CN107153015B - 一种用于采集土壤中的气体的钻具 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于采集土壤中的气体的钻具，结构包括钻杆、封盖螺旋杆以及钻头。钻杆与把手连接，封盖螺旋杆的一端与钻杆连接，另一端与钻头连接，在钻杆和封盖螺旋杆的内部设有取气管，取气管贯穿钻杆与封盖螺旋杆。在钻头内部设有与取气管的入口相连通的集气室和与集气室相连通并垂直于钻头的轴向向外延伸的多个进气通道。其中，在进气通道的入口处设有弹性件，弹性件的一端固定在进气通道上，另一端自由覆盖相邻的进气通道的入口，弹性件能随把手的旋转而带动钻杆以及封盖螺旋杆正反旋转以关闭或打开进气通道的入口。本发明的钻具解决了钻头进气孔易堵的问题，提高了取气质量。

Description

一种用于采集土壤中的气体的钻具

技术领域

本发明涉及地气采集技术领域，尤其涉及一种用于采集土壤中的气体的钻具。

背景技术

众所周知，土壤游离烃用于油气勘探始于20世纪30年代，该技术是先利用气体采集器收集土壤孔隙中的气体，再分析气体中烃类成分，以进行油气化学勘探。土壤游离烃的采集方法一般分为主动法和被动法，被动法不需要任何抽气装置。而主动法分为主动抽取法和主动浓集法，主动抽取法是直接抽取土壤中的气体，主动浓集法是令一定体积的气体以恒速通过一种捕集器，从而选择吸收指定成分的气体。

上述多种取样方法的共同点是：先在取样点用钢钎打一深孔，再采用一种措施隔绝孔内气体与大气之间的交换，最后用气泵或注射器抽取孔内气体。孔口的密封以及如何防止上部气体的混入是取样过程中的一个难点。现有技术中的几种气体主动抽取采集法都是将抽气与集气相分离，采集深度一般为一米范围内。近几年涌现出大量的壤中气采集装置，例如，用锤子砸入土壤中的钢钎类采集装置以及用机械力或人力旋入土壤中的螺旋钻。

真空螺旋钻具主要是用电动力破土钻孔，达到层位后直接抽气。上述钻具的密封是依靠集气螺旋片与普通螺旋钻杆对土质的排粉所产生的压实作用来完成的，主要用于黄土塬区，需要钻机配套。然而，上述钻具操作烦琐，由于将抽气与集气分为两个步骤进行，易造成因操作不当而导致大气混入的问题，难以保证采集质量。另外，真空螺旋钻也不能采集指定深度区域内的气体，所采的气体易受浅表气体呼吸、生物根系呼吸等造成的波动，稳定性不好限制了采集深度。对于湿润土壤区壤中的气体，由于抽取一定量气体后，孔内就会发生积水现象，所以在湿润土壤区中采集气体也受到限制。而螺旋钻具中钻头进气孔易堵的问题也势必会影响取气质量，难以进行大面积施工。

因此，需要一种携带和维护方便，使用性能可靠并适应野外工程需要的，集采气、集气为一体的气体采集装置。

发明内容

为了解决上述部分或全部技术问题，本发明提供了一种用于采集土壤中的气体的钻具。钻具包括钻杆、封盖螺旋杆以及钻头。钻杆与把手连接，封盖螺旋杆的一端与钻杆连接，另一端与钻头连接，在钻杆和封盖螺旋杆的内部设有取气管，取气管沿轴向贯穿钻杆和封盖螺旋杆。在钻头内部设有与取气管的入口相连通的集气室和与集气室相连通并垂直于钻头的轴向向外延伸的多个进气通道。其中，在进气通道的入口处设有弹性件，弹性件能随把手的旋转而带动钻杆以及封盖螺旋杆正反旋转以关闭或打开进气通道的入口。在这种情况下，弹性件在钻具钻进时受到土壤的压力而封堵进气通道的入口，当钻具到达土壤中的目标层位后，反转钻具，弹性件受到的压力撤销，进气通道的入口被打开。因此，解决了钻头进气孔易堵的问题，提高了取气质量。

进一步地，在钻头的外壁上沿周向设有环状的凹槽，进气通道垂直于钻头的轴向由集气室向外延伸至凹槽内。由此，进气通道的入口沿着周向布置在钻头的凹槽内。当钻具钻进采气时，气体从多个进气通道的入口处同时进气，提高了钻进和透气效率。优选地，凹槽设置在距离钻头底部2至2.5cm处。

进一步地，在凹槽的外侧设有能覆盖弹性件的金属网。由此，可以保护凹槽内的弹性件以及进气通道，以避免不必要的磨损或堵塞。

进一步地，进气通道的数量为偶数。具体地，进气通道的数量为4至8个，优选为6个。由此，方便在进气通道的入口处均匀地设置弹性件。

进一步地，在间隔分布的进气通道上设有能固定弹性件的固定件。具体地，可以在3个间隔分布的进气通道的内壁上构造有能与固定螺钉相配合的螺纹。由此，可以将弹性件间隔固定在进气通道上。

进一步地，弹性件为弧状的弹性簧片，弹性簧片的弧度大于相邻的两个进气通道之间的夹角所对应的弧度。弹性件的一端固定在间隔分布的进气通道上，弹性簧片的另一端自由覆盖与间隔分布的进气通道相邻的进气通道的入口。由此，弹性簧片可以随钻具的正反旋转而关闭或打开进气通道的入口。

进一步地，在被弹性簧片自由覆盖入口的进气通道内设有多孔弹性塞。优选地，多孔弹性塞为环形弹簧。由此，可以进一步地确保弹性簧片被打开。

进一步地，钻杆能通过反转防脱落接口多级连接。具体地，反转防脱落接口采用一字型公接口和母接口对接后螺旋锁紧并通过圆环固定。由此，可以将多级钻杆进行连接以确保钻具适应不同深度的采集需要，同时还可以动态拆卸钻杆组装方便。

本发明的优点在于：(1)通过在进气通道的入口处设置弹性件，有效解决了钻头进气通道易堵的问题。(2)通过弹性件与多个进气通道的配合设置，使得本发明的钻具与传统的钻具相比，去掉了滤芯简化了钻头内部的结构，并减小了集气室占用的空间，提高了气体排空的效果。(3)多个进气通道的设置方式使得钻具的强度和使用寿命得以提高。(4)通过反转防脱落接口多级连接钻杆，确保了钻具适应不同深度的采集需要，同时组装容易操作简单。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明实施例的用于采集土壤中气体的钻具的结构示意图；

图2为本发明实施例的钻头的内部结构示意图；以及

图3为本发明实施例的钻头的外部结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种用于采集土壤中的气体的钻具100。钻具100的结构主要包括：钻杆10、封盖螺旋杆1以及钻头6。钻杆10与把手11连接，封盖螺旋杆1的一端与钻杆10连接，另一端与钻头6连接，在钻杆10和封盖螺旋杆1的内部贯穿设有取气细长管2。在钻头6内部设有与取气细长管2的入口相连通的集气室7和与集气室7相连通并垂直于钻头6的轴向向外延伸的多个进气通道9。其中，在进气通道9的入口处设有弹性件，弹性件能随把手11的旋转而带动钻杆10以及封盖螺旋杆1正反旋转以关闭或打开进气通道9的入口。在这种情况下，弹性件在钻具100钻进时受到土壤的压力而封堵进气通道9的入口，当钻具100到达土壤中的目标层位后，反向旋转钻具100，弹性件受到的压力撤销，进气通道9的入口被打开。因此，解决了钻具100的进气孔易堵的问题，提高了取气质量。

在本发明的一个具体的实施例中，如图1所示，钻具100包括锥形的钻头6、封盖螺旋杆1、钻杆10以及把手11。把手11与钻杆10通过紧固螺栓16垂直连接。取气毛细管2内置贯穿于钻杆10与封盖螺旋杆1内，并穿出把手11端能与取气设备相接。取气毛细管2的另一端依次穿过螺柱3、密封垫4和压紧螺栓5后与集气室7连通。封盖螺旋杆1为外周设有双道螺旋刀的中空螺旋体。封盖螺旋杆1的外轮廓从与钻头6的连接端起由细逐渐变粗直到过渡到与钻杆10等直径，且其余部分为与钻杆10等直径。封盖螺旋杆1的一端与钻头6螺纹连接，另一端外周上设有反向螺纹可与钻杆1等径连接。在这种情况下，封盖螺旋杆1的渐变部分保证了钻具100在钻进过程中的密封性；而等径部分则保证了钻具100反转过程中的密封性。

在本发明的一个具体的实施例中，如图2所示，在锥形的钻头6的外壁上沿周向设有环状的凹槽9’。多个进气通道9垂直于钻头6的轴向由集气室7向外延伸至凹槽9’内，优选地，进气通道9的数量为6个。即，进气通道9将钻头6的外部与钻头内部的集气室7相连通。在这种情况下，采集到的气体可以从钻头6外部通过进气通道9进入钻头内部的集气室7中，再经取气细长管2进入到取气设备中。

在本发明的一个具体的实施例中，如图2所示，为了避免进气通道9的入口在钻进的过程中被土壤堵塞，在进气通道9上设有弹性件。优选地，弹性件为弧状的弹性簧片12。弹性簧片12的一端121固定在进气通道上，另一端122自由覆盖相邻的进气通道的入口。弹性簧片12的弧度大于等于相邻的两个进气通道9之间的夹角的角度。如图2所示，当进气通道9为6个等间距设置的管道时，弹性簧片12为3个，弹性簧片12的弯曲弧度大于等于60°。在一个优选的实施例中，弹性簧片12的一端通过固定螺钉14与进气通道9上的内螺纹相配合；弹性簧片12的另一端122自由覆盖相邻的进气通道9的入口。在被覆盖的进气通道9内设有多孔弹性塞13，例如，可以为环形弹簧。

为了更好地避免环状凹槽9’内的进气通道9被磨损或堵塞，在环状凹槽9’的外侧，具体地，在弹性簧片12的外侧覆盖有进一步保护进气通道9的金属网15，如图3所示。另外，由于钻头6为圆锥形，体积比较小，在与封盖螺旋杆1连接或拆卸时，不便于握住。因此，优选在钻头6上设置一拆卸孔8。在拆卸孔8中可以插入一杆件，在这种情况下，握住杆件就可以旋紧或拆下钻头6。拆卸孔8中有一通气孔与集气室7相通，从而集气室7又增加一条通气管道。上述通气孔的位置比环形凹槽9’中的通气孔稍低，更有利于采气。

综上所述，本发明提供的一种用于采集土壤中的气体的钻具100，在钻头6内设置集气室7，在钻头6外部设有一环形凹槽9’。在环形凹槽9’内布有6个等间距隔开的进气通道9与集气室7相通。在一半的进气通道9的入口处设有内螺纹，以用固定螺钉14固定弹性簧片12的一端121。弹性簧片12的另一端122延展覆盖相邻的进气通道9。在无螺纹的进气通道9内，即，被弹性簧片12的另一端122覆盖的进气通道9内填充有多孔弹性塞13，在环形凹槽9’的外层设有金属网15环绕。

当钻具100钻进时，弹性簧片12受到周围土壤压力的作用而封闭进气通道9的入口。当钻具100达到目的层位进行采气时，反转钻具100，弹性簧片12所受压力撤销，进气通道9开启，进而保证了钻具100进气孔自动开合。进气通道9内内置多孔弹性塞13进一步保证了弹性簧片12所受压力撤销后开启进气口，提高采气质量。本发明的用于采集土壤中气体的钻具100，有效解决了野外施工过程中进气口易堵的问题，且组装容易操作简单。同时，反转防脱落部件保证了钻杆10可以多级连接，以使钻具能适应不同深度的采集需要，提高了接口的强度，使拆卸和运输更为方便。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于采集土壤中的气体的钻具，其特征在于，包括：

钻杆，与把手连接；

封盖螺旋杆，一端与所述钻杆连接，另一端与钻头连接；在所述钻杆和封盖螺旋杆的内部设有取气管，所述取气管沿轴向贯穿所述钻杆和封盖螺旋杆；

钻头，内部设有与所述取气管的入口相连通的集气室和与所述集气室相连通并垂直于所述钻头的轴向向外延伸的多个进气通道；

在所述进气通道的入口处设有弹性件；

其中，所述弹性件的一端固定在所述进气通道上，另一端自由覆盖相邻的所述进气通道的入口，所述弹性件能随所述把手的旋转而带动所述钻杆以及封盖螺旋杆正反旋转以关闭或打开所述进气通道的入口。

2.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于，在所述钻头的外壁上沿周向设有环状的凹槽，所述进气通道垂直于所述钻头的轴向由集气室向外延伸至所述凹槽内。

3.根据权利要求2所述的钻具，其特征在于，在所述凹槽的外侧设有能覆盖所述弹性件的金属网。

4.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于，所述进气通道的数量为偶数。

5.根据权利要求4所述的钻具，其特征在于，在间隔分布的进气通道上设有能固定所述弹性件的固定件。

6.根据权利要求5所述的钻具，其特征在于，所述弹性件的一端固定在所述间隔分布的进气通道上，所述弹性件的另一端自由覆盖与所述间隔分布的进气通道相邻的进气通道的入口。

7.根据权利要求6所述的钻具，其特征在于，所述弹性件为弧状的弹性簧片，所述弹性簧片的弧度大于相邻的两个所述进气通道之间的夹角所对应的弧度。

8.根据权利要求7所述的钻具，其特征在于，在被所述弹性簧片自由覆盖入口的进气通道内设有多孔弹性塞。

9.根据权利要求8所述的钻具，其特征在于，所述多孔弹性塞包括环形弹簧。

10.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于，所述钻杆能通过反转防脱落接口多级连接。