7)为一种常用钻头，起切削土样的作用。
三、注意事项
钻具组装在钻头与套管、套管与套管及钻杆连接处的螺纹拧紧的情况下，不仅要切实保证取样内管(5)下端立在钻头内台肩上，而且调节垫块要合适，确保取样内管(5)与外套管(4)紧密接触；这样在钻进过程中，就不至于使样品进入内外管的环状间隙内，防止钻时出现故障。
为防止孔斜，开孔时吊锤行程宜控制在0.3～0.5m，打入1根套管后，锤击行程可逐渐增高到0.5～1.5m，锤击频率15～25次/分。
Claims (2)
1.一种冲击式双管双动取芯装置，其特征在于：
包括导正杆(1)、穿心冲击锤(2)、冲击垫盘(3)、外套管(4)、取样内管(5)、双层活页瓣簧片(6)和冲击钻头(7)；
其连接关系是：
导正杆(1)的上端与钻机的钻杆相连，导正杆(1)的下端依次穿过穿心冲击锤(2)、冲击垫盘(3)后与外套管(4)相连，在外套管(4)的下端连接有冲击钻头(7)；
穿心冲击锤(2)与钻机的卷扬钢丝绳的自动脱锤装置相连，并在冲击垫盘(3)之上；
在外套管(4)的内壁设置有取样内管(5)，在取样内管(5)的下端连接有双层活页瓣簧片(6)；
所述的外套管(4)包括上下依次连接的外套管起吊箍(4.1)、顶部外套管(4.2)、可接卸外套管(4.3)和底部外套管(4.4)；
所述的取样内管(5)包括上下依次连接的圆形调节垫块(5.1)、球阀(5.2)、取样内管起吊箍(5.3)、顶部对开取样管(5.4)、取样内管接头(5.5)、可接卸对开取样管(5.6)、底部对开取样管(5.7)。
所述的双层活页瓣簧片(6)包括外层旋弧活页瓣(6.1)、内层旋弧活页瓣(6.2)、活页瓣固定螺钉(6.3)、簧片固定螺钉(6.4)和活页瓣固定环(6.5)；
外层旋弧活页瓣(6.1)和内层旋弧活页瓣(6.2)通过活页瓣固定螺钉(6.3)固定在活页瓣固定环(6.5)上；
双层活页瓣簧片(6)通过簧片固定螺钉(6.4)与底部对开取样管(5.7)相对固定；
外、内层旋弧活页瓣(6.1、6.2)为一种带尾翼的旋弧型弹簧片。
2.按权利要求1所述装置的一种冲击式双管双动取芯方法，其特征在于包括下列步骤：
①将导正杆(1)上端与钻机的钻杆连接；
②将本装置置于钻孔位，用钻机的卷扬钢丝绳起吊穿心冲击锤(2)至固定高度自由落下，击打冲击垫盘(3)，使本装置贯入土中；
③根据地层情况，在本装置达到预定深度后，依次卸掉导正杆(1)、穿心冲击锤(2)、冲击垫盘(3)、外套管起吊箍(4.1)和圆形调节垫块(5.1)，露出取样内管起吊箍(5.3)，将球阀(5.2)放入取样内管起吊箍(5.3)的气水通道中；
④用钻杆与取样内管起吊箍(5.3)连接，用钻机的卷扬钢丝绳提升取样内管(5)；
⑤卸除取样内管接头(5.5)，将对开式的取样内管(5)中的样品依次放入盛样筒中，密封，并做好标记，完成一个回次的冲击取样；
⑥同时加长外套管(4)和取样内管(5)，将取样内管(5)放入外套管(4)，依次连接冲击垫盘(3)、穿心冲击锤(2)和导正杆(1)，并与钻机的钻杆连接；
⑦重复步骤②～⑥，完成下一回次取样任务，直至本钻孔取样完成。
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